FERMENTÁLT ÉLELMISZEREK Dr. Maráz Anna egyetemi tanár Mikrobiológia és Biotechnológia Tanszék Élelmiszertudományi Kar Budapesti Corvinus Egyetem 2006
Ipari fermentációk Sejtek (általában mikroorganizmusok) elszaporítása ipari léptékben aerob, ritkábban anaerob körülmények között. A cél termék előállítása szabályozott fermentációs körülmények között.
1
Példák ipari fermentációra 1. Szerves vegyületek előállítása, amelyeket élelmiszer adalékokként, enzimekként, antibiotikumokként, motor hajtóanyagokként használnak.
2. Mikróba sejttömeg (biomassza, egysejt fehérje=SCP) vagy sejtkivonat (protein, peptidek, aminosavak, nukleotidok) előállítása céljából. ¨Pl. takarmányélesztő, élesztőkivonat,
mikoprotein (Fusarium graminearum gombamicélium fermentálása étkezési célra). ¨Sütőélesztő előállítása
2
3. Fermentált élelmiszeripari termékek előállítása ipari léptékben (pl. joghurt, kefír, sajt, kenyér) 4. Alkoholos italok előállítása (pl. sör, bor)
Fermentált élelmiszerek Állati vagy növényi eredetű alapanyagok módosítása a mikroorganizmusok (baktériumok, élesztőgombák, fonalasgombák) anyagcsere tevékenysége révén.
3
A fermentált élelmiszerek táplálkozási előnyei
¨Élelmiszerek választékának növelése
(pl. több, mint 1000 féle sajt előállítása) ¨Élelmiszer adalékként való
alkalmazásuk (pl. szójaszósz, sajtok)
¨Tápérték és minőség növelése:
- élesztő és élesztőkivonat növeli a fehérje és aminosav, B vitamin tartalmat; - antinutritív anyagok (pl. fitát, lektinek) lebontása; - ásványi anyagok hozzáférésének növelése. ¨Eltarthatóság javítása: Anyagcseretermékek megnövelik az alapanyag eltarthatóságát, visszaszorítják a patogéneket (pl. tejtermékek előállítása tejsavas erjesztéssel)
4
¨Egészségesebb termékek előállítása:
Pl. kefir, joghurt, probiotikus tejtermékek előállítása ¨Emészthetőség javítása:
Pl. hüvelyesek (szója, bab) antinutritív oligoszacharidjainak lebontása emészthető monoszacharidokká; laktóz lebontása tejsavvá (laktóz intolerancia!) ¨Toxikus anyagok lebontása:
Pl. enzim-inhibitorok lebomlása fermentáció során
Élelmiszeripari erjesztések (fermentációk) típusai 1/ (Tej)savasan erjesztett termékek: ¨Tejtermékek: pl. joghurt, kefir, vaj, sajtok ¨Fermentált hústermékek: pl. szalámiés kolbászfélék ¨Erjesztett zöldségfélék: pl. savanyú káposzta, uborka, olívabogyó ¨Savanyú kovászos kenyér
5
2/ Alkoholosan (élesztőkkel) erjesztett termékek: etanol és CO2 termelése ¨Sütőipari termékek: pl. kenyér ¨Alkoholos italok: pl. bor, sör 3/ „Szilárd” fermentációk: általában keleti szójatermékek (pl. tempeh) előállítása
A tejsavas erjesztés mikrobiológiája A tejsavas erjesztést elsősorban a tejsavbaktériumok végzik. Tejsavas erjesztés: Szénhidrátok lebontása anaerob úton tejsavvá.
6
Tejsavbaktériumok anyagcsere típusai ¨Homofermentatív (homolaktikus)
tejsavbaktériumok: csak tejsav keletkezik (pl. Lactococcus, Pediococcus) ¨Heterofermentatív (heterolaktikus)
tejsavbaktériumok: tejsav, CO2 és etanol keletkezik (pl. Lactobacillus brevis, Leuconostoc spp.)
Tejsavas erjedés típusai Homofermentativ(homolaktikus ferm.) Glikolitikus út
Heterofermentativ(heterolaktikus ferm.) Foszfoketoláz ut
glükóz Fruktóz -1,6-P
glükóz
aldoláz
2 trióz-3-P
xilulóz-P+CO2 foszfoketoláz
trióz-3-P + acetil-P 2 piruvát
2 tejsav
Glukonsav-P GSP-dehidrogenáz
acetát
piruvát tejsav
Etanol
Tejsav:etanol/acetat: CO2=1:1:1
7
Példa tejsavbakteriumokra Homofermentativ:
Heterofermentativ:
Lactococcus spp. Streptococcus spp. Lactobacillus spp Pediococcus spp.
Lactobacillus brevis Leuconostoc mesenteroides
¨Aromaképző tejsavbaktériumok: nem
szénhidrát komponensek átalakítása aroma anyagokká. Pl. citrát → diacetil (Lactococcus lactis var. diacetylactis); treonin → acetaldehid (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus) ¨Nyálkaképző tejsavbaktériumok:
extracelluláris poliszacharidok (nyálka) képzése (lebomló csomagolóanyagok!)
8
Tejsavbaktériumok típusai hőmérsékleti igény szempontjából ¨Mezofil tejsavbaktériumok: 20-30 oC között
erjesztenek. Pl. Lactococcus, Leuconostoc, Lactobacillus, Pediococcus – sajtok, erjesztett zöldségek, hústermékek előállítása ¨Termofil tejsavbaktériumok: 40-45 oC
között erjesztenek. Pl. Streptococcus salivarius subsp. thermophilus - joghurt előállítása
Tejipari starterkultúrák I. TERMÉK
STARTER
Joghurt
•Streptococcus salivarius subsp. thermophilus •Lactobacillus bulgaricus
„probiotikus” joghurt (AB típusú)
•Lactobacillus acidophilus
Bifidobacterium bifidum
„probiotikus” joghurt (ABT típusú)
•Lactobacillus acidophilus •Streptococcus salivarius subsp. thermophilus
Bifidobacterium bifidum
Kefír
•Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris •Lactobacillus acidophilus •Lactobacillus kefir •Lactobacillus casei
•Kluyveromyces marxianus •Saccharomyces cerevisiae •Candida kefir
Vaj
•Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris var. diacetylactis
KíSÉRŐ MIKRÓBA
9
Tejipari starterkultúrák II. TERMÉK
STARTER
Gomolyasajt
Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris var. diacetylactis
Camembert/Brie sajtok
Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris var. diacetylactis
Penicillium camemberti P. candidum P. caseicolum
Rokfort-típusú sajtok
Leuconostoc sp.
Penicillium rocquefortii P. glaucum
Emmentáli sajt
Streptococcus thermophilus Lb.bulgaricus Lb. helveticus
Propionibacterium shermanii Pr. freundenreichii
KÍSÉRŐ MIKRÓBA
Penészes érlelésű sajtok Camembert-típusú sajt
Penicillium camemberti
Rokfort-típusú sajt
Penicillium rocquefortii
10
Tejipari starterkultúrák működését gátló hatások Gyenge, lassú vagy elmaradt tejsavtermelés termék minőségének romlása, romlást okozó és/vagy patogén mikróbák elszaporodása
Okok lehetnek ¨Bakteriofággal
való fertőződés – általában a nyers tejtől ered, főként a félfolytonos sajtgyártásnál jelentkezik. ¨Antibiotikum maradványok a tejben –
elsősorban a mastitis (tőgygyulladás) kezelésére adagolt antibiotikumok okozzák. Főként a Streptococcus salivarius subsp. thermophilus érzékeny. Kivárás!!!!
11
¨Berendezésekben lévő fertőtlenítőszer
maradványok ¨Agglutininek (ellenanyagok) jelenléte –
tejbe választódnak ki ¨Plazmidok elvesztése – plazmid által
hordozott gének a laktózbontásért, proteáz termelésért, fág-rezisztenciáért lehetnek felelősek
Tejtermékek mikrobiológiai problémái A savas pH-ból eredően (pH 3,7-4,4) a fermentált tejkészítmények mikrobiológia biztonsága jó!
12
Mikrobiológiai problémák yoghurt, kefir esetében ¨Gyengébben erjesztett („mild”) joghurt,
kefir esetében patogénnel való fertőződés felléphet. ¨Yoghurtok ízesítése (gyümölcsök, magvak)
mikrobiológiai eredetű minőségromlást, esetenként patogénnel való fertőződést okozhat. Pl. élesztőgombák, penészgombák – gázképzés, C. botulinum – botulizmus
Védekezés ¨Töltőgépek sterilizálása ¨Csomagolóanyagok megfelelő tárolása ¨Sterilre szűrt levegő beáramoltatása a
töltőhelyiségekbe ¨UV lámpák alkalmazása a töltőhelyiségben ¨Gyümölcsök, szirupok megfelelő kezelése (szulfit adagolás, sterilizálás) ¨A végtermék hőkezelése vagy konzerválószer alkalmazása
13
Mikrobiológiai problémák sajtok esetében ¨Coliform baktériumokkal való
fertőződés → gázképzés, ürülék szag. Higiénés rendszabályok betartása! ¨Klosztridiumokkal való fertőződés →
gázképződés. Nisin adagolással kivédhető!
Folyt. ¨Felületi penészedés. Védekezés: alacsony
páratartalmú helyiségben való tárolás, viasz vagy műanyag burkolat alkalmazása; tartósítószer (pl. szorbát, pimaricin) adagolása ¨Pseudomonas fertőződés – magas
nedvességtartalom/magas pH esetében ¨Patogének elszaporodása (pl. Salmonella,
Listeria, E. coli, Staph. aureus) – elsősorban lágy és félkemény sajtok esetében. Védekezés: megfelelő higiénia, pasztőrözött tej, jó minőségű starterek alkalmazása.
14
Fermentált húskészítmények Fermentáció előnye: tápérték nő (protein-tartalom nő), biztonság nő, eltarthatósági idő nő (néhány naptól évekig), tárolási hőmérséklet magasabb lehet
Fermentált húskészítmények jellegét meghatározza ¨Az alkalmazott hús típusa (sertés, marha, ritkán
szárnyas vagy egyéb) ¨Termék előállítás technológiája (sózás, nitrit/nitrát adagolása, cukortartalom, fűszerek adagolása). - Nitrit a Gram negatív baktériumokat gátolja Gram pozítív baktériumok dominálnak (sztreptokokkuszok, mikrokokkuszok, laktobacilluszok, pediokokkuszok) -Természetes cukortartalom 0,1%, 0,3-2% szükséges - pH csökkentése (~ 4,8), tejsav vízmegkötő hatású - Fűszerek antimikróbás hatást fejtenek ki
15
¨Természetes mikrobióta vagy starterkultúra jellege.
Starterek: Lb. plantarum, Pediococcus acidilacti (Debaryomyces sp, Micrococcus spp.) ¨A fermentáció hőmérséklete ¨A termék kezelése – hőkezelés, füstölés ¨A termék szárítása ¨A termék penészes érlelése – proteázok és lipázok hatására az aromaanyag termelés nő. Tejsav asszmilálása → pH nő (6,0-6,2). Penicillium camemberti, P. roquefortii, P. nalgiovense
Penészes érlelésű szalámik
Domináns fajok: Penicillium camemberti, P. roquefortii, P. nalgiovense. Proteázok és lipázok hatására az aromaanyag termelés nő. Tejsav asszmilálása → pH nő (6,0-6,2).
16
Fermentált hústermékek mikrobiológiai problémái
Alacsony pH (min. 5,29) és alacsony vízaktivitás (<0,95) esetén a mikrobiológiai biztonság jó!
Fermentált húskészítmények romlása ¨Felületi nyálkásodás: Pediococcus ¨Penészesedés - zöld és fekete penész a
felületen: proteázok termelése miatt romlás ¨Savanyodás – túlzott tejsavtermelés ¨Gázosodás - heterofermentaív tejsavbaktériumok okozzák ¨Hús zöldülése – Lb. viridans hidrogénperoxid termelése okozza
17
Mérgezés, fertőzés
Helytelen gyártási gyakorlat esetén! Salmonella, Staphylococcus aureus elszaporodása
Biztonságot és eltarthatóságot növeli ¨Nitrit adagolása vagy termelése Micrococcus spp.
(nitrát nitrit) ¨Bakteriocinek termelése (LAB) ¨Fűszerek antimikróbás és antioxidáns hatása ¨Füst fenolvegyületek antimikróbás és antioxidáns hatása ¨Újabb termékeknél főzés ¨Tartósítószerek (pl. szorbát) adagolása
18
Folyamat:
Fermentált zöldségfélék
Zöldségfélék leszedése, begyűjtése Tisztítás, sérült részek eltávolítása Sózás – célja lé nyeréséhez a zöldség víztartalmának kivonása vagy lé adagolása - Ozmózis útján a sejtek víztartalmának leadása - A sejtek plazmolízisével tápanyagok kerülnek a lébe – baktériumok számára növekedési faktorok - Az erjesztő mikrobiótát szelektálja – előnyös a tejsavbaktériumok elszaporodásához -Tejsavas erjesztés Lactobacillus brevis Lactobacillus plantarum Leuconostoc mesenteroides Pediococcus pentocaseus
- Tárolás, csomagolás
Uborka tejsavas erjedése
A jellemző mikróba csoportok számának változása a pH függvényében
19
Etanolos erjesztés
Glükóz
glikolizis
piroszőlősav
Piruvátdekarboxiláz
acetaldehid
CO2
Alkoholdehidrogenáz
etanol
NADH2 NAD
A sörgyártás technológiája Árpamaláta
Csiráztatás
Szárítás
Őrlés
Cefrézés Sörléfőzés
Beoltás élesztővel
Erjesztés Ászokolás Fejtés Kiszerelés
20
Európai sörtípusok • Alsó erjesztésű (lager) sörök – az erjesztés végén az élesztősejtek kiülepedve a kád/tank alján gyűlnek össze – Az élesztő törzsek flokkulációs (csomósodó) képességgel rendelkeznek – A sör CO2 tartalma magas – A főerjedést hosszú ászokolás (érlelés) követi
• Felső erjesztésű (ale) sörök – Az élesztősejtek a főerjedés végén a sör tetejére felúszva a habban gyűlnek össze – Az élesztő törzsek nem rendelkeznek flokkulációs (csomósodó) képességgel – A sör CO2 tartalma alacsony
A sörerjedés mikrobiológiai folyamatai Ø Sörlé előkészítése: hűtés, szűrés, levegővel telítés Ø Főerjedés 1/ sörlé beoltása, élesztő elszaporodása (biomassza termelés) 2/ erjesztés sörélesztő 2 glükóz sörélesztő etanol + CO - maltóz 2 - erjedési aromák termelése (vicinális diketonok, főként diacetil) Ø Utóerjedés Élesztősejtek kiülepedése (láger sörök) vagy a habban való összegyűlése („ale” sörök) Ø Ászokolás (láger söröknél) A diacetil lebontása, íz- és illatanyagok átalakítása, termelése, sör stabilizálódása
21
Oltóélesztő (starter) fajok Sacch. pastorianus és S. cerevisae (melibiózt hasznosítják)
alsóerjedésű (lager) sör
Sacch. cerevisae (melibiózt nem hasznosítják)
felsőerjedésű (ale) sör
Mikrobiológiai minőségbiztosítás 1. Alapanyagok vizsgálata • Víz mikrobiológiai vizsgálata – ivóvíz minőségűnek kell lennie • Maláta mikrobiológiai vizsgálata – mikotoxinos (főként ochratoxinos) szennyezettség vizsgálata 2. Pótanyagok vizsgálata • Izoszörp mikrobiológiai vizsgálata 3. Segédanyagok vizsgálata • Sörélesztő mikrobiológiai vizsgálata Baktériumos fertőzöttség vizsgálata (pl. tejsavbaktériumok) Idegen- (vad-) élesztős fertőzöttség vizsgálata (pl. S. cer. var. diastaticus, nem-Saccharomyces fajok)
22
Borászati mikrobiológia
Szőlő mikrob.
Erjedés mikrob.
Termék mikrob.
A borkészítés technológiája szőlő
zúzás, préselés
must
must beoltása
Sacch. cerevisiae /bayanus
palackozás
érlelés
bor lefejtése, kezelése
erjesztés
23
A BORERJEDÉS MIKROBIOLÓGIÁJA Must: 150-300 g/l cukor (glükóz, fruktóz)- SO2 adagolása (baktériumok gátlása) 1.Spontán erjedés: A mustban lévő élesztőgombák végzik az erjesztést. Az erjesztő élesztőbióta összetételét a növekvő etanol koncentráció határozza meg. Élesztőgombák eredete: szőlő, talaj (Saccharomycesek környezetből) ¨1-2% EtOH-ig: Candida és Pichia fajok ¨ 5-6% EtOH-ig: Kloeckera (Hanseniaspora) fajok ¨ 9% EtOH-ig: Brettanomyces fajok ¨ 12-16% EtOH-ig: Saccharomyces fajok
2. Irányított erjedés: A mustot fajélesztőkkel oltják be, amelyek átveszik az erjesztést Fajélesztők: különböző borvidékekről izolált, kedvező technológiai tulajdonságú Saccharomyces cerevisiae és S. bayanus törzsek (általában szárított készítmények) Milyen a jó borélesztő? - Cukortűrő - Alkoholtűrő - SO2 tűrő - egyedi tulajdonságok: hidegtűrő, csomósodó (flokkulens), porosodó (nemflokkulens)
24
Biológiai almasavbontás (főleg vörösboroknál) Az almasav erős savhatású, ezért 5g/l feletti koncentrációban erősen savas ízhatást eredményez. Almasav eredete: szőlő. A borélesztők nem bontják le Malolaktikus fermentáció: Tejsavbaktériumok az almasavat tejsavvá erjesztik. Oenococcus (Leuconostoc) oenos színtenyészetek alkalmazása
Sütőélesztő gyártás Saccharomyces cerevisiae Sütőélesztő gyártás: Ipari fermentációval – élesztő elszaporítása aerob körülmények között Alapanyag: melasz –szacharóz szénforrás Szaporitás: levegőztetett, fed-bach fermentációval. Melasz adagolása az erjedés megindulásáig (katabolit represszió); pH 5-5,5 Termék: présélesztő és aktiv szárított élesztő
25
Sütőélesztő felhasználása
Tészta kelesztése etanolos erjesztéssel – CO2 és etanol keletkezik Élesztő kelesztőképességét a hajtóerővel mérik (adott térfogat eléréséhez szükséges idő)
26
