Как происходит ферментация. Окисление и ферментация в производстве чая
Автор книги - «рок-звезда Американской кулинарной сцены» - по мнению New York Times, самоучка, антиглобалист, дауншифтер и открытый гей - Сандор Эликс Катц. Эта книга, как вы уже наверняка догадались, выпадает из ряда нарядных кулинарных «книг для кофейного столика» (так в англосаксонском мире принято называть увесистые и красочные тома, предназначение которых - лежать на столике в гостиной и больше являться элементом декора, чем источником знаний).
Фотографии в этой книге достойны отдельного упоминания: глядя на них складывается впечатление, что они получились совершенно случайно. Но книга эта действительно полна уникальной информации: как ферментируют кассаву, пекут национальные эфиопские лепешки из муки тэфф, делают в России квас (да, даже это!) и еще множество всего. Теоретическая часть содержит данные из области антропологии, истории, медицины, нутрициологии и микробиологии. В книгу входит большое количество рецептов: они разделены на несколько тематических частей (приготовление ферментированных овощей, хлеба, вина, молочных продуктов).
Приводим здесь очень вольный перевод главы, посвященной полезным свойствам ферментации.
Многочисленные полезные свойства ферментированных продуктов
Ферментированные продукты обладают в прямом смысле живым ароматом и содержат живые питательные вещества. Вкус у них, как правило, ярко выраженный. Вспомните пахучие зрелые сыры, кислую квашеную капусту, густую терпкую пасту мисо, насыщенные благородные вина. Конечно, можно сказать, что вкус некоторых ферментированных продуктов - на любителя. Однако люди всегда по достоинству ценили уникальные вкусовые оттенки и пробуждающие аппетит ароматы, которые продукты приобретают благодаря работе бактерий и грибов.
С практической точки зрения основным преимуществом ферментированных продуктов является то, что они дольше хранятся. Микроорганизмы, участвующие в процессе ферментации, вырабатывают алкоголь, молочную и уксусную кислоты. Все эти «биоконсерванты» позволяют сохранить питательные вещества и подавить рост патогенных бактерий и таким образом предотвратить порчу продуктовых запасов.
Овощи, фрукты, молоко, рыба и мясо портятся быстро. И, когда удавалось получить их излишки, наши предки использовали все доступные средства, позволяющие как можно дольше сохранить запасы пищи. На протяжении всей истории человечества ферментацию для этого использовали повсеместно: от тропиков до Арктики.
Капитан Джеймс Кук был знаменитым английским исследователем XVIII-го века. Благодаря его активной деятельности границы Британской Империи значительно расширились. Кроме того Кук получил признание Лондонского королевского общества - ведущего научного общества Великобритании - за то, что вылечил членов своей команды от цинги (болезни, вызываемой острым недостатком витамина С). Победить болезнь Кук смог благодаря тому, что во время своих экспедиций брал на борт большой запас кислой капусты (которая содержит существенное количество витамина С).
Благодаря своему открытию Кук смог открыть много новых земель, которые затем оказались под властью Британской короны и укрепили ее могущество, в том числе и Гавайские острова, где он и был впоследствии убит.
Коренные жители островов, полинезийцы, пересекли Тихий океан и поселились на Гавайских островах более чем за 1000 лет до визита капитана Кука. Интересным является и тот факт, что пережить длительные путешествия, также, как и команде Кука, им помогли ферментированные продукты! В данном случае - «пои», каша из плотного крахмалистого корня таро , которая до сих пор популярна на Гавайях и в южной части тихоокеанского региона.
Корень таро:
Каша пои из корня таро:
Ферментация позволяет не только сохранить полезные свойства питательных веществ, но и помочь организму их усвоить . Многие питательные веществе представляют собой сложные химические соединения, но в процессе ферментации сложные молекулы расщепляются на более простые элементы.
В качестве примера такой трансформации свойств при ферментации обладают соевые бобы. Это уникальный, богатый белком продукт. Однако без ферментации соя практически не переваривается человеческим организмом (некоторые даже утверждают, что она токсична). В процессе ферментации сложные молекулы белка соевых бобов расщепляется, и в результате образуются аминокислоты, которые организм уже способен усвоить. Одновременно c этим расщепляются и нейтрализуются растительные токсины, которые содержатся в соевых бобах. В результате мы получаем традиционные ферментированные соевые продукты, такие как соевый соус, паста мисо и темпе .
В наши дни многие люди с трудом усваивают молоко. Причиной является непереносимость лактозы - молочного сахара. Молочнокислые бактерии кисломолочных продуктов преобразуют лактозу в молочную кислоту, которая усваивается уже гораздо легче.
То же происходит и с глютеном, белком злаковых растений. В процессе бактериальной ферментации при помощи заквасок (в отличие от дрожжевого брожения, которое сейчас чаще всего используется в хлебопечении) молекулы глютена расщепляются, а ферментированный глютен усваивается легче, чем не прошедший ферментацию.
По мнению экспертов Продовольственной и Сельскохозяйственной Организации ООН (United Nations Food and Agriculture Organization) ферментированные продукты являются источником жизненно важных питательных элементов. Организация ведет активную работу по повышению популярности ферментированных продуктов во всем мире. По данным Организации ферментация повышает биодоступность (т. е. способность организма усваивать то или иное вещество) минералов , присутствующих в продуктах.
Билл Моллисон (Bill Mollison), автор книги «Ферменты и питание человека» (The Permaculture Book of Ferment and Human Nutrition), называет ферментацию «формой предварительного пищеварения». «Предварительное пищеварение» также позволяет расщепить и нейтрализовать определенные токсичные вещества, содержащиеся в продуктах. В качестве примера мы уже приводили соевые бобы.
Еще одной иллюстрацией процесса нейтрализации токсинов является ферментация кассавы (также известной под названиями юкка или маниока). Это корнеплод родом из Южной Америки, который позднее стал одним из основных продуктов питания в экваториальной Африке и Азии.
Кассава может содержать высокую концентрацию цианида. Уровень содержания этого вещества сильно зависит от вида почвы, на который растет корнеплод. Если не нейтрализовать цианид, то кассаву нельзя употреблять в пищу: она попросту ядовита. Для удаления токсина часто используют обычное замачивание: для этого очищенные и крупно порезанные клубни помещают в воду примерно на 5 дней. Это позволяет расщепить цианид и сделать кассаву не только безопасной для употребления, но и сохранить полезные вещества, которые в ней содержатся.
Сбор корня маниоки:
Паста соевая мисо ферментированная разных видов с добавками:
Но не все содержащиеся в продуктах токсины так опасны, как цианид. Например, злаковые, бобовые культуры (а также орехи - прим. ред.) содержат соединение, которое называется фитиновая кислота . Эта кислота обладает способностью связывать цинк, кальций, железо, магний и другие минералы . В результате эти минералы не будут усвоены организмом. Ферментация злаков с помощью предварительного замачивания позволяет расщепить фитиновую кислоту и благодаря этому повышается питательная ценность злаковых, бобовых и орехов.
Существует и другие потенциально токсичные вещества, действие которых можно ослабить или нейтрализовать с помощью ферментации. Среди них - нитриты, синильная кислота, щавелевая кислота, нитрозамины, лектины и глюкозиды.
Ферментация не только позволяет расщепить «растительные» токсины, результатом этого процесса являются и новые питательные вещества.
Так, в процессе своего жизненного цикла,
бактерии заквасок вырабатывают витамины группы В, включая фолиевую кислоту (В9), рибофлавин (В2), ниацин (В3), тиамин (В1) и биотин (В7,Н)
. Также ферментам часто приписывают выработку витамина В12, который отсутствует в продуктах растительного происхождения. Однако не все согласны с этой точкой зрения. Существует версия, что вещество, которое содержится в ферментированной сое и овощах на самом деле только похоже по некоторым признакам на витамин В12, однако оно не обладает его активными свойствами. Это вещество называют «псевдовитамин» В12.
Некоторые ферменты, возникщие в процессе ферментации, действуют как антиоксиданты , то есть удаляют из клеток организма человека свободные радикалы , которые считаются предшественниками раковых клеток.
Молочнокислые бактерии (которые в частности содержаться в хлебной закваске, а также в йогуртах, кефире и других кисломолочных продуктах - прим. ред.) помогают вырабатывать жирные кислоты Oмега-3, которые жизненно важны для нормальной работы клеточной мембраны клеток человеческого организма и иммунной системы.
В процессе ферментации овощей вырабатываются изотиоцианаты и индол-3-карбинол. Считается, что оба этих вещества обладают противоонкологическими свойствами.
Продавцы «натуральных пищевых добавок» часто "гордтся" тем, что «в процессе их культивации вырабатывается большое количество полезных натуральных веществ». Таких как, например, супероксид-дисмутаза, или GTF-хром (разновидность хрома, которая легче усваивается организмом человека и способствует поддержанию нормальной концентрации глюкозы в крови), или детоксицирующие соединения: глутатион, фосфолипиды, пищеварительные энзимы и бета 1,3 глюканы. Честно говоря, я просто (слова автора книги) теряю интерес к разговору, когда слышу подобные псевдонаучные факты. Понять, насколько полезен продукт, вполне можно и без молекулярного анализа.
Доверяйте своим инстинктам и вкусовым рецепторам. Прислушайтесь к своему организму: как вы чувствуете себя после употребления того или иного продукта. Поинтересуйтесь, что говорит наука по этому поводу. Результаты исследований подтверждают: ферментация повышает питательную ценность продуктов.
Пожалуй, наибольшая польза ферментированных продуктов заключается именно в самих бактериях, осуществлющих процесс ферментации. Их также называют пробиотиками . Многие ферментированные продукты содержат компактные колонии микроорганизмов: такие колонии включают в себя множество видов самых различных бактерий. Только сейчас ученые начинают понимать, каким образом колонии бактерий влияют на работу нашей кишечной микрофлоры. Взаимодействие микроорганизмов, содержащихся в ферментированных продуктах, с бактериями нашей пищеварительной системы может улучшить работу пищеварительной и иммунной систем , психологические аспекты здоровья и общее самочувствие.
Однако не все ферментированные продукты остаются «живыми» к тому моменту, когда попадают к нам на стол. Некоторые из них, в силу своей природы, не могут содержать живые бактерии. Хлеб, например, нужно выпекать при высокой температуре и он не может служить истчником прибиотиков (аспекты пользы хлеба другие, в этой статье мы их не рассматриваем). И это приводит к гибели всех содержащихся в нем живых организмов.
Ферментированные продукты не требуют подобного способа приготовления, их рекомендуется употреблять, когда они еще содержат живые бактерии, то есть без термообработки (в нашей российской действительности - квашеные капуста, огурцы: моченая брусника, яблоки, сливы; разные виды живого кваса; напиток чайного гриба; непастеризованные живые виноградные вина; молочные непастеризованные кисломолочные продукты короткого срока хранения такие, как: кефир, ряженка, ацидофилин, тан, мацони, кумыс; фермерские сыры и др., прим. ред.). И именно в таком виде ферментированные продукты наиболее полезны.
Квашеная капуста, моченые яблоки:
Внимательно читайте этикетки продуктов. Помните, многие ферментированные продукты, которые продаются в магазинах, подвергаются процессу пастеризации или другой термической обработке. Это позволяет продлить срок годности, но убивает микроорганизмы. На этикетке ферментированных продуктов часто можно увидеть фразу «содержит живые культуры». Эта надпись свидетельствует о том, что в конечном продукте все еще присутствуют живые бактерии.
К сожалению, мы живем в то время, когда в магазинах, в большинстве своем, продаются полуфабрикаты, рассчитанные на массового потребителя, и живые бактерии в таких продуктах трудно найти. Если вы хотите видеть на своем столе действительно «живые» ферментированные продукты, вам придется хорошенько их поискать или приготовить самостоятельно.
«Живые» фементированные продукты полезны для здоровья пищеварительной системы. Поэтому они эффективны для лечения диареи и дизентерии. Продукты, содержащие живые бактерии, помогают бороться с детской смертностью в младенческом возрасте.
В Танзании было проведено исследование, в ходе которого изучался уровень младенческой смертности. Ученые наблюдали за младенцами, которых кормили разными смесями после отъема от груди. Одних детей кормили кашей из ферментированных злаков, других - из обычных.
У младенцев, которых кормили ферментированной кашей, было отмечено в два раза меньше случаев диареи по сравнению с теми, кто ел кашу не прошедшую ферментацию. Причина в том, что молочнокислое брожение подавляет рост бактерии, вызывающей диарею.
Согласно результатам другого исследования, опубликованного в журнале «Нутришн» (Nutrition), богатая микрофлора кишечника позволяет предотвратить развитие болезней пищеварительного тракта. Молочнокислые бактерии «борются с потенциальными патогенами за присоединение к рецепторам клеток слизистой оболочки кишечника». Таким образом, лечить болезни можно с помощью «экоиммунопитания».
Само слово, конечно, не так просто произнести. Но мне, все равно, нравится термин «экоиммунопитание». Он подразумевает, что иммунная система и бактериальная микрофлора организма функционируют как единое целое.
Бактериальная экосистема состоит из колоний различных микроорганизмов. И такую систему можно создать и поддерживать с помощью определенного рациона питания. Употребление продуктов с высоким содержанием живых бактерий - один из способов построения бактериальной экосистемы в организме.
Моченая брусника, сливы:
Чайный гриб:
Упомянутая книга была удостоена нескольких наград. Кроме нее в библиографии Катца:
The Big Book of Kombucha («Большая Книга Комбучи»)
The Wild Wisdom of Weeds («Мудрость диких трав»)
Art Natural Cheese Making («Искусство натурального сыроделия»)
Revolution Will Not Be Microvaved: inside America"s underground Food movements («Революцию не приготовят в микроволновке: внутренний взгляд на подпольные гастро-течения современной Америки»).
Cсылка на книгу в Амазоне: https://www.amazon.com/gp/product/B01KYI04CG/ref=kinw_myk_ro_title
________________________________________ _________
Ферментированный продукт питания темпе — полезные свойства и применение
Темпе (англ. Tempeh) - ферментированный продукт питания, приготовляемый из соевых бобов.
Приготовление
Темпе популярен в Индонезии и других странах юго-восточной Азии. Процесс приготовления темпе схож с процессом ферментации сыров. Темпе производится из целых соевых бобов. Соевые бобы размягчаются, затем раскрываются или очищаются от шелухи и варятся, но не до готовности. Затем добавляется окислитель (обычно уксус) и закваска, содержащая полезные бактерии. Под действием этих бактерий получается ферментированный продукт, обладающий сложным запахом, который сравнивают с ореховым, мясным или грибным, а по вкусу напоминающий цыпленка.
При низкой температуре или повышенной вентиляции на поверхности темпе иногда появляются споры в виде безвредных серых или черных пятен. Это нормальное явление, не влияющее на вкус и запах продукта. Готовый качественный темпе имеет легкий запах аммиака, однако этот запах не должен быть очень сильным.
Обычно темпе выпускается в брикетах толщиной около 1,5 см. Темпе относится к категории скоропортящихся продуктов и не подлежит длительному хранению, поэтому его сложно встретить за пределами Азии.
Полезные свойства и применение
В Индонезии и Шри-Ланке темпе употребляют в качестве основного продукта питания. Темпе богат белком. Благодаря ферментации в процессе изготовления белок из темпе легче переваривается и усваивается организмом. Темпе - хороший источник пищевой клетчатки, так как содержит большое количество пищевых волокон, в отличие от тофу, в котором волокна отсутствуют.
Чаще всего разрезанный на кусочки темпе обжаривают на растительном масле с добавлением других продуктов, соусов и специй. Иногда темпе предварительно замачивается в маринаде или соленом соусе. Он легко готовится: на приготовление уходит всего несколько минут. Мясоподобная структура позволяет использовать темпе вместо мяса в гамбургерах или вместо цыпленка в салате.
Готовый темпе подается с гарниром, в супах, в тушеных или жареных блюдах, а также как самостоятельное блюдо. Из-за низкой калорийности темпе используют как диетическое и вегетарианское блюдо.
Состав
Темпе содержит ряд полезных микроорганизмов, типичных для ферментированных продуктов, которые подавляют болезнетворные бактерии. Более того, в нем содержатся фитаты, которые вступают в связь с радиоактивными элементами и выводят их из организма. Темпе, как и все соевые продукты очень богат белком и пищевой клетчаткой. В грибковой культуре, используемой в процессе производства темпе, содержатся бактерии, производящие витамин B12, который подавляет поглощение радиоактивного кобальта.
Любопытный факт
Темпе, как и другие изделия из сои, плохо сочетаются со всеми белковыми продуктами животного происхождения и животными жирами, но хорошо сочетаются с рыбой и морепродуктами. Не стоит есть соевые продукты и вместе с другими бобовыми.
Калорийность темпе
Калорийность темпе - от 90 до 150 ккал в 100 г продукта в зависимости от способа приготовления.
Биополимеры
Общие сведения
Существует два основных типа биополимеров: полимеры, происходящие из живых организмов, и полимеры, происходящие из возобновляемых ресурсов, но требующие полимеризации. Оба типа используются для производства биопластиков. Биополимеры, присутствующие в живых организмах, или создаваемые ими, содержат углеводороды и протеины (белки). Они могут применяться в производстве пластмасс для коммерческих целей. В качестве примеров можно привести:
Биополимеры, существующие/создаваемые в живых организмах
Биополимер | Естественный источник | Характеристика |
| Полиэфиры | Бактерии | Такие полиэфиры получаются путем естественных химических реакций, производимых определенными видами бактерий. |
| Крахмал | Зерно, картофель, пшеница и др. | Такой полимер - один из способов хранения углеводородов в растительных тканях. Он состоит из глюкозы. В тканях животных он отсутствует. |
| Целлюлоза | Древесина, хлопок, зерно, пшеница и др. | Этот полимер состоит из глюкозы. Он является основным компонентом оболочки клетки. |
| Соевый белок | Соевые бобы | Протеин, содержащийся в соевых растениях. |
Молекулы из возобновляемых природных ресурсов могут быть полимеризованы для использования при производстве биоразлагаемых пластиков.
Ест ественные источники, полимеризуемые в пластмассы
Биополимер | Естетсвенный источник | Характеристика |
| Молочная кислота | Свекла, зерно, картофель и др. | Производится путем ферментации исходных продуктов, содержащих сахар, например, свеклы, и переработки крахмала зерновых культур, картофеля или других источников крахмала. Полимеризуется для получения полимолочной кислоты, полимера, который применяется в производстве пластмасс. |
| Триглицериды | Растительные масла | Формируют большинство липидов, входящих в состав всех растительных и животных клеток. Растительные масла - один из возможных источников триглицеридов, которые могут быть полимеризованы в пластики. |
Для производства пластмассовых материалов из растений применяются два метода. Первый метод основан на ферментации, а второй использует для производства пластика само растение.
Ферментация
Процесс ферментации задействует микроорганизмы для разложения органических веществ в отсутствии кислорода. Современные общепринятые процессы используют микроорганизмы, созданные методами генетической инженерии, специально предназначенные для условий, при которых происходит ферментация, и вещество, разлагаемое микроорганизмом. В настоящее время для создания биополимеров и биопластиков существует два подхода:
- Бактериальная полиэфирная ферментация: В ферментации задействованы бактерии ralstonia eutropha, которые используют сахар собранных растений, например, зерна, для питания собственных клеточных процессов. Побочным продуктом таких процессов является полиэфирный биополимер, впоследствии извлекаемый из бактериальных клеток.
- Ферментация молочной кислоты: Молочная кислота получается методом ферментации из сахара, во многом схожим с процессом, применяемым для прямого производства полиэфирных полимеров с участием бактерий. Однако в данном процессе ферментации побочным продуктом является молочная кислота, которая затем обрабатывается традиционным способом полимеризации для изготовления полимолочной кислоты (PLA).
Пластики из растений
Растения обладают большим потенциалом, чтобы стать фабриками по производству пластмасс. Этот потенциал можно максимально реализовать при помощи геномики. Полученные гены можно вводить в зерно, применяя технологии, позволяющие разрабатывать новые пластиковые материалы с уникальными свойствами. Такая генная инженерия дала ученым возможность создать растение Arabidopsis thaliana. Оно содержит ферменты, которые бактерии используют для производства пластиков. Бактерия создает пластик путем превращения солнечного света в энергию. Ученые перенесли ген, кодирующий этот фермент, в растение, обеспечив возможность производства пластика в клеточных процессах этого растения. После сбора урожая пластик выделяется из растения при помощи растворителя. Получающаяся в результате этого процесса жидкость подвергается дистилляции для отделения растворителя от полученного пластика.
Рынок биополимеров
Сокращение разрыва между синтетическими полимерами и биополимерами
Около 99% всех пластмасс производится или получается из основных невозобновляемых источников энергии, включая природный газ, нафту, сырую нефть, уголь, которые используются в производстве пластиков и в качестве исходных материалов, и как источник энергии. В какой-то период сельскохозяйственные материалы считались альтернативным исходным сырьем для производства пластмасс, но уже более десяти лет они не оправдывают ожиданий разработчиков. Основным препятствием для использования пластиков, изготовленных на основе сельскохозяйственного сырья, стала их себестоимость и ограниченные функциональные возможности (чувствительность продуктов из крахмала к влаге, ломкость полиоксибутирата), а также недостаточная гибкость при производстве специализированных пластиковых материалов.
Прогнозируемые эмиссии CO2
Совокупность различных факторов, взлет цен на нефть, повышение интереса во всем мире к возобновляемым ресурсам, рост обеспокоенности в связи с выбросами парниковых газов, особое внимание к утилизации отходов возродили заинтересованность в биополимерах и эффективных способах их производства. Новые технологии выращивания и переработки растений позволяют сократить разницу в стоимости между биопластиками и синтетическими пластмассами, а также усовершенствовать свойства материалов (например, Biomer ведет разработку видов PHB (полигидрокибутират) с повышенной прочностью расплава для пленки, получаемой экструзией). Растущая озабоченность экологическими проблемами и стимулирование на законодательном уровне, в частности, на территории Евросоюза, возбудили интерес к биоразалагающимся пластикам. Реализация принципов Киотского протокола также заставляет обратить особое внимание на сравнительную эффективность биополимеров и синтетических материалов с точки зрения энергозатрат и выбросов CO2. (В соответствии с Киотским протоколом Европейское Сообщество обязуется за период 2008-2012 гг. снизить поступление парниковых газов в атмосферу по сравнению с уровнем 1990 г. на 8%, а Япония обязуется сократить такие выбросы на 6%).
По приблизительным подсчетам пластики на основе крахмала могут сэкономить от 0,8 до 3,2 тонн CO2 на тонну по сравнению с тонной пластмассы, полученной из органического топлива, при этом данный диапазон отражает долю сополимеров на основе нефти, используемых в пластиках. В отношении альтернативных пластиков на основе масляных зерен экономия выбросов парниковых газов в эквиваленте CO2 оценивается в размере 1,5 тонн на тонну полиола, изготовленного из рапсового масла.
Мировой рынок биололимеров
В течение следующих десяти лет ожидается продолжение быстрого роста глобального рынка пластиковых материалов, наблюдающегося в течение последних пятидесяти лет. По прогнозам, сегодняшнее потребление пластмасс на душу населения в мире увеличится с 24,5 кг до 37 кг в 2010 г. Такой рост определяется, прежде всего, США, странами Западной Европы и Японией, однако, ожидается активное участие стран Юго-Восточной и Восточной Азии и Индии, которые в течение указанного периода должны составить около 40% мирового рынка потребления пластмасс. Также ожидается увеличение мирового потребления пластмасс с 180 миллионов тонн сегодня до 258 миллионов тонн в 2010 году, при этом существенное развитие получат все категории полимеров, так как пластики продолжают вытеснять традиционные материалы, включая сталь, дерево и стекло. По некоторым экспертным оценкам за этот период биопластикам удастся прочно занять от 1,5% до 4,8% общего рынка пластмасс, что в количественном отношении составит от 4 до 12,5 миллионов тонн в зависимости от технологического уровня разработок и исследований в области новых биопластиковых полимеров. По мнению руководства компании Toyota, к 2020 году пятая часть мирового рынка пластмасс будет занята биопластиками, что эквивалентно 30 миллионам тонн.
Маркетинговые стратегии биополимеров
Разработка, уточнение и применение эффективной маркетинговой стратегии является самым важным этапом для любой компании, планирующей вложение значительных средств в биополимеры. Несмотря на гарантированное развитие и рост биополимерной промышленности, существуют определенные факторы, которые нельзя не учитывать. Следующие вопросы определяют маркетинговые стратегии биополимеров, их производства и научно-исследовательской деятельности в этой области:
- Выбор сегмента рынка (упаковка, сельское хозяйство, автомобильная промышленность, строительство, целевые рынки). Усовершенствованные технологии обработки биополимеров обеспечивают более эффективное управление макромолекулярными структурами, что позволяет новым поколениям «потребительских» полимеров конкурировать с более дорогими «специализированными» полимерами. Кроме того, при наличии новых катализаторов и усовершенствованной системы управления процессом полимеризации появляется новое поколение специализированных полимеров, созданных для функциональных и структурных целей и генерирующих новые рынки. Примерами могут стать биомедицинские виды применения имплантатов в стоматологии и хирургии, которые быстро наращивают темпы своего развития.
- Базовые технологии: технологии ферментации, растениеводство, молекулярная наука, производство сырья для исходных материалов, источников энергии или того и другого, использование генетически измененных или неизмененных организмов в процессе ферментации и производства биомассы.
- Уровень поддержки со стороны государственной политики и законодательной среды в целом: переработанные пластики в определенной степени составляют конкуренцию биоразлагаемым полимерам. Правительственные постановления и законодательные акты, относящиеся к окружающей среде и переработке отходов, могут оказать положительное влияние на увеличение продаж пластиков для различных полимеров. Выполнение обязательств Киотского протокола, вероятно, повысит спрос на определенные материалы на биологической основе.
- Развитие цепи поставок в фрагментированной индустрии биополимеров и коммерческий эффект от экономии за счет масштаба в сравнении с усовершенствованием свойств продукции, при котором она может быть реализована по повышенным ценам.
Биоразлагаемые полимеры и полимеры на основе, не содержащей нефти
Пластмассы с низким уровнем воздействия на окружающую среду
На рынке существует три группы биоразлагаемых полимеров. Это PHA (фитогемагглютинин) или PHB, полилактиды (PLA) и полимеры на основе крахмала. Другими материалами, имеющими коммерческое применение в области биоразлагаемых пластиков, являются лигнин, целлюлоза, поливиниловый алкоголь, поли-е-капролактон. Существует немало производителей, выпускающих смеси биоразлагаемых материалов, либо для улучшения свойств этих материалов, либо для сокращения производственных затрат.
Для совершенствования технологических параметров и повышения ударной вязкости PHB и его сополимеры смешиваются с целым рядом полимеров с различными характеристиками: биоразлагаемыми или неразлагаемыми, аморфными или кристаллическими с разной температурой расплава и стеклования. Смеси также используются для улучшения свойств PLA. Обычные PLA во многом ведут себя так же, как полистиролы, проявляя ломкость и низкое удлинение на разрыв. Но, например, добавка 10-15% Eastar Bio, биоразлагаемого нефтепродукта на основе полиэстера производства компании Novamont (в прошлом, Eastman Chemical), значительно повышает вязкость и, соответственно, модуль упругости при изгибе, а также ударную вязкость. Для улучшения биоразлагаемости при одновременном снижении себестоимости и сохранении ресурсов возможно смешивание полимерных материалов с природными продуктами, например, крахмалами. Крахмал представляет собой полукристаллический полимер, состоящий из амилазы и амилопектина с различными коэффициентами в зависимости от растительного сырья. Крахмал растворяется в воде, а использование агентов, улучшающих совместимость, может иметь принципиальное значение для успешного смешивания этого материала с гидрофобными полимерами, несовместимыми при других условиях.
Сравнение свойств биопластиков с традиционными пластиками
Сравнение PLA и пластиков на основе крахмала с традиционными пластиками на основе нефтепродуктов |
||||||
| Свойства (единицы) | LDPE | PP | PLA | PLA | Крахмальная основа | Крахмальная основа |
| Удельный вес (г/см 2) | <0.920 | 0.910 | 1.25 | 1.21 | 1.33 | 1.12 |
| Прочность при растяжении (МПа) | 10 | 30 | 53 | 48 | 26 | 30 |
| Предел текучести при растяжении (МПа) | - | 30 | 60 | - | 12 | |
| Модуль упругости при растяжении (ГПа) | 0.32 | 1.51 | 3.5 | - | 2.1-2.5 | 0.371 |
| Удлинение при растяжении (%) | 400 | 150 | 6.0 | 2.5 | 27 | 886 |
| Прочность по Изоду с надрезом (Дж/м) | No break | 4 | 0.33 | 0.16 | - | - |
| Модуль при изгибе (ГПа) | 0.2 | 1.5 | 3.8 | 1.7 | 0.18 | |
Свойства PHB по сравнению с традиционными пластиками
Свойства Biomer PHB в сравнении с PP , PS и PE |
|||
| Прочность при растяжении | Удлинение на разрыв Шор A | Модуль | |
| Biomer P226 | 18 | - | 730 |
| 15-20 | 600 | 150-450 | |
| Biomer L9000 | 70 | 2.5 | 3600 |
| PS | 30-50 | 2-4 | 3100-3500 |
С точки зрения сравнительной стоимости, существующие пластики на нефтяной основе являются менее дорогостоящими, чем биопластики. Например, цена на промышленные и медицинские сорта полиэтилена высокой плотности (ПЭВП - HDPE), также применяемого при производстве упаковки и потребительских товаров, варьируется от 0,65 до 0,75 долларов за фунт. Цена на полиэтилен низкой плотности (ПЭНП - LDPE) составляет 0,75-0,85 долларов за фунт. Полистиролы (PS) стоят от 0,65 до 0,85 долларов за фунт, полипропилены (PP), в среднем, - 0,75-0,95 долларов за фунт, а полиэтилентерефталаты (PET) - от 0,90 до 1,25 долларов за фунт. По сравнению с ними, полилактидные пластики (PLA) стоят в пределах 1,75-3,75 долларов за фунт, поликапролактоны (PCL), полученные из крахмала, - 2,75-3,50 долларов за фунт, полиоксибутираты (PHB) - 4,75-7,50 долларов за фунт. В настоящее время, учитывая сравнительные общие цены, биопластики дороже традиционных распространенных пластиков на основе нефти в 2,5 - 7,5 раза. Однако еще пять лет назад их стоимость в 35-100 раз превышала существующие невозобновляемые эквиваленты на основе органического топлива.
Полилактиды (PLA)
PLA представляет собой биоразлагаемый термопластик, полученный из молочной кислоты. Он обладает водостойскостью, но не может переносить высоких температур (>55°C). Поскольку он не растворяется в воде, микробы в морской среде могут так же разлагать его на CO2 и воду. Пластик имеет сходство с чистым полистиролом, обладает хорошими эстетическими качествами (глянец и прозрачность), но является слишком жестким и хрупким и нуждается в модификации для большинства практических применений (т.е. его эластичность увеличивается пластификаторами). Как и большинство термопластов, его можно перерабатывать в волокна, пленки, изготовленные горячим формованием или литьем под давлением.
Структура полилактида
В процессе производства зерно обычно сначала перемалывается для получения крахмала. Затем путем переработки крахмала получают неочищенную декстрозу, которая при ферментации превращается в молочную кислоту. Молочная кислота сгущается для производства лактида, циклического промежуточного димера, который применяется как мономер для биополимеров. Лактид проходит очистку путем вакуумной дистилляции. После этого в процессе расплава без растворителя открывается кольцевая структура для полимеризации - таким образом, получается полимер полимолочной кислоты.
Модуль упругости при растяжении
Прочность по Изоду с надрезом
Модуль при изгибе
Удлинение при растяжении
Компания NatureWorks, дочернее предприятие Cargill, крупнейшей частной компании в США, производит полилактидный полимер (PLA) из возобновляемых ресурсов с использованием собственной технологии. В результате 10 лет исследований и разработок на базе компании NatureWorks и 750 миллионной инвестиции, в 2002 году было создано совместное предприятие Cargill Dow (теперь дочернее предприятие NatureWorks LLC, полностью принадлежащее компании Cargill) с годовой производительностью 140000 тонн. Полилактиды, полученные из зерна и реализуемые под торговой маркой NatureWorks PLA и Ingeo, в основном находят свое применение в термоупаковке, экструдированных пленках и волокнах. Компания также разрабатывает технические возможности производства продукции литьевым прессованием.
Емкость для компоста из PLA
PLA, как и PET, требует просушки. Технология обработки аналогична LDPE. Рецикляты можно подвергать повторной полимеризации или размалывать и использовать повторно. Материал поддается полному биохимическому распаду. Изначально применявшийся в формовании листовых термопластов, производстве пленок и волокон, сегодня этот материал также используется для формования раздувом. Подобно PET, пластик на основе зерна позволяет производить целый ряд разнообразных и сложных форм бутылок всех размеров и используется компанией Biota для формования с раздувом и вытяжкой бутылок для розлива родниковой воды высшего качества. Однослойные бутылки из NatureWorks PLA формуются на том же оборудовании литья под давлением/ориентированного формования раздувом, которое используется для PET, без потери производительности. Хотя барьерная эффективность NatureWorks PLA ниже, чем у PET, он может конкурировать с полипропиленом. Более того, компания SIG Corpoplast в настоящее время осуществляет разработки по использованию своей технологии покрытий "Plasmax" для таких альтернативных материалов в целях повышения ее барьерной эффективности и, следовательно, расширения области ее применения. Материалам NatureWorks не хватает теплостойкости, свойственной стандартным пластмассам. Они начинают терять форму уже при температуре около 40°C, но поставщику удается добиваться значительных успехов в создании новых марок, которые обладают термостойкостью пластмасс на основе нефти, и, таким образом, получают новые возможности применения в упаковках для горячих продуктов и напитках, продаваемых на вынос, или продуктов, разогреваемых в микроволновой печи.
Пластики, снижающие нефтяную зависимость
Повышенная заинтересованность в снижении зависимости полимерного производства от нефтяных ресурсов также способствует разработке новых полимеров или составов. С учетом нарастающей необходимости снижения зависимости от нефтепродуктов особое внимание уделяется значимости максимизации использования возобновляемых ресурсов в качестве источника сырья. Показательным примером является использование соевых бобов для производства полиола на биооснове Soyol в качестве основного сырья для полиуретана.
Ежегодно пластмассовая промышленность использует несколько миллиардов фунтов наполнителей и усилителей. Усовершенствованная технология составов и новые связующие агенты, позволяющие повышать уровень загрузки волокон и наполнителей, способствуют расширению применения таких добавок. В ближайшем будущем уровень загрузки волокна, составляющий 75 частей на сто, может стать распространенной практикой. Это окажет колоссальное воздействие на сокращение использования пластиков на основе нефти. Новая технология высоконаполненных композитов демонстрирует некоторые весьма интересные свойства. Исследования композита 85% кенаф-термопластик показали, что его свойства, например, модуль упругости при изгибе и прочность, превосходят большинство типов древесных частиц, ДСП низкой и средней плотности, а также может в некоторых применениях конкурировать даже с ориентированно-стружечными плитами.
Использование: микробиологическая и пищевая промышленность. Сущность изобретения: Способ задержки роста бактерий в средах спиртовой ферментации осуществляют добавлением полиэфирного ионофорного антибиотика в ферментационную среду в концентрации 0,3-3,0 частей на миллион. 2 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.
Изобретение относится к способу задержки роста бактерий в спиртовых ферментационных средах. Известно, что установки спиртовой ферментации не работают в стерильных условиях и поэтому могут содержать популяции бактерий, которые достигают концентрации от 10 4 до 10 6 микроорганизмов/мл, а в экстремальных случаях и больше. Эти микроорганизмы могут принадлежать к семейству молочных бактерий, но также могут включать и другие виды микроорганизмов, такие как streptococcus, bacillus, pediococcus, clostridium или leuconostoc (см. табл. 1). Все эти бактерии обладают способностью образовывать органические кислоты. Если концентрация бактерий в популяции превышает 10 6 микроорганизмов/мл, образование органических кислот может достичь значительного уровня. При концентрациях выше 1 г/л такие органические кислоты могут препятствовать росту и ферментации дрожжей и приводить к снижению производительности установки на 10-20% или более. В некотором сырье, таком как, вино, сидр, или продукты их производства, такие бактерии могут также превращать глицерин в акролеин, который является канцерогенным соединением попадающим в конечный спиртовый продукт, предназначенный для потребления людьми. Таким образом, для предупреждения отрицательных эффектов, обусловленных избыточным ростом бактерий в ферментационной среде необходимы бактериостатические и/или бактерицидные способы, которые не оказывают отрицательного влияния на процесс ферментации. Известно использование с этой целью антибиотиков, таких как пенициллин, лактоцид, низин, которые вводят в ферментационные среды, в частности, из меласс, крахмала и зерна при производстве спирта (1). Недостаток таких способов заключается либо в невысокой активности антибиотика, либо в том, что некоторые антибиотики (пенициллин) приводят к образованию мутантных штаммов, резистентных к действию антибиотика. Задача изобретения - устранение указанных недостатков. Эта задача решается с помощью предлагаемого способа, согласно которому вводят в ферментационную среду полиэфирный ионофорный антибиотик бактериостатического или бактерицидного агента. Способ настоящего изобретения может быть использован с широким спектром ферментационных сред, в том числе таких, как сок сахарной свеклы, сок сахарного тростника, разбавленная меласса сахарной свеклы, разбавленная меласса сахарного тростника, гидролизат зерновых (например, кукурузы или пшеницы), гидролизат крахмальных клубней (например, картофеля или топинамбура), вино, побочные винные продукты, сидр, а также его побочные продукты. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы любые крахмал- или сахар- содержащие материалы, которые могут быть подвергнуты ферментации с помощью дрожжей с выходом спирта (этанола). Достигаемый в результате контроль за содержанием бактерий или в значительной степени уменьшает проблемы, вызываемые присутствием бактерий и продуцируемых ими органических кислот. Полиэфирные ионофоры, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, не оказывают отрицательного воздействия на дрожжи (saccharomices sp.) и на процесс ферментации. Полиэфирные ионофорные антибиотики, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, представляют собой любые антибиотики, которые не оказывают значительного влияния на дрожжи и которые обладают бактериостатическим и/или бактерицидным действием на бактерии ферментационной среды, продуцирующие органические кислоты. Наиболее полезными в настоящем изобретении являются антибиотики, которые эффективны в отношении бактерий, перечисленных в табл. 1 (см. выше). Предпочтительными полиэфирными ионофорными антибиотиками являются монензин, лазалозид, салиномицин, наразин, мадурамицин и семдурамицин. Более предпочтительными являются монензин, лазалозид и салиномицин, однако, наиболее предпочтительным антибиотиком является монензин. Ферментационные среды, которые могут быть эффективно обработаны по способу настоящего изобретения включают такое сырье, как, например, сок сахарной свеклы, сок сахарного тростника, разбавленная меласса сахарной свеклы, разбавленная меласса сахарного тростника, гидролизат зерновых (например, кукурузы или пшеницы), гидролизат крахмальных клубней (например, картофеля или топинамбура), вино, побочные продукты виноделия, сидр и побочные продукты при его получении. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы любые крахмал- или сахар-содержащие материалы, которые могут быть подвергнуты ферментации с помощью дрожжей с выходом спирта (этанола). Полиэфирные ионофорные антибиотики являются высокостабильными соединениями. Они не способны легко разлагаться с течением времени или при высокой температуре. Это имеет значение для установок по ферментации, так как: 1. они сохраняют активность в течение многих дней в обычных условиях работы установки ферментации; 2. они сохраняют активность при высоких температурах, имеющих место в процессе ферментативного гидролиза, предшествующего ферментации зерновых или клубней (например, 2 ч при 90 o C или 1,5 ч при 100 o C). Эти соединения коммерчески доступны и поставляются фармацевтическими фирмами. Были проведены опыты с различными полиэфирными ионофорными антибиотиками, такими как монензин, лазалозид и салиномицин, с использованием сырья для ферментации на основе мелассы сахарной свеклы. Проведенные эксперименты подтвердили существование бактериостатических или бактерицидных концентраций, которые лежат в интервале от приблизительно 0,5 до 1,5 частей на миллион. При бактериостатических условиях рост популяции бактерий прекращается и может быть обнаружено, что содержание органических кислот в популяции не увеличивается. При бактерицидных концентрациях популяция бактерий уменьшается и, следовательно, концентрация органических кислот не увеличивается. Согласно способу настоящего изобретения в ферментационную среду вводят бактериостатический или бактерицидноэффективное количество, по меньшей мере, одного полиэфирного ионофорного антибиотика. Предпочтительно, в ферментационную среду вводят, по меньшей мере, один полиэфирный ионофорный антибиотик в концентрации приблизительно от 0,3 до 3 частей на миллион. В наиболее предпочтительном варианте концентрация полиэфирного ионофорного антибиотика составляет приблизительно от 0,5 до 1,5 частей на миллион. Полиэфирный ионофор согласно изобретению предотвращает или ингибирует рост бактерий в ферментационной среде, не влияя при этом на дрожжи, при концентрации до 100 частей на миллион. Бактериальная флора может поддерживаться при концентрации 10 4 микроорганизмов/мл и ниже, что приводит к практически полному прекращению образования органических кислот. Следовательно, бактерии не могут в значительной степени уменьшить спиртовую ферментацию. При этих условиях бактерии обычно не способствуют образованию акролеина. При концентрациях около 0,5 частей на миллион антибиотик обладает бактерицидным действием и, следовательно, делает возможным достижение пониженного содержания бактерий. На фиг. 1 показано уменьшение популяции бактерий в разбавленной мелассе после добавления монензина; на фиг. 2 - влияние монензина на популяцию бактерий в непрерывном процессе ферментации на промышленной установке. Пример 1. Влияние монензина на концентрацию Lachobacillus buchneri. К разбавленной мелассе сахарной свеклы добавляют в различных концентрациях монензин и измеряют кислотность и концентрацию микроорганизмов. Полученные результаты представлены в табл. 2. Пример 2. Стабильность и бактерицидное действие монензина в соке мелассы. В разбавленный сок мелассы, содержащий 10 6 микроорганизмов/мл вводят монензин в концентрации 1 часть на миллион. На фиг.1 показано уменьшение популяции бактерий через 20 дней при температуре 33 o C. Возобновление роста бактерий не наблюдалось. Эти данные показывают, что монензин сохраняет активность в течение 20 дней при температуре 33 o C в нормальных условиях работы установки ферментации. Пример 3. Промышленное использование монензина. Еще один пример настоящего изобретения представлен на фиг.2. Он относится к установке спиртовой ферментации, которая работает в непрерывном режиме. Ферментационной средой является меласса, содержащая 14% сахара (около 300 г/л). Скорость потока составляет 40-50 м 3 /ч, температура - 33 o C. На 7 день загрязненность микроорганизмами превышает 10 6 микроорганизмов/мл. На 8 день начинают обработку введением в бродильный аппарат активного количества монензина (растворенного в этаноле). Эту концентрацию монензина поддерживают в течение 24 ч введением обогащающего сырья, содержащего монензин в той же концентрации. На 9 день добавление монензина в сырье прекращают. Сразу же после начала обработки популяция бактерий начинает быстро уменьшаться. Это снижение продолжается до 10-го дня, то есть в течение 24 ч после окончания обработки. На этой стадии монензин вымывается из ферментационной среды и рост бактерий медленно возобновляется. Он поддается контролю в течение последующих 15 дней, однако, это обусловлено уменьшенным уровнем загрязнения после обработки.
Формула изобретения
1. Способ задержки роста бактерий в средах спиртовой ферментации путем добавления антибиотика в ферментационную среду, отличающийся тем, что в качестве антибиотика используют полиэфирный ионофорный антибиотик. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полиэфирный ионофорный антибиотик добавляют в ферментационную среду в концентрации 0,3 3,0 млн -1 . 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что антибиотик добавляют в ферментационную среду на основе сока или мелассы сахарной свеклы или сахарного тростника, либо крахмального гидролизата из хлебных злаков или клубневых культур, либо сред виноделия или изготовления сидра.
Приходя в магазин или заходя на ряд тематических сайтов, Вам наверняка приходилось сталкиваться с понятиями сильноферментированный, полуферментированный и другими производными слова «ферментированный». Условное деление всех чаёв по «степени ферментации» является признанным и казалось бы не обсуждаемым. Что тут непонятного. Зелёный – неферментированный, красный сильно, пуэр постферментированный. Но вы же хотите копнуть поглубже? Спросите в следующий раз у консультанта, как он понимает «постферментированный» чай. И наблюдайте.
Вы уже понимаете подвох. Объяснить это слово нельзя. Постферментированный – искусственное словечко, единственной целью которого является совершить манёвр и поставить пуэр в условную систему деления чаёв «по степени ферментации».
Ферментативное окисление
Проблема подобной путаницы связана с тем, что происходит замещение понятия «процессы окисления » на «ферментация ». Нет, ферментация тоже имеет место быть, но вот когда – в этом предстоит разобраться. А пока об окислении.
Что мы знаем о кислороде?
Справа свежий срез яблока. Слева – после окисления на воздухе.
В контексте материала следует отметить высокую химическую активность элемента, а именно окислительную способность. Каждый представляет себе, как с течением времени срез яблока или банана чернеет. Что происходит? Вы разрезаете яблоко, нарушаете там самым целостность клеточных оболочек. Выделяется сок. Вещества в соке взаимодействуют с кислородом и провоцируют протекание окислительно-восстановительной реакции. Появляются продукты реакции, которых до этого не было. Например, для яблока это оксид железа Fe 2 O 3 , имеющий бурый цвет. и именно он отвечает за потемнение.
Что мы знаем о чае?
Для большинства чаёв в технологическом процессе присутствует этап сминания, цель которого разрушить клеточную оболочку (см. статью о). Если провести параллели с яблоком, вещества в соке взаимодействуют с кислородом из воздуха. Но важно отметить, что окислительно-восстановительная реакция не единственная. Чай – органический продукт. В любой живой системе имеются особые соединения энзимы, они же ферменты, ускоряющие химические реакции. Как Вы догадываетесь, они не «стоят в сторонке», а принимают активное участие. Получается целая цепочка химических превращений, когда продукты одной реакции претерпевают дальнейшие химические преобразования. И так несколько раз. Такой процесс называется ферментативным окислением.
Важность кислорода в таком процессе можно понять на примере производства красного чая (полностью окисленного, или, как его ещё называют, «полностью ферментированного чая»). Для поддержания постоянного уровня кислорода в помещении, где производится красный чай, нужно обеспечить смену воздуха до 20 раз в час , при этом делать это стерильно. Кислород – это основа в данном случае.
Пуэр и ферментация в чистом виде
Снова зададимся вопросом: «А что мы знаем о пуэре?» Как он производится? Взгляните на снимки ниже. Да, это будущий шу пуэр, и именно так он делается.
«Водуй» – процесс искусственного состаривания пуэра. Фабрика Джингу.
Что мы видим? Закрытое помещение, огромную кучу чая на несколько тонн, накрытую плотной мешковиной, термометр с отметкой в 38 градусов по Цельсию. Что не видим? Отметку влажности в этом помещении. Поверьте – она там зашкаливает. Как Вы думаете, проникает ли кислород под мешковину в недра скирдяной кучи? Можно ли говорить об окислении? Ответ напрашивается сам собой. Конечно нет! Тогда что происходит с чаем в таких условиях?
Пуэр как продукт жизнедеятельности микроорганизмов
Вы когда-нибудь бывали в подвалах многоквартирных домов старого фонда? Скорее всего нет, но представляете, что можно ожидать. Духота и сырость. По стенам распространяется грибок, а в воздухе летают колонии бактерий и микроорганизмов. Для них высокая температура и влажность – идеальная среда обитания и размножения. Вернемся к скирдяным кучам пуэрного сырья – всё те же идеальные условия. Наличие бактерий – обязательное условие при производстве как шу, так и шен пуэра. Ферменты микроорганизмов влияют на превращения в чае. Таким образом, химические реакции при приготовлении пуэра протекают под воздействием внешних, так и внутренних (от самого чая) ферментов. А вот реакции окисления практически исключены. Это и есть в чистом виде процесс ферментации.
Основные выводы:
- Ферментация в чистом виде протекает только в пуэре . В остальных чаях ферментативное окисление. В красных и улунских этот процесс желателен. В остальных нежелателен и максимально быстро останавливается путем термической обработки.
- Условное деление чаёв «по степени ферментации» не совсем верно.
- При производстве улунского и красного чая наибольшее значение имеет наличие кислорода в воздухе для поддержания реакции окисления, стерильность среды.
- При производстве пуэра наибольшее значение имеют содержание микроорганизмов в чайном сырье, влажность и температура для повышенной их жизнедеятельности.
- Пост-ферментированный чай – искусственное понятие, призванное вписать пуэр в систему деления чаёв по степени ферментации, но не имеющее адекватного физического смысла.
