Веселая ферментация: влияние микроорганизмов на ферментацию бобовыхВеселая ферментация: влияние микроорганизмов на ферментацию бобовых
Ферментированные продукты глубоко укоренились в мировой пищевой культуре. Рецепты многих из них тщательно охраняются, передаются из поколения в поколение и окутаны тайной.
Сообщества микроорганизмов, входящих в состав ферментированных продуктов, часто разнообразны, но, как правило, лишь несколько видов вносят существенный вклад в конечный продукт. Кроме того, ферментированные продукты и напитки со схожими вкусовыми характеристиками часто ферментируются одинаковыми микробами или, по крайней мере, микробами, осуществляющими схожие метаболические процессы. Исследуя разнообразие ферментаций из практически одинакового исходного материала, мы можем наблюдать, какое влияние оказывают микробы на конечный продукт.
Роль брожения в развитии микробиологии трудно переоценить. Значительные достижения в ранней истории микробиологии были связаны с попытками понять, почему некоторые процессы брожения идут неправильно. Например, в середине 1800-х годов Луи Пастер заметил, что вино прокисает из-за того, что его колонизируют более мелкие, чем дрожжи, организмы, которые оказались молочнокислыми бактериями.
С метаболической точки зрения брожение представляет собой процесс, в котором органические молекулы выступают в роли доноров и акцепторов электронов. В качестве микроорганизмов, вызывающих брожение, могут выступать либо микробы, которые изначально присутствуют в продукте (так называемое спонтанное брожение), либо часть предыдущей закваски, известная как стартерная, материнская или обратная (backslop).
Стартовые культуры обычно помогают ускорить первые этапы ферментации. Это связано с тем, что закваска засевает продукт более многочисленной популяцией организмов, чем те, которые присутствуют на исходном материале. Кроме того, стартовые культуры могут обеспечить более высокую стабильность и качество ферментации за счет сохранения сходных организмов. В крупномасштабном производстве, как правило, используются заквасочные культуры, в то время как во многих традиционных ферментированных продуктах используются местные сообщества микроорганизмов. Люди поддерживают закваски в течение длительного времени, чтобы быть уверенными в том, что они смогут продолжать готовить ферментированные продукты, которые им нравятся.
Микробиологические процессы, лежащие в основе ферментации пищевых продуктов, очень динамичны, многие процессы характеризуются несколькими стадиями, поскольку микробы меняют свою среду обитания по мере добавления каждого продукта метаболизма. Кроме того, для различных продуктов брожения характерны разные микроорганизмы, которые вносят свой вклад в уникальные вкусовые характеристики.
Как ферментация формирует продукты питания
Ферментация влияет на 5 основных аспектов пищи:
- Сохранность.
- Перевариваемость.
- Снижение токсинов.
- Пробиотики.
- Вкус.
Консервация
Ферментация часто ассоциируется с идеей сохранения продуктов питания. Это связано с тем, что микробы, образующиеся в процессе брожения, воздействуют на окружающую среду таким образом, что это исключает многие из микроорганизмов, вызывающих прогоркание или приводящих к заболеваниям. Например, при кислом брожении молочнокислые бактерии вырабатывают кислоты, которые устраняют опасные микроорганизмы, такие как Clostridium.
Усвояемость и снижение содержания токсинов
Ферментация может способствовать употреблению здоровой пищи, улучшая ее усвояемость и снижая уровень токсинов. Это особенно верно в отношении сои, а также многих других продуктов растительного происхождения. Растительная масса часто состоит из молекул, снижающих биодоступность питательных веществ, подавляющих пищеварительные ферменты или даже нарушающих общую работу клеток. В процессе ферментации ферменты микроорганизмов способны расщеплять многие из этих токсинов, в том числе цианогенные гликозиды, которые могут подавлять клеточное дыхание. Кроме того, некоторые токсины удаляются в процессе приготовления, например, при удалении внешней оболочки стручков семян или при варке.
Пробиотики
Считается, что польза ферментированных продуктов для здоровья не ограничивается только облегчением их переваривания и снижением токсичности. В частности, ученых очень интересует влияние микроорганизмов, входящих в состав заквасок, как потенциальных пробиотиков. Существуют неоднозначные данные о влиянии ферментированных продуктов на здоровье кишечника. Считается, что многие из этих микробов, связанных с пищей, являются транзиторными и обладают ограниченной способностью колонизировать кишечник, то есть они просто проходят через пищеварительный тракт (или что-то в этом роде).
Тем не менее, одно из исследований показывает, что некоторые ситуации дисбактериоза могут быть смягчены с помощью молочнокислых бактерий из кисломолочного продукта типа кефира. Авторы изучали способность микроорганизмов (консорциум из Bfidobacteria, Lactococcus, Lactobacillus и Streptococcus) из пробиотического напитка колонизировать кишечник крыс с различным исходным микробиомом. Они отметили, что особи, у которых не сохранялся Lactococcus lactis, имели более устойчивый микробиом, который характеризовался более высоким относительным обилием Lachnospiraceae. Это позволяет предположить, что микробиомы, переживающие период флюктуации, с большей вероятностью будут подвержены влиянию пробиотиков в ферментированных продуктах.
Вкус
И, конечно же, вкус! Вторичные метаболиты, такие как молочные кислоты, сложные эфиры и свободные аминокислоты, образующиеся в процессе ферментации, могут существенно изменять вкусовой профиль продукта. Например, в заквасках баланс молочнокислых бактерий и дрожжей определяет, насколько кислым получится хлеб. Более высокая доля молочнокислых бактерий приводит к получению более кислого хлеба. Кроме того, изменяя условия окружающей среды, можно влиять на метаболические пути, стимулируя тем самым выработку различных кислот или эфиров, которые также влияют на вкусовую характеристику продукта.
Возвращение к основам: щелочное брожение
Обычно мы считаем, что ферментация это анаэробный процесс, однако это не всегда так. В западной кухне ферментированные продукты обычно являются кислыми, однако ферментированные продукты могут быть получены и в результате щелочных процессов или иметь фазы с различным уровнем pH. Кислотная ферментация - ферментация, приводящая к снижению pH, - является хорошо изученным процессом. Однако меньше литературы существует по щелочной ферментации, при которой аминокислоты метаболизируются до аммиака, что повышает рН.
Продукты, подвергающиеся щелочной ферментации, как правило, более богаты белками и обычно включают бобовые (например, сою) и семена. Например, натто, давадава и кинэма - это щелочные ферментированные продукты, приготовленные из бобовых. В большинстве щелочных ферментированных продуктов используются местные микробные сообщества, среди которых после обогащения их в процессе приготовления, как правило, в большом количестве присутствуют виды Bacillus.
Натто демонстрирует высокую степень вязкости.
Источник: Wikimedia Commons
Натто, ферментированный продукт из соевых бобов, характеризующийся наличием вязких полимеров, связывающих бобы воедино, подвержен влиянию микробных процессов по многим направлениям. Производство натто из соевых бобов происходит при выделении Bacillus subtilis подвида natto протеаз, расщепляющих белки вымоченных и приготовленных соевых бобов. Затем в результате вторичной ферментации под действием глутаматдегидрогеназы и уреазы появляется характерный для натто запах аммиака. Нити натто состоят в основном из поли-гамма-глутамата (γ-PGA) - внеклеточной полимерной субстанции (EPS) Bacillus subtilis (natto). EPS, получаемый при производстве натто, представляет интерес и как полимер для производства продуктов, в том числе биоразлагаемых волокон, поглотителей тяжелых металлов и др.
Другая щелочная закваска, создаваемая бациллами, - приправа на основе семян из Западной Африки, известная под названиями давадава, огири, сумбала, иру, нетету и др. Для приготовления давадавы семена фасоли (или другие крупные семена) отваривают и очищают от шелухи, а затем ферментируют в течение нескольких дней до появления вкуса. Первичным микроорганизмом, участвующим в ферментации, часто является Bacillus subtilis; другие микроорганизмы включают представителей родов Leuconostoc, Staphylococcus и Micrococcus. Информация о роли грибков в процессе ферментации ограничена. Считается, что процесс приготовления способствует преобладанию бацилл, поскольку они способны образовывать термостойкие споры, а инокуляция семян спорами Bacillus subtilis улучшает воспроизводимость процесса ферментации.
Кинема производится аналогично давадаве, но из соевых бобов и в другом регионе - в Восточных Гималаях. При ферментации кинэма, как и натто, образуются вязкие полимеры, но в несколько меньшей степени, чем при ферментации натто. В ферментации также участвуют местные микроорганизмы, в первую очередь Bacillus и другие Firmicutes. Из грибов основными видами являются Wallemia canadensis и Pichia sporocuriosa, но их функциональная роль не вполне определена. Как и в случае с другими щелочными ферментами, микробы выделяют аминокислоты, которые обеспечивают человека готовым источником питательных веществ, а также придают ему вкус, напоминающий вкус мяса.
Шарики готового давадава.
Источник: Wikimedia Commons
Ферментация соевых бобов под действием плесеней
Как и щелочные ферменты, многие другие продукты с высоким содержанием белка, такие как бобы и семена, ферментируются с помощью плесеней. Плесневые ферменты, как правило, формируются под действием всего нескольких видов плесеней: Rhizopus, Mucor и Aspergillus. По сравнению со многими бактериальными ферментами, ферменты на основе плесени часто ферментируются при несколько более высоких температурах. Методы размножения также несколько отличаются от бактериальных культур, так как часто бывает полезно подождать, пока часть культуры спорадирует, чтобы затем перенести ее на следующую закваску.
Кусок темпе, завернутый в большой лист.
Источник: Wikimedia Commons
Темпе и коджи - это два вида ферментов из соевых бобов, в производстве которых участвуют плесени. Производство темпе включает в себя замачивание, варку и сушку бобов с последующей инокуляцией стартовой культурой Rhizopus. Затем эта смесь формируется в форме (обычно в виде брусков) и покрывается воздухопроницаемой оберткой. За этим процессом необходимо следить и перемешивать довольно тщательно, так как внутренняя часть ферментируемого темпе может стать слишком теплой в результате метаболизма плесени. По мере роста плесень образует мицелий, который скрепляет блок темпе. Этот процесс ферментации обычно занимает 1,5-3 дня, в зависимости от температуры и исходной закваски.
Rhizopus улучшает качество питательных веществ сои, расщепляя белки, делая железо более биодоступным и удаляя токсичные соединения. Коджи, с другой стороны, обычно производится с использованием видов Apsergillus, но для его изготовления используются не только соевые бобы, но и различные исходные продукты, включая рис и ячмень. Коджи является исходной культурой для других продуктов, включая мисо, соевый соус и саке. Интересно, что в некоторых продуктах, например в амазаке, коджи используется в качестве источника ферментов, а не для роста самой плесени. При приготовлении амазаке используется высокая температура, стимулирующая активность ферментов, которые высвобождают сахар из риса для приготовления пудинга или напитков.
Ферментация расширяет круг продуктов, которые мы можем употреблять в пищу, и количество времени, в течение которого мы можем съесть их, прежде чем они испортятся. Различные процессы ферментации и организмы используются для получения совершенно разных вкусов, что мы и продемонстрировали, изучив процессы ферментации, используемые для приготовления натто, давадава, кинэма, а также темпе и коджи.
