Levende organismen voeren diverse metabolische processen uit om energie te verkrijgen. Het zichtbare resultaat van deze processen is transformatie , gedefinieerd als een verandering in de toestand en eigenschappen van verbindingen. Je hebt dit proces vast wel eens waargenomen in veel dingen om je heen, hoewel niet alle afbraakprocessen fermentatief zijn. Die keer dat je het pak melk buiten de koelkast liet staan, zorgden de lactobacillus- bacteriën ervoor dat je verse melk zuur werd. Overigens zijn de producten van deze reactie niet altijd ongewenst: dat glas wijn dat je bij het avondeten dronk, was het resultaat van de fermentatie van druivensap.
Fermentatie zet suikers om in producten die tot de ethylgroep behoren (alcoholen) en gaat meestal gepaard met de vorming van zuren die de karakteristieke "zure" organoleptische smaak geven. In het specifieke geval van melkzuurfermentatie worden deze suikers voornamelijk omgezet in melkzuur , dat verantwoordelijk is voor de karakteristieke zuurgraad van veel gefermenteerde voedingsmiddelen.
Van fermentatie tot melkzuurgisting
Fermentatie is een anaërobe chemische reactie (die plaatsvindt zonder zuurstof) die wordt uitgevoerd door micro-organismen (bacteriën en gisten). Het was de wetenschapper Louis Pasteur die dit afbraakproces in sommige voedingsmiddelen in verband bracht met microbiële activiteit. In de loop der tijd heeft de microbiologie aangetoond dat het type fermentatie (gedefinieerd door de eindproducten) afhangt van het betrokken micro-organisme.
Melkzuurfermentatie wordt uitgevoerd door melkzuurbacteriën, waaronder soorten van het geslacht Lactobacillus . Het belangrijkste product van de glucoseafbraak is melkzuur , en afhankelijk van het proces worden ook koolstofdioxide en andere secundaire verbindingen zoals ethanol of organische zuren geproduceerd.
Biochemisch gezien verkrijgen melkzuurbacteriën energie via glycolyse . Het resulterende pyruvaat wordt gereduceerd tot lactaat of een combinatie van lactaat en andere verbindingen, waardoor de NAD+ wordt geregenereerd die nodig is om de glycolyse voort te zetten in afwezigheid van zuurstof.
Het overheersende reactiemechanisme bij melkzuurfermentatie omvat opeenvolgende dehydrogeneringen van organische stoffen, meestal suikers; soms kunnen ook andere reactanten, zoals vetzuren, een rol spelen. Ter vereenvoudiging wordt algemene fermentatie vaak samengevat met de volgende vergelijking:
Suiker = Alcohol + Koolstofdioxide
Een completer beeld van melkzuurfermentatie houdt echter rekening met de vorming van zuren naast alcoholen en CO2 :
Suiker → Alcohol + Koolstofdioxide + Organische zuren (voornamelijk melkzuur)
In de praktijk bestaan er verschillende soorten melkzuurfermentatie , afhankelijk van de producten en metabolische processen:
- Homolactisch: Lactose of glucose wordt vrijwel uitsluitend afgebroken tot één hoofdproduct, namelijk de melkzuurDit wordt bijvoorbeeld gedaan door sommige soorten Lactobacillus y Streptococcus betrokken bij de yoghurtproductie.
- Heterolactisch: Producten zoals melkzuur, ethanol y CO2en in sommige gevallen extra organische zuren (bijv. azijnzuur). Afhankelijk van het proces kunnen er ook kleine hoeveelheden water als bijproduct ontstaan. Bacteriën zoals Leuconostok of bepaalde stammen van Lactobacillus Ze voeren heterolactische fermentaties uit, die worden gebruikt bij het inmaken en bij complexe fermentaties.
Functioneel gezien produceren melkzuurbacteriën niet alleen melkzuur: ze genereren ook andere organische zuren , exopolysacchariden en aromatische verbindingen die de textuur, smaak en geur van gefermenteerde voedingsmiddelen beïnvloeden. Daarom worden ze zo veel gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie.
Omstandigheden die melkzuurfermentatie bevorderen
De omstandigheden die de ontwikkeling van melkzuurfermentatie bevorderen, hangen samen met de fysiologische behoeften van de betrokken bacteriën. Het beheersen van deze factoren is essentieel, zowel in de industrie als bij het koken thuis.
Standaard omgevingsomstandigheden: Over het algemeen wordt gesteld dat omstandigheden rond 25 °C en 1 atm gunstig zijn voor veel bacteriën; in de praktijk liggen de optimale temperaturen, afhankelijk van de soort, tussen 25 en 40 °C . Bijvoorbeeld bij de yoghurtproductie wordt het mengsel enkele uren op ongeveer 35-40 °C gehouden , zodat de bacteriën lactose kunnen omzetten in melkzuur. Als de temperatuur te laag is (bijvoorbeeld koeling bij 4 °C), vertraagt de activiteit; als de temperatuur te hoog is, kunnen de bacteriën afsterven en stopt de fermentatie.
Aanwezigheid van suikers en organische componenten: Bacteriën gebruiken fermenteerbare suikers (lactose in melk; enkelvoudige suikers en zetmeelderivaten in groenten en granen). Simpel gezegd: bacteriën zijn dol op suikers.
Vochtigheid: Veel antibacteriële behandelingen zijn erop gericht het vochtgehalte te beperken, omdat vocht fermentatie en andere microbiële groei bevordert. Een product met een zeer laag vochtgehalte is minder vatbaar voor bacteriële activiteit; daarom zijn zeer droge vleeswaren of gedroogde producten stabieler.
Bij gecontroleerde fermentaties wordt de aanwezigheid of afwezigheid van zuurstof ook zorgvuldig beheerd . Hoewel veel melkzuurbacteriën zuurstof verdragen, is de fermentatie zelf in de eerste plaats anaëroob: het beperken van zuurstof bevordert het fermentatieproces boven de aerobe ademhaling.
Een andere belangrijke factor is de pH-waarde . Naarmate de fermentatie vordert, verlaagt melkzuur de pH-waarde, waardoor een omgeving ontstaat die gunstig is voor melkzuurbacteriën en ongunstig voor veel ziekteverwekkers. Dit verklaart de effectiviteit ervan als conserveringsmethode.
Lactobacillus, melkzuurbacteriën en hun rol bij melkzuurfermentatie
Het geslacht Lactobacillus behoort tot een grotere groep die bekendstaat als melkzuurbacteriën (LAB). Het zijn grampositieve, staafvormige bacteriën; ze geven de voorkeur aan anaërobe omgevingen , hoewel ze in veel gevallen ook zuurstof verdragen.
Melkzuurbacteriën omvatten geslachten zoals Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Enterococcus, Leuconostoc en Pediococcus , die voorkomen in onder andere yoghurt, kefir, kaas, augurken en zuurdesembrood.
Wanneer Lactobacillus lactose fermenteert, doet het dat niet alleen om voedingsstoffen te verkrijgen, maar ook omdat het de voorkeur geeft aan een zure omgeving. Deze eigenschap wordt gebruikt voor voedselconservering , omdat een zure omgeving de groei van veel pathogene bacteriën beperkt.
Enkele van de betrokken soorten zijn:
- Lactobacillus bulgaricus (wordt momenteel beschouwd als onderdeel van het complex) Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus), die veelvuldig wordt gebruikt in traditionele yoghurt.
- Lactobacillus casei, komt veel voor in gefermenteerde melk en sommige kazen, met potentieel probiotische.
- Lactobacillus delbrueckii, betrokken bij melkzuurfermentaties en de industriële productie van melkzuur.
- Lactobacillus leichmannii, aanwezig in specifieke fermentaties en in metabolische studies.
Artsen en voedingsdeskundigen bevelen de consumptie van producten met melkzuurbacteriën (LAB) aan, omdat deze de darmflora ten goede kunnen komen en bijdragen aan de regeneratie en het evenwicht ervan. Veel merken vermelden de aanwezigheid van probiotica op hun etiket . Deze bacteriën zorgen voor een soort "voorvertering" van suikers en eiwitten, waardoor voedsel beter verteerbaar en verdraagbaar wordt voor mensen met lactose-intolerantie.
Veel commerciële zuivelproducten ondergaan echter verhittingsprocessen (pasteurisatie of andere) die de levende darmflora verminderen of elimineren: de chemische samenstelling (melkzuur, textuur en smaak) kan behouden blijven, maar het probiotische effect dat met levende bacteriën samenhangt, neemt af of verdwijnt.
Melkzuurfermentatie in het menselijk lichaam: spieren en spierpijn
Melkzuurfermentatie is niet iets wat alleen bij bacteriën voorkomt. Ook onze spiercellen gebruiken een melkzuurroute wanneer de energiebehoefte groter is dan het zuurstofaanbod.
Tijdens intense inspanning verkrijgt de spier energie via glycolyse; als er een tekort aan zuurstof is, wordt pyruvaat omgezet in lactaat , waardoor NAD + wordt aangevuld zodat de glycolyse kan doorgaan.
Pyruvaat + NADH + H + → Lactaat + NAD +
Dit proces vindt plaats in het cytoplasma en zorgt ervoor dat de ATP-productie kan doorgaan onder zuurstofarme omstandigheden. Lactaatophoping en de daling van de pH dragen bij aan het gevoel van vermoeidheid en onmiddellijke spierpijn; spierpijn met vertraagde aanvang (DOMS) houdt echter meer verband met microtrauma's in de spiervezels. Wanneer de zuurstofvoorziening verbetert, kan lactaat naar andere weefsels (bijvoorbeeld de lever) worden getransporteerd en weer worden omgezet in spierweefsel voor de stofwisseling.
Lactosefermentatie bij de conservering en verbetering van levensmiddelen
Fermentatie is een eeuwenoude methode, ontwikkeld vanuit de behoefte om voedsel te bewerken zodat het langer houdbaar zou zijn en maaginfecties te voorkomen in de tijd vóór antibiotica. Verschillende culturen ontwikkelden fermentatiemethoden (bijvoorbeeld in Azië met groenten, granen en sojabonen) zonder de betrokken mechanismen volledig te begrijpen.
Louis Pasteur legde de wetenschappelijke basis voor deze reacties en effende daarmee de weg voor conserveringstechnieken. Tegenwoordig weten we dat melkzuurfermentatie niet alleen voedsel conserveert, maar ook de textuur, smaak, aroma en voedingswaarde ervan kan verbeteren .
In de industrie maakt melkzuurfermentatie het volgende mogelijk:
- Verbeter de textuur Bij producten zoals yoghurt wordt het overmatig gebruik van verdikkingsmiddelen vermeden. Sommige stammen produceren exopolysacchariden die op natuurlijke wijze een romige en stabiele textuur creëren.
- Verbeter de smaak en het aroma. in kazen en andere gefermenteerde voedingsmiddelen door aromatische verbindingen die ontstaan bij de afbraak van eiwitten, suikers en vetten.
- Verminder ongewenste componenten zoals lactose, waardoor spijsverteringsproblemen bij mensen met een intolerantie worden verminderd.
Voorbeelden van opmerkelijke melkzuurfermentaties zijn:
- Melkgisting: De BAL's verkrijgen energie uit de lactosehet verzuren van de melk. gestremde melk Het ontstaat door de neerslag van eiwitten (caseïnen) wanneer de pH daalt; hieruit worden yoghurt, kaas, kefir en andere producten gemaakt.
- Vergisting van groenten: Zout wordt gebruikt om ziekteverwekkers te remmen; bij correct gebruik selecteert zout resistente melkzuurbacteriën en vergemakkelijkt het inmaken, zoals bijvoorbeeld. zuurkool, augurken en kimchiBij overmatig gebruik kan het ook de ontwikkeling belemmeren. Lactobacillus.
- Gisting in vlees: Bij gefermenteerde worst en gedroogd vlees werkt fermentatie in op de glycogeen (of aanwezige suikers) worden omgezet in melkzuur, wat bijdraagt aan conservering, smaak en kleur.
Melkzuurfermentatie wordt ook toegepast op substraten zoals koffieslijm . Melkzuurbacteriën (LAB) die in het vruchtvlees aanwezig zijn (bijv. Lactobacillus plantarum, L. fermentum, L. acidophilus ) verbruiken suikers uit de vrucht en produceren melkzuur, alcohol, azijnzuur en CO2 . Door temperatuur, pH, zuurstof en tijd te controleren, worden koffies verkregen met aangename zuurgraadprofielen, zoetheid en complexe aroma's , eigenschappen die zeer gewaardeerd worden in specialty coffees.
Samenvattend verzuurt, conserveert en verbetert melkzuurfermentatie de sensorische eigenschappen en in veel gevallen ook de voedingswaarde en verteerbaarheid van voedsel. Het vormt een brug tussen energieproductie en de ingrijpende transformatie van wat we consumeren, en biedt veiligheid, smaak en een complexe interactie met onze darmgezondheid die nog steeds wordt onderzocht.