Drożdże mają długą historię w procesach produkcji żywności. Są stosowane od wieków do wypieku chleba oraz do produkcji napojów alkoholowych, np. wina lub piwa. Rola drożdży w innych procesach fermentacyjnych jest związana z procesami sukcesyjnymi, w których aktywną rolę wykazują głównie bakterie kwasu mlekowego (kefir) lub bakterie octowe (ocet winny, napój kombucha). Drożdże są także stosowane jako komponent kultur starterowych do produkcji fermentowanych kiełbas lub kwaśnych serów twarogowych. Ten przegląd ma na celu podsumowanie aktualnej wiedzy na temat technologicznej roli drożdży w innych, mniej znanych procesach fermentacyjnych – w produkcji kakao.
Drożdże to jednokomórkowe grzyby mikroskopowe, które stanowią część mikrobioty różnorodnych nisz ekologicznych. To typowe chemoorganotrofy, czyli organizmy cudzożywne, wykorzystujące związki organiczne, które służą im jako źródło węgla i energii. Drożdże rozmnażają się głównie poprzez pączkowanie. Najbardziej znane drożdże, tzw. szczepy szlachetne, należą do gatunku Saccharomyces cerevisiae, i znajdują szerokie zastosowanie w klasycznych procesach fermentacyjnych. Jednak jak dotąd opisano i zidentyfikowano już ponad 1500 gatunków drożdży, które wpływają na przebieg różnych procesów fermentacyjnych.
Obecność drożdży w produktach spożywczych może być wynikiem zastosowania określonych technologii, ale również może mieć istotne znaczenie z punktu widzenia bezpieczeństwa żywności, zwłaszcza jeżeli drożdże są chorobotwórcze i stanowią zagrożenie dla zdrowia publicznego. Jednak znaczenie zanieczyszczenia żywności niepożądanymi drożdżami jest powszechnie uznawane za mało istotne, w porównaniu do zanieczyszczenia patogenami bakteryjnymi. Infekcje, spowodowane przez drożdże, poza kilkoma znanymi patogenami z gatunków Candida albicans i Cryptococcus neoformans, zwykle nie są przenoszone przez żywność. Drożdże zanieczyszczające mogą jednak obniżać sensoryczne cechy żywności (zmiana zapachu, barwy czy wyraźne objawy gazowania).
Z drugiej strony metabolizm drożdży i produkcja alkoholi oraz estrów może kształtować pożądane cechy sensoryczne niektórych produktów fermentowanych, np. niektórych rodzajów piwa czy serów.
Drożdże w procesach fermentacyjnych
W przypadku żywności fermentowanej drożdże są uważane za korzystne i ważne z technologicznego punktu widzenia. Główny metabolizm drożdży klasycznych wykorzystywanych do procesów fermentacyjnych to biokonwersja cukrów do etanolu, dwutlenku węgla i tzw. produktów ubocznych fermentacji (wyższych alkoholi, estrów, związków fenolowe, pochodnych kwasów tłuszczowych, związków siarki). Profil produktów końcowych ma istotne znaczenie nie tylko w produkcji napojów alkoholowych oraz pieczywa, ale także w procesach ‘psucia’ żywności.
Dlaczego drożdże produkują tak złożony profil związków smakowo-zapachowych wciąż pozostają pewną tajemnicą, chociaż w dostępnej literaturze naukowej pojawiło się już kilka wyjaśnień i hipotez.
Metabolity drożdży odgrywają rolę w syntezie specyficznych elementów budulcowych komórek, w równoważeniu potencjału redoks, regulacji wzrostu oraz w reakcjach detoksykacji lub sygnalizacji/komunikacji międzykomórkowej.
Niektóre procesy fermentacyjne, na początku których drożdże są dodawane jako kultury starterowe, mają długą historię i zostały szczegółowo zbadane dla produkcji piwa, win, fermentowanych wędlin lub serów. Inne procesy prowadzone z udziałem drożdży są zdecydowanie mniej poznane i kontrolowane. Tego typu fermentacje, np. fermentacja ziaren kakao lub kawy, produkcja napoju kombucha, są złożone i polegają na sukcesji poszczególnych populacji drobnoustrojów, a każda z tych grup spełnia swoją specyficzną rolę w kształtowaniu/ modyfikacji środowiska fermentacyjnego. Ponieważ większość tego typu procesów fermentacyjnych polega na konwersji sacharydów do kwasów organicznych, a drożdże odgrywają w tych procesach rolę pośrednią, uwaga badaczy i technologów koncentruje się na bakteriach kwasu mlekowego. Drożdże są tu niejako pomijane.
Drożdże w produkcji kakao
Owocem drzewa kakaowego (Theobroma cacao) jest strąk zawierający 20–40 ziaren przypominających kształtem fasolę. Świeże nasiona osadzone są w śluzowatej miazdze. Ta włóknista masa stanowi podłoże dla pierwszego etapu fermentacji, bardzo ważnego w produkcji kakao. Miazga jest bogatą pożywką dla wzrostu drobnoustrojów i zawiera około 82–87% wody, 10–15% sacharydów (glukoza, fruktoza i sacharoza), 2–3% pentozanów, 1–3% kwasu cytrynowego i 10–15% pektyn. Miazga zawiera także białka, lipidy, aminokwasy i witaminę C. Wysoka zawartość pektyn, a także innych polisacharydów (1–2%), sprawia, że miazga jest dość lepka, co na początku utrudnia dynamiczny przebieg procesów fermentacyjnych.
Każde ziarno kakaowca składa się dwóch liścieni i jednego zarodka, zawartych w osłonce nasiennej. Zbadano, że nasiona w dojrzałych i nieuszkodzonych owocach kakaowych są niemal wolne od zanieczyszczeń mikrobiologicznych. Surowe kakao ma właściwości ściągające i nieprzyjemny smak, natomiast poddane fermentacji, suszeniu i pieczeniu uzyskuje przyjemny, charakterystyczny smak i aromat.
Podczas zbioru owoce są ostrożnie usuwane z łodygi drzewa kakaowego, a następnie rozcinane. Po rozcięciu usuwa się miazgę, a nasiona trafiają do fermentowni, gdzie są poddawane fermentacji w pryzmach lub na tackach. Fermentację ziaren kakaowca można podzielić na dwa ważne procesy:
(1) produkcję kwasów organicznych, etanolu oraz ciepła które są wynikiem aktywności drobnoustrojów a także (2) złożony zespół reakcji biochemicznych inicjowanych przez dyfuzję produktów metabolizmu drobnoustrojów w liścieniach. Fermentacja ma więc na celu upłynnienie i usunięcie resztek miazgi, inaktywację zarodków a także syntezę związków wpływających korzystnie na cechy organoleptyczne ziaren. W czasie kilkunastodniowej fermentacji konieczne jest mieszanie zawartości pryzmy, raz lub dwa razy dziennie, w celu napowietrzenia i utrzymania stabilnej temperatury nie przekraczającej poziomu 45–50 ° C.
Zmiany fizyczne i chemiczne ziaren w procesie fermentacji zapewnia specjalny ekosystem drobnoustrojów rozwijający się na zasadzie sukcesji. Sukcesja mikrobiologiczna jest definiowana jako zmiana składu gatunkowego pod wpływem zmian środowiskowych. W sukcesji procesów fermentacyjnych ziaren kakao biorą udział różne grupy drobnoustrojów: grzyby strzępkowe, drożdże, bakterie kwasu mlekowego, bakterie kwasu octowego oraz niektóre gatunki bakterii przetrwalnikujących tlenowych z rodzaju Bacillus.
Miąższ ziaren zawiera dużą ilość sacharydów ulegających fermentacji, takich jak glukoza i fruktoza, a także wykazuje niskie pH około 3,0–3,5, co wynika z obecności kwasu cytrynowego. To są dość selektywne warunki, które pozwalają tylko na rozwój drożdży, które dominują w pierwszych 12–48 godzinach fermentacji, osiągając poziom namnożenia komórek wynoszący 107–108/g. Drożdże aktywne w tym środowisku to, oprócz rodzaju Saccharomyces, także drożdże niekonwencjonalne, należące do rodzajów: Kloeckera, Hanseniaspora, Candida, Pichia i Kluyveromyces. Oprócz klasycznej fermentacji prowadzonej przez Saccharomyces sp., rola drożdży niekonwencjonalnych polega na asymilacji kwasu cytrynowego zawartego w miazdze. W wyniku tych przemian dochodzi do wzrostu wartości pH środowiska fermentacji do poziomu powyżej 4,0, co stwarza korzystniejsze warunki dla wzrostu bakterii kwaszących. W czasie fermentacji dochodzi także do produkcji enzymów pektynolitycznych, co obniża lepkość pulpy, umożliwiając tym samym lepsze napowietrzenie miazgi podczas fermentacji. Istotna jest także produkcja kwasów organicznych (kwas szczawiowy, bursztynowy, jabłkowy i octowy) a także lotnych związków organicznych (fuzle, kwasy tłuszczowe, estry kwasów tłuszczowych), które są prekursorami później syntetyzowanych związków – prekursorów charakterystycznego aromatu czekolady.
Wykorzystanie kwasu cytrynowego i wzrost pH masy fermentacyjnej, a także coraz bardziej tlenowe środowisko sprawiają, że w tych warunkach zaczynają rozwijać się szczepy bakteryjne. Bakterie mlekowe z rodzaju Lactobacillus przekształcają resztkowe węglowodany w kwas mlekowy i octowy. Bakterie octowe z rodzajów Acetobacter, Gluconoacetobacter i Gluconobacter rosną natomiast najlepiej w ostatniej tlenowej fazie fermentacji i utleniają wytworzony przez drożdże etanol do octanu i dalej do dwutlenku węgla i wody. Egzotermiczne przemiany bakterii octowych prowadzą do wzrostu temperatury fermentującej masy kakaowej. W warunkach kiedy procesy fermentacyjne prowadzone są prawidłowo, różnorodność drożdży, bakterii kwasu mlekowego oraz bakterii kwasu octowego jest ograniczona, a aktywność tych grup drobnoustrojów wpływa na niezaburzone procesy sukcesyjne, prowadząc w efekcie do otrzymania wysokiej jakości sfermentowanego ziarna kakaowca.
Warto zapamiętać
W czasie procesu fermentacji ziaren kakao aktywność drożdży jest niezbędna do przygotowania warunków sprzyjających wzrostowi populacji bakterii mlekowych i octowych, zwiększając poziom pH, prowadząc procesy upłynniania pektyn, a tym samym umożliwiając lekkie napowietrzanie środowiska. Produkcja kwasów organicznych i związków lotnych również przyczyniają się do zmian sensorycznych i uwydatnienia pożądanych cech smakowo-zapachowych. Analizy fizyczne i chemiczne ziaren fermentowanych bez udziału drożdży wykazywały większą zawartość nieupłynnionej miazgi, mniejszą zawartość etanolu, a także zwiększone stężenie wyższych alkoholi i estrów. Ziarna poddane fermentacji bez udziału drożdży były koloru fioletowego (zamiast brązowego), a przygotowaną z nich czekoladę charakteryzował bardziej kwaśny smak. Inne badania wykazały, że zastosowanie jako starterów drożdży S. cerevisiae, a także bakterii mlekowych Lactobacillus fermentum i octowych Acetobacter pasteurianus umożliwiło przeprowadzenie sprawnych i efektywnych procesów fermentacyjnych, a z uzyskanych ziaren otrzymano czekoladę o właściwych cechach organoleptycznych.
autorka:
dr hab. inż Dorota Kręgiel, prof. PŁ
Katedra Biotechnologii Środowiskowej
Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności
Politechnika Łódzka
Piśmiennictwo
- Ardhana, M. M., and G. H. Fleet. 2003. The microbial ecology of cocoa bean fermentations in Indonesia. International Journal of Food Microbiology 86 (1–2):87–99.
- Baker, D. M., K. I. Tomlins, and C. Gay. 1994. Survey of Ghanaian cocoa farmer fermentation practices and their influence on cocoa flavour. Food Chemistry 51 (4):425–31.
- Dzialo, M. C., R. Park, J. Steensels, B. Lievens, and K. J. Verstrepen. 2017. Physiology, ecology and industrial applications of aroma formation in yeasts. FEMS Microbiology Reviews 41 (Supp_1):S95–S128.
- Fleet, G. H. 1992. Spoilage yeasts. Critical Reviews in Biotechnology 12 (1–2):1–44.
- Fleet, G. H. 2007. Yeasts in food and beverages: Impact on product quality and safety. Current Opinion in Biotechnology 18 (2):170–5.
- Ho, V. T., J. Zhao, and G. Fleet. 2014. Yeasts are essential for cocoa bean fermentation. International Journal of Food Microbiology 174: 72–87.
- Kostinek, M., and C. M. A. P. Franz. 2007. Kakao. In Lebensmittel pflanzlicher Herkunft, ed. W. H. Holzapfel, 486–490. Germany: Behr’s Verlag.
- Kurtzman, C. P., J. W. Fell, and T. Boekhout. 2011. The yeasts: A taxonomic study. Amsterdam: Elsevier Press.
- Tofalo R., Fusco V., Böhnlein C., Kabisch J., Logrieco A.F., Habermann D., Cho G.S., Benomar N., Abriouel H., Schmidt-Heydt M., Neve H., Bockelmann W., and C.M.A.P. Franz 2019. The life and times of yeasts in traditional food fermentations. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 60 (18), 3103-3132.
