بخشی از مقاله
مروري بر تولید سرکه (تخمیر) و کاربرد آن در صنایع غذایی
چکیده:
لغت سرکه در حقیقت از کلمه فرانسوي Vin aiger به معنی "شراب ترش" مشتق شده است. هر مادهاي که به اندازه کافی قند یا الکل داشته باشد و به عنوان یک ماده غذایی پذیرفته شود، براي تهیه سرکه مناسب است. معمولا نـام توصـیفی سـرکههـا از ماده اولیهاي که از آن تهیه شدهاند، ناشی میشود. مثلا سرکه سیب از آب سیب. سرکه محصول یک عمل تخمیر دو مرحلـهاي است. در مرحله اول مخمر تحت شرایط بیهوازي قند را به اتانول تبدیل میکند در حالیکه در مرحله دوم اتانول تحت شـرایط هوازي توسط باکتريهاي جنس استوباکتر و گلوکونوباکتر به اسید استیک اکسیده میشود. فرآیند دوم، مکانیسم معمول فسـاد در نوشابههاي الکلی استباید. توجه شود که این دو مرحله کاملاً از یکدیگر مجزا بوده و باید تخمیر نـوع اول بـه شـکل کامـل صورت بگیرد و سپس مرحله دوم تخمیر آغاز گردد. اکسیداسیون اتانول به روش اسید استیک در دو مرحله صورت مـیگیـرد و در این مراحل یک آنزیم الکل دهیدروژناز و یک آلدئید دهیدروژناز دخالت دارند. مکانیسم کلی تهیه سـرکه؛ کشـت سـطحی و کشت غوطهوري میباشد. روشهاي تهیهي سرکه شامل؛ روشهاي کند مانند روش خانگی یا خود به خودي و روش فرانسـوي یـا اورلئان، روشهاي سریع مانند پروسه ژنراتور یا روش فاگینگ میباشد. سرکه به عنوان یـک مـاده نگهدارنـده و طعـم دهنـده در انواع مختلفی از محصول غذایی نظیر سس مایونز، کچاپ، سسها و ترشیها مورد استفاده قرار میگیرد.
کلمات کلیدي: استوباکتر، اسید استیک، الکل، باکترهاي اسید استیک، سرکه، گلوکونوباکتر.
-1 مقدمه:
قدمت تولید سرکه1 حداقل به 4000 سال قبل از مـیلاد مسـیح، و فرآینـد تولیـد آن بـه لحـاظ فیزیولوژیـک نـوعی واکنش اکسیداسیون ناقص میباشد. اولین توصیف درباره تولید سرکه توسط پاستور در سال 1682 انجـام گرفـت. او دریافت که مادر سرکه2 تودهاي از ارگانیسمهاي زنده است که عامل اکسیداسیون اتانول به اسـید اسـتیک مـیباشـد .(9) باکتريهاي اسید استیک (3AAB) می توانند غلظتهاي بالاي اسید استیک از اتـانول تولیـد کننـد، کـه آنهـا را براي صنعت سرکه مهم میسازد. باکتريهاي اسید استیک، سلولهاي گرم منفی یا گرم متغیر، هوازي، غیـر هـاگزا، بیضوي تا میلهاي شکل هستند که میتوانند منفرد، جفتی یا زنجیرهاي وقوع یابند. آنها کاتالاز مثبت، اکسیداز منفـی هستند. pH بهینه براي رشد آنها 6.5-5 است درحالی که میتوانند در مقادیر کمتر pH بین 3 و4 رشد کننـد .(12) باکتريهاي اسید استیک میکروارگانیسمهاي مزوفیلی هستند و دماي رشد بهینه آنها بین 30- 25 o C است .(11)
در سالهاي اولیه باکتريهاي اسید استیک به دو جنس اصلی استو باکتر4 و گلوکونو باکتر5 طبقهبنـدي شـدند، ولـی امروزه دوازده جنس براي خانواده استوباکتریاسه6، آلفـا پروتئوباکتریـا7، شناسـایی و تطبیـق داده شـدند 18)و .(21 در کل، باکتريهاي اسید استیک متعلـق بـه جـنس اسـتو بـاکتر فراوانتـر از گلوکونوبـاکتر یافـت مـیشـود .(8) تفـاوت فیزیولوژیکی اصلی بین این دو گونه این است که استو بـاکتر، اتـانول را بـه اسـتیک اسـید اکسـید کـرده و متعاقبـاً، اکسیداسیون اسید استیک را به آب و دي اکسیدکربن کامل میکند، در حالیکه گلوکونوباکتر نـاتوان از کامـل کـردن اکسیداسیون اسید استیک میباشد .(10) کشتهاي باکتريهاي اسید استیک در تولید تجاري سرکه اسـتفاده مـی-شوند .(14) استفاده از باکتريهاي اسید استیک به عنوان کشـت آغـازگر در تولیـد سـرکه منجـر بـه بهبـود فرآینـد
تخمیر و تقویت کیفیت محصول شود .(11)
باکتريهاي موثر در سرکهسازي در دماي حدود oC ٣٠ بالاترین فعالیت را دارند .(17) تغییرات دما حتـی در حـدود 3-2oC باعث تغییرات شدیدي در سرعت و کارآیی اکسیداسیون خواهد شد. یافتن سویههایی مناسب تولیـد کننـده اسید استیک که بتوانند در دماي 40-37 oC فعالیت کننـد، بـراي کـاهش دادن هزینـههـاي خنـک کـردن بسـیار مفیدند. در صنعت سرکه سازي این سویهها مقاوم به گرما یا ترموتالرنت محسوب میشـوند 7)، 16 و .(17 بـا وجـود اینکه سرکه میتواند با میزان اسیدیته حدود %14 تولید گردد، اما معمولا جهـت بطـري نمـودن تـا غلظـت مناسـب رقیق میگردد. حداقل میزان مجاز اسید استیک معمولا بین (w/v) %6-4 است، اما سرکههایی با غلظت بالاتر جهـت ترش کردن مواد غذایی موجود میباشد .(4)
-2 تخمیر و تهیه سرکه از مواد قندي:
-1-2 تخمیر قند و تولید الکل اتیلیک:
این مرحله یک فرآیند بیهوازي است که یا بهوسیله مخمرهاي موجود در مواد خام صـورت مـیگیـرد و یـا ترجیحـا توسط سوشهایی از نژاد ساکارومایسس سرویزیه واریته الیپسودئوس که الکل زیادي تولید میکنند انجـام مـیشـود. معادلهي ساده این مرحله بصورت زیر است:
2CO2 + 2C2H5OH C6H12O6
اتانول + دي اکسید کربن گلوکز (قند)
در این مرحله علاوه بر قند مواد دیگري نظیر مواد اسیدي که محیط را براي انجـام تخمیـر مناسـب مـیکننـد بایـد موجود باشند. ماده اسید موجود بهطور کلی اسید مالیک1 است که شـرایط را بـراي رشـد بـاکتريهـایی کـه در امـر تخمیر مضر هستند نامساعد میسازد .(2) در واقع در این مرحله مجموعهاي از واکنشهاي واسـطه رخ مـیدهنـد و علاوه بر الکل، مقدار کمی از ترکیباتی همچون گلیسرول و اسید استیک نیز تولید میشود. همچنین در ایـن مرحلـه از ترکیبات غیر قندي، مقـدار کمـی از ترکیبـاتی ماننـد اسـید سوکسـنیک و آمیـلالکـل نیـز تولیـد مـیشـود .(3) تخمیرهاي سرکه معمولا با استفاده از سرکه پایه یا مادر2 صورت میگیرد، سرکه مادر کشت نامشخصی اسـت کـه از تخمیرهاي قبلی بهدست میآید .(4)
مخمرها معمولاً در عصاره میوههایی که جهت تهیه سرکه مورد استفاده قرار میگیرند وجـود دارنـد. شـرایط مناسـب براي رشد آنها در طول عملیات تخمیر 23-26 oC میباشد. در 37 oC تخمیر یک حالت غیر طبیعی پیدا میکنـد و در حدود 40 oC متوقف میگردد. البته بهتر است مقداري مخمر به عنوان مایه تخمیر در ابتدا اضـافه گـردد. غیـر از آغاز کار که مقداري هوا دادن جهت رشد وکثیرت مخمر لازم است، اصـولاً هـوا در طـول جریـان تخمیـر الکلـی لازم نمیباشد. ضمن اینکه وجود هوا در مراحل بعدي تخمیر قابل ایراد است، زیرا سبب رشد پارهاي از باکتريهـاي مضـر میگردد که باعث از دست رفتن الکل میگردد. البته باید توجه داشت که فضاي کافی جهت گازهـاي تولیـد شـده و کف کردن وجود داشته باشد زیرا در غیر اینصورت باعث ترکیدن سیستم خواهند شد .(2)
در مرحلهي اول تهیه سرکه، تا آن حد تخمیر ادامه مییابد که تمام قند تبدیل بـه الکـل و دي اکسـید کـربن شـود. پس از این مرحله مخمرها را از محیط جدا میکنند و این عمل را که باید قبل از تخمیر استیک صـورت گیـرد مـی-توان از طریق صاف کردن انجام داد. در غیر اینصورت مخمر باقی مانده در محیط سبب ایجاد طعم بد میگـردد و در انجام تخمیر استیکی مشکلاتی بهوجود میآورد .(2)
-2-2 اکسید شدن الکل و تولید اسید استیک (استیفیکاسیون:(1
استیفیکاسیون عبارت است از اکسیداسیون اتـانول بـه اسـید اسـتیک کـه بـهوسـیله اعضـاء جـنسهـاي اسـتوباکتر وگلوکونوباکتر صورت میگیرد. گونههاي مختلف استوباکتر به عنوان تولید کننـده اسـید مناسـبتـر مـیباشـند و در تولید صنعتی سرکه بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند .(4) گونههاي گلوکونوبـاکتر بـر خـلاف گونـههـاي اسـتوباکتر توانایی اکسیدکردن اسید استیک یا لاکتیک را به دي اکسید کربن ندارند. امروزه جنس استوباکتر شـامل گونـههـایی است که توانایی اکسید کردن اسید استیک یا لاکتیک را به دي اکسید کربن دارند .(3) استیفیکاسـیون یـک مرحلـه هوازي است که توسط باکتريهاي اسید استیک صورت میگیرد:
فرآیند اکسیداسیون اتانول، توسط باکتريهاي اسید استیک توسط دو آنزیم الکل دهیـدروژناز و آلدهیـد دهیـدروژناز انجام می گیرد .(15) شکل1 این فرآیند را نشان میدهـد .(4) فعالیـت الکـل دهیـدروژناز اسـتوباکتر تحـت شـرایط استیکی پایدارتر از گلوکونوباکتر است، که موجب می شود اسـتوباکتر، اسـید اسـتیک بیشـتري تولیدکنـد .(15) هـر دوي این آنزیمها مربوط به غشاء سیتوپلاسمی بوده و حاوي پیرولوکئینوکینون (PQQ2) به عنوان کوآنزیم3 هسـتند. PQQ به عنوان گیرنده هیدروژن عمل نموده و سپس از طریق یک کینون حد واسط4 موجب احیاء یـک سـیتوکـروم میشود. انتقال الکترون حاصل موجب ایجاد یک نیرو محرکه پروتونی در عرض غشاء سلول میگردد که جهت سـنتز آدنوزین تري فسفات (5ATP)، مورد استفاده قرار میگیرد .(4)
شکل-1 اکسیداسیون اتانول توسط باکتريهاي اسید استیک
استالدئید یکی از ترکیبات واسطه این واکنش است. در این مرحله مقدار کمی از ترکیباتی همچـون آلدئیـد، اسـترها، استوئین و غیره نیز تولید میشوند .(3) در این مرحله، باکتريها برخلاف مخمرهاي تولیـد کننـده الکـل احتیـاج بـه مقادیر قابل توجهی اکسیژن جهت رشد و فعالیت خود دارند. تعداد باکتريهاي تولید کننده اسید استیک معمـولاً در مادهاي که تخمیر الکلی در آن صورت گرفته کم است و اغلب از نوع نامناسب و غیرفعال میباشند. از ایـن نظـر یـک مایه مناسب که حـاوي ایـن بـاکتريهـا باشـد بایـد بـه محـیط تخمیـر اضـافه گـردد. بهتـرین عملـی کـه از رشـد میکرواورگانیسمهاي زیانآور جلوگیري میکند، اضافه کردن سرکه پاستوریزه نشـده قـوي بـه محـیط پـس از کامـل شدن تخمیر الکلی میباشد .(2) باکتريهاي تولید کننده سرکه در داخل مایع و هم چنین سطح آن که در مجاورت هوا میباشد رشد میکنند. رشد آنها ممکن است یک ورقه نرم ژلاتین ماننـد بـه رنـگ خاکسـتري (البتـه ایـن ورقـه همیشه تشکیل نمیشود) را بهوجود آورد. اگر به این ورقه آسیبی وارد نشـود محـیط شـفاف بـاقی مـیمانـد. میـزان تبدیل الکل به اسید استیک بستگی به فعالیت میکروارگانیسم، میزان الکل موجود، درجه حرارت و میـزان سـطح در مجاورت هوا به ازاء هر واحد حجم دارد .(2)
اکسیداسیون شدید1، به وسیله غلظت اتانول تحت تاثیر قرار میگیرد و بنابراین با کنترل دقیق غلظت اتـانول در طـی مرحلــه استیفیکاســیون و اطمینــان از عــدم مصــرف کامــل آن مــیتــوان ایــن واکــنش نــامطلوب را کنتــرل نمــود. استوباکتریوروپائوس2، گونهاي که معمولا در فرمنتورهاي صنعتی تولید سرکه یافت میشود. زمـانیکـه غلظـت اسـید استیک بیش از 6 درصد است نمیتواند موجب اکسیداسیون شدید و درنتیجه تبدیل اسید به آب و دي اکسید کربن گردد. در صورت عدم انجام اکسیداسیون شدید، ضایعات تخمیر و تبدیل به بیوماس، مجموع غلظـت اتـانول (درصـد حجمی-حجمی) و غلظت اسید استیک (درصد وزنی-حجمی) که به عنوان غلظـت کلـی یـا ٣GK (عبـارت آلمـانی) شناخته میشود، در طی استیفیکاسیون باید ثابت باقی بماند . بازده GK عبارت اسـت از GK سـرکه نهـایی کـه بـه-عنوان درصدي از GK در شروع استیفیکاسیون بیان میگردد .(4)
تکنیکهاي مختلفی براي استیفیکاسیون وجود دارد که بر اساس اثر متقابـل سـه جـزء عمـل کننـده یعنـی اتـانول، باکتريها و اکسیژن با یکدیگر متفاوت هستند. تکنیکهاي کشت سطحی4 که در آن باکتريها یک لایه سـطحی در سطح بین محیط و هوا ایجاد مینمایند، سادهترین روشهاي مورد استفاده هستند اما بهصـورتهـاي مختلـف مـورد استفاده قرار میگیرند .(4)
-3-2 مرحله نهایی:
پس از آنکه تخمیر استیک کامل گردید، سرکه را نباید در معرض تماس بـا هـوا قـرار داد زیـرا ممکـن اسـت سـرکه اکسید شود و به دياکسیدکربن و آب تبدیل گردد. براي جلوگیري از این حالت باید ظـروف مـورد نظـر را بـه طـور کامل از سرکه پرردک و آنها را کاملاً مسدود نمود، همچنین میتوان سرکه را در دماي 65 oC پاسـتوریزه نمـود .(2) شفاف کردن سرکه بهوسیله صاف کردن و رسوب مواد معلق اضافی انجام میشود. درجه یا قـدرت سـرکه بـر حسـب گرین مطرح میشود. هر گرین، ده برابر تعداد گرمهاي اسید استیک موجود در 100 میلیلیتـر سـرکه اسـت. سـرکه
