2.12. Fermentacje w procesach przygotowywania żywności

Zsiadłe mleko, jogurt, piwo, wino, chleb, drożdżówka – spotykamy je na co dzień i nie myślimy o tym, że do ich wytworzenia ludzie od lat wykorzystują procesy, które współcześnie nazywamy procesami biotechnologicznymi.
Co wspólnego z biotechnologią ma drożdżówka upieczona według przepisu babci?
Podczas przygotowania ciasta drożdżowego wykorzystujemy procesy, które odbywają się z udziałem drożdży. To właśnie dzięki enzymom zawartym w drożdżach zachodzi biochemiczny proces, który powoduje, że ciasto rośnie. Te i inne procesy zachodzące przy udziale organizmów, stosowane w procesach produkcyjnych są przedmiotem badań dynamicznie rozwijającej się dziedziny naukowej nazywanej biotechnologią. Na czym polegają?

Już wiesz: 

  • że podstawowe składniki produktów spożywczych to białka, węglowodany i tłuszcze;
  • że cukry można podzielić na proste (glukoza) i złożone (sacharoza, skrobia);
  • jak są zbudowane alkohole i kwasy organiczne oraz jakie mają właściwości.

Nauczysz się: 

  • wskazywać przykłady procesów fermentacyjnych, które zachodzą w przyrodzie i w życiu codziennym;
  • wymienić warunki umożliwiające przebieg procesów fermentacyjnych;
  • wskazywać produkty spożywcze, które wyprodukowano dzięki procesom fermentacyjnych;
  • omawiać pozytywne i negatywne skutki procesów fermentacyjnych;
  • opisywać przebieg procesu fermentacji alkoholowej, mlekowej i octowej.

1. Fermentacja alkoholowa

Fermentacja jest procesem stosowanym od wieków do przetwarzania żywności. Polega na praktycznym wykorzystywaniu przemian zachodzących pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże i bakterie. Jest jednym z podstawowych procesów biotechnologicznych.

Polecenie 2.12.1.

Co jest przyczyną tego, że ciasto rośnie?

Wskazówka

Dlaczego przygotowując niektóre wypieki, używa się drożdży? Jakie ciasta wymagają tego składnika? Dlaczego przed włożeniem ciasta drożdżowego do piekarnika pozostawia się je do wyrośnięcia?

Doświadczenie 2.12.1. Badanie aktywności drożdży piekarskich w zależności od temperatury

Problem badawczy:  
Czy temperatura może mieć wpływ na aktywność drożdży piekarskich?
Hipoteza: 
Za wysoka temperatura może spowodować spadek aktywności drożdży.
Co będzie potrzebne: 
  • 20 g drożdży,
  • cukier,
  • mąka,
  • woda,
  • dwie zlewki,
  • łyżeczka.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Umieść w misce drożdże, łyżeczkę cukru oraz łyżeczkę mąki. Wszystkie składniki dobrze wymieszaj.
  2. 2.
    Połowę powstałej mieszaniny przełóż do drugiej miski.
  3. 3.
    Do pierwszej miski dodaj 3–4 łyżki letniej wody o temp. 20–30°C i dokładnie wymieszaj.
  4. 4.
    Do drugiej miski dodaj 3–4 łyżki wrzącej wody i dobrze wymieszaj.
  5. 5.
    Obie miski odstaw na 15 min.
  6. 6.
    Po 15 min oceń zaistniałe zmiany. Zanotuj obserwacje.
Podsumowanie: 
Można zauważyć, że zaczyn drożdży w pierwszej zlewce wyrósł, a w drugiej – nie.
Zaczyn rośnie, ponieważ zachodzi proces fermentacji z wydzieleniem gazowego produktu, który zwiększa objętość zaczynu. Proces ten zachodzi z udziałem drożdży – mikroorganizmów, których aktywność zostaje zahamowana na skutek działania wysokiej temperatury.

Doświadczenie 2.12.2. Identyfikacja gazu wydzielającego się podczas aktywności drożdży

Problem badawczy:  
Jaki gaz jest produktem procesu fermentacji zachodzącego z udziałem drożdży?
Hipoteza: 
Jednym z produktów fermentacji zachodzącej z udziałem drożdży jest tlenek węgla(IV).
Co będzie potrzebne: 
  • 10 dkg drożdży,
  • cukier,
  • woda,
  • woda wapienna,
  • kolba stożkowa z korkiem z rurką odprowadzającą,
  • zlewka,
  • łyżeczka.
Instrukcja: 
  1. 1.
    W kolbie o pojemności ok. 200 cm3 wymieszaj ok. 10 dkg drożdży z niewielką ilością wody oraz cukru.
  2. 2.
    Kolbę zamknij korkiem z rurką odprowadzającą.
  3. 3.
    Wylot rurki zanurz w zlewce z wodą wapienną.
  4. 4.
    Obserwuj zachodzące zmiany (efekt może być widoczny po kilkunastu minutach).
Podsumowanie: 
Zawarty w kolbie zaczyn drożdży spienił się i zwiększył swoją objętość, a wydzielający się bezbarwny gaz spowodował zmętnienie wody wapiennej. Który ze znanych ci gazów wchodzi w reakcję z wodą wapienną?
Fermentacja alkoholowa zachodzi pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże, które rozkładają cukier (np. z soku owocowego) na etanol (alkohol etylowy) i tlenek węgla(IV).
Proces fermentacji alkoholowej przebiega zgodnie z równaniem:
Fermentację alkoholową wykorzystuje się m.in. w procesie produkcji piwa, wina oraz wysokoprocentowych napojów alkoholowych.
Jeśli twoja ciekawość wykracza poza przedstawione wyżej informacje, to zapoznaj się z dokładnym opisem etapów produkcji wina.

Ciekawostka

Wyniki badań archeologicznych świadczą o tym, że ok. 10 tysięcy lat temu otrzymywano napoje alkoholowe przez fermentację fig, daktyli i winogron. Produkty alkoholowe wytwarzano już w starożytnych Chinach, Persji i Egipcie. W Grecji i Rzymie wina były konsumowane 1000 lat p.n.e. nie tylko w trakcie uroczystości w świątyniach, ale również podczas uczt i biesiad. Grecy rozcieńczali wino wodą, gdyż picie nierozcieńczonego wina uważano za zwyczaj barbarzyński. Do VIII wieku wszystkie napoje alkoholowe miały niską zawartość alkoholu, jaką można osiągnąć przy naturalnej fermentacji, czyli do ok. 16%.
Napój o wysokiej zawartości alkoholu jako pierwsi otrzymali arabscy alchemicy. Przyprawiali go substancjami aromatycznymi i rozprowadzali jako cenne eliksiry. Sposób produkcji tych napojów był pilnie strzeżoną tajemnicą. W Europie alkohol zaczęto produkować dopiero pod koniec XIII wieku, jako tzw. wodę życia. Pierwsze wysokoprocentowe alkoholowe napoje konsumpcyjne zaczęto wytwarzać w XIV i XV wieku.

2. Fermentacja mlekowa

Takie potrawy, jak kefir, zasiadłe mleko, kwaszone ogórki, kapusta kwaszona czy barszcz biały, swój smak zawdzięczają kwasowi mlekowemu. Kwas mlekowy powstaje w procesie beztlenowej fermentacji mlekowej cukrów, wywołanej działaniem specjalnych bakterii (Bacillus acidi lactici).
Obecne w mleku białko ścina się pod wpływem kwasu (potocznie mówimy o „zsiadaniu się mleka”).
Po ogrzaniu zsiadłego mleka można oddzielić ser i otrzymać tzw. serwatkę, w której skład wchodzą kwas mlekowy oraz niewielkie ilości laktozy, białka i tłuszczów.
Proces fermentacji mleka zachodzi w dwóch etapach:
1. Etapem pierwszym jest hydroliza wchodzącego w skład mleka dwucukru (laktozy) na cukry proste (reakcja przebiega z udziałem odpowiednich enzymów).
2. Na drugim etapie przy udziale bakterii mlekowych z glukozy powstaje kwas mlekowy.
Napoje mleczne fermentowane cechuje wiele zalet. Charakteryzują się wyższą przyswajalnością składników odżywczych, zawierają w porównaniu z mlekiem mniej laktozy (ważne dla osób z nietolerancją laktozy), mają cenione walory smakowe.

Polecenie 2.12.2.

Bakterie mlekowe wykorzystuje się również poza przemysłem mleczarskim. Podaj przykłady produktów wytwarzanych z zastosowaniem fermentacji mlekowej.

Wskazówka

W jaki sposób wytwarza się pieczywo na zakwasie?
W jaki sposób produkuje się niektóre wędliny w przemyśle mięsnym?
W jaki sposób przygotowuje się na zimę niektóre warzywa?
Czy ta produkcja wymaga udziału bakterii mlekowych?

Ciekawostka

Skąd się biorą dziury w serze szwajcarskim?
W trakcie dojrzewania sera zachodzą procesy fermentacyjne. Bakterie kwasu mlekowego z rodzaju Propionibacterium przetwarzają kwas mlekowy na kwas octowy i propionowy. W reakcjach tych produktami są także woda i tlenek węgla(IV). Gaz ten nie może się uwolnić z twardniejącego sera i w efekcie po zastygnięciu masy powstają puste miejsca. W markowym szwajcarskim serze dziury mają rozmiar wiśni.

3. Fermentacja octowa

Zdarza się, że napoje o niewielkiej zawartości alkoholu, takie jak wino i piwo, pozostawione przez dłuższy czas w otwartych naczyniach, kwaśnieją.
Proces ten polega na przemianie alkoholu etylowego w kwas octowy i nosi nazwę fermentacji octowej. Fermentacja octowa zachodzi pod wpływem tlenu z powietrza, z udziałem mikroorganizmów (bakterii lub grzybów). Proces ten można przedstawić w postaci następującego równania:
W przyrodzie fermentacja jest sposobem oddychania w środowisku beztlenowym. Przeprowadzając fermentację, organizmy, takie jak niektóre bakterie i drożdże, uzyskują niezbędną do życia energię. Pozyskiwana w ten sposób energia umożliwia przebieg różnych procesów biochemicznych, nazywanych przemianami metabolicznymi, służących wzrostowi i rozwojowi tych organizmów oraz innym ich czynnościom życiowym, takim jak np. ruch, reagowanie na bodźce czy rozmnażanie się.
Procesy fermentacji mogą zachodzić w warunkach ograniczonego dostępu tlenu – fermentacje beztlenowe, np. fermentacja alkoholowa, fermentacja mlekowa, ale także z udziałem tlenu – fermentacje tlenowe, np. fermentacja octowa.

Podsumowanie

  • Procesy fermentacji zachodzą z udziałem mikroorganizmów (bakterii i drożdży). Są wykorzystywane w produkcji żywności.
  • Fermentacja alkoholowa (z udziałem drożdży) jest podstawą produkcji wina, piwa i innych rodzajów alkoholi. Proces ten wykorzystywany jest także przy pieczeniu ciasta drożdżowego (powstający w wyniku fermentacji tlenek węgla(IV) spulchnia ciasto).
  • Fermentacja mlekowa daje możliwość wytwarzania takich przetworów mlecznych, jak kefir i jogurt.
  • Fermentacja alkoholowa i mlekowa są procesami przebiegającymi w warunkach beztlenowych.
  • W procesie fermentacji octowej, w warunkach tlenowych, z udziałem bakterii kwasu octowego, alkohol etylowy zostaje przekształcony w kwas octowy (etanowy).

Praca domowa

Polecenie 2.12.3.

Poproś osobę znającą się na gotowaniu o przepis na potrawę, przy której przyrządzaniu wykorzystuje się procesy fermentacyjne.
Zapisz ten przepis w zeszycie. Zwróć uwagę na warunki zalecane do wykonania potrawy/przetworu, które mają gwarantować sukces kucharski.
Korzystając ze zdobytej wiedzy, wyjaśnij zasadność proponowanego w przepisie postępowania.

Słowniczek

Definicja

fermentacja –
reakcja biochemiczna zachodząca pod wpływem enzymów drobnoustrojów zwykle w warunkach beztlenowych; niektóre procesy produkcji związków organicznych z wykorzystaniem mikroorganizmów nazwane są fermentacją, pomimo iż zachodzą z udziałem tlenu, np. fermentacja octowa; nazwa pochodzi od łac. fermentatio – zakwaszenie, burzenie się

Definicja

fermentacja alkoholowa –
proces zachodzący pod wpływem enzymów (zawartych w drożdżach), polegający na przemianie cukrów prostych w etanol

Definicja

fermentacja mlekowa –
proces zachodzący z udziałem bakterii kwasu mlekowego, polegający na przemianie cukrów w kwas mlekowy

Definicja

fermentacja octowa –
proces polegający na utlenieniu etanolu do kwasu octowego; zachodzi pod wpływem enzymów wytwarzanych przez bakterie kwasu octowego

Definicja

proces biotechnologiczny –
proces technologiczny zachodzący z udziałem organizmów żywych lub ich składników (głównie bakterii), np. podczas kiszenia kapusty czy produkcji serów

Zadania

Zadanie 2.12.1.

Zadanie 2.12.2.

Zadanie 2.12.3.

Zadanie 2.12.4.