Γαλακτική Ζύμωση – Η 1η ζύμωση πού μάς ενδιαφέρει

πρωτοσέλιδο - Γαλακτική Ζύμωση – Η 1η ζύμωση η οποία μάς ενδιαφέρει

Τί είδους ζύμωση είναι η γαλακτική ζύμωση? Ποιά είναι η σημασία της γαλακτικής ζύμωσης στην παραγωγή γαλακτοκομικών προϊόντων?

Γαλακτική Ζύμωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα – Τί είναι η γαλακτική ζύμωση?

Η γαλακτική ζύμωση, ή οξυγαλακτική ζύμωση ή ζύμωση του γαλακτικού οξέος, αναφέρεται σε εκείνη την μεταβολική οδό στην οποία το γαλακτικό οξύ CH₃CH(OH)COOH αποτελεί το κύριο προϊόν μεταβολισμού των σακχάρων.

Η γαλακτική ζύμωση είναι η κυριότερη ζύμωση, αναφορικά, με την παρασκευή των γαλακτοκομικών προϊόντων.

Γιαούρτι. Για την παρασκευή, αυτού, του γαλακτοκομικού προϊόντος εμπλέκονται ΜΟΝΟΝ δύο Είδη των ομοιοζυμωτικών οξυγαλακτικών βακτηρίων. Το Είδος Streptococcus thermophillus και το Είδος Lactobacillus bulgaricus. Αυτό το γιαούρτι εδώ έχει τιμή pH 3.94. Πού οφείλεται, αυτή η χαμηλή τιμή pH? Τα οξυγαλακτικά βακτήρια ζύμωσαν την λακτόζη, του γάλακτος, και παρήγαγαν, κυρίως, γαλακτικό οξύ. Αυτή η χαμηλή τιμή pH δεικνύει ότι παρήχθησαν μεγάλες ποσότητες γαλακτικού οξέος.

Δείτε: Μάθε ποιά είναι τα 7 είδη ζύμωσης στα γαλακτοκομικά

Πόσα είδη οξυγαλακτικής ζύμωσης υπάρχουν?

Η οξυγαλακτική ζύμωση χωρίζεται στην ομοιοζυμωτική γαλακτική ζύμωση, και στην ετεροζυμωτική γαλακτική ζύμωση.

Γαλακτική Ζύμωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα – Ομοιοζυμωτική Οξυγαλακτική Ζύμωση

Η λακτόζη του γάλακτος εισέρχεται στο κύτταρο του βακτηρίου και διασπάται σε γλυκόζη και σε γαλακτόζη. Ορισμένα οξυγαλακτικά βακτήρια εκτελούν την ομοιοζυμωτική οξυγαλακτική ζύμωση. Αρχικά, η γλυκόζη υπόκειται σε μιά σειρά βιοχημικών αντιδράσεων (γλυκόλυση) και μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οξύ. Αυτή η σειρά των σταδίων όλων αυτών των βιοχημικών αντιδράσεων είναι γνωστή και ως μεταβολική οδός Embden-Meyerhof-Parnas (EMP). Στη συνέχεια, το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε ποσοστό άνω του 90% (ίσως και 99%) σε γαλακτικό οξύ. Πάντως, όταν αυτοί οι μικροοργανισμοί βρίσκονται σε συνθήκες στρές, τότε ο μεταβολισμός της γλυκόζης περιλαμβάνει σε μεγαλύτερο ποσοστό και την δημιουργία άλλων μεταβολικών προϊόντων όπως η αιθανόλη, το φορμικό οξύ, το οξικό οξύ και το διοξείδιο του άνθρακα.

Η ομοιοζυμωτική ζύμωση είναι η απλούστερη από όλες τις ζυμώσεις.

Η ζύμωση, αυτή, περιλαμβάνει ένα μόνο βήμα.

Στο βήμα, αυτό, το πυροσταφυλικό οξύ (pyruvate/pyruvic acid) ανάγεται σε γαλακτικό οξύ.

Η Ομοιοζυμωτική Γαλακτική Ζύμωση γίνεται από τα ομοιοζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια.

Τυρί Φέτα. Αυτό το τυρί βάσει του πρωτοκόλλου παρασκευής δεν θα πρέπει να φέρει οπές, παρά μόνον μηχανικές σχισμές. Αυτό σημαίνει ότι η μόνη επιτρεπόμενη ζύμωση είναι ομοιοζυμωτική οξυγαλακτική ζύμωση. Η εμφάνιση οπών στο τυρί Φέτα ωφείλεται στην παραγωγή αερίων και θεωρείται ελάττωμα του τυριού, καθώς υπονοεί ότι έλαβαν χώρα και άλλες ζυμώσεις.

Δείτε: Ομοιοζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια και Ετεροζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια

Στα ομοιοζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια ανήκουν διάφορα Είδη, του γένους Streptococcus, του γένους Lactobacillus, του γένους Enterococcus, του γένους Lactococcus, του γένους Pediococcus [?]

Η διεργασία της ζύμωσης των σακχάρων του γάλακτος είναι περίπλοκη!

Γαλακτική Ζύμωση – Η 1η ζύμωση η οποία μάς ενδιαφέρει — Γραφική απεικόνιση της μεταβολής α) της οξύτητας, β) του pH, και γ) της λακτόζης σε ενα γιαούρτι συναρτήσει του χρόνου επώασης. Το γιαούρτι μετά από 7.5 ώρες έχει τιμή pH ίση με 4.4. Σε όλο αυτό το διάστημα, η οξύτητα αυξήθηκε από 0.17% σε 0.88% σε γαλακτικό οξύ. Επίσης, σε αυτές τις 7.5 ώρες, το ποσοστό της λακτόζης ελαττώθηκε από 4.9% σε 3.7%. Βλέπουμε ότι το 1.2% της λακτόζης ”έδωσε” μόλις 0.71% γαλακτικό οξύ. Συνεπώς, υπάρχει απόκλιση από τους θεωρητικούς υποολογισμού. Πού μπορεί να οφείλεται αυτό?

Το είδος, και η ποσότητα των παραγομένων προϊόντων, ακόμα, και στην ομοιοζυμωτική γαλακτική ζύμωση, δεν είναι απόλυτα καθορισμένα.

Τα παραγόμενα προϊόντα, της ομοιοζυμωτικής γαλακτικής ζύμωσης, θα εξαρτηθούν από το είδος, και την διαθεσιμότητα των σακχάρων, από την θερμοκρασία, την τιμή του pH, κ.α.

Ορισμένα ομοιοζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια, όταν διαβιούν υπό συνθήκες στρες, τείνουν να εγκαταλείψουν, μερικώς, την ομοιοζυμωτική ζύμωση, και να ακολουθήσουν μία ΜΗ ομοιοζυμωτική ζύμωση, η οποία μοιάζει με την ζύμωση του μυρμηκικού οξέος (mixed acid fermentation), προκειμένου, να ελαττώσουν ή να αυξήσουν την παραγωγή ATP ανά mole γλυκόζης.

Δείτε: Ζύμωση διαφόρων οξέων ή ζύμωση του μυρμηκικού οξέος – Η 7^η ζύμωση πού μάς ενδιαφέρει

Πόση ενέργεια παράγεται στην ομοιοζυμωτική οξυγαλακτική ζύμωση?

Υπό βέλτιστες συνθήκες (θεωρητικά δηλαδή), στην ομοιοζυμωτική ζύμωση, 1 γραμμομόριο (mole) λακτόζης ζυμώνεται προς 4 γραμμομόρια γαλακτικού οξέος (στην περίπτωση αυτή θεωρούμε ότι ζυμώνεται τόσο η γλυκόζη όσο και η γαλακτόζη).

Τελικά, σχηματίζονται 4 γραμμομόρια ΑΤΡ ανά 1 γραμμομόριο λακτόζης:

lactose + 4 H₃PO₄ + 4 ADP → 4 CH₃CH(OH)COOH [γαλακτικό οξύ] + 4 ATP + 3 H₂O

Πόση ποσότητα γαλακτικού οξέος παράγεται στην ομοιοζυμωτική οξυγαλακτική ζύμωση?

Στην πράξη, σε ομοιοζυμωτικούς οξυγαλακτικούς μικροοργανισμούς, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να ζυμώνουν και την γαλακτόζη, η λακτόζη συνήθως ζυμώνεται σε ποσοστό 85-95% προς γαλακτικό οξύ.

Το υπόλοιπο 5-15% μετατρέπεται σε άλλα προϊόντα, όπως, είναι, το CO₂, το οξικό οξύ, το βουτυρικό οξύ κ.α.

Σε ομοιοζυμωτικούς οξυγαλακτικούς μικροοργανισμούς, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να ζυμώνουν μόνον την γλυκόζη, η ομοιοζυμωτική ζύμωση θα έπρεπε θεωρητικά να αποδίδει 2 mol γαλακτικού οξέος ανά mol γλυκόζης.

Λόγω του ότι το ΜΒ της γλυκόζης είναι 180 και το ΜΒ του γαλακτικού οξέος είναι 90, η θεωρητική απόδοση θα ήταν 1 g γαλακτικού οξέος ανά g γλυκόζης.

Στάδιο στράγγισης κατά την παρασκευή τυριών άλμης. Για την παρασκευή των τυριών άλμης χρησιμοποιούνται καλλιέργειες εκκίνησης (starter cultures) οι οποίες περιέχουν ομοιοζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια. Η παρασκευή αυτών των τυριών θέλει το πήξιμο του γάλακτος να πραγματοποιείται μέσω ενζυμικής διεργασίας (προσθήκη πυτιάς) και όχι μέσω της όξυνσης του γάλακτος. Ωστόσο, ο ρυθμός παραγωγής γαλακτικού οξέος, και άρα ο ρυθμός όξυνσης θα καθορίσει τα χαρακτηριστικά του τελικού προϊόντος.

Ωστόσο, στην πράξη οι αποδόσεις είναι συνήθως χαμηλότερες και κυμαίνονται από 0.74 έως 0.99 g/g, λόγω του ότι ένα μέρος του άνθρακα της γλυκόζης χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιομάζας (0.07 με 0.22 g/g).

Γαλακτική Ζύμωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα – Ετεροζυμωτική Οξυγαλακτική ζύμωση

Η ετεροζυμωτική γαλακτική ζύμωση πραγματοποιείται από τα ετεροζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια, τα οποία ανήκουν σε Eίδη του γένους Leuconostoc, και σε ορισμένα Eίδη του γένους Lactobacillus.

Τα ετεροζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια δεν διαθέτουν το ένζυμο αλδολάση (aldolase).

Το ένζυμο αλδολάση επιτρέπει, στα ομοιοζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια να αποικοδομήσουν την 1,6 διφωσφορική φρουκτόζη (fructose 1,6-bisphosphate), σε α) 3 φωσφορική γλυκεραλδεΰδη (glyceraldehyde 3-phosphate), και σε β) φωσφορική διυδροξυακετόνη (dihydroxyacetone phosphate).

Στην ετεροζυμωτική οξυγαλακτική ζύμωση χρησιμοποιείται η μεταβολική οδός της φωσφοκετολάσης (phosphoketolase pathway)

Ξινόγαλο του εμπορίου. Αυτό το ζυμωμένο γάλα έχει παρασκευαστεί με καλλιέργειες εκκίνησης (starter cultures) οι οποίες περιέχουν μεσόφιλα ετεροζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια. Αυτά τα βακτήρια έχουν την ικανότητα να ζυμώνουν τα κιτρικά του γάλακτος, και ακολούθως παράγονται σχετικά υψηλές ποσότητες CO2. Το CO2 είναι διαλελυμένο στην μάζα του ρευστού με αποτέλεσμα αυτού του είδους τα ζυμωμένα γάλατα να εμφανίζουν μία παχύρευστη υφή.

Ανταυτού, τα ετεροζυμωτικά βακτήρια χρησιμοποιούν την μεταβολική οδό της φωσφοκετολάσης, ώστε, αυτά, τα ετεροζυμωτικά βακτήρια, να οξειδώσουν την 6 φωσφορική γλυκόζη (glucose 6-phosphate) προς το 6 φωσφογλυκονικό οξύ (6-phosphogluconate).

Στη συνέχεια, αυτά, τα βακτήρια, αποκαρβοξυλιώνουν το 6 φωσφογλυκονικό οξύ προς την 5 φωσφορική ριβουλόζη (ribulose 5-phosphate).

Η 5 φωσφορική ριβουλόζη, με την βοήθεια, του ενζύμου φωσφοκετολάση, διασπάται στην α) 3 φωσφορική γλυκεραλδεΰδη (glyceraldehyde 3-phosphate) και στο β) φωσφορικό ακετύλιο (acetyl phosphate).

Γαλακτική Ζύμωση – Η 1η ζύμωση πού μάς ενδιαφέρει — Κεφίρ. Στο κεφίρ συνυπάρχουν δεκάδες Είδη μικροοργανισμών. Αυτοί οι μικροοργανισμοί εμπλέκονται σε σειρά διαφορετικών ζυμώσεων. Για παράδειγμα, πέρα από την οξυγαλακτική λαβαίνει χώρα και η αλκοολική ζύμωση. Αυτό σημαίνει ότι η αρχική λακτόζη μπορεί να έχει μεταβολισθεί σε πληθώρα προϊόντων χωρίς αυτό να αποτυπώνεται στην τιμή pH. Έτσι, ένα ποτό κεφίρ με τιμή pH 3.31 μπορεί να περιέχει λιγότερο από 1.5% λακτόζη.

Η 3 φωσφορική γλυκεραλδεΰδη τελικά μετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ.

Τα ετεροζυμωτικά βακτήρια παράγουν CO₂, λόγω του ότι, αυτά, τα βακτήρια αποκαρβοξυλιώνουν το 6 φωσφογλυκονικό οξύ.

Πόση ενέργεια παράγεται κατά την ετεροζυμωτική οξυγαλακτική ζύμωση?

Καμπύλες όξυνσης για 3 διαφορετικές καλλιέργειες εκκίνησης (starter cultures), Α, Β, και C κατάλληλες για την παρασκευή γιαουρτιού. Μετά από 40 ώρες επώασης, η καλλιέργεια C συνεχίζει να οξινίζει το γάλα και προκαλεί σαφώς μεγαλύτερη πτώση στην τιμή pH σε σχέση με την καλλιέργεια Β. Αυτό σημαίνει ότι τα δύο οξυγαλακτικά βακτήρια του γιαουρτιού συνεχίζουν να παράγουν γαλακτικό οξύ χωρίς να επηρεάζονται σημαντικά από την υψηλή οξύτητα. Από την άλλη μεριά, όταν χρησιμοποιείται η καλλιέργεια Β, η τιμή pH σταθεροποιείται σε 4.45. Αυτό σημαίνει ότι σε αυτήν την τιμή pH τα δύο οξυγαλακτικά βακτήρια του γιαουρτιού σταματούν να παράγουν γαλακτικό οξύ, το οποίο σημαίνει ότι σταματούν να μεταβολίζουν την λακτόζη του γάλακτος.

Στην περίπτωση, της ετεροζυμωτικής οξυγαλακτικής ζύμωσης ο μεταβολισμός, της λακτόζης, αποδίδει, μόνον, 2 γραμμομόρια γαλακτικού οξέος.

Δηλαδή, η ετεροζυμωτική γαλακτική ζύμωση αποδίδει λιγότερη ενέργεια από την ομοιοζυμωτική ζύμωση.

Τελικά, σχηματίζονται 2 γραμμομόρια ΑΤΡ ανά 1 γραμμομόριο λακτόζης:

lactose + 2 H₃PO₄ + 2 ADP → 2 CH₃CHOHCOOH [γαλακτικό οξύ] + 2 ethanol + 2 CO₂ + 2 ATP + H₂O

Αναλογία των μεταβολικών προϊόντων στην ετεροζυμωτική οξυγαλακτική ζύμωση

Είδαμε ότι στην ετεροζυμωτική ζύμωση, τα προϊόντα, εκτός από γαλακτικό οξύ, μπορεί να είναι αιθανόλη ή οξικό οξύ και CO₂.

Συνήθως, το γαλακτικό οξύ αποτελεί το 50% των παραγομένων προϊόντων, με τα υπόλοιπα προϊόντα (αιθανόλη, οξικό οξύ και CO₂) να καταλαμβάνουν το υπόλοιπο 50%.

Βέβαια, μεταξύ των ετεροζυμωτικών μικροοργανισμών μπορούν να υπάρχουν και σημαντικές διαφοροποιήσεις.

Για παράδειγμα, τα ετεροζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια, τα οποία ανήκουν στο Είδος Leuconostoc mesenteroides, από ένα μόριο γλυκόζης, παράγουν ένα μόριο γαλακτικού οξέος, ένα μόριο αιθανόλης και ένα μόριο CO2.

Από την άλλη μεριά, τα ετεροζυμωτικά οξυγαλακτικά βακτήρια, τα οποία ανήκουν στο είδος Lactobacillus brevis παράγουν οξικό οξύ στην θέση της αιθανόλης.

Γενικά, πάντως, οι αερόβιες συνθήκες προωθούν τον σχηματισμό οξικού οξέος.

Δείτε: Ζύμωση βακτηρίων οξικού οξέος – Η 6η ζύμωση η οποία μάς ενδιαφέρει

Γαλακτική Ζύμωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα – Γαλακτική Ζύμωση από το γένος Bifidobacterium

Βακτήρια, τα οποία ανήκουν στο γένος Bifidobacterium, θεωρούνται ότι επιτελούν ένα είδος οξυγαλακτικής ζύμωσης.

Αυτά, τα βακτήρια (bifidobacteria), ζυμώνουν τις εξόζες μέσω μιας οδού φωσφοκετολάσης, η οποία είναι γνωστή ως ”bifid shunt”, όπου, τα τελικά προϊόντα είναι το οξικό οξύ, και το γαλακτικό οξύ σε μια αναλογία 3:2.

Δείτε: Ζύμωση των μπιφιντομπακτηρίων (bifidobacteria) στα γαλακτοκομικά προϊόντα

Ωστόσο, τα μπιφιντομπακτήρια δεν ανήκουν στην κατηγορία των οξυγαλακτικών βακτηρίων.

Γαλακτική Ζύμωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα – Ο ρόλος της παραγωγής του γαλακτικού οξέος

Η γαλακτική ζύμωση είναι η κύρια ζύμωση, πάνω στην οποία βασίζεται η παρασκευή τυριών, οξεογαλάτων, βουτύρου, κ.α.

Η σημασία της οξυγαλακτικής ζύμωσης είναι τόσο καίρια ώστε οι κύριες καλλιέργειες εκκίνησης, πού χρησιμοποιούνται για την παρασκευή όλων των γαλακτοκομικών προϊόντων, αποτελούνται από μικροοργανισμούς οι οποίοι επιτελούν οξυγαλακτική ζύμωση.

Δείτε περισσότερα:

Multi-Product Lactic Acid Bacteria Fermentations: A Review. Mora-Villalobos, J.A.; Montero-Zamora, J.; Barboza, N.; Rojas-Garbanzo, C.; Usaga, J.; Redondo-Solano, M.; Schroedter, L.; Olszewska-Widdrat, A.; López-Gómez, J.P. Fermentation 2020, 6, 23.

Direct lactic acid fermentation: focus on simultaneous saccharification and lactic acid production. R.P. John, G.S. Anisha, K.M. Nampoothiri, A. Pandey. Biotechnol. Adv. 27 (2009) 145–152.

Lactic acid properties, applications and production: a review. F.A.C. Martinez, E.M. Balciunas, J.M. Salgado, J.M.D. Gonzalez, A. Converti, R.P. de Souza Oliveira. Trends Food Sci. Technol. 30 (2013) 70–83.

Recent advances in lactic acid production by microbial fermentation processes. M.A. Abdel-Rahman, Y. Tashiro, K. Sonomoto, , Biotechnol. Adv. 31 (2013). 877–902.