CC BY
63
УдК 663.479
рисовый гриб как продуцент органических кислот при получении безалкогольных напитков брожения
Е. А. Цед, канд. техн. наук, доцент;
З. В. Василенко, д-р техн. наук, профессор;
Л. М. Королёва, канд. техн. наук, доцент;
С. В. Волкова, канд. техн. наук, доцент; С. В. Астапенко, Н. М. Селемина
Могилевский государственный университет продовольствия, Республика Беларусь
Ключевые слова: безалкогольные напитки брожения; микроорганизмы; органические кислоты; рисовый гриб. Keywords: alcohol-free fermented beverages; microbes; organic acids; Indian sea rice.
Жизнедеятельность любого микроорганизма сопровождается выделением значительного количества конечных метаболитов, которые определяют качественные характеристики ферментированных субстратов и могут оказывать положительное влияние на обменные процессы в организме человека.
Один из представителей таких метаболитов — органические кислоты, накопление которых приводит к изменению активной кислотности питательной среды, что существенно влияет на скорость и характер биохимических превращений, происходящих при ферментации субстрата. Это связано главным образом с тесной зависимостью активности клеточных ферментов от рН питательной среды, в которой развиваются микроорганизмы. Подкисление среды влияет и на заряд клеточных оболочек, раствори-
мость катионов и анионов, что приводит к улучшению поступления питательных веществ в микробную клетку и, как следствие, к интенсификации всех протекающих метаболических процессов. Кислая реакция среды — необходимое условие для развития ацидофильных микроорганизмов, которые в виде закваски используются для получения напитков брожения. Это относится к дрожжам, молочнокислым и уксуснокислым бактериям, продуцирующим различные органические кислоты. Причем сочетание различных органических кислот не только отвечает за создание вкусовых ощущений готовых напитков, но и обеспечивает их функциональную полезность [1].
Кроме того, органические кислоты, подкисляя продукт, препятствуют развитию нейтрофильных микроорганизмов (гнилостных бактерий),
Рис. 1. Хроматограмма образца питательной среды трехсуточной ферментации
предпочитающих нейтральный и слабощелочной рН. Это, в свою очередь, способствует нормализации пищеварения и восстановлению нормальной микрофлоры кишечника человека, нарушенной при дисбактериозах, в настоящее время приобретающих массовый характер.
Объектом наших исследований служила сложная, эволюционно сложившаяся поликультура микроорганизмов под тривиальным названием рисовый гриб (Oryzamyces indici РГЦ), включающая два вида дрожжей (Zygosaccharomyces fermentati Naganischi, Pichia membranofaciens Hansen), два вида молочнокислых (Lactobacillus paracasei sub sp. paracasei, Leuconostoc mesenteroides sub sp. dextranicum) и один вид уксуснокислых бактерий (Acetobacter aceti) [2]. Учитывая сложный микробный состав поликультуры, состоящий из ацидофильных микроорганизмов различных таксономических групп, целью работы стало определение способности рисового гриба продуцировать органические кислоты и изучение динамики их образования при получении безалкогольных напитков брожения.
Естественная среда для культивирования рисового гриба — сбалансированная углеводсодержащая среда, представляющая собой водный раствор сахарозы с добавлением растительной добавки — сушеного винограда, в которую вносили расчетное количество рисового гриба. Ферментацию исследуемых образцов проводили в течение 5 сут при температуре 25±5 °С. Концентрацию органических кислот в сбраживаемом субстрате определяли по истечении каждых суток ферментации методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [3].
Хроматографическое исследование сброженных рисовым грибом питательных субстратов показало, что в ходе его жизнедеятельности образуется целый спектр органических кислот: щавелевая, винная, молочная, уксусная, лимонная, янтарная, фумаровая и шикимовая (рис. 1). Все эти вещества увеличивают кислотность напитка, что благоприятно сказывается на пищеварительной системе человека, прежде всего за счет угнетения гнилостной микрофлоры. Они способствуют также расширению кровеносных сосудов, снижению артериального давления, уменьшению концентрации холестерина в крови, увеличению активности
26 ПИВО и НАПИТКИ
2012
пищеварительных ферментов желудочного сока [4].
В наибольшем количестве в ферментированном напитке присутствуют молочная и уксусная кислоты, которые являются основными метаболитам молочнокислых и уксуснокислых бактерий, входящих в состав рисового гриба (рис. 2).
Концентрация молочной кислоты в течение пяти суток ферментации изменялась от 0,2635 до 1,4493 г/дм3. Молочная кислота выполняет энергетическую функцию и как вещество — «энергетик» стимулирует работу мышц, открывая так называемое второе дыхание. Молочная кислота, окисляясь в печени, получающей больше кислорода чем мышцы, в процессе глюконеогенеза превращается в глюкозу, которая током крови вновь транспортируется в мышцы и окисляется с выделением энергии АТФ [5]. Поэтому напитки, содержащие эндогенную молочную кислоту, имеют большое значение для физически активных людей и могут быть позиционированы как напитки для спортсменов.
Содержание уксусной кислоты увеличивалось с течением времени ферментации и составляло 0,1095 г/дм3 на первые сутки и 1,8982 г/дм3 на пятые сутки брожения. Превалирующее по сравнению с молочной кислотой содержание уксусной кислоты в пя-тисуточном ферментированном субстрате объясняется, вероятно, тем, что данный метаболит образуется не только из сахарозы субстрата, но и за счет окислительного превращения в уксусную кислоту этилового спирта, продуцируемого дрожжевой микрофлорой рисового гриба. Однако высокие концентрации уксусной кислоты, отмечаемые на пятые сутки ферментации, негативно влияют на органо-лептические показатели получаемых напитков, придавая им неприятный резкий кислый вкус.
В несколько меньшем количестве в ферментируемом рисовом грибом субстрате обнаруживали винную кислоту, источником которой, по-видимому, служил сушеный виноград, применяемый в качестве субстратной растительной добавки. Концентрация винной кислоты на первые сутки культивирования составляла 0,1548 г/дм3, причем указанное значение оставалось постоянным на всем протяжении ферментации, что подтверждает наше предположение о том, что данное ве-
2,0 —,
1,8-
2 3
Продолжительность культивирования, сут
Уксусная кислота — Молочная кислота
Винная кислота
0
0
4
Рис. 2. Динамика образования молочной, уксусной и винной кислот в процессе жизнедеятельности рисового гриба
щество было экстрагировано из сушеного винограда.
Как следует из данных рис. 3, динамика щавелевой кислоты в ходе брожения характеризовалась увеличением концентрации ко вторым суткам брожения (0,0143 г/дм3) и снижением ее содержания (до 0,0008 г / дм3) к пятым суткам ферментации. Возрастание щавелевой кислоты к третьим суткам брожения, вероятно, связано с синтезом из основного ее источника — аскорбиновой кислоты [6], содержание которой, согласно ранее полученным нами данным, максимально снижалось именно к третьим суткам ферментации [7]. Последующее снижение концентрации щавелевой кислоты к четвертым-пятым суткам брожения можно объяснить активным взаимодействием ее с уксусной кислотой, приводящим к образованию ацетил-КоА, вовлекаемого в цикл Кребса. Это имеет положительное значение с точки зрения здоровья человека, поскольку избыточное потребление щавелевой кислоты может способствовать развитию нефролитиа-за [8].
В питательном субстрате, ферментируемом рисовым грибом, обнаружены многие органические кислоты, образующиеся в ходе аэробного расщепления углеводов (цикла Кребса), — янтарная, лимонная, фумаровая.
Из метаболитов трикарбоново-го цикла в наибольшем количестве выявлена янтарная кислота, содержание которой резко увеличива-
лось к четвертым суткам брожения (0,10708 г/ дм3). Это является весьма ценным фактором, поскольку она занимает центральное место в энергетическом обмене любой живой клетки, сопровождающемся получением энергии АТФ. Янтарная кислота усиливает клеточное дыхание, способствует усвоению кислорода клетками, обезвреживанию свободных радикалов, обладает мощным антиоксидантным, иммуностимулирующим и онкопро-текторным действиями, что в совокупности улучшает работу всех органов и тканей организма человека [9].
Как следует из данных рис. 3, концентрация лимонной кислоты на всем протяжении цикла брожения находилась практически на одном уровне (0,00618-0,004712 г/дм3). Это свидетельствует о поддержании стабильности аэробного окисления углеводов как главного катаболического процесса в биокультуре. Эндогенная лимонная кислота обусловливает не только формирование вкусовых характеристик напитка брожения, но и принимает участие в энергетическом обмене организма человека: уменьшает физиологический стресс, помогает предотвратить неблагоприятные последствия накопленной физиологической усталости, что крайне важно для людей, ведущих активный образ жизни [10].
Фумаровую кислоту в концентрации 0,00043 г / дм3 обнаруживали в первые сутки брожения (рис. 4), а затем ее содержание плавно снижа-
2012 ПИВО и НАПИТКИ 27
лось к пятым суткам ферментации (0,00014 г/дм3), что связано с ее большой реакционной способностью. Главное физиологическое значение фумаровой кислоты заключается в обеспечении экстренного синтеза макроэргических соединений АТФ, что служит главным антистрессовым фактором на клеточном уровне. Ускоренное образование АТФ с участием фумаровой кислоты позволяет сохранить глюкозу и направить ее для синтеза гликогена в печени и аскорбиновой кислоты — главного анти-оксиданта в организме. Это продляет
активный период работы печени, препятствует образованию в ней жиров, обеспечивает интенсивное очищение печени от продуктов обмена, т. е. фу-маровая кислота обладает гепатопро-текторным действием. Кроме того, она участвует в стимуляции механизма иммунной защиты, препятствуя спонтанной активации процессов сво-боднорадикального обмена липидов, липолиза и протеолиза [11].
Динамика изменения шикимо-вой кислоты (см. рис. 4) в процессе брожения характеризовалась резким возрастанием ее концентрации
1,0-
0,8-
^ 0,4-
0,2-
12 3 4
Продолжительность культивирования, сут
Янтарная кислота — Щавелевая кислота — Лимонная кислота
Рис. 3. Динамика образования щавелевой, янтарной и лимонной кислот в процессе жизнедеятельности рисового гриба
0,0040 -| 0,0035 -0,0030 -
^ 0,0025 -
я, и
0,0020 -
ен
^00015-0,0010 -0,0005 -
2 3
Продолжительность культивирования, сут
Шикимовая кислота — Фумаровая кислота
Рис. 4. Динамика образования фумаровой и шикимовой кислот в процессе жизнедеятельности рисового гриба
(0,00321 г/дм3) к третьим суткам ферментации и последующим снижением (0,00124 г/дм3) к пятым суткам брожения.
Шикимовая кислота — важнейший промежуточный продукт в обмене веществ микроорганизмов. Она не накапливается в среде, быстро расходуется на последующие реакции и обнаруживается в низких концентрациях. Шикимовая кислота участвует в биосинтезе ароматических кислот, в том числе и ряда аминокислот [12]. Установленное снижение концентрации шикимовой кислоты к пятым суткам ферментации полностью коррелирует с ранее полученными нами данными по увеличению к пятым суткам брожения таких аминокислот, как фенилаланин и тирозин, в синтезе которых она принимает непосредственное участие.
Обнаруженная в сбраживаемом рисовым грибом субстрате широкая гамма органических кислот не только обеспечивает формирование вкусовых свойств напитка, но и позволяет обогатить его существенной биологической ценностью, обеспечиваемой значительной ролью указанных органических веществ в метаболических процессах организма человека. Причем образуемые биокультурой органические кислоты конгруэнтны аналогичным метаболитам организма человека, поскольку получаются не путем химического синтеза, а образуются в результате процесса обмена веществ, единого для всех живых существ.
Таким образом, в процессе жизнедеятельности рисового гриба образуется широкий спектр органических кислот (щавелевая, винная, молочная, уксусная, лимонная, янтарная, фума-ровая и шикимовая), которые характеризуются различной динамикой их накопления в ходе пятисуточной ферментации.
Преобладающие органические кислоты в субстрате — молочная и уксусная кислоты, продуценты которых — молочнокислые и уксуснокислые бактерии.
Наличие в получаемом напитке на основе рисового гриба молочной, янтарной, фумаровой, лимонной кислот, участвующих в энергетическом обмене живого организма, позволяет рассматривать их как основу функциональных напитков и напитков для спортсменов.
Обнаруженная в сброженном рисовым грибом напитке шикимовая кисло-
0
0
5
0
0
1
5
28 ПИВО и НАПИТКИ
4 • 2012
та повышает биологическую ценность получаемого продукта, поскольку является предшественником образования в организме человека биологически активных веществ — аминокислот фенилаланина и тирозина.
ЛИТЕРАТУРА
1. Василенко, З. В. Основы микробиологии, санитарии и гигиены: учеб. посо-бие/З. В. Василенко, Е. А. Цед, Л. М. Королева. — Минск: Изд. БГУ, 2008. — 288 с.
2. Королева, Л. М. Идентификация микробного состава поликультуры рисового гриба как основы получения ферментированных безалкогольных напитков/Л. М. Королева [и др.] // Пиво и напитки. — 2007. — № 2. — С. 40-42.
3. СТБ 1982-2009 «Метод определения содержания органических кислот с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии».
4. Нечаев, А. П. Пищевая химия/А. П. Нечаев [и др.]; под ред. А. П. Нечаева. — Изд. 4-е, испр. и доп. — СПб.: ГИОРД, 2007. — 640 с.
5. Бережной, В. В. Микрофлора человека и роль современных пробиотиков в ее регуляции/В. В. Бережной, С. А. Крамарев, Е. Е. Шунько // Здоровье женщины. — 2004. — № 1 (17). — С. 134-139.
6. Chadwic, V. C. Metabolic pathwaysof oxalic acid // V. C. Chadwic, K. Modha, R. H. Dow-ling // N. Engl. J. Med. — 1973. — № 289. — P. 172-176.
7. Королева, Л. М. Рисовый гриб как продуцент биологически ценных веществ при получении натуральных безалкогольных напитков брожения/Л. М. Королева [и др.] // Пиво и напитки. — 2010. — № 4. — С. 12-13.
8. Мельник, А. В. Особенности обмена щавелевой кислоты при расстройствах тонкокишечного переваривания и всасывания у детей/А. В. Мельник, А. И. Мельник // Сб. науч. работ «Детская гастроэнтерология Сибири. Проблемы и поиски решения». — Вып. 3. — Новосибирск, 1999. — С. 127-133.
9. Рогов, И. А. Пищевая биотехнология: В 4 кн. Кн. 1. Основы пищевой биотехнологии/И. А. Рогов, Л. В. Антипова, Г. П. Шу-ваева. — М.: КолосС, 2004. — 440 с.
10. Sugino, T. Effects of citric acid and L-carnitine on physical fatigue/T. Sugino, S. Aoyagi// J. Clin Biochem Nutr. — 2007. — № 4 (3). — Р. 224-225.
11. Schmack, K. H. Typical clinical signs associated with the addition of fumaricacid to milk substitutes/K. H. Schmack // Tierärztliche Umschau. — 2001. — № 56. — Р. 411-413.
12. Запрометов, М. Н. Основы биохимии фе-нольных соединений/М. Н. Запрометов. — М.: Академия, 1974. — 640 с. <&
Когда бизнес приносит
ипАоппьлтома!
4 • 2012
ПИВО и НАПИТКИ 29
