Fermenteringsvetenskap
Klara Junker
Levande Kultur
22 oktober 2016
Uddebo, Sverige
Vem är jag?
¡ Magister i Medicinsk Biologi (Linköpings Universitet)
¡ Malaria (Australien, London, Boston…)
¡ Bryggeriteknik (Ludvika)
¡ Doktorand i ”jäst och fermentering” (Carlsberg Research
Laboratory, Köpenhamn)
¡ Teori vs praktik…
Vad vill jag?
¡ Stilla lite nyfikenhet
¡ Exempel på vad forskare kan studera inom fermentering
¡ Inspirera er att:
¡ Experimentera
¡ Ifrågasätta
¡ Fortsätta leta efter svar!
¡ Inte sälja Carlsberg ;)
Periodic Table of Fermented Foods
Periodic table
Provided by Prof M. Gaenzle
Fermentering - definition
¡ Fermentation is “a form of energy-yielding microbial metabolism
where an organic substrate, usually a carbohydrate, is
incompletely oxidized” (Adams 1990)
Fermentering:
¡ The term fermentation is derived from the Latin word fermentum,
förändring
meaning to(Mikroorganismers)
boil. Prescott and Dunn (1957)
defined fermentation in
a broad sense
av as
organiska ämnen/mat,
¡ a process in which chemical changes are brought about in an organic
med hjälp av enzymer
substrate, whether carbohydrate or protein or fat or some other type of
organic material, through the action of biochemical catalysts known as
“enzymes” elaborated by specific types of living microorganisms.
¡ Campbell-Platt (1987) defined fermented foods as
¡ those foods that have been subjected to the action of micro organisms
or enzymes so that desirable biochemical changes cause significant
modification in the food.
Bröd – Vin – Öl
¡ Bröd = Kolsyra
¡ Vin = Alkohol
¡ Öl = Kolsyra + Alkohol
Viktiga historiska upptäckter
¡ Leeuwenhoek - 1665
¡ Första mikroskopet
¡ Pasteur
¡ Mikroorganismer fermenterar!
¡ …och orsakar sjukdom
¡ Pastörisering, 1864
¡ 72-74°C 15 sek
¡ Emil Chr. Hansen
¡ Isolerade enskilda
jästsvampar 1881
Mikroorganismer – “vi gillar olika”
¡ Jäst, mögel och bakterier
¡ Temperatur
¡ Salt (osmotisk stress)
¡ pH
¡ Socker
¡ Vattenhalt (torkad malt, honung)
¡ Tid (generationstid)
¡ Syre!
Enzymer
¡ Proteaser (proteiner à→ aminosyror)
¡ Amylaser (stärkelse à → socker)
¡ Lipaser (fetter à → fria fettsyror)
¡ Svårt att “äta” stora proteiner
1. Spottar ut enzymer som klipper sönder proteinerna I mindre bitar
2. Plockar in proteinbitarna i cellen
3. Klipper ner proteinbitarna till sina byggstenar, aminosyror, för att kunna
göra nya proteiner
¡ Exempel: proteinet casein i mjölk (koagulerat i → ost)
¡ Koagulerar inte av värme
¡ Finns få fria aminosyror i mjölk
¡ Proteaser från bakterier skapar fria aminosyror i mjölk genom att bryta
ner proteinet casein.
“Fermenterings microbiota”
¡ Förr: Endast odlingstekniker för att identifiera mikroorganimser
¡ Inte alla mikroorganismer går att odla i labbet!
¡ Komplexa interaktioner mellan arter
¡ Idag: DNA-baserade studier
¡ Gener som särskiljer mikroorganismer
¡ Tekniken för DNA-analys har blivit mycket snabbare och billigare
Mögel
¡ Penicillium roqueforti
¡ Blåmögelost
¡ Aspergillus oryzae
¡ Koji – möglat ris – bryter ner stärkelse till sockerarter
¡ Domesticerat mögel – stängt av generna för aflatoxiner
¡ Rhizopus oryzae och oligosporus
¡ Tempe
¡ Fusarium venenatum
¡ QuornTM
¡ Kräver hög luftfuktiget och 25-45°C
¡ Amylaser och proteaser!
Jäst – “encelligt mögel”
¡ Saccharomyces cerevisiae
¡ Kan leva med/utan syre
¡ MED syre → nya jästceller
¡ UTAN syre → alkohol och kolsyra
¡ Fenomenal “sockerförmåga”
¡ 16 olika sockertransportörer
¡ Kan börja jäsa vid höga sockerhalter OCH jäsa ut när bara lite socker
kvar
¡ Inte så bra på att konsumera stärkelse
¡ Toppen att mältat korn innehåller amylas (stärkelse → sockerarter)
¡ Kan spotta ut massa olika enzymer
¡ Proteaser (proteiner → aminosyror)
¡ Amylaser (stärkelse → socker)
¡ Lipaser (fetter → fria fettsyror)
Mjölksyrebakterier – STOR grupp
¡ Lactobacillus
¡ Lactococcus
¡ Leuconostoc
¡ Oenococcus
¡ Pediococcus
¡ Streptococcus
¡ Tetragenococcus
¡ Weissella
¡ Etc…
Mjölksyrebakterier (Lactic Acid Bacteria)
¡ Socker → mjölksyra och andra syror
¡ Gram-positiva
¡ Extra tjock cellvägg
¡ Salt-tåliga
¡ Med/utan syre
¡ Tål, och skapar, sura miljöer
¡ Homo- eller Heterofermentativa (Fermenterar socker → #?)
¡ Homoferm: → 1 produkt (ex mjölksyra)
¡ Heteroferm: → >1 produkt (ex alkohol, kolsyra & mjölksyra)
¡ Petiga i maten…
Ättiksyrebakterier (Acetobacter)
¡ Acetobacter och Gluconobacter
¡ Måste ha (liiite) syre
¡ Etanol eller socker → ättiksyra
¡ Skapar ”biofilm/pellicle” av ffa cellulosa
som gör att de kan flyta på ytan
(tillgång på syre)
¡ Kan triggas av närvaron av andra mikrober
¡ Identiskt med cellulos från träd och bomull
¡ Exempel: Fukuyama kurozu (vinäger av
svart ris):
1. Stäkelse
2. Socker
3. Alkohol
→ socker (av Koji mägel)
→ alkohol (av jäst) +
→ mjölksyra (av LAB)
→ ättikssyra (av
ättiksyrebakterier)
Salt
¡ “Water goes where water ain’t”
¡ Salt orsakar osmotisk stress
¡ Torkar ut!
¡ Gram-positiva bakterier
“pallar trycket”
¡ Salt gör syre mindre tillgängligt
¡ Skapar “krispighet”
¡ Farligare att undersalta än att översalta…!
Temperatur
¡ Generellt – lägre temperatur = långsammare tillväxt
¡ Hög temperatur kan döda
¡ För köld-tåliga mikroorganismer är steriliserad mjölk mums ;)
Syre
¡ Giftigt!!!
¡ Reagerar med “allt”
¡ Kan orsaka skada
¡ Ger energi/ATP
¡ Aeroba = behöver syre
¡ Antioxidanter
¡ Anaeroba = tål inte syre
¡ Förstör deras enzymer
¡ Faktultativa vs obligata
Förjäsbara sockerarter
¡ Mögel och vissa jästsorter kan
bryta ner stärkelse till socker
mha amylas
¡ Öl: amylas från
mältat korn
klipper ner
stärkelse till
socker
¡ Jäst är supereffektiva sockerkonsumenter
¡ Kan bli FÖR mycket socker
Koldioxid/Kolsyra
¡ När koldioxid bildas skapas en anaerob (syrefri) miljö
¡ “Skyddar” mot aeroba (syre-krävande) bakterier – ex ättikssyrebakterier
¡ Koldioxid löst i vatten = kolsyra
Smörsyra (diacetyl)
¡ Luktar smör
¡ Vanligt förekommande vid ölbryggning
¡ Har antimikrobiella egenskaper mot:
¡ Listeria, Salmonella, E.coli etc
¡ Gram-negativa mer känsliga mot diacetyl än gram-positiva
¡ Krävs dock höga halter för att ge effekt
¡ Ger då även starka dofteffekter…!
Mjölksyra och ättikssyra
¡ Organisk syror
¡ Sänker pH = Skapar en selektiv barriär mot “non-acidophiles” (“ickesyra-älskande”)
¡ Antimikrobiell effekt: kan störa cellmembran
¡ Människans näsa väldigt bra på att identifiera dessa syror, ffa
ättikssyra!
Ex: Monokultur vs. multikultur
¡ Endast Lactobacillus plantarum:
1. Glukos → mjölksyra
2. SEN Citronsyra → ättikssyra och kolsyra
3. Surt!
¡ Både Lactobacillus plantarum och Saccaromyces cerevisiae
1. S. cerevisiae äter upp glukos före L. plantarum
2. Färre L. plantarum
3. L. plantarum citronsyra → ättikssyra och kolsyra
4. Inte lika surt…
Mältat
korn
63-69°C, 1h
Gelatinisering
α-amylas
β-amylas
Humle
Innehåller syror och
essentiella oljor
Jäst
O2
38 ATP
O2
2 ATP
+ acetyl CoA
+ organic acid
Öl: Hur bildas smaker? …och varför?
Öl: Hur bildas smaker?
1. Högre alkoholer: Mer komplexa än etanol – smak till destillerade
drycker (Finkelolja)
2. Organiska syror: – SMÅ – ättikssyra, citronsyra, äppelsyra och
bärnstenssyra
3. Aldehyder & Ketoner: Molekyler "på väg" till alkoholer (Diacetyl –
smörsmak)
4. Estrar: Blommiga & fruktiga – locka insekter?
5. Svavelföreningar: (kokt) kål, blomkål och vitlök - biprodukter
6. Terpener: Bildas av växter, kan “frisätts” av jäst
7. Laktoner: cykliska estrar, finns mest i fermentering av frukt,
mejeriprodukter och kött. Bildas av att jästceller kortar ner
fettsyror. Kimchi – välstudeat exempel
Kimchi: pH
¡ När det man fermenterar blir surare och surare, varför?
¡ Grafen visar ett samband mellan antal ”aktiva bakterier” (cirklar)
och pH (trianglar) i kimchi
Kimchi: metaboliter
¡ Metaboliter = “Biprodukter” vid konsumtion
¡ Fruktos (¢)ê
¡ Glucose() èî
¡ Lactate (n) é
¡ Etanol (u) è
Kimchi: vilka bakterier är aktiva?
¡ Metatranscriptomic analysis
¡ Titta på vilka gener olika bakterier
uttrycker (à vilka protein de tillverkar)
¡ Gener är unika, berättar vilken
bakterie genen kommer från
¡ Se vilka bakterier som är “aktiva”.
¡ Hittar bara de man känner till/kan
(se #“others”)
Kimchi: Chili
¡ Chili selekterar!
¡ utan chili: mest Leuconostoc & Lactobacillus
¡ med chili: mest Weissella
¡ Chili à långsammare start på fermentering
UTAN Chili:
MED Chili:
UTAN Chili: VITT
MED Chili: SVART
Kombucha
¡ Ättikssyrebakterier
och jäst
Kefir
¡ Mjölksyrebakterier och jäst
Mikroskopi-bilder
Spadet av
fermenterade
kikärtor
100X
Mjölkkefirgryn
40X
40X
40X
100X
Kombucha
spad (övre
raden,
vänster)
och scoby
(övriga)
100X
10X
40X
40X
Människans mikrobiota
Favoritforskning just nu
¡ Beer yeast domestication (White Labs/Verstrepen lab i Cell)
¡ Tittat på öl-jästens genom (DNA)
¡ “Förbättra” kakao-fermentering (Verstrepen lab)
¡ Godare choklad
¡ “Ostmikrobiologi-ekologi”
¡ Wolfe lab i Boston
¡ David Asher (@theblacksheepschool) – ost etc från kefir
¡ Samevolution och hur “microbial communities” bildas
¡ Wolfe lab i Boston
¡ Gammal ”sanning” att vi består av 10 ggr fler bakterier än
människoceller.
¡ Nya rön = 1:1,25
Levande, döda eller metaboliter?
Hälsoeffekter?
¡ INTE EXPERT!!
Lyssningstips
¡ Gastropod
¡ Bacteriofiles
¡ Delicious revolution
¡ Spel: ”Gut Check”
TACK för uppmärksamheten!
www.Jasthuset.se
Jästhuset Facebook
@jasthuset Instagram
Frågor? Feedback?
[email protected]
