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 CO 2 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- Heterofermentativ- (homolaktikus ferm.) (heterolaktikus ferm.) Glikolitikus út Foszfoketoláz ut glükóz Fruktóz -1,6-P aldoláz 2 trióz-3-p glükóz xilulóz-p+co 2 foszfoketoláz trióz-3-p + acetil-p Glukonsav-P GSP-dehidrogenáz acetát 2 piruvát piruvát 2 tejsav tejsav Etanol Tejsav:etanol/acetat: CO 2 =1:1:1 7
Példa tejsavbakteriumokra Homofermentativ: Lactococcusspp. Streptococcus spp. Lactobacillus spp Pediococcus spp. Heterofermentativ: 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 o Cközött erjesztenek. Pl. Lactococcus, Leuconostoc, Lactobacillus, Pediococcus sajtok, erjesztett zöldségek, hústermékek előállítása Termofil tejsavbaktériumok: 40-45 o C között erjesztenek. Pl. Streptococcus salivarius subsp. thermophilus -joghurt előállítása Tejipari starterkultúrák I. TERMÉK Joghurt probiotikus joghurt (AB típusú) STARTER Streptococcus salivarius subsp. thermophilus Lactobacillus bulgaricus Lactobacillus acidophilus KíSÉRŐ MIKRÓBA Bifidobacterium bifidum probiotikus joghurt (ABT típusú) Kefír Vaj Lactobacillus acidophilus Streptococcus salivarius subsp. thermophilus Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris Lactobacillus acidophilus Lactobacillus kefir Lactobacillus casei Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris var. diacetylactis Bifidobacterium bifidum Kluyveromyces marxianus Saccharomyces cerevisiae Candida kefir 9
Tejipari starterkultúrák II. TERMÉK Gomolyasajt Camembert/Brie sajtok Rokfort-típusú sajtok Emmentáli sajt STARTER Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris var. diacetylactis Lactococcus lactis subsp. lactis/cremoris var. diacetylactis Leuconostoc sp. Streptococcus thermophilus Lb.bulgaricus Lb. helveticus KÍSÉRŐ MIKRÓBA Penicillium camemberti P. candidum P. caseicolum Penicillium rocquefortii P. glaucum Propionibacterium shermanii Pr. freundenreichii Penészes érlelésű sajtok Camembert-típusú sajt Rokfort-típusú sajt Penicillium camemberti 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 salivariussubsp. 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 Micrococcusspp. (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 -Tejsavas erjesztés - 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 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 Piruvátdekarboxiládehidrogenáz Alkohol- glikolizis Glükóz piroszőlősav acetaldehid etanol CO 2 NADH 2 NAD A sörgyártás technológiája Árpamaláta Csiráztatás Szárítás Őrlés Cefrézés Beoltás élesztővel Sörléfőzés 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 CO 2 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 CO 2 tartalma alacsony A sörerjedés mikrobiológiai folyamatai Sörlé előkészítése: hűtés, szűrés, levegővel telítés Főerjedés 1/ sörlé beoltása, élesztő elszaporodása (biomassza termelés) 2/ erjesztés -maltóz sörélesztő 2 glükóz sörélesztő etanol + CO 2 -erjedési aromák termelése (vicinális diketonok, főként diacetil) Utóerjedés Élesztősejtek kiülepedése (láger sörök) vagy a habban való összegyűlése ( ale sörök) Ászokolás (láger söröknél) A diacetil lebontása, íz- és illatanyagok átalakítása, termelése, sör stabilizálódása 21
Oltóélesztő (starter) fajok Sacch. pastorianus és S. cerevisae (melibiózt hasznosítják) Sacch. cerevisae (melibiózt nem hasznosítják) alsóerjedésű (lager) sör 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)- SO 2 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 -SO 2 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 CO 2 és etanol keletkezik Élesztő kelesztőképességét a hajtóerővel mérik (adott térfogat eléréséhez szükséges idő) 26