Ζυµώσεις Τροφίµων Σκοποί! Συντήρηση Τροφίµων! Παραγωγή Οξέος! Ελάττωση ενέργειας! Αύξηση Πυκνότητας θρεπτικών o Πολύπλοκα θρεπτικά σε απλά o ιάσπαση φυτικών δοµών o Σύνθεση βιταµινών Ζυµώσεις A. Εισαγωγή 1. Οι "καλοί" µικροοργανισµοί χρησιµοποιούνται για τη συντήρηση των τροφίµων ή προσφέρουν επιθυµητά οργανοληπτικά χαρακτηριστικά στο τρόφιµο 2. Η ζύµωση είναι η παλαιοτέρα µέθοδος συντηρήσεως και επίσης από τις πρώτες βιοτεχνολογικές τεχνικές που εφαρµόσθηκαν στα τρόφιµα 3. Από τους αρχαιοτάτους χρόνους παραγόταν και καταναλωνόταν προϊόντα ζυµώσεως όπως ψωµί, κρασί, µπύρα, τυρί, προϊόντα κρέατος και λαχανικά (τουρσιά) 4. Η ζύµωση συνήθως περιλαµβάνει τη δράση µικροοργανισµών, την έκκριση καταλλήλων ενζύµων και την ενζυµική διάσπαση πολυπλόκων υδατανθράκων α. Οι πολυσακχαρίτες ή οι δισακχαρίτες υδρολύονται προς γλυκόζη β. Η γλυκόζη κατόπιν καταναλώνεται από τους µικροοργανισµούς για να παραχθεί µια σειρά από οργανικά προϊόντα B. Κατηγορίες ζυµώσεων τροφίµων 1. Ζύµωση µε βακτήρια Παραδείγµατα: Γιαούρτι, τυρί, σαλάµι αέρος, χοιροµέρι, λάχανο τουρσί, πίκλες, ελιές 2. Ζύµωση µε ζυµοµύκητες Παραδείγµατα: ψωµί, κρασί, µπύρα, οινοπνευµατώδη 3. Ζύµωση µε βακτήρια και ζυµοµύκητες Παραδείγµατα: ξύδι, ψωµί µε ξινό προζύµι 4. Ζύµωση µε ευρωτοµύκητες
Παραδείγµατα: κιτρικό οξύ, σάλτσα σόγιας, µπλε τυρί, Roquefort, Gorgonzola Συντήρηση των Τροφίµων µε Ζύµωση A. Βασικές αρχές Στις ζυµώσεις των τροφίµων χρησιµοποιείται η ελεγχοµένη δράση επιλεγµένων µικροοργανισµών για τη µεταβολή της υφής των τροφίµων, για τη συντήρηση των τροφίµων µε παραγωγή οξέων ή αλκοόλης και για την παραγωγή γευστικών, οσµηρών και αρωµατικών ενώσεων, οι οποίες βελτιώνουν την ποιότητα και την αξία των πρώτων υλών. Σήµερα, η συντηρητική δράση ενισχύεται µε άλλες επεξεργασίες, όπως η ψύξη και η παστερίωση, καθώς και η κατάλληλη συσκευασία. Κύρια πλεονεκτήµατα της ζυµώσεως ως µεθόδου επεξεργασίας των τροφίµων είναι: 1. Η χρήση ηπίων συνθηκών ph και θερµοκρασίας τα οποία διατηρούν και συχνά βελτιώνουν τη θρεπτική αξία και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των τροφίµων. 2. Η παραγωγή τροφίµων τα οποία έχουν γεύση-οσµή ή υφή, τα οποία δεν µπορούν να επιτευχθούν µε άλλες µεθόδους. 3. Χαµηλή κατανάλωση ενεργείας οφειλοµένη στις ήπιες συνθήκες λειτουργίας. 4. Σχετικά χαµηλό λειτουργικό κόστος και κόστος κεφαλαίου. 5. Γενικά απλή τεχνολογία. Ο διαχωρισµός των ενζύµων από τα µικροβιακά κύτταρα ή από ζωικές και φυτικές πηγές για χρήση in vitro στην επεξεργασία των τροφίµων αποτελεί µια σχετικά πιο πρόσφατη πρόοδο. Τα διαχωρισθέντα και καθαρισθέντα ένζυµα ονοµάζονται τεχνικά ένζυµα. Προστίθενται στα τρόφιµα µε τη µορφή πυκνών διαλυµάτων ή σκόνεων για να επιτελέσουν ειδικές αντιδράσεις υπό ήπιες συνθήκες θερµοκρασίας και ph. Τα ένζυµα µπορούν επίσης να ακινητοποιηθούν επί υλικών υποστηρίξεως εντός ενός αντιδραστήρα, όπου ξαναχρησιµοποιούνται για εκτεταµένες χρονικές περιόδους. Κύρια πλεονεκτήµατα των τεχνικών ενζύµων είναι: 1. Υψηλώς εξειδικευµένες µεταβολές στα τρόφιµα. 2. Ελαχίστη απώλεια της θρεπτικής αξίας του τροφίµου. 3. Χαµηλοτέρα κατανάλωση ενεργείας από τις αντίστοιχες χηµικές αντιδράσεις. 4. Παραγωγή νέων τροφίµων. Οι κύριοι παράγοντες, οι οποίοι ελέγχουν τη µικροβιακή ανάπτυξη κατά τις ζυµώσεις των τροφίµων είναι: 1. Η διαθεσιµότητα των πηγών άνθρακα και αζώτου, και των ειδικών θρεπτικών τα οποία απαιτούνται για τον ειδικό µικροοργανισµό. 2. Το ph του υποστρώµατος. 3. Η θερµοκρασία επωάσεως. 4. Η περιεκτικότητα υγρασίας.
5. Το δυναµικό οξειδοαναγωγής. 6. Το στάδιο αναπτύξεως του µικροοργανισµού. 7. Η παρουσία άλλων ανταγωνιστικώς δρώντων µικροοργανισµών Β. Προϊόντα Ζυµώσεως Στη βιοµηχανία των ζυµώσεων, οι µικροοργανισµοί χρησιµοποιούνται για την παραγωγή ειδικών µεταβολιτών, όπως οξέα, αλκοόλη, ένζυµα, αντιβιοτικά και υδατάνθρακες. Όµως, ο χαρακτήρας των ζυµώσεων τροφίµων είναι πιο πολύπλοκος. Προϊόντα φυτικής ή ζωικής προελεύσεως ζυµώνονται είτε µε την φυσικώς υπάρχουσα χλωρίδα είτε µε προστιθέµενη καλλιέργεια-εκκινητή (starter) για τη βελτίωση ή διαµόρφωση του χρόνου ζωής, της θρεπτικής αξίας, των ευεργετηµάτων υγείας, της γεύσεωςοσµής ή της υφής. Οι ζυµώσεις τροφίµων είναι το παλαιότερο βιοτεχνολογικό παράδειγµα που γνωρίζουµε και περιλαµβάνουν την παραγωγή ζύθου, ψωµιού, κρασιού, λάχανου τουρσί, τουρσιών, τυριού, γιαουρτιού, σαλαµιών κ.λπ. Τα ζυµωµένα τρόφιµα είναι υποστρώµατα τροφίµων τα οποία έχουν προσβληθεί από µικροοργανισµούς, τα ένζυµα των οποίων, και ιδιαιτέρως αµυλάσες, πρωτεάσες και λιπάσες, υδρολύουν τους πολυσακχαρίτες, τις πρωτεΐνες και τα λιπίδια προς µη τοξικά προϊόντα µε γεύση, οσµή, άρωµα και υφή αρεστή και ελκυστική από τον καταναλωτή. Στην επεξεργασία των τροφίµων, η ζύµωση παίζει τουλάχιστον 5 βασικούς ρόλους: 1. Εµπλουτισµός της δίαιτας του ανθρώπου µε ανάπτυξη µιας ποικιλίας γεύσεων, οσµών, αρωµάτων και υφής στο τρόφιµο. 2. Συντήρηση µιας σηµαντικής ποσότητος τροφίµων µέσω της γαλακτικής, αλκοολικής, οξικής και αλκαλικής ζυµώσεως, καθώς και µε ζυµώσεις µε υψηλή συγκέντρωση άλατος. 3. Εµπλουτισµός των τροφίµων µε βιταµίνες, πρωτεΐνες, αµινοξέα και απαραίτητα λιπαρά οξέα. 4. Αποµάκρυνση τοξικών παραγόντων (αποτοξίνωση) κατά την επεξεργασία µε ζύµωση. 5. Μείωση του χρόνου µαγειρέµατος και της καταναλώσεως ενεργείας. Επεξεργασία Τροφίµων Μέσω Ζυµώσεων Α. Μορφές ή Κατηγορίες Ζυµώσεων 1. Φυσικές ή "Άγριες" Ζυµώσεις a. Οι µικροοργανισµοί βρίσκονται στο προς ζύµωσιν υλικό (πρώτη ύλη)
b. Παραδείγµατα: Ελιές, Πίκλες, Λάχανο τουρσί κ.λπ. 2. Ελεγχόµενες Ζυµώσεις a. Οι µικροοργανισµοί προστίθενται µε µορφή ενοφθαλµίσµατος σε µεγάλους αριθµούς b. Παραδείγµατα: Κρασί, Ξύδι, Ζύθος, Γιαούρτι, Ψωµί, Τυρί, Αλλαντικά Β. Παραδείγµατα Βιοµηχανικών Ζυµώσεων Γαλακτική Ζύµωση Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την ανάπτυξη και µεταβολισµό των µικροοργανισµών είναι το επίπεδο του οξέος, το επίπεδο της αλκοόλης, η χρήση καθαρών καλλιεργειών (εκκινητών), η θερµοκρασία, το επίπεδο του οξυγόνου και το ποσό του άλατος. Το οξύ µπορεί να προστεθεί άµεσα ή έµµεσα. Αν δεν αποτελεί φυσικό συστατικό, τότε ή προστίθεται ή σχηµατίζεται µε ζύµωση. Το τελευταίο πρέπει να γίνεται γρήγορα και πριν αναπτυχθούν και εγκατασταθούν αλλοιούντες και παθογόνοι µικροοργανισµοί. Τα προβλήµατα που µπορεί να υπάρξουν περιλαµβάνουν: 1) Οι ευρώτες µπορούν περαιτέρω να ζυµώσουν το οξύ και έτσι να χαθεί η συντηρητική δράση. 2) Μερικές ζύµες παράγουν αλκαλικά τελικά προϊόντα, όπως αµµωνία, από τη διάσπαση των πρωτεϊνών, τα οποία εξουδετερώνουν το οξύ. Η γαλακτική ζύµωση επιτελείται µε τη χρήση των γαλακτικών βακτηρίων, τα οποία συνήθως δρουν σε συνδυασµό επί φυτικών ή ζωικών υποστρωµάτων και παράγουν µια ποικιλία προϊόντων. Τα Γαλακτικά Βακτήρια Τα γαλακτικά βακτήρια έχουν δεχθεί εκτεταµένη έρευνα, γιατί χρησιµοποιούνται στον έλεγχο των παθογόνων και αλλοιούντων µικροοργανισµών των τροφίµων. Για να συµβεί άριστη γαλακτική ζύµωση υπάρχουν τρεις κύριες συνθήκες, οι οποίες περιλαµβάνουν: 1. Προσθήκη επαρκούς ποσότητος ζυµωσίµων υδατανθράκων. 2. Μειωµένη τάση οξυγόνου κατά τη ζύµωση και αποθήκευση του ζυµωµένου προϊόντος. 3. Ταχύ πολλαπλασιασµό της καλλιέργειας-εκκινητή και επαρκή παραγωγή γαλακτικού οξέος. Τα Γένη Carnobacterium Lactosphaera Streptococcus Enterococcus Leuconostoc Tetragenococcus Lactococcus Oenococcus Vagococcus Lactobacillus Pediococcus Weissella
Προϊόντα Γαλακτικής Ζυµώσεως Λάχανο Τουρσί Παραδοσιακό προϊόν παραγόµενο µε φυσική ζύµωση. Θα πρέπει να διατηρούνται οι κατάλληλες συνθήκες ώστε να επικρατήσουν τα γαλακτικά βακτήρια Πορεία Ζύµωση o Τεµαχισµός του λάχανου o Ανάµιξη µε 2.5% NaCl o Τοποθέτηση σε βαρέλια µε πίεση και τοποθέτηση νερού βύσµατος για σφράγιση και αποκλεισµό του αέρα o ιατήρηση οµοιοµόρφου θερµοκρασίας 18 o C µε 21 o C o Η επιτυχής αλληλουχία και ανάπτυξη των γαλακτικών εξαρτάται από τις συνθήκες o Leuconostoc mesenteroides o Lactobacillus brevis o Lactobacillus plantarum o Τελική οξύτητα 1.8-2.0% ως γαλακτικό o Οι αλλοιούντες µικροοργανισµοί καταστέλλονται από το NaCl και τις αναερόβιες συνθήκες o Η γεύση-οσµή καθορίζεται από τη θερµοκρασία Αγγουράκια τουρσί (Πίκλες) Παραδοσιακό προϊόν σήµερα παράγεται µε προσθήκη καθαρής καλλιέργειας Πορεία o Μικρά, ανώριµα αγγουράκια τοποθετούνται σε δοχεία ή δεξαµενές και καλύπτονται µε άλµη 4-5% o Ενοφθαλµισµός µε Lactobacillus plantarum o ιατήρηση στουςt ~20 o C επί 10-14 ηµέρες έως ότου η οξύτητα γίνει 1 µε 1.5% ως γαλακτικό Αλλαντικά Ζυµώσεως
Αυτοσταθερά προϊόντα (χαµηλό ph, χαµηλή a w ) τα οποία παρασκευάζονται από ωµό κρέας µε δυνητικά προβλήµατα από παθογόνα Πορεία Ασφάλεια o Ανάµιξη κρέατος, άλατος, νιτρώδους, σακχάρου, εκκινητού o Πάστωµα στους 4 o C - 10 o C επί 2 ηµέρες o Ζύµωση κάπνιση στους 18-25 o C επί 12-24 h o Ξήρανση στους 10-20 o C µε 65-75% RH σε a w 0.93 o Εφ όσον στο νωπό κρέας µπορούν να ανεβρεθούν πολλά παθογόνα (π.χ. C.botulinum, Salmonella, S.aureus, EHEC κ.λπ.), πρέπει να ανασταλεί η ανάπτυξή τους o Θερµοκρασία # <20 o C αρχικά o επίπεδα νιτρώδους, άλατος o ταχεία πτώση ph # δραστική ζύµωση # γλυκονο-δ-λακτόνη o πορεία ξηράνσεως Ζυµώσεις Γαλακτοκοµικών Οι περισσότερες χρησιµοποιούν Lactococcus lactis ή Lactococcus cremoris π.χ. εκκινητές τυριών Η θερµική επεξεργασία βοηθά στην ανάπτυξη της υφής (συνεκτικότητος) Το γάλα πήζει σε ph 4.7 ή µε οξύτητα ως γαλακτικό 0.7% Γάλα Acidophilus Αποστείρωση αποβουτυρωµένου γάλακτος 120 o C/20 min Ψύξη στους 38 o C Εναφθαλµισµός µε 5% L.acidophilus Επώαση επί 18-24 h σε οξύτητα 1% acidity Ξινή Κρέµα Οµογενοποίηση κρέµας
Παστερίωση 74 o C / 30min 1% εκκινητής (τυριού + Leuconostoc cremoris) Επώαση στους 23 o C / 14-16 h Γιαούρτι Γάλα + 5% SMP θέρµανση 85 o C/30 min Ψύξη στους 45 o C προσθήκη 1.25% Lactobacillus bulgaricus και 1.25% Streptococcus thermophilus Επώαση σε οξύτητα 0.7% (3-4h) Ψύξη & ανάµιξη µε γευστικά-αρωµατικά κ.λπ. Τελική οξύτητα ~1% και ph <4.5 Χαρακτηριστικά του προϊόντος Μικροβιολογία Αλλοίωση o Ζώντα βακτήρια o Γεύση-οσµή o Σώµα o Συµβιωτική δράση o S.thermophilus διεγείρεται από µεταβολίτες του L.bulgaricus o Ο S.thermophilus ταπεινώνει το ph στο 5.0 o Ο L.bulgaricus κατόπιν ταπεινώνει το ph στο 4.0 o Υπερβολική οξύτητα, ζύµες & ευρώτες Αλκοολική Ζύµωση Κατά την αλκοολική ζύµωση των τροφίµων χρησιµοποιούνται κυρίως στελέχη των ειδών Saccharomyces carlsbergensis και Saccaromyces cerevisiae. Οι περισσότερες ζύµες απαιτούν οξυγόνο για την ανάπτυξη και έτσι µε έλεγχο του οξυγόνου µπορεί να ελεγχθεί η ανάπτυξή τους. Εκτός του οξυγόνου, απαιτούν και σάκχαρο από το οποίο παράγουν αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα. C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 Αυτά είναι τα επιθυµητά τελικά προϊόντα σε πολλές ζυµώσεις τροφίµων.
Προϊόντα Αλκοολικής Ζυµώσεως Οίνος Πορεία Μετατροπή των σταφυλιών σε µούστο Αλκοολική ζύµωση Μηλογαλακτική ζύµωση εφ όσον επιθυµείται Αποθήκευση και ωρίµανση του κρασιού στο κελάρι ιαύγαση και την εµφιάλωση Οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τη ζύµωση του κρασιού είναι: Η διαύγαση και η προεπεξεργασία του µούστου. Η χηµική σύνθεση του µούστου. Η θερµοκρασία της ζυµώσεως. Οι επιδράσεις των άλλων µικροοργανισµών. Θερµοκρασία λευκά κρασιά 10 µε 18 C επί 7-14 ηµέρες κόκκινα κρασιά ζυµώνονται στους 20-30 C επί 7 ηµέρες Ζύθος Ο ζύθος (µπύρα) είναι ένας γενικός όρος, ο οποίος χρησιµοποιείται για να περιγράψει µια ποικιλία προϊόντων, τα οποία προκύπτουν µε ζύµωση της βύνης. Μεταξύ αυτών είναι ο µαύρος ζύθος (porter), ale, steam beer, ωριµασµένη ή ξανθή µπύρα (lager) και δυνατή µπύρα (stout). Σπουδαίο συστατικό του ζύθου είναι ο λυκίσκος, ο οποίος προσδίδει σ αυτό χαρακτηριστική γεύση και οσµή. Συστατικά Νερό Κριθάρι Λυκίσκος Ζύµη o επιφάνεια στελέχη Saccharomyces cerevisiae o πυθµένας στελέχη του Saccharomyces uvarum Πορεία Προετοιµασία των Συστατικών Βυνοποίηση o υγρασία από 15-16% στο 42-45% (ελάχιστο 40 ώρες) Βρασµός του Ζυθογλεύκους Ζύµωση Τελικά Στάδια o διήθηση και παστερίωση
Άρτος Ο άρτος (ψωµί) προκύπτει από την απλή ζύµωση του σακχάρου προς CO 2 και αλκοόλη Συστατικά αλεύρι, ζάχαρη, γάλα και άλλα συστατικά + Saccharomyces cerevisiae Ανάµιξη & επώαση στους 27 C για λίγες ώρες (<4 ώρες) Βιβλιογραφία Jay, J. M. (1996). Modern Food Microbiology, 5th ed. Chapman & Hall, New York. Labuza, T. P. and Erdman, J. W. 1984. Food Science and Nutritional Health: An Introduction. West Publishing Company, New York. Λάζος Ε.Σ. (2002). Επεξεργασία τροφίµων ΙΙ. 3 η έκδοση. Τµήµα Τεχνολογίας Τροφίµων, ΤΕΙ Αθηνών. Pederson CS. (1979). Microbiology of Food Fermentations. 2nd Edition. Westport, CT: Avi Publishing. Potter, N. N. and Hotchkiss, J.H. (1995). Food Science, 5th ed. Chapman & Hall, New York. Steinkraus, KH. (2002). Fermentations in world food processing. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 1: 23-32. ρ. Ευάγγελος Σ. Λάζος Καθηγητής elazos@teiath.gr