Физика и химия процесса квашения овощей

Добавить в закладки

В практике переработки овощей и технической литературе употребляют термины «соление» и «квашение» овощей. Солят огурцы, томаты, арбузы, а капусту и свеклу квасят.

Такое деление этих сходных по сущности консервирования видов переработки имеет свое историческое обоснование. В прошлом капусту и огурцы квасили без применения соли. Затем огурцы стали сохранять, заливая их раствором соли. Позднее применять соль стали и при квашении капусты. Еще до сих пор кое-где на Украине сохранился обычай квасить рубленую капусту без соли.

В настоящее время между квашением и солением как методами консервирования принципиальной разницы нет, так как в том и в другом случае консервантами являются молочная кислота и соль.

В процессе консервирования овощей при помощи молочнокислого брожения коллоиды клеточной ткани под действием соли и кислоты частично разрушаются или необратимо коагулируют, сильно набухая. Это приводит к утрате клеткой жизненных функций, вследствие чего в ней прекращаются все биохимические процессы гидролитического и окислительного характера, свойственные живой ткани. Под влиянием кислоты и соли прекращается или тормозится также жизнедеятельность большинства микроорганизмов (гнилостных бактерий и многих плесеней), действие которых в обычных условиях приводит к гибели овощей.

Возбудителями молочнокислого брожения являются различные виды молочнокислых бактерий, среди которых главное место занимают В. cucumeris fermentati и его газообразующие вариететы, В. brassicae fermentati, В. acidi lactici. По данным Я. Я. Никитинского и Б. С. Алеева, кроме этих бактерий, в квашеных овощах встречаются также В. beyerincki, В. cuntheri v. inactiva, В. ventricocus, В. listeri, В. brassicae acidae, В. leichmanni, В. hayducki, В. opacus и некоторые другие. Все эти виды молочнокислых бактерий различаются по силе кислотообразования и условиям развития. Одни из них выделяют газы, другие превращают сахар   в молочную кислоту без образования газов. Некоторые бактерии вырабатывают ароматические вещества (сложные эфиры). Встречающаяся иногда в огурцах длинная палочка В. abderhaldi вызывает ослизнение рассола, делает его тягучим.

Овощи солят и квасят, используя в основном самопроизвольное брожение, т. е. брожение, возбудителем которого является вся эпифитная микрофлора овощей. Следовательно, в процессе брожения принимают участие не только молочнокислые бактерии, но и ряд других микробов — дрожжи, маслянокислые и уксуснокислые бактерии, бактерии группы coli aerogenes и пр.

Обсемененность свежих огурцов молочнокислыми бактериями составляет всего 3—6%, а свежей капусты — от 5 до 20% общего количества микробов. Значительное место в эпифитной микрофлоре занимают гнилостные бактерии и бактерии группы coli aerogenes. Обсеменение овощей микрофлорой значительно возрастает при их хранении.

Вследствие большого разнообразия эпифитной микрофлоры процесс самопроизвольного брожения принимает весьма сложный характер, так как при этом образуются продукты жизнедеятельности всех участвующих в брожении микробов. Если все же при солении и квашении овощей преобладает молочнокислое брожение, то это является результатом воздействия человека на его направленность, результатом избирательной способности самих бактерий и изменения рН среды вследствие образования молочной кислоты. 

Молочнокислые бактерии находят в овощах необходимые для их развития питательные вещества: белки и небелковые азотистые соединения, минеральные соли — калиевые, кальциевые, магниевые, фосфорные и пр. Легко сбраживаемые сахара овощей используются молочнокислыми бактериями в качестве источника энергии. Многие виды молочнокислых бактерий успешно развиваются в самых разнообразных температурных условиях, вплоть до 1—2° выше нуля. Это недоступно целому ряду других микробов, которые сопутствуют молочнокислым бактериям при брожении. Если это учесть, то становится понятным преимущественное развитие молочнокислых бактерий при солении и квашении овощей. Развитию молочнокислых бактерий способствует также торможение роста конкурирующей микрофлоры путем воздействия на нее различных химических и физических факторов.

Но самым существенным фактором, который задерживает развитие всех других микробиологических процессов, является образование молочной кислоты — продукта жизнедеятельности молочнокислых бактерий.

Кислотообразующая способность отдельных видов молочнокислых бактерий различна.  В. cucumeris fermentati, доминирующей в солении огурцов, — 0,88%, В. brassiсае fermentati — основного вида бактерий при квашении капусты — 1,46%, В. delbrucki — 1,7%. 

Оптимум развития большинства видов молочнокислых бактерий находится в пределах от 34 до 40° выше нуля. Но соление и квашение овощей никогда не проводят при оптимальных температурах развития молочнокислых бактерий потому, что при таких высоких температурах брожения интенсивно развиваются маслянокислые бактерии и различные потребители молочной кислоты, снижающие ее концентрацию (дрожжи типа torula, mycoderma, oidium lactis, penicillium, aspergillus и др). Вследствие развития этой нежелательной микрофлоры при повышенных температурах к концу брожения обычно накапливается молочной кислоты меньше, чем при низких температурах. Так,  при ферментации огурцов в неохлаждаемых складах с температурой около 12—20° накапливалось кислоты максимум 0,95%, а в ледниках — 1,18%. При ферментации квашеной капусты при 21° — 1,46%, а при 2,5° — 1,59%.  

Хотя при солении овощей (огурцов, томатов, арбузов) и квашении капусты к концу ферментации при низких температурах молочной кислоты накапливается больше, чем при высоких, все же квашение капусты более эффективно проходит при температуре 18—24°, а соление огурцов, томатов и арбузов — при 1—5°. Это объясняется тем, что участвующие при самопроизвольном брожении молочнокислые бактерии принадлежат преимущественно к видам газообразующих. С повышением температуры брожения оно протекает интенсивнее и, следовательно, образуется больше газов. Бурное выделение газов при солении огурцов, томатов и арбузов приводит к разрыхлению их мякоти, внутренним ее разрывам и образованию пустот. Поэтому при солении овощей молочнокислую ферментацию необходимо вести замедленными темпами, избегая значительного газообразования, что достигается проведением ферментации при низких температурах. Исключение составляет лишь первоначальный период брожения при солении огурцов и томатов, или так называемая выдержка на ферментационной площадке. Эту выдержку необходимо проводить при 25—30° до накопления 0,25—0,35% молочной кислоты. Продолжается она от 24 до 48 час. и задачей ее является ускорение развития молочнокислых бактерий.

При квашении капусты бурное выделение газов не ухудшает ее качества. А так как квашение проводят в открытых чанах, то брожение должно быть ускорено, чтобы предупредить образование плесеней на поверхности капусты. Выделяющийся из капусты углекислый газ препятствует развитию поверхностной микрофлоры, подавляя ее жизнедеятельность. Однако по окончании ферментации усиленное выделение углекислого газа прекращается и создаются благоприятные условия для развития потребителей молочной кислоты. Чтобы предупредить развитие этой нежелательной микрофлоры, заквашенную капусту хранят при низких температурах (от –2 до 0°).

Проведение ферментации при солении плодовых овощей и квашении капусты в разных температурных условиях составляет основное различие этих одинаковых по существу видов консервирования.

ИЗМЕНЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ОВОЩАХ В ПРОЦЕССЕ КВАШЕНИЯ

С самого начала квашения в овощах начинаются процессы, изменяющие их физические свойства и химический состав. Основные изменения сырья происходят под влиянием сбраживания сахаров молочнокислыми бактериями, являющимися факультативными анаэробами. Этот процесс (дыхание), как правило, происходит в них без участия кислорода. 

Однако процесс превращения сахаров в молочную кислоту, как показывают многие исследования, весьма сложен и проходит ряд фаз с образованием разнообразных промежуточных продуктов. Схема молочнокислого брожения представлена ниже.

Схема молочнокислого брожения

Как следует из этой схемы, видную катализирующую роль в превращениях сахара играет фосфорная кислота, а молочная кислота является лишь конечным продуктом сложной цепи превращений: гексозодифосфат— триозофосфат — фосфорно-глицериновая кислота — пировиноградная кислота — молочная кислота.

Заслуживает внимания то, что процесс превращения сахаров в спирт в большей своей части аналогичен процессу превращения их в молочную кислоту.  Спиртовое брожение проходит по схеме (см. ниже): глюкоза + фосфорная кислота — гексозодифосфат, превращающийся в триозофосфат, с выделением  из последнего глицерино-фосфата и фосфорно-глицериновой кислоты, которая Затем превращается в пировиноградную кислоту с восстановлением фосфорной. Схемы молочнокислого и спиртового брожения тождественны до образования пировиноградной кислоты. Но дальше при молочнокислом брожении происходит восстановление пировиноградной кислоты в молочную, а при спиртовом — пировиноградная кислота распадается на ацетальдегид и углекислоту. Затем ацетальдегид восстанавливается в этиловый спирт.

Схема спиртового броженияВидимо, этой общностью большей части превращений следует объяснить постоянное наличие спирта при молочнокислом брожении овощей. Появление спирта вызывается не только наличием дрожжей в бродящей массе, но и образованием его некоторыми видами молочнокислых бактерий. Отмечается способность к образованию спирта у В. brassicae fermentati (бактерии квашения капусты), которые в благоприятных условиях, (в сусле с мелом) могут довести его содержание до 2,4 объемного процента. В наших опытах мы наблюдали образование спирта в квашеной капусте даже при низких температурах квашения — 2—5°, при которых деятельность дрожжей почти прекращается. При этом спирт накапливался в пределах 0,2—0,3%. При более высоких температурах в капусте накапливается до 0,7% спирта.

В превращениях сахаров активную роль играют и бактерии coli aerogenes. Брожение сахаров, вызываемое этими бактериями, сопровождается выделением углекислоты, водорода, а иногда и метана.

Иногда же при брожении, вызываемом этими бактериями, образуются янтарная, пропионовая и муравьиная кислоты. Таким образом, участие В. coli в брожении сахаров приводит к накоплению большого количества продуктов, наличие которых нежелательно в квашеных овощах. Этого нельзя сказать о спирте, наличие которого в небольших количествах (до 0,7%) в квашеной капусте приводит к образованию сложных эфиров, придающих ей характерный аромат и повышающих ее вкусовые достоинства.

В известных условиях в превращении сахаров принимают участие и маслянокислые бактерии, которые в качестве источников энергии используют, кроме сахаров, соли органических кислот, крахмал, пектиновые вещества, глицерин и др.

В зависимости от состава питательной среды и условий брожения маслянокислые бактерии выделяют в качестве продуктов обмена масляную кислоту, углекислый газ, водород, а в некоторых случаях этиловый и бутиловый спирты, уксусную и муравьиную кислоты, ацетон и др.

В результате брожения сахаров и под влиянием внесенной соли происходят изменения химического состава овощей и их физических свойств. Взамен сбраживаемого сахара в овощах появляются молочная кислота, спирт и другие продукты. Уменьшается содержание азотистых веществ, часть которых затрачивается на развитие микрофлоры. Коллоиды овощей под влиянием кислот набухают, что вызывает изменение структуры плодовой мякоти и ее консистенции. Объем одних овощей (огурцы, капуста) уменьшается, других (свекла) — увеличивается. Удельный вес овощей, как правило, увеличивается, так как утраченный ими сахар, азотистые и минеральные вещества с излишком компенсируются введенной солью и образовавшимися продуктами брожения — кислотой, спиртом и пр. Кроме того, значительная часть воздуха в плодовой ткани замещается рассолом. Изменяется объем и абсолютный вес овощей, резко меняются их вкусовые м ароматические достоинства, как следствие изменения химического состава под влиянием брожения и введенных специй.

В результате всех этих изменений при квашении вырабатываются совершенно новые продукты как по химическому составу, так и по физическим свойствам и вкусовым особенностям, зачастую лишь по внешнему виду напоминающие свежие овощи.

РОЛЬ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ В ОБРАЗОВАНИИ КОНЕЧНЫХ ПРОДУКТОВ БРОЖЕНИЯ

Несмотря на большое разнообразие микрофлоры при самопроизвольном квашении овощей, правильным ведением процесса квашения удается обеспечить преобладание молочнокислого брожения и в большей или меньшей степени подавить все остальные побочные процессы. Достигается это воздействием на бродящую массу некоторых химических и физических факторов, к которым, прежде всего, необходимо отнести наличие соли, образующуюся при брожении молочную кислоту, эфирные масла и фитонциды специй, употребляемых при квашении, температуру квашения и газовую среду, в которой проходит брожение. К этим же факторам следует отнести и предварительную мойку овощей.

При мойке овощей значительная часть эпифитной микрофлоры смывается. Опытами установлено, что хорошо проведенной мойкой овощей удается смыть с них до 90% первоначального состава микроорганизмов. А это имеет существенное значение, особенно  в первый период брожения, до накопления в овощах достаточного количества молочной кислоты.

Соль при правильной ее дозировке оказывает положительное воздействие на процесс квашения овощей, помогая затормозить развитие нежелательной микрофлоры и обеспечить развитие молочнокислых бактерий. 2% соли значительно ослабляют развитие бактерий типа coli и маслянокислых, а 3—6% задерживают развитие этих же бактерий. Отношение к соли молочнокислых бактерий несколько иное.

Среда
Кислотность по
молочной кис-
лоте на 10-й
день (в %)
Среда
Кислотность по
молочной кис-
лоте на 10-й
день (в %)
Сусло.......
0,94
Сусло + 5% соли . .
0,63
Сусло + 1% соли . .
0,94
Сусло + 8% соли . .
0,14
Сусло + 3% соли . .
0,82
Сусло + 10% соли . .
0,13

Из этих опытов следует, что 3%-ная концентрация соли оказывает весьма незначительное влияние на кислотообразование, уменьшая накопление кислоты на 10-й день всего на 12,8% по сравнению с суслом без соли. Но уже 5%-ный раствор соли снижает накопление кислоты на одну треть. Следовательно, устанавливая концентрацию соли в заквашиваемых овощах в 2—3%, можно задержать развитие бактерий группы coli и маслянокислых, не оказывая существенного влияния на развитие молочнокислых бактерий.

Такую дозировку соли (2—3%) применяют при квашении капусты и солении огурцов. Если в таре помещается 60% огурцов и 40% рассола, то, заливая огурцы 6—8%-ным раствором соли, достигают ее среднего содержания в готовом продукте от 2,4 до 3,2%.

Для того чтобы несколько задержать кислотообразование, можно повысить концентрацию соли.

Влияние образующейся при квашении овощей молочной кислоты очень эффективно при подавлении различных побочных процессов. Так, с подкислением среды, которое происходит в первые же часы квашения, прекращаются все гнилостные процессы, так как гнилостные бактерии требуют для своего развития рН среды, равной 7 и выше. Кроме того, накопление кислоты до 0,45% подавляет развитие дрожжей torula и некоторых других нежелательных микроорганизмов. Способность молочнокислых бактерий к кислотообразованию в значительной мере обеспечивает их  борьбу с разнообразной микрофлорой, не обладающей этим свойством. Однако следует иметь в виду, что наличие молочной кислоты в заквашиваемых продуктах не оказывает влияния на развитие спиртовых и пленчатых дрожжей, микодермы и различных плесеней, которые хорошо развиваются в кислой среде. На эту группу организмов оказывает влияние температура среды.

Влияние температуры очень существенно. По данным микробиологов, которые подтверждаются многолетней практикой соления и квашения овощей, развитие различных плесеней (тусо-derma, torula, oidium lactis, penicillium, aspergillus и пр.), а также маслянокислых бактерий подавляется низкими температурами. Известно также, что температурный минимум развития бактерий группы соli находится около 4°, дрожжей — 3—5° и уксуснокислых бактерий — 4—5°.

Но температура около 0—3° не подавляет жизнедеятельности молочнокислых бактерий, а лишь замедляет процесс кислотообразования. Несмотря на то, что ферментация в ледниках затягивается до 50—60 дней, многочисленными опытами и многолетней практикой соления огурцов установлено, что именно при этих условиях накапливается в огурцах наибольшее количество молочной кислоты. На нежинских заводах Укрторгплодоовощтреста при ледниковой ферментации огурцов содержание кислоты в них иногда достигает 1,2%, тогда как в неохлаждаемых складах такой концентрации достичь не удается.

Эффект кислотообразования при низких температурах ферментации состоит в подавлении, во-первых, всей нежелательной микрофлоры, использующей для брожения сахар, в том числе дрожжей, маслянокислых бактерий и бактерий группы coli, и, во-вторых, в подавлении жизнедеятельности различных плесеней — потребителей кислоты.

Поэтому нельзя согласиться, что для предохранения соленых огурцов от развития в них потребителей молочной кислоты огурцы следует перенести в помещение с сильно пониженной температурой, как только будет достигнут максимум кислотности при повышенных температурах брожения. Максимум кислотности может быть достигнут только при условии проведения главного периода брожения в низких температурах.

Побочное брожение безусловно подавляется и применением при посоле различных пряных растений, эфирные масла и фитонциды которых губительно действуют на многие микроорганизмы. Б. П. Токин на основании своих исследований и исследований других авторов пришел к заключению, что чеснок, хрен и красный перец обладают сильными бактерицидными свойствами. В то же время, бактерии молочнокислого брожения оказались устойчивыми против фитонцидов чеснока. Судя же по практике соления овощей, применение при консервировании специй не только не оказывает губительного влияния на молочно-кислые  бактерии, но, повидимому, улучшает условия развития этих бактерий, устраняя с их пути конкурентов.

К числу факторов, регулирующих процесс квашения, необходимо отнести также и состав газовой среды. Молочнокислые бактерии, являясь факультативными анаэробами, не нуждаются в кислороде, а при развитии некоторых из них (бактерия Дельбрука) приток воздуха даже препятствует образованию кислоты. В то же время развитие спиртовых дрожжей в присутствии кислорода происходит энергичнее, чем без него. Пленчатые дрожжи, частые спутники всякого брожения, очень требовательны к кислороду, поэтому они развиваются преимущественно на поверхности бродящей массы. Уксуснокислые бактерии, микодерма и многие плесени являются чистыми аэробами и без доступа кислорода воздуха не развиваются. Этим в значительной мере объясняется факт предохранения от развития плесеней и уксусного скисания соленых овощей в закрытых бочках, полностью залитых рассолом. Если чаны открыты и не полностью залиты рассолом, то на поверхности квашеной капусты и других соленых овощей наблюдается дружное развитие плесеней.

Углекислый газ в количествах, образующихся при брожении не оказывает на молочнокислые бактерии отрицательного влияния.

Учитывая требовательность к кислороду многих видов сопутствующей молочнокислому брожению микрофлоры, соление и квашение овощей следует вести с максимальным ограничением притока кислорода, чтобы не допустить развития нежелательной микрофлоры.

При наиболее полном использовании всего комплекса рассмотренных нами физических и химических факторов можно и при самопроизвольном квашении обеспечить сравнительную чистоту молочнокислого брожения и получить готовые продукты высокого качества.

В некоторых случаях, желая придать молочнокислому брожению большую направленность и чистоту, овощи заквашивают чистыми культурами: В. cucumeris fermentati (для огурцов), В. brassicae fermentati (для капусты) и др.

Об эффективности применения чистых культур молочнокислых бактерий имеются разные мнения.

С одной стороны общее направление микробиологических процессов при квашении огурцов и капусты чистыми культурами и обычным способом по сути одинаково. Отличие заключается лишь в скорости прохождения основных процессов — при квашении чистыми культурами быстрее накапливается молочная кислота. 

С другой стороны, применение чистых культур при квашении овощей не только ускоряет кислотообразование, но придает молочнокислому  брожению большую направленность и чистоту и способствует повышению качества квашеных овощей.

Отсутствие единого мнения у исследователей этого вопроса объясняется разными условиями экспериментирования. Результаты исследований зависят от многих факторов: степени обсемененности эпифитной микрофлорой сырья, условий ферментации овощей с применением чистых культур и без них, хозяйственно-ботанических сортов сырья и прочих, которые у разных авторов были различными. Не останавливаясь на разборе отдельных исследований, мы все же должны отметить единодушное мнение о том, что применение чистых культур при квашении овощей ускоряет процесс кислотообразования. Это настолько существенно, что делает желательным применение чистых культур, как одного из регулятивных факторов. Особенно желательно применение чистой культуры негазообразующего вида В. cucumeris fermentati при солении плодовых овощей (например, арбузов). Это имеет наибольшее значение при проведении ферментации в неохлаждаемых помещениях. При самопроизвольном брожении развиваются газообразующие вариететы В. cucumeris fermentati и другие газообразующие виды молочнокислых бактерий. Под давлением образующихся газов, что зависит от интенсивности брожения, плодовая мякоть разрыхляется, образуются пустоты, а иногда (в арбузах) происходит почти полное разрушение мякоти. Таким образом, применение чистых культур негазообразующих бактерий будет способствовать сохранению структуры плодовой ткани консервируемых овощей и, следовательно, повышению их качества.

Результаты применения чистых культур при квашении капусты несколько иные. При квашении капусты применяют чистую культуру газообразующего вида В. brassica fermentati в смеси с чистой культурой дрожжей. Ввиду некоторых особенностей квашения капусты образование газов, скопляющихся на поверхности капусты в дошниках, при ее ферментации очень желательно.

Применение чистых культур при квашении капусты улучшает ее вкусовые качества. Если квашение производится поздней осенью при низких температурах, то применение чистых культур ускоряет процесс кислотообразования. Качество квашеной капусты в случае окончания ее ферментации при оптимальных температурах (21—24°) улучшается, если применяются чистые культуры и если готовый продукт хранится при низких температурах. Если же капуста хранится в неохлаждаемых помещениях, то эффект повышения качества, достигнутый при ферментации, утрачивается при хранении, и применение чистых культур, в конечном итоге, не дает положительных результатов.