Wielbicieli chemii jest na świecie niewielu. Różne są tego powody. Jednym z głównych jest atmosfera, jaką tworzą masmedia wokół chemicznych dodatków do żywności. Ekologiczne trendy zdobywają sobie coraz więcej zwolenników i powodują, że chemia jest uznawana za największe zło, przyczyna chorób cywilizacyjnych.

Producenci żywności prześcigają się w reklamowaniu swoich wyrobów jako naturalnych, bez dodatku substancji oznaczonych literą „E”. Czy faktycznie tak powinniśmy ją postrzegać?

Ludzie od tysięcy lat, może nie zawsze świadomie, stosowali w produkcji żywności metody z wykorzystaniem procesów biochemicznych. Przykładem może być wytwarzanie wina i piwa z udziałem fermentacji alkoholowej, wyrób pieczywa przy wykorzystaniu fermentacji mlekowej i alkoholowej lub wytwarzanie produktów mlecznych z zastosowaniem fermentacji propionowej. Dzisiaj, kiedy nasza wiedza pozwala na w miarę dokładne zdefiniowanie procesów zachodzących w przyrodzie, reakcje biochemiczne wykorzystywane są w produkcji środków spożywczych na szeroką skalę i z pełną świadomością. Największe zastosowanie mają tu procesy fermentacji.

Czy ktoś tego chce, czy nie – chemia zarówno nieorganiczna, jak i organiczna – otacza nas, jest coraz powszechniej wykorzystywana w kolejnych gałęziach produkcji, w tym również podczas wytwarzania żywności. Nowoczesne metody produkcji środków spożywczych z zastosowaniem dodatków chemicznych i procesów biochemicznych powodują zwiększenie wydajności, obniżenie kosztów, wzbogacenie walorów smakowych oraz przedłużenie przydatności do konsumpcji. Problem w tym, aby producenci w pogoni za zyskiem nie przesadzili w jej „unowocześnieniu”.

Rodzaje fermentacji
Fermentacja to enzymatyczny proces przemian związków organicznych prowadzony przez mikroorganizmy, zachodzący w warunkach beztlenowych, którego efektem jest uzyskanie energii, najczęściej pod postacią ATP. Umożliwia on uzyskanie energii użytecznej metabolicznie organizmom stale lub okresowo żyjącym w warunkach beztlenowych. Badaniem fermentacji zajmuje się zymologia.

Do najważniejszych rodzajów fermentacji należą:
fermentacja alkoholowa, podczas której z węglowodanów pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże powstaje etanol (alkohol etylowy) i dwutlenek węgla. W wyniku tego procesu powstaje również szereg produktów ubocznych, m.in.: gliceryna, kwas bursztynowy i kwas octowy. Produktami ubocznymi fermentacji są również wyższe alkohole i estry, które mają decydujący wpływ na bukiet smakowo-zapachowy produktu.
Do produkcji napojów alkoholowych stosuje się odpowiednie szczepy drożdży, np. drożdże winiarskie lub piwowarskie, a w piekarstwie drożdże piekarskie. Fermentacja alkoholowa spowodowana rozwojem drożdży dzikich nosi nazwę fermentacji spontanicznej;

fermentacja mlekowa – fermentacja węglowodanów do kwasu mlekowego odbywająca się pod wpływem działania bakterii fermentacji mlekowej. To enzymatyczny rozkład bogatszych w energię substancji organicznych do uboższych związków prostych, przebiegający w warunkach beztlenowych. Proces ten przeprowadzają różne gatunki bakterii, metabolizując z zastosowaniem enzymów cukry proste i dwucukry do kwasu mlekowego i innych związków, tj. kwasu octowego czy dwutlenku węgla. Bakterie właściwej fermentacji mlekowej ze względu na metabolizm dzielimy na:
- homofermentatywne: fermentują cukrowce, wytwarzając wyłącznie kwas mlekowy,
- fakultatywnie heterofermentatywne: podczas fermentacji produkują tylko kwas mlekowy lub dodatkowo kwas octowy, etanol i dwutlenek węgla,
- heterofermentatywne: fermentują cukrowce, wytwarzając obok kwasu mlekowego produkty uboczne.

Fermentacja mlekowa odgrywa kluczowe znaczenie przy produkcji wielu przetworów mlecznych i piekarskich oraz kiszonek warzywnych i owocowych;

fermentacja masłowa – wywoływana przez bakterie masłowe. W mleczarstwie powodują one: psucie się pasteryzowanego mleka i tzw. późne wzdęcia serów podpuszczkowych dojrzewających (do mleka mogą dostać się np. przy karmieniu krów nieprawidłowo przygotowanymi kiszonkami), psucie się konserw warzywnych i owocowych oraz kiszonych pasz. Bakterie masłowe odgrywają ważną rolę w procesie moczenia lnu i konopi, ponieważ na skutek zachodzącej fermentacji błonnika umożliwiają oddzielenie włókien przędnych od tkanki korowej i zdrewniałej;

fermentacja mannitowa (zwana też śluzową lub gumową) – przeobrażenie zachodzące w cieczach zawierających cukier, jak wino lub mleko, skutkiem czego stają się one włókniste i śluzowate. Zmiany te są wywoływane przez pewne bakterie, jak Bacillus sacchari, Bacillus vini, Lactobacillus brevis. Efektem tej fermentacji jest pojawienie się zapachu psujących się owoców, a także wydzielanie się mannitolu oraz równocześnie kwasów octowego i mlekowego. Fermentacja mannitowa zaliczana jest do chorób win, skutkuje mdłym posmakiem i zmętnieniem. Zapobieganie jej polega głównie na stosowaniu tylko zdrowych owoców i zachowaniu czystości, a także terminów i reżimów wynikających z technologii produkcji. Leczenie skutków tego typu fermentacji jest możliwe, jeśli nie posunęła się zbyt daleko, i polega m.in. na pasteryzacji w temperaturze 70°C, a także ewentualnym dokwaszeniu lub kupażowaniu z innym gatunkiem wina;
fermentacja metanowa – proces mikrobiologiczny rozkładu substancji organicznych przeprowadzany w warunkach beztlenowych przez mikroorganizmy anaerobowe z wydzieleniem metanu. W wyniku fermentacji metanowej powstaje biogaz otrzymywany z odpadów organicznych, takich jak ścieki, stałe odpady komunalne, osady ściekowe;

fermentacja propionowa – wywoływana przez bakterie propionowe. Ma zastosowanie przy produkcji serów dojrzewających, np. sera edamskiego (wytwarzające się kwasy octowy i propionowy nadają serom charakterystyczny, nieco ostry smak, a dwutlenek węgla powoduje powstawanie oczek). Bakterie propionowe towarzyszą bakteriom mlekowym w kwasach chlebowych, a niekiedy też w kiszonkach;

fermentacja cytrynowa – metoda otrzymywania kwasu cytrynowego z glukozy z wykorzystaniem pleśni, np. z gatunku Aspergillus niger. Sam proces nie jest właściwą fermentacją, gdyż ma charakter ściśle tlenowy, jednak został tak nazwany ze względów historycznych i zwyczajowych. Metoda fermentacyjna przewyższa metodę uzyskiwania kwasu cytrynowego z owoców cytrusowych ze względu na niższą cenę. Wykorzystuje się w niej melasę (produkt uboczny przemysłu cukrowniczego);

fermentacja octowa – biochemiczny proces powstawania kwasu octowego z alkoholu etylowego w rozcieńczonym roztworze wodnym z udziałem bakterii. Nie jest procesem właściwej fermentacji (zachodzi w warunkach tlenowych) i jest zaliczana do pseudofermentacji. Pod wpływem enzymów wytwarzanych przez bakterie octowe etanol utlenia się z wykorzystaniem tlenu z powietrza do kwasu octowego z wydzieleniem wody.

Fermentacja w piekarstwie

Krótki rys historyczny
Spośród prezentowanych procesów fermentacji w technologii piekarskiej mają zastosowanie jedynie fermentacje mlekowa i alkoholowa. Prawdopodobnie tę pierwszą odkryto przypadkowo w Mezopotamii i zastosowano do wytwarzania ciasta już ok. 4000 lat przed naszą erą. Grecy, korzystając z doświadczenia Egipcjan, przenieśli produkcję pieczywa na kwasie na nasz kontynent ok. 800 r. p.n.e. Oczywiście nieodłącznym towarzyszem fermentacji mlekowej była zawsze fermentacja alkoholowa.
Świadomie do wytwarzania ciasta drożdże piwne zaczęto stosować w Niemczech dopiero w XV i XVI w. We Francji czyniono to z dużym oporem zarówno ze strony konsumentów, jak i ówczesnych ludzi nauki, w produkcji piekarskiej zaczęto stosować drożdże masowo pod koniec XVII w. U schyłku XVIII w. rozpoczęto produkcję przemysłową drożdży piekarskich. Wiek XX to rozwój produkcji tzw. kultur starterowych, tj. wyizolowanych szczepów bakterii kwasu mlekowego, gotowych kwasów suchych i w postaci pasty lub płynu, a także mieszanek zakwaszających zwanych suchymi zakwasami.

Cel fermentacji w produkcji pieczywa
Głównym celem stosowania mikroorganizmów w produkcji pieczywa jest jego spulchnienie możliwe dzięki powstawaniu dwutlenku węgla w czasie metabolizmu drobnoustrojów. Spulchnianie ciasta zachodzi zarówno dzięki zastosowaniu drożdży piekarskich, jak i prowadzeniu wielofazowej fermentacji kwasów. Oprócz efektów technologicznych dzięki prawidłowo prowadzonej fermentacji ciasta uzyskuje się:
- intensywniejsze uwodnienie składników mąki,
- wytwarzanie substancji zapachowych,
- wytwarzanie kwasów naturalnych w wyrównanych proporcjach,
- sterowanie enzymatycznym rozkładem składników mąki,
- zwiększenie strawności pieczywa,
- przedłużenie świeżości pieczywa;
- przedłużenie jego trwałości przez opóźnienie pojawienia się pleśni i zapobieżenie rozwojowi tzw. choroby ziemniaczanej.

Tabela 1. Wpływ mikroorganizmów przeprowadzających fermentację na właściwości ciasta i pieczywa

X – brak oddziaływania,
/ – działanie pod warunkiem doboru odpowiednich gatunków mikroorganizmów i parametrów fermentacji,
1, 2, 3 – uzyskanie parametru pierwszo-, drugo- i trzeciorzędnego

W tabeli 1 pokazano, w jaki sposób bakterie kwasu mlekowego i drożdże oddziałują na jakość ciasta i pieczywa dzięki zmianom surowców podczas przeprowadzanych procesów. Należy zaznaczyć, że tylko wielofazowe prowadzenie kwasu w przypadku pieczywa żytniego i żytnio-pszennego, a także niektórych gatunków pieczywa pszennego oraz prowadzenie dwufazowe (podmłoda – ciasto) w przypadku pieczywa pszennego daje najlepsze efekty jakościowe wyrobu końcowego.
Na uwagę zasługują coraz częściej stosowane kultury starterowe, czyli wyizolowane szczepy bakterii kwasu mlekowego, które gwarantują proces fermentacji o pożądanej, stałej i wysokiej jakości.

Warunki prawidłowego przebiegu fermentacji
Gdy produkty przemiału zboża zmiesza się z wodą, to drożdże, grzyby pleśniowe, bakterie i inne mikroorganizmy, jakie znajdują się w mące lub śrucie, podejmują na nowo swoje czynności życiowe, które ustały na skutek panowania suchych warunków. Na ziarnach zboża można było stwierdzić więcej niż 1 mln zarodków na 1 g. Wśród nich znajduje się znacznie powyżej 1000 mikroorganizmów, które budzą zastrzeżenia pod względem wymogów higienicznych. Jeśli nadmiernie się rozmnożą, wówczas dochodzi do nieprawidłowej fermentacji lub do tworzenia się substancji trujących. Staranny nadzór podmłody i kwasu stanowi krytyczny punkt kontroli w ramach koncepcji HACCP. Odbiegające od normy wyrastanie lub rośnięcie niepożądanych mikroorganizmów nie powoduje pośredniego zagrożenia dla zdrowia, ponieważ w czasie wypieku kwas jest podgrzewany.

Wszystkie mikroorganizmy próbują się rozprzestrzenić w cieście. Rozmnażają się bardzo szybko i uwalniają produkty przemiany materii. W podmłodzie i w kwasie należy wspomagać pożądaną aktywność mikrobiologiczną.
W podmłodzie będzie występowała mikroflora, która była zawarta w mące i może mieć niekorzystny wpływ na jej jakość. Zadaniem piekarza jest kierowanie fermentacją w taki sposób, aby najbardziej rozmnożyły się te mikroorganizmy, których obecność jest pożądana. W przypadku podmłody należy wspomagać aktywność drożdży, a w przypadku kwasu – drożdży i bakterii kwasu mlekowego. Gdy w cieście aktywna jest dostateczna ilość drożdży i bakterii kwasu mlekowego, wówczas dzięki dwutlenkowi węgla, kwasom mlekowemu i octowemu mogą one wyprzeć niepożądane mikroorganizmy. Do tego konieczna jest duża ich ilość (powyżej 1 mln na 1 g), odpowiednia temperatura i substancje odżywcze, czyli warunki, w których rozrost następuje najszybciej.

Jeśli zamkniętą kolonię drobnoustrojów (np. drożdży lub bakterii kwasu mlekowego) pozostawimy bez zewnętrznej ingerencji, najpierw następuje jej dynamiczny rozwój, potem stabilizacja liczebności komórek, a następnie liczba ich zmniejsza się pod wpływem produktów wytworzonych w trakcie procesów życiowych przez te drobnoustroje. Obrazuje to rys. 1. Dlatego prowadzenie fermentacji przy produkcji pieczywa wymaga przemyślanej ingerencji piekarza – uzupełniania produktów i stałej kontroli warunków procesu.

Rys. 1. Fazy rozwoju mikroorganizmów

Na czynności życiowe mikroorganizmów podczas fermentacji – głównie mlekowej, ale także alkoholowej – mają wpływ następujące parametry: jakość i skład produktów przemiału zboża, skład i ilość zaczątku lub podmłody, wydajność fazy, temperatura i czas fermentacji, dodawanie substancji odżywczych, inhibitorów, tj. substancji spowalniających proces (m.in. soli kuchennej), wielkość dodatku drożdży i bakterii kwasu mlekowego, obecność tlenu oraz kwasowość na początku fermentacji mlekowej. Należy szczególnie zwrócić uwagę na temperaturę i czas procesu, które w decydujący sposób wpływają na jakość fazy, a w końcowym efekcie na jakość pieczywa.

Adam Melkowski, członek ICC Polska, Bydgoszcz