Спосіб затримки зростання бактерій у середовищах спиртової ферментації. Ферментація та ферментативне окислення у чаї Загальні відомості про культивування мікроорганізмів
Один із етапів приготування найпоширенішого напою – ферментація чаю. Від ступеня ферментації залежить вид отриманого чаю, його смакові особливості та корисні властивості. Це досить складний хімічний процес, що забезпечує основну частину перетворень, що відбуваються з чайним листям після збору.
Що таке ферментація
Ферментація – третій етап обробки чайного листя після підв'ялювання та скручування. В результаті скручування порушуються клітини листя, починають виділятися специфічні чайні ферменти та поліфеноли. У процесі їх окислення утворюються теафлавіни та теарубігіни, які забезпечують звичний червонувато-коричневий відтінок чайного настою.
Спрощено цей процес можна пояснити так: у результаті руйнування клітин листка виділяється їх сік. При забезпеченні відповідних температурних умов він починає тинятися, відбувається ферментація чайного листа у власному соку.
Змінюючи тривалість процедури ферментації чаю та ступінь обсмажування листя, можна отримати різні сорти цього напою. Умовно їх поділяють на кілька груп:
- неферментований чай;
- легко ферментований;
- чай середньої ферментації;
- чай повної ферментації.
Процес ферментації
Підготовлене листя розташовує в темних приміщеннях зі стабільною температурою повітря на рівні від 15 до 29 градусів і високою вологістю (близько 90%). Такі умови вважаються ідеальними для початку ферментації, хоча одержати їх у місцях вирощування чаю дуже непросто.
Для початку ферментації чайне листя розкладають на спеціально оброблені дерев'яні або алюмінієві поверхні, які не будуть вступати в реакцію з фенолами чаю, шаром не товщі 10 см.
Тривалість процесу визначається бажаним результатом та деякими додатковими показниками:
- Температура листя після скручування.
- Вологість листа після зав'ялювання.
- Рівень вологості повітря у приміщенні, де проходить ферментація.
- Якість його провітрюваності.
Як правило, цей процес може тривати від 45 хвилин до 5 годин, протягом яких листя буде темніти і змінювати аромат. Зупиняють ферментацію відразу після того, як листя набуде характерного чайного запаху, що варіюється від квіткового або фруктового до горіхового, пряного.
У промисловій ферментації чайний лист розкладений на конвеєрі, який повільно рухається до сушарки, потрапляючи до неї у встановлений час. При ручному методі необхідний окремий фахівець, який контролюватиме процес, перевіряючи ступінь «готовності» чаю, щоби вчасно зупинити його.
Як зупинити процес ферментації
Єдиним способом зупинити ферментацію листя є їхнє сушіння за високої температури. Якщо не зупинити ферментацію вчасно, процес бродіння триватиме доти, доки листя не згниє і не покриється пліснявою.
Сушіння також вимагає особливої ретельності, оскільки недосушений чай після упаковки може швидко зіпсуватися. Якщо ж чай пересушити, він обуглиться і набуде неприємного горілого присмаку. В ідеально висушеному чаї міститься лише 2-5% вологи.
Спочатку листя висушували на великих листах або сковорідках, використовуючи відкритий вогонь, що означає ферментований чай виходив підсмаженим. У таких умовах отримати правильний ступінь просушування було досить складно.
Починаючи з кінця 19 століття для цього використовують духовки, які дозволяють забезпечити високу температуру сушіння - до 120-150 градусів за Цельсієм, тим самим скоротивши її час до 15-20 хвилин. Також духові шафи забезпечені повітропіддувом, що також покращує якість процесу.
У процесі сушіння листя піддаються впливу потоку гарячого повітря, сік, що виділяється ними, і ефірні масла як би «припікаються» до поверхні кожної чаїнки, знаходячи здатність зберегти свої корисні властивості протягом досить тривалого періоду. Звісно, за умови правильного зберігання. Витягти ці корисні властивості досить просто – достатньо заварити листя гарячою водою.
Важливо! Однією з головних умов правильної сушіння є швидке охолодження готової сировини. Якщо цього не зробити, листя може «досмажитися» на деку навіть після вилучення з духовки або почати тліти.
Особливості ферментації різних видів чаю
Більшість знайомих сортів індійського чи китайського чаю виробляють із листя однієї й тієї ж рослини — Camellia Sinensis. Різний колір і смак забезпечується ступенем ферментації та обсмажування. Кожен вид чаю має певні рекомендації щодо заварювання (зокрема, щодо температури води):
Дотримання цих вимог дозволяє смаковим та ароматичним якостям кожного виду чаю розкритися максимально повно.
Неферментований або легко ферментований чай
Чаї цієї групи у своєму виробництві пропускають етап ферментації, що дозволяє їм зберегти свій оригінальний трав'яний запах та присмак свіжої зелені.
До цієї категорії відносяться білі чаї, що висушують відразу після зав'ялювання, і зелений, який після зав'ялювання висушується частково, потім листя скручують і досушують повністю.
Більшість цих чаїв висушують, використовуючи обсмажування листя, хоча деякі сорти піддаються обробці гарячою парою.
Сорти чаю, що відносяться до цієї категорії:
- Сенча;
- Пі Ло Чу;
- Стіна Дракона;
- Жасмин зелений.
Жасмином ароматизують, як правило, ті сорти чаю, які зазнали найслабшої ферментації.
Чай середньої ферментації
Листя цих сортів ферментується частково - від 10 до 80%. Так як розкид цей досить великий, всередині цієї категорії існує додаткова класифікація, що об'єднує сорти чаю за ступенем окиснення від 10 до 20%, від 20% до 50% і від 50% до 80%.
У будь-якому випадку всі сорти цього виду чаю при заварюванні дають густий жовтий або коричневий колір і мають насичений, але тонкий аромат. Сюди відносять деякі сорти зеленого чаю та більшість улунів.
Чай повної ферментації
До цієї категорії належать сорти чорного та червоного китайського чаю, які пройшли процес ферментації повністю. При заварюванні їх листя утворює настій густого рубінового, червоного або темно-коричневого кольору з насиченим, густим ароматом.
Постферментований чай
Деякі сорти чаю піддають так званої подвійної ферментації: у певний момент цей процес переривають, а потім відновлюють. Класичним прикладом такої обробки вважається пуер.
Ферментація в домашніх умовах
Незважаючи на те, що ферментація чаю – це складний хімічний процес, її цілком можна провести в домашніх умовах, приготувавши свій власний чай, наприклад, з листя кипря чи смородини.
Процес домашньої ферментації мало чим відрізняється від промислової, хіба що обсягами сировини. Основні етапи створення власного чаю:
- Збір сировини (листя та квіти іван-чаю, смородини, малини);
- Його підготовка (сировину можна нарізати, скрутити, розім'яти руками, пропустити через м'ясорубку, прокатати дерев'яною качалкою. Головна мета – зруйнувати структуру виділення соку).
- Ферментація.
- Виноградів.
- Упаковка.
Щоб сировина не забродила, її періодично перемішують та зволожують тканину. Після закінчення ферментації зелений чай сушать у затемненому місці природним шляхом. Для чорного потрібно активне сушіння в духовці при постійному помішуванні.
Ферментація є основним етапом приготування чаю, який визначає його майбутні смакові якості та аромат. Отримання бажаного результату вимагає великої уваги та ретельного дотримання процедури, але при цьому ферментацію листя для чаю можна провести навіть у домашніх умовах.
Ферментація чаю з прикладу улуна:
Всі матеріали на сайті представлені виключно для ознайомлення в інформаційних цілях. Перед застосуванням будь-яких засобів консультація з лікарем ОБОВ'ЯЗКОВА!
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО КУЛЬТИВУВАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ
У загальному сенсі ферментація - це біохімічна переробка сировини під впливом ферментів, що містяться в ньому самому і в сапротрофах (чайного листа, листя тютюну), а також викликана мікроорганізмами. Однак у нашому випадку ми розглядаємо виключно мікробну ферментацію (або мікробне бродіння).
У цій найстарішій з усіх методик, що застосовуються в біотехнології, для бажаних продуктів використовуються живі клітини або молекулярні компоненти їх «виробничого обладнання». Як живі клітини, як правило, використовуються одноклітинні мікроорганізми, такі як дріжджі або бактерії; з молекулярних компонентів найчастіше знаходять застосування різні ферменти – білки, що каталізують біохімічні реакції.
Ферментація- процес, у якому відбувається перетворення вихідної сировини на продукт з використанням біохімічної діяльності мікроорганізмів або ізольованих клітин.
Практично синонімамислова "ферментація" можна вважати такі терміни, як культивування, вирощування мікроорганізмів, біосинтез (див.)
Слід відрізняти мікробну ферментацію від біокаталіза(у якому вже отриманий раніше фермент або біомаса мікроорганізмів використовуються як каталізатори біохімічного процесу синтезу продукту з вихідної сировини та реагентів) та від біотрансформації(у цьому процесі також застосовується біокаталізатор у вигляді ферменту або біомаси мікроорганізмів, але вихідна речовина за хімічною структурою мало відрізняється від продукту біотрансформації).
Отже, різновид ферментації – мікробне бродіння – неусвідомлено використовувалося людиною протягом не однієї тисячі років для виробництва пива, вина, дріжджового хліба та консервованих продуктів – квашених овочів, солоної (насправді – ферментованої) риби тощо. Коли в середині 18 століття була відкрита роль мікроорганізмів у бродінні і люди усвідомили, що саме біохімічним процесам їхньої життєдіяльності ми зобов'язані існуванням усіх цих продуктів застосування методів ферментації значно розширилося. В даний час ми використовуємо досить широкий спектр можливостей природних мікроорганізмів, які забезпечують виробництво необхідних для нас продуктів, таких як антибіотики, протизаплідні засоби, амінокислоти, вітаміни, промислові розчинники, барвники, пестициди та добавки, необхідні для приготування їжі.
Мікробна ферментація в комбінації з методом рекомбінантних ДНК використовується для виготовлення великої кількості продуктів біологічного походження: людського інсуліну; вакцини проти гепатиту; ферменту, що використовується для виготовлення сиру; пластмаси, що розкладається мікроорганізмами; ферментів, що входять до складу пральних порошків та багато іншого. Крім того, ферментери використовуються для вирощування культур різних тварин і рослинних клітин.
Ферментація– це сукупність процесів, результатом яких є культуральна рідина.
Культуральна рідина(Culture broth) [лат. cultus - обробіток, обробка] - складна багатокомпонентна система, у водній фазі якої містяться клітини-продуценти, продукти їх життєдіяльності, неспожиті компоненти живильного середовища та ін. Іншими словами, культуральна рідина - рідке середовище, одержуване при культивуванні різних про- та еукаріотичних клітин in vitro і містить залишкові поживні речовини та продукти метаболізму цих клітин.
ЗРОСТАННЯ І РОЗМНАЖЕННЯ БАКТЕРІЙ НА РІДКОМУ ЖИВЧОМУ СЕРЕДОВИЩІ
При описі процесів ферментації ми не рідко згадуємо про "зростання" та "розмноження" мікроорганізмів. Але багато хто часто плутає значення цих слів або помилково вважає їх різними назвами того самого процесу. Це не так. Під зростанням прокаріотної клітини розуміють узгоджене збільшення кількості всіх хімічних компонентів, із яких вона побудована.
Зростання бактерійє результатом безлічі скоординованих біосинтетичних процесів, що знаходяться під строгим регуляторним контролем, і призводить до збільшення маси (а отже, і розмірів) клітини. Але зростання клітини не безмежне. Після досягнення певних (критичних) розмірів клітина піддається поділу, тобто. розмножується.
Розмноження бактерійвизначається часом генерації. Це період, протягом якого здійснюється поділ клітини. Тривалість генерації залежить від виду бактерій, віку, складу живильного середовища, температури та ін.
Процес культивації мікроорганізмів- Ферментація - починається з того моменту, коли заздалегідь підготовлений посівний матеріал вводиться в реактор. Розмноження культури мікроорганізму характеризується чотирма часовими фазами: лагфаза; експонентна; стаціонарна; вимирання.
Рис.1. Фази розмноження бактеріальної клітини на рідкому живильному середовищі
1)- Лаг-фаза(Фаза спокою); тривалість - 3-4 год, відбувається адаптація бактерій до живильного середовища, починається активне зростання клітин, але активного розмноження ще немає; тим часом збільшується кількість білка, РНК. Під час лаг-фази метаболізм клітин спрямований на те, щоб синтезувати ферменти для розмноження у конкретному середовищі. Тривалість лаг-фази може бути різною для однієї і тієї ж культури та середовища, тому що на неї впливає безліч факторів. Наприклад, що у посівному матеріалі було незростаючих клітин.
2)- експоненційна фаза- це період логарифмічного розмноження, коли відбувається розподіл клітин із експоненційним зростанням чисельності популяції; розмноження переважає загибель. Цей період обмежений у часі кількістю живильного середовища. Поживні речовини закінчуються або зростання клітин сповільнюється через виділення токсичного метаболіту.
Мал. 2. Процес поділу бактеріальної клітини
3)- стаціонарна фаза.Зростання припиняється і настає так звана стаціонарна фаза. Бактерії досягають максимальної концентрації, тобто. максимальної кількості життєздатних особин у популяції; кількість загиблих бактерій дорівнює кількості які утворюються; подальшого збільшення числа особин немає; Метаболізм продовжується і може початися виділення вторинних метаболітів. У багатьох випадках метою є отримання біомаси, а саме вторинних метаболітів, оскільки вони можуть використовуватися для отримання цінних продуктів і препаратів. У цих випадках ферментація цілеспрямовано утримується у стаціонарній фазі.
4)- Фаза відмирання.Якщо продовжувати ферментацію далі, клітини поступово втрачатимуть активність, тобто. вимирати. Це фаза прискореної загибелі; процеси загибелі переважають над процесом розмноження, оскільки виснажуються поживні субстрати серед. Накопичуються токсичні продукти, продукти метаболізму. Цієї фази можна уникнути, якщо використовувати метод проточного культивування: з живильного середовища постійно видаляються продукти метаболізму та заповнюються поживні речовини.
ПРО СТАДІЮ ФЕРМЕНТАЦІЇ
Стадія ферментаціїє основною стадією в біотехнологічному процесі, тому що в її ході відбувається взаємодія продуцента з субстратом та утворення цільових продуктів (біомас, ендо- та екзопродуктів). Ця стадія здійснюється в біохімічному реакторі (ферментері) і може бути організована в залежності від особливостей використовуваного продуцента та вимог до типу та якості кінцевого продукту різними способами. Ферментація може відбуватися в строго асептичних умовах і без дотримання правил стерильності (так звана "незахищена" ферментація).
Ферментація в рідкому та твердофазному середовищі
Культивування на рідких середовищахможна розділити на поверхневу та глибинну ферментацію. Поверхнева протікає у кюветах із середовищем. Кювети розташовують у вентильовані повітрям камери. Внаслідок процесу на поверхні середовища утворюється біомаса у вигляді плівки або твердого шару.
Глибинна ферментація відбувається у всьому обсязі рідкого середовища. Цей вид ферментації здійснюється як періодичним, і безперервним способами.
Твердофазна ферментація, у твердій, сипучому чи пастоподібному середовищі вологістю від 30 до 80 % здійснюється трьома способами (рис. 3):
- субстрат при поверхневих процесах розташовують на тацях тонким шаром (3...7 мм);
- глибинну твердофазну ферментацію проводять у глибоких відкритих судинах, субстрат при цьому не перемішують;
- твердофазна ферментація проводиться перемішуванням в масі, що аерується, субстрату.
Ферментація (культивування) може протікати як в аеробних, так і в анаеробних умовах:
Аеробне культивуваннязастосовують у тих випадках, коли в процесі задіяні аеробні мікроорганізми-продуценти. Аерацію суміші здійснюють подачею повітря або інших газів через газопідвідні трубки, форсунки і т.д.
Анаеробні процесипротікають у герметичних ємностях або за допомогою продування культивованого середовища інертними газами. Конструкція ферментера при анаеробній ферментації простіша, ніж при аеробній.
До кожного виду процесу ферментації розроблені різні конструкції ферментерів (рис. 2).
КЛАСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСІВ ФЕРМЕНТАЦІЇ
Мал. 3. Класифікація процесів ферментації
За ознакою цільового продуктуПроцес ферментації може бути наступних типів:
- Ферментація, у якій цільовим продуктом є біомаса мікроорганізмів; саме такі процеси часто позначають словами "культивування", "вирощування";
- Цільовим продуктом є не сама біомаса, а продукти метаболізму – позаклітинні чи внутрішньоклітинні; такі процеси часто називають процесами біосинтезу;
- Завданням ферментації є утилізація певних компонентів вихідного середовища; до таких процесів відносяться біоокислення, метанове бродіння, біокомпостування та біодеградація.
Вихідне середовище в процесах ферментації або її основний компонент часто позначають словом субстрат .
За основноюфазі, В якій протікає процес ферментації, розрізняються:
- Поверхнева (переважно. твердофазна) ферментація (культивування на агарових середовищах, на зерні, виробництво сиру та ковбас, біокомпостування та ін.);
- Глибинна (переважно. рідкофазна) ферментація, де біомаса мікроорганізмів суспендована в рідкому поживному середовищі, через яку при необхідності продувається повітря або інші гази;
По відношенню до кисню -розрізняють аеробну, анаеробну та факультативно-анаеробну ферментацію за аналогією зі склеюванням самих мікроорганізмів.
По відношенню до світла- світлова (фототрофна) та темнова (хемотрофна) ферментація.
За рівнем захищеностівід сторонньої мікрофлори - асептична, умовно асептична та неасептична ферментація. Іноді асептичну ферментацію називають стерильною, що неправильно: серед є цільові мікроорганізми, але немає чужорідних.
Умовно асептичної ферментації допускається певний рівень попадання сторонньої мікрофлори, яка здатна співіснувати з основною або за змістом не перевищує певної межі.
За кількістю видів мікроорганізмів -розрізняють ферментації на основі монокультури (або чистої культури) та змішане культивування, в якому здійснюється спільний розвиток асоціації двох або більше культур.
ПРОЦЕСИ ФЕРМЕНТАЦІЇ З СПОСІБ ОРГАНІЗАЦІЇ:
- періодичні;
- безперервні;
- об'ємно-доливні;
- періодичні з підживленням субстрату;
Всі ці види ферментації (за способом їх організації) легко ідентифікувати за способом завантаження сировини і вивантаження продукту.
У періодичних процесах завантаження сировини та посівного матеріалу в апарат проводиться одноразово, потім в апараті протягом певного часу йде процес, а після його завершення отримана ферментаційна рідина вивантажується з апарату.
У безперервних процесах завантаження та вивантаження середовища протікають безперервно та одночасно, причому швидкість подачі в апарат свіжого живильного середовища дорівнює швидкості відбору з апарату ферментаційної рідини. У результаті обсяг середовища в апараті зберігається незмінним протягом багато часу (рис. 4.2), теоретично - нескінченно, а фактично - до якої-небудь несправності.
В об'ємно-доливних процесах
ферментація в проміжках між завантаженням і розвантаженням апарату протікає як періодична, але після деякого часу, що визначається за станом процесу, частину ферментативного середовища вивантажують і замінюю свіжим середовищем.
У періодичному процесі з підживленням субстрату
частина середовища завантажується на початку ферментації, а інша частина додається безперервно у міру протікання процесу (рис. 4.5). Природним завершенням процесу є переповнення апарату, тому необхідно переходити на строго періодичний процес з максимальним обсягом середовища та швидко завершувати його.
БІОРЕАКТОРИ (ФЕРМЕНТЕРИ)
Мал. 4. Класифікація ферментерів
Для глибинного культивування бактерійу промислових та лабораторних умовах застосовують біореактори або ферментери. Ферментер (біореактор) - це прилад, що здійснює перемішування культурального середовища в процесі мікробіологічного синтезу, є герметичний котел, в який заливається рідке живильне середовище. Ферментери забезпечені автоматичними пристроями, що дозволяють підтримувати постійну температуру, оптимальну рН та редокс-потенціал, дозоване надходження необхідних поживних речовин.
Застосовується у біотехнологічній промисловості при виробництві лікарських та ветеринарних препаратів, вакцин, продуктів харчової промисловості (ферменти, харчові добавки, глюкозні сиропи), а також при біоконверсії крохмалю та виробництві полісахаридів та нафтодеструкторів.
Розрізняють механічні, аерліфтні та газо-вихрові біореактори, а також аеробні (з подачею повітря або газових сумішей з киснем), анаеробні (без подачі кисню) та комбіновані - аеробно-анаеробні.
ЗАГАЛЬНА СХЕМА МІКРОБІОЛОГІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА
Мал. 5. Схема звичайного ферментера
Звичайний ферментер є закритий циліндр, в якому механічно перемішуються середовище разом з мікроорганізмами. Через нього прокачують повітря, іноді насичене киснем. Температура регулюється за допомогою води або пари, що пропускаються трубками теплообмінника. Конструкція ферментера повинна дозволяти регулювати умови зростання: постійну температуру, pH (кислотність чи лужність) та концентрацію розчиненого у середовищі кисню.
1. Підготовка живильного середовища
Поживне середовище є джерелом органічного вуглецю - основного будівельного елемента життя. Мікроорганізми поглинають широкий спектр органічних сполук - від метану (CH 4), метанолу (CH 3 OH) і вуглекислоти (СО 2) до природних біополімерів. Крім вуглецю клітини потребують азоту, фосфору та інших елементів (K, Mg, Zn, Fe, Cu, Mo, Mn та ін.) Важливий елемент підготовки поживних середовищ - стерилізаціяз метою знищення всіх сторонніх мікроорганізмів. Її проводять термічним, радіаційним, фільтраційним чи хімічним методами.
2. Отримання чистих штамів для внесення ферментер.
Перш ніж розпочати процес ферментації, необхідно отримати чисту високопродуктивну культуру. Чисту культуру мікроорганізмів зберігають у дуже невеликих обсягах та в умовах, що забезпечують її життєздатність та продуктивність (зазвичай це досягається зберіганням за низької температури). Необхідно постійно підтримувати чистоту культури, не допускаючи її зараження сторонніми мікроорганізмами.
3. Ферментація – основний етап біотехнологічного процесу.
Ферментація - це вся сукупність операцій від внесення мікробів у підготовлене та нагріте до необхідної температури середовище до завершення біосинтезу цільового продуктуабо зростання клітин. Весь процес протікає у спеціальній установці – ферментері.
Після закінчення ферментації утворюється суміш робочих мікроорганізмів, розчину неспожитих поживних компонентів та продуктів біосинтезу. Її називають культуральною рідиноюабо бульйоном.
4. Виділення та очищення кінцевого продукту.
Після завершення ферментації продукт, який бажали отримати, очищають від інших складових бульйону. Для цього використовують різні технологічні прийоми: фільтрацію, сепарування (осадження частинок суспензії під дією відцентрової сили), хімічне осадження та ін.
5. Отримання товарних форм товару.
Останньою стадією біотехнологічного циклу є одержання товарних форм продукту. Вони є або суміш, або очищений продукт (особливо якщо він призначений для використання в медичних цілях).
На замітку:
ФАКТИ ПРО РОЗМНАЖЕННЯ БАКТЕРІЙ
За сприятливих умов розмноження мікроорганізмів відбувається дуже швидко. Вважають, що бактерія ділиться навпіл через кожних 20-30 хв. За підрахунком ботаніка Кона, при безперешкодному розмноженні протягом 5 діб нащадки однієї бактерії середньої величини (2 мк довжини і 1 мк ширини) зайняло б об'єм, рівний об'єму всіх морів та океанів. Але розмноження бактерій обмежено рядом факторів і таких фантастичних розмірів не досягає.
Надзвичайно малі розміри бактерій і швидкість їх розмноження мають значення для розуміння умов взаємодії між мікробами і довкіллям. Об'єм води в 0,001 мл здатний вмістити до 109 бактерій. При внесенні такої кількості бактерій в 1 мл води у разі рівномірного розподілу їх по всьому об'єму на 1 л води прийде 10 6 бактерій або 1000 бактерій на 1 мл води. Ось чому, наприклад, мізерна (!) кількість зараженої хвороботворними бактеріями речовини достатньо для поширення інфекційних захворювань, що передаються через воду.
Дорогі друзі, хочемо поділитися з вами невеликим уривком з книги "Wild Fermentation: The Flavor, Nutrition and Craft of Live-Culture Foods, 2nd Edition" (дослівно назва книги перекладається: "Дика ферментація: смак і поживні властивості їжі, що містить живі культури" », Друге видання).Автор книги – «рок-зірка Американської кулінарної сцени» – на думку New York Times, самоучка, антиглобаліст, дауншифтер та відкритий гей – Сандор Елікс Катц. Ця книга, як ви вже напевно здогадалися, випадає з ряду ошатних кулінарних «книг для кавового столика» (так в англосаксонському світі прийнято називати важкі та барвисті томи, призначення яких – лежати на столику у вітальні та більше бути елементом декору, ніж джерелом знань) .
Фотографії в цій книзі варті окремої згадки: дивлячись на них складається враження, що вони вийшли зовсім випадково. Але книга ця справді сповнена унікальної інформації: як ферментують кассаву, печуть національні ефіопські коржики з борошна тефф, роблять у Росії квас (так, навіть це!) і ще багато всього. Теоретична частина містить дані з галузі антропології, історії, медицини, нутриціології та мікробіології. До книги входить велика кількість рецептів: вони розділені на кілька тематичних частин (приготування ферментованих овочів, хліба, вина, молочних продуктів).
Наводимо тут дуже вільний переклад глави, присвяченої корисним властивостям ферментації.
Численні корисні властивості ферментованих продуктів
Ферментовані продукти мають у прямому сенсі живий аромат і містять живі поживні речовини. Смак у них, як правило, яскраво виражений. Згадайте пахучі зрілі сири, кислу квашену капусту, густу терпку пасту місо, насичені шляхетні вина. Звичайно, можна сказати, що смак деяких ферментованих продуктів – на любителя. Однак люди завжди гідно цінували унікальні смакові відтінки і аромати, що пробуджують апетит, які продукти набувають завдяки роботі бактерій і грибів.
З практичної точки зору основною перевагою ферментованих продуктів є те, що вони зберігаються довше. Мікроорганізми, що беруть участь у процесі ферментації, виробляють алкоголь, молочну та оцтову кислоти. Всі ці «біоконсерванти» дозволяють зберегти поживні речовини та придушити зростання патогенних бактерій і таким чином запобігти псуванню продуктових запасів.
Овочі, фрукти, молоко, риба та м'ясо псуються швидко. І коли вдавалося отримати їх надлишки, наші предки використовували всі доступні засоби, що дозволяють якомога довше зберегти запаси їжі. Протягом усієї історії людства ферментацію при цьому використовували повсюдно: від тропіків до Арктики.
Капітан Джеймс Кук був відомим англійським дослідником XVIII століття. Завдяки його активній діяльності кордони Британської Імперії значно розширились. Крім того, Кук отримав визнання Лондонського королівського товариства - провідного наукового товариства Великобританії - за те, що вилікував членів своєї команди від цинги (хвороби, що викликається гострим недоліком вітаміну С).Перемогти хворобу Кук зміг завдяки тому, що під час експедицій брав на борт великий запас кислої капусти.(яка містить значну кількість вітаміну С).
Завдяки своєму відкриттю Кук зміг відкрити багато нових земель, які потім опинилися під владою Британської корони та зміцнили її могутність, у тому числі й Гавайські острови, де він і був згодом убитий.
Корінні жителі островів, полінезійці, перетнули Тихий океан і оселилися на Гавайських островах за 1000 років до візиту капітана Кука. Цікавим є і той факт, що пережити тривалі подорожі, як і команді Кука, їм допомогли ферментовані продукти! У даному випадку – «пої», каша із щільного крохмалистого кореня таро, яка досі популярна на Гаваях та у південній частині тихоокеанського регіону.
Корінь таро:Каша напої з кореня таро:
Ферментація дозволяє зберегти корисні властивості поживних речовин, а й допомогти організму їх засвоїти.. Багато поживні речовини є складними хімічними сполуками, але в процесі ферментації складні молекули розщеплюються на простіші елементи.
Як приклад такої трансформації властивостей при ферментації мають соєві боби. Це унікальний, багатий на білком продукт. Однак без ферментації соя практично не перетравлюється людським організмом (деякі навіть стверджують, що вона токсична). В процесі ферментації складні молекули білка соєвих бобів розщеплюються, і в результаті утворюються амінокислоти, які організм вже здатний засвоїти. Одночасно з цим розщеплюються та нейтралізуються рослинні токсини, які містяться в соєвих бобах. В результаті ми отримуємо традиційні ферментовані соєві продукти, такі яксоєвий соус, паста місо і темп.
У наші дні багато людей важко засвоюють молоко. Причиною є непереносимість лактози – молочного цукру. Молочнокислі бактерії кисломолочних продуктів перетворюють лактозу на молочну кислоту, яка засвоюється набагато легше.
Те саме відбувається і з глютеном, білком злакових рослин. У процесі бактеріальної ферментації за допомогою заквасок (на відміну від дріжджового бродіння, яке зараз найчастіше використовується у хлібопеченні) молекули глютену розщеплюються, аферментований глютен засвоюється легше, ніж той, що не пройшов ферментацію.
На думку експертів Продовольчої та Сільськогосподарської Організації ООН (United Nations Food and Agriculture Organization) ферментовані продукти є джерелом поживних елементів. Організація веде активну роботу щодо підвищення популярності ферментованих продуктів у всьому світі. За даними Організації ферментаціяпідвищує біодоступність (тобто здатність організму засвоювати ту чи іншу речовину) мінералів, присутні у продуктах.
Білл Моллісон (Bill Mollison), автор книги "Ферменти та харчування людини" (The Permaculture Book of Ferment and Human Nutrition), називає ферментацію "формою попереднього травлення". «Попереднє травлення» також дозволяє розщепити та нейтралізувати певні токсичні речовини, що містяться у продуктах. Як приклад, ми вже наводили соєві боби.
Ще однією ілюстрацією процесу нейтралізації токсинів єферментація касави(також відомою під назвами юкка чи маніока). Це коренеплід родом із Південної Америки, який пізніше став одним із основних продуктів харчування в екваторіальній Африці та Азії.
Кассава може містити високу концентрацію ціаніду. Рівень вмісту цієї речовини сильно залежить від виду ґрунту, на який росте коренеплід. Якщо не нейтралізувати ціанід, то кассаву не можна вживати в їжу: вона просто отруйна. Для видалення токсину часто використовують звичайне замочування: для цього очищені і порізані бульби поміщають у воду приблизно на 5 днів. Це дозволяє розщепити ціанід і зробити касаву не тільки безпечною для вживання, але й зберегти корисні речовини, які містяться в ній.
Збір кореня маніоки:Паста соєва місо ферментована різних видів з добавками:
Але не всі містяться в продуктах токсини такі небезпечні, як ціанід. Наприклад, злакові, бобові культури (а також горіхи - прим. ред.) містять з'єднання, яке називаєтьсяфітинова кислота. Ця кислота маєздатністю пов'язувати цинк, кальцій, залізо, магній та інші мінерали. В результаті ці мінерали не будуть засвоєні організмом. Ферментація злаків за допомогою попереднього замочування дозволяє розщепити фітинову кислоту і завдяки цьому підвищується поживна цінність злакових, бобових та горіхів.
Існує й інші потенційно токсичні речовини, дію яких можна послабити чи нейтралізувати ферментацією. Серед них – нітрити, синильна кислота, щавлева кислота, нітрозаміни, лектини та глюкозиди.
Ферментація як дозволяє розщепити «рослинні» токсини, результатом цього є й нові поживні речовини.
Так, у процесі свого життєвого циклу,бактерії заквасок виробляють вітаміни групи В, включаючи фолієву кислоту (В9), рибофлавін (В2), ніацин (В3), тіамін (В1) та біотин (В7, Н). Також ферментам часто приписують вироблення вітаміну В12, який відсутній у продуктах рослинного походження. Однак не всі згодні з цією точкою зору. Існує версія, що речовина, яка міститься в ферментованій сої та овочах насправді лише схожа за деякими ознаками на вітамін В12, проте вона не має її активних властивостей. Цю речовину називають «псевдовітамін» В12.
Деякі ферменти, що виникають у процесі ферментації,діють як антиоксиданти, тобто видаляють із клітин організму людини вільні радикали., які вважаються попередниками ракових клітин
Молочнокислі бактерії допомагають виробляти жирні кислоти Oмега-3, які життєво важливі для нормальної роботи клітинної мембрани клітин людського організму та імунної системи.
У процесі ферментації овочів виробляються ізотіоціанати та індол-3-карбінол. Вважається, що обидві ці речовини мають протионкологічнимивластивостями.
Продавці «натуральних харчових добавок» часто "пишаються" тим, що "в процесі їх культивації виробляється велика кількість корисних натуральних речовин". Таких як, наприклад, супероксид-дисмутаза, або GTF-хром (різновид хрому, який легше засвоюється організмом людини та сприяє підтримці нормальної концентрації глюкози в крові), або детоксикуючі сполуки: глутатіон, фосфоліпіди, травні ензими та бета 1,3 глюкани. Чесно кажучи, я просто (слова автора книги) втрачаю інтерес до розмови, коли чую такі псевдонаукові факти. Зрозуміти, наскільки корисний продукт, можна і без молекулярного аналізу.
Довіряйте своїм інстинктам та смаковим рецепторам. Прислухайтеся до свого організму: як ви почуваєтеся після вживання того чи іншого продукту. Поцікавтеся, що говорить наука з цього приводу. Результати досліджень підтверджують: ферментація підвищує поживну цінність продуктів.
Мабуть,Найбільша користь ферментованих продуктів полягає саме в самих бактеріях, які здійснюють процес ферментації. Їх також називають пробіотиками. Багато ферментованих продуктів містять компактні колонії мікроорганізмів: такі колонії включають безліч видів різних бактерій. Тільки зараз вчені починають розуміти, як колонії бактерій впливають на роботу нашої кишкової мікрофлори.Взаємодія мікроорганізмів, що містяться в ферментованих продуктах, з бактеріями нашої травної системи може покращити роботу травної та імунної систем, психологічні аспекти здоров'я та загальне самопочуття
Однак не всі ферментовані продукти залишаються живими до того моменту, коли потрапляють до нас на стіл. Деякі з них, через свою природу, не можуть містити живих бактерій. Хліб, наприклад, потрібно випікати при високій температурі і він не може бути джерелом прибіотиків (аспекти користі хліба інші, у цій статті ми їх не розглядаємо). І це призводить до загибелі всіх живих організмів, що містяться в ньому.
Ферментовані продукти не вимагають такого способу приготування, їх рекомендується вживати, коли вони ще містять живі бактерії, тобто без термообробки (у нашій російській дійсності - квашені капуста, огірки: мочена брусниця, яблука, сливи; різні види живого квасу; напій; непастеризовані живі виноградні вина, молочні непастеризовані кисломолочні продукти короткого терміну зберігання: кефір, ряжанка, ацидофілін, тан, мацоні, кумис; фермерські сири та ін., прим. І саме у такому вигляді ферментовані продукти найкорисніші.
Квашена капуста, мочені яблука:
Уважно читайте етикетки. Пам'ятайте, багато ферментованих продуктів, які продаються в магазинах, піддаються пастеризації або іншій термічній обробці. Це дозволяє продовжити термін придатності, але вбиває мікроорганізми. На етикетці ферментованих продуктів часто можна побачити фразу "містить живі культури". Цей напис свідчить про те, що в кінцевому продукті ще живі бактерії.
На жаль, ми живемо в той час, коли в магазинах здебільшого продаються напівфабрикати, розраховані на масового споживача, і живі бактерії в таких продуктах важко знайти. Якщо ви хочете бачити на своєму столі дійсно «живі» ферментовані продукти, вам доведеться добре їх пошукати або приготувати самостійно.
«Живі» фементовані продукти корисні здоров'ю травної системи. Тому вони ефективні для лікування діареї та дизентерії. Продукти, що містять живі бактерії, допомагають боротися з дитячою смертністю у дитячому віці.
У Танзанії було проведено дослідження, під час якого вивчався рівень смертності немовлят. Вчені спостерігали за немовлятами, яких годували різними сумішами після відлучення від грудей. Одних дітей годували кашею із ферментованих злаків, інших – із звичайних.
У немовлят, яких годували ферментованою кашею, було відзначено вдвічі менше випадків діареї порівняно з тими, хто їв кашу ферментацію, що не пройшла. Причина в тому, що молочнокисле бродіння пригнічує ріст бактерії, що викликає діарею.
Згідно з результатами іншого дослідження, опублікованого в журналі «Нутрішн» ( Nutrition),багата мікрофлора кишечника дозволяє запобігти розвитку хвороб травного тракту. Молочнокислі бактерії «борються з потенційними патогенами за приєднання до рецепторів клітин слизової оболонки кишківника». Таким чином, лікувати хвороби можна за допомогою «екоімуноживлення».
Саме слово, звичайно, не так просто вимовити. Але мені все одно подобається термін «екоімуноживлення». Він має на увазі, що імунна система та бактеріальна мікрофлора організму функціонують як єдине ціле.
Бактеріальна екосистема складається з колоній різних мікроорганізмів. І таку систему можна створити та підтримувати за допомогою певного раціону харчування. Вживання продуктів із високим вмістом живих бактерій - один із способів побудови бактеріальної екосистеми в організмі.
Мочена брусниця, сливи:Чайний гриб:
Згадана книга була удостоєна кількох нагород. Крім неї у бібліографії Катца:
The Big Book of Kombucha («Велика Книга Комбучі»)
The Wild Wisdom of Weeds («Мудрість диких трав»)
Art Natural Cheese Making («Мистецтво натурального сироробства»)
"Революцію не приготують у мікрохвильовій печі: внутрішній погляд на підпільні гастро-течі сучасної Америки").
Посилання на книгу в Амазоні: https://www.amazon.com/gp/product/B01KYI04CG/ref=kinw_myk_ro_title
________________________________________ _________
Ферментований продукт харчування темпі - корисні властивості та застосування
Темпі (англ. Tempeh) - ферментований продукт харчування, що готується із соєвих бобів.
Приготування
Темпе популярний в Індонезії та інших країнах південно-східної Азії. Процес приготування в темпі схожий з процесом ферментації сирів. Темпе виготовляється з цілих соєвих бобів. Соєві боби розм'якшуються, потім розкриваються або очищаються від лушпиння та варяться, але не до готовності. Потім додається окислювач (зазвичай оцет) і закваска, що містить корисні бактерії. Під дією цих бактерій виходить ферментований продукт, що має складний запах, який порівнюють з горіховим, м'ясним або грибним, а за смаком нагадує курча.
При низькій температурі або підвищеній вентиляції на темпі іноді з'являються суперечки у вигляді нешкідливих сірих або чорних плям. Це нормальне явище, що не впливає на смак та запах продукту. Готовий якісний темп має легкий запах аміаку, проте цей запах не повинен бути дуже сильним.
Зазвичай темпі випускається в брикетах товщиною близько 1,5 см. Темпі відноситься до категорії продуктів, що швидко псуються і не підлягає тривалому зберіганню, тому його складно зустріти за межами Азії.
Кориснівластивості та застосування
В Індонезії та Шрі-Ланці темпі використовують як основний продукт харчування. Темпе багатий на білок. Завдяки ферментації в процесі виготовлення білок з темпом легше перетравлюється і засвоюється організмом. Темпе - хороше джерело харчової клітковини, оскільки містить велику кількість харчових волокон, на відміну тофу, в якому волокна відсутні.
Найчастіше розрізаний на шматочки темпі обсмажують на олії з додаванням інших продуктів, соусів та спецій. Іноді темп попередньо замочується в маринаді або солоному соусі. Він легко готується: на приготування йде лише кілька хвилин. М'ясоподібна структура дозволяє використовувати темп замість м'яса в гамбургерах або замість курчати в салаті.
Готовий темп подається з гарніром, у супах, у тушкованих або смажених стравах, а також як самостійна страва. Через низьку калорійність темпі використовують як дієтичну та вегетаріанську страву.
склад
Темпе містить низку корисних мікроорганізмів, типових для ферментованих продуктів, які пригнічують хвороботворні бактерії. Більше того, в ньому містяться фітати, які вступають у зв'язок із радіоактивними елементами та виводять їх з організму. Темпі, як і всі соєві продукти дуже багатий на білок і харчову клітковину. У грибковій культурі, що використовується в процесі виробництва темпі, містяться бактерії, що виробляють вітамін B12, який пригнічує поглинання радіоактивного кобальту.
Цікавий факт
Темпі, як і інші вироби із сої, погано поєднуються з усіма білковими продуктами тваринного походження та тваринними жирами, але добре поєднуються з рибою та морепродуктами. Не варто їсти соєві продукти та разом з іншими бобовими.
Калорійність темпі
Калорійність темпі - від 90 до 150ккал 100 г продукту в залежності від способу приготування.
Приходячи в магазин або заходячи на ряд тематичних сайтів, Вам, напевно, доводилося стикатися з поняттями сильноферментований, напівферментований та іншими похідними слова «ферментований». Умовне розподіл усіх чаїв за «ступенем ферментації» є визнаним і начебто не обговорюваним. Що тут незрозумілого. Зелений – неферментований, червоний сильно, постферментований пуер. Але ж ви хочете копнути глибше?Запитайте наступного разу у консультанта, як він розуміє постферментований чай. І спостерігайте.
Ви вже розумієте каверзу. Пояснити це слово не можна. Постферментований - штучне слівце, єдиною метою якого є зробити маневр і поставити пуер в умовну систему поділу чаїв «за ступенем ферментації».
Ферментативне окиснення
Проблема подібної плутанини пов'язана з тим, що відбувається заміщення поняття. процеси окислення» на « ферментація». Ні, ферментація теж має місце, але коли – у цьому належить розібратися. А поки що про окислення.
Що ми знаємо про кисень?
Справа свіжий зріз яблука. Зліва – після окислення повітря.
У контексті матеріалу слід відзначити високу хімічну активність елемента, а саме окислювальну здатність. Кожен уявляє собі, як з часом зріз яблука чи банана чорніє. Що відбувається? Ви розрізаєте яблуко, порушуєте там цілісність клітинних оболонок. Виділяється сік. Речовини в соку взаємодіють з киснем і провокують перебіг окисно-відновної реакції. З'являються продукти реакції, яких раніше не було. Наприклад, для яблука це оксид заліза Fe 2 O 3 має бурий колір. і саме він відповідає за потемніння.
Що ми знаємо про чай?
Для більшості чаїв у технологічному процесі є етап зминання, мета якого зруйнувати клітинну оболонку (див. статтю про). Якщо провести паралелі з яблуком, речовини у соку взаємодіють із киснем із повітря. Але важливо відзначити, що окисно-відновна реакція не єдина. Чай – органічний продукт. У будь-якій живій системі є спеціальні сполуки ензими, вони ж ферменти, що прискорюють хімічні реакції. Як Ви здогадуєтеся, вони не «стоять осторонь», а беруть активну участь. Виходить цілий ланцюжок хімічних перетворень, коли продукти однієї реакції зазнають подальших хімічних перетворень. І так кілька разів. Такий процес називається ферментативним окисненням.
Важливість кисню у процесі можна зрозуміти з прикладу виробництва червоного чаю (повністю окисленого, чи, як його ще називають, «повністю ферментованого чаю»). Для підтримки постійного рівня кисню у приміщенні, де виготовляється червоний чай, потрібно забезпечити зміну повітря до 20 разів на годинуПри цьому робити це стерильно. Кисень – це основа у цьому випадку.
Пуер та ферментація у чистому вигляді
Знову запитаємо себе: «А що ми знаємо про пуер?» Як він виготовляється? Подивіться на знімки нижче. Так, це майбутній Шу Пуер, і саме так він робиться.
«Водуй» – процес штучного старіння пуера. Фабрика Джінг.
Що ми бачимо? Закрите приміщення, величезну купу чаю на кілька тонн, накриту щільною мішковиною, термометр з позначкою 38 градусів за Цельсієм. Що не бачимо? Позначку вологості у цьому приміщенні. Повірте – вона там зашкалює. Як Ви думаєте, чи проникає кисень під мішковину в надра скиртової купи? Чи можна говорити про окиснення? Відповідь напрошується сама собою. Звичайно, ні! Тоді що відбувається з чаєм у таких умовах?
Пуер як продукт життєдіяльності мікроорганізмів
Ви колись були в підвалах багатоквартирних будинків старого фонду? Швидше за все, ні, але уявляєте, що можна очікувати. Духота та вогкість. По стінах поширюється грибок, а повітря літають колонії бактерій і мікроорганізмів. Для них висока температура і вологість - ідеальне місце проживання і розмноження. Повернемося до скиртових куп пуерної сировини - все ті ж ідеальні умови. Наявність бактерій – обов'язкова умова під час виробництва як шу, і шен пуера. Ферменти мікроорганізмів впливають перетворення на чаї. Таким чином, хімічні реакції при приготуванні пуеру протікають під впливом як зовнішніх, так і внутрішніх (від самого чаю) ферментів. А ось реакції окиснення практично виключені. Це і є у чистому вигляді процес ферментації.
Основні висновки:
- Ферментація у чистому вигляді протікає лише у пуері. У решті чаїв ферментативне окислення. У червоних та улунських цей процес бажаний. У решті небажаний та максимально швидко зупиняється шляхом термічної обробки.
- Умовне розподіл чаїв «за рівнем ферментації» не зовсім правильне.
- При виробництві улунського та червоного чаю найбільше значення має наявність кисню у повітрі підтримки реакції окислення, стерильність середовища.
- При виробництві пуера найбільше значення мають вміст мікроорганізмів у чайній сировині, вологість та температура для підвищеної їхньої життєдіяльності.
- Пост-ферментований чай – штучне поняття, покликане вписати пуер у систему розподілу чаїв за рівнем ферментації, але з адекватного фізичного сенсу.
Біополімери
Загальні відомості
Існує два основних типи біополімерів: полімери, що походять з живих організмів, та полімери, що походять з відновлюваних ресурсів, але потребують полімеризації. Обидва типи використовують для виробництва біопластиків. Біополімери, присутні в живих організмах, або створювані ними, містять вуглеводні та протеїни (білки). Вони можуть застосовуватися у виробництві пластмас для комерційних цілей. Як приклади можна навести:
Біополімери, що існують/створюються в живих організмах
Біополімер | Природне джерело | Характеристика |
Поліефіри | Бактерії | Такі поліефіри виходять шляхом природних хімічних реакцій, які виробляють певні види бактерій. |
Крохмаль | Зерно, картопля, пшениця та ін. | Такий полімер - один із способів зберігання вуглеводнів у рослинних тканинах. Він складається із глюкози. У тканинах тварин він відсутній. |
Целюлоза | Деревина, бавовна, зерно, пшениця та ін. | Цей полімер складається із глюкози. Він є основним компонентом клітинної оболонки. |
Соєвий білок | Соєві боби | Протеїн, що міститься у соєвих рослинах. |
Молекули з відновлюваних природних ресурсів можуть бути полімеризовані для використання під час виробництва біорозкладних пластиків.
їсть природні джерела, полімеризовані в пластмаси
Біополімер | Природне джерело | Характеристика |
Молочна кислота | Буряк, зерно, картопля та ін. | Виробляється шляхом ферментації вихідних продуктів, що містять цукор, наприклад, буряків, та переробки крохмалю зернових культур, картоплі або інших джерел крохмалю. Полімеризується для отримання полімолочної кислоти, полімеру, який застосовується у виробництві пластмас. |
Тригліцериди | Рослинні олії | Формують більшість ліпідів, що входять до складу всіх рослинних та тваринних клітин. Рослинні олії - одне з можливих джерел тригліцеридів, які можуть бути полімеризовані у пластики. |
Для виробництва пластмасових матеріалів із рослин застосовуються два методи. Перший метод заснований на ферментації, а другий використовує для виробництва пластику саму рослину.
Ферментація
Процес ферментації задіює мікроорганізми для розкладання органічних речовин без кисню. Сучасні загальноприйняті процеси використовують мікроорганізми, створені методами генетичної інженерії, спеціально призначені для умов, за яких відбувається ферментація, та речовина, що розкладається мікроорганізмом. В даний час для створення біополімерів та біопластиків існує два підходи:
- Бактеріальна поліефірна ферментація: У ферментації задіяні бактерії ralstonia eutropha, які використовують цукор зібраних рослин, наприклад, зерна, для живлення власних клітинних процесів. Побічним продуктом таких процесів є поліефірний біополімер, що згодом витягується з бактеріальних клітин.
- Ферментація молочної кислоти: Молочна кислота виходить шляхом ферментації з цукру, багато в чому схожим з процесом, що застосовується для прямого виробництва поліефірних полімерів за участю бактерій. Однак у процесі ферментації побічним продуктом є молочна кислота, яка потім обробляється традиційним способом полімеризації для виготовлення полімолочної кислоти (PLA).
Пластики із рослин
Рослини мають великий потенціал, щоб стати фабриками з виробництва пластмас. Цей потенціал можна максимально реалізувати геномікою. Отримані гени можна вводити у зерно, застосовуючи технології, що дозволяють розробляти нові пластикові матеріали з унікальними властивостями. Така генна інженерія дала вченим можливість створити рослину Arabidopsis thaliana. Воно містить ферменти, які використовують для виробництва пластиків. Бактерія створює пластик шляхом перетворення сонячного світла на енергію. Вчені перенесли ген, що кодує цей фермент, у рослину, забезпечивши можливість виробництва пластику в клітинних процесах цієї рослини. Після збирання врожаю пластик виділяється із рослини за допомогою розчинника. Отримана в результаті цього процесу рідина піддається дистиляції відділення розчинника від отриманого пластику.
Ринок біополімерів
Скорочення розриву між синтетичними полімерами та біополімерами
Близько 99% всіх пластмас виробляється або виходить з основних невідновлюваних джерел енергії, включаючи природний газ, нафту, сиру нафту, вугілля, які використовуються у виробництві пластиків і як вихідні матеріали, і як джерело енергії. У якийсь період сільськогосподарські матеріали вважалися альтернативною вихідною сировиною для виробництва пластмас, але вже понад десять років вони не виправдовують очікувань розробників. Основною перешкодою для використання пластиків, виготовлених на основі сільськогосподарської сировини, стала їхня собівартість та обмежені функціональні можливості (чутливість продуктів з крохмалю до вологи, ламкість поліоксибутирату), а також недостатня гнучкість при виробництві спеціалізованих пластикових матеріалів.
Прогнозовані емісії CO2
Сукупність різних факторів, зліт цін на нафту, підвищення інтересу у всьому світі до відновлюваних ресурсів, зростання занепокоєння у зв'язку з викидами парникових газів, особливу увагу до утилізації відходів відродили зацікавленість у біополімерах та ефективних способах їх виробництва. Нові технології вирощування та переробки рослин дозволяють скоротити різницю у вартості між біопластиками та синтетичними пластмасами, а також удосконалити властивості матеріалів (наприклад, Biomer веде розробку видів PHB (полігідрокібутират) з підвищеною міцністю розплаву для плівки, одержуваної екструзією). Зростання занепокоєння екологічними проблемами та стимулювання на законодавчому рівні, зокрема, на території Євросоюзу, порушили інтерес до біорозкладних пластиків. Реалізація принципів Кіотського протоколу також змушує звернути особливу увагу на порівняльну ефективність біополімерів та синтетичних матеріалів з погляду енерговитрат та викидів CO2. (Відповідно до Кіотського протоколу Європейське Співтовариство зобов'язується за період 2008-2012 рр. знизити надходження парникових газів в атмосферу порівняно з рівнем 1990 р. на 8%, а Японія зобов'язується скоротити такі викиди на 6%).
За приблизними підрахунками пластики на основі крохмалю можуть заощадити від 0,8 до 3,2 тонн CO2 на тонну в порівнянні з тонною пластмасою, отриманою з органічного палива, при цьому даний діапазон відображає частку кополімерів на основі нафти, що використовуються в пластиках. Щодо альтернативних пластиків на основі масляних зерен економія викидів парникових газів в еквіваленті CO2 оцінюється у розмірі 1,5 тонни на тонну поліолу, виготовленого з ріпакової олії.
Світовий ринок біолілімерів
Упродовж наступних десяти років очікується продовження швидкого зростання глобального ринку пластикових матеріалів, що спостерігається протягом останніх п'ятдесяти років. За прогнозами, сьогоднішнє споживання пластмас на душу населення у світі збільшиться з 24,5 кг до 37 кг у 2010 р. Таке зростання визначається насамперед США, країнами Західної Європи та Японією, проте очікується активна участь країн Південно-Східної та Східної. Азії та Індії, які протягом зазначеного періоду мають становити близько 40% світового ринку споживання пластмас. Також очікується збільшення світового споживання пластмас із 180 мільйонів тонн сьогодні до 258 мільйонів тонн у 2010 році, при цьому суттєвий розвиток отримають усі категорії полімерів, оскільки пластики продовжують витісняти традиційні матеріали, включаючи сталь, дерево та скло. За деякими експертними оцінками за цей період біопластикам вдасться міцно зайняти від 1,5% до 4,8% загального ринку пластмас, що в кількісному відношенні становитиме від 4 до 12,5 мільйонів тонн залежно від технологічного рівня розробок та досліджень у галузі нових біопластикових. полімерів. На думку керівництва компанії Toyota, до 2020 року п'ята частина світового ринку пластмас буде зайнята біопластиками, що еквівалентно 30 мільйонам тонн.
Маркетингові стратегії біополімерів
Розробка, уточнення та застосування ефективної маркетингової стратегії є найважливішим етапом для будь-якої компанії, яка планує вкладення значних коштів у біополімери. Незважаючи на гарантований розвиток та зростання біополімерної промисловості, існують певні фактори, які не можна не враховувати. Наступні питання визначають маркетингові стратегії біополімерів, їх виробництва та науково-дослідної діяльності у цій галузі:
- вибір сегменту ринку (упаковка, сільське господарство, автомобільна промисловість, будівництво, цільові ринки). Удосконалені технології обробки біополімерів забезпечують ефективніше управління макромолекулярними структурами, що дозволяє новим поколінням «споживчих» полімерів конкурувати з більш дорогими «спеціалізованими» полімерами. Крім того, за наявності нових каталізаторів та вдосконаленої системи управління процесом полімеризації з'являється нове покоління спеціалізованих полімерів, створених для функціональних та структурних цілей та генеруючих нові ринки. Прикладами можуть стати біомедичні види застосування імплантатів у стоматології та хірургії, які швидко збільшують темпи свого розвитку.
- Базові технології: технології ферментації, рослинництво, молекулярна наука, виробництво сировини для вихідних матеріалів, джерел енергії або того й іншого, використання генетично змінених чи незмінених організмів у процесі ферментації та виробництва біомаси.
- Рівень підтримки з боку державної політики та законодавчого середовища в цілому: перероблені пластики до певної міри складають конкуренцію біорозкладним полімерам. Урядові постанови та законодавчі акти, що стосуються навколишнього середовища та переробки відходів, можуть вплинути на збільшення продажів пластиків для різних полімерів. Виконання зобов'язань Кіотського протоколу, можливо, підвищить попит на певні матеріали на біологічній основі.
- Розвиток ланцюга поставок у фрагментованій індустрії біополімерів та комерційний ефект від економії за рахунок масштабу порівняно з удосконаленням властивостей продукції, за якого вона може бути реалізована за підвищеними цінами.
Біорозкладні полімери та полімери на основі, що не містить нафти
Пластмаси з низьким рівнем впливу на довкілля
На ринку існує три групи біорозкладних полімерів. Це PHA (фітогемагглютинін) або PHB, полілактиди (PLA) та полімери на основі крохмалю. Іншими матеріалами, що мають комерційне застосування в галузі біорозкладних пластиків, є лігнін, целюлоза, полівініловий алкоголь, полі-е-капролактон. Існує чимало виробників, що випускають суміші біорозкладних матеріалів або для поліпшення властивостей цих матеріалів або для скорочення виробничих витрат.
Для вдосконалення технологічних параметрів і підвищення ударної в'язкості PHB та його кополімери змішуються з цілим рядом полімерів з різними характеристиками: біорозкладаються або нерозкладаються, аморфними або кристалічними з різною температурою розплаву і скловання. Суміші також використовуються для покращення властивостей PLA. Звичайні PLA багато в чому поводяться так само, як полістироли, виявляючи ламкість та низьке подовження на розрив. Але, наприклад, добавка 10-15% Eastar Bio, біорозкладного нафтопродукту на основі поліестеру виробництва компанії Novamont (у минулому, Eastman Chemical), значно підвищує в'язкість і, відповідно, модуль пружності при згинанні, а також ударну в'язкість. Для поліпшення біорозкладності при одночасному зниженні собівартості та збереженні ресурсів можливе змішування полімерних матеріалів із природними продуктами, наприклад, крохмалями. Крохмаль являє собою напівкристалічний полімер, що складається з амілази та амілопектину з різними коефіцієнтами залежно від рослинної сировини. Крохмаль розчиняється у воді, а використання агентів, що покращують сумісність, може мати важливе значення для успішного змішування цього матеріалу з гідрофобними полімерами, несумісними за інших умов.
Порівняння властивостей біопластиків із традиційними пластиками
Порівняння PLA та пластиків на основі крохмалю з традиційними пластиками на основі нафтопродуктів |
||||||
Властивості (одиниці) | LDPE | PP | PLA | PLA | Крохмальна основа | Крохмальна основа |
Питома вага (г/см 2) | <0.920 | 0.910 | 1.25 | 1.21 | 1.33 | 1.12 |
Міцність при розтягуванні (МПа) | 10 | 30 | 53 | 48 | 26 | 30 |
Межа плинності при розтягуванні (МПа) | - | 30 | 60 | - | 12 | |
Модуль пружності при розтягуванні (ГПа) | 0.32 | 1.51 | 3.5 | - | 2.1-2.5 | 0.371 |
Подовження при розтягуванні (%) | 400 | 150 | 6.0 | 2.5 | 27 | 886 |
Міцність по Ізоду з надрізом (Дж/м) | No break | 4 | 0.33 | 0.16 | - | - |
Модуль при згинанні (ГПа) | 0.2 | 1.5 | 3.8 | 1.7 | 0.18 |
Властивості PHB у порівнянні з традиційними пластиками
Властивості Biomer PHB у порівнянні з PP, PS та PE |
|||
Міцність при розтягуванні | Подовження на розрив 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 |
З точки зору порівняльної вартості існуючі пластики на нафтовій основі є менш дорогими, ніж біопластики. Наприклад, ціна на промислові та медичні сорти поліетилену високої щільності (ПЕВП - HDPE), що також застосовується при виробництві упаковки та споживчих товарів, варіюється від 0,65 до 0,75 доларів за фунт. Ціна на поліетилен низької щільності (ПЕНП – LDPE) становить 0,75-0,85 доларів за фунт. Полістироли (PS) коштують від 0,65 до 0,85 доларів за фунт, поліпропілени (PP), в середньому - 0,75-0,95 доларів за фунт, а поліетилентерефталати (PET) - від 0,90 до 1, 25 доларів за фунт. Порівняно з ними, полілактидні пластики (PLA) коштують у межах 1,75-3,75 доларів за фунт, полікапролактони (PCL), отримані з крохмалю - 2,75-3,50 доларів за фунт, поліоксибутирати (PHB) - 4,75-7,50 доларів за фунт. В даний час, враховуючи порівняльні загальні ціни, біопластики дорожчі за традиційні поширені пластикові на основі нафти в 2,5 - 7,5 рази. Однак ще п'ять років тому їхня вартість у 35-100 разів перевищувала існуючі невідновлювані еквіваленти на основі органічного палива.
Полілактиди (PLA)
PLA являє собою біорозкладний термопластик, отриманий із молочної кислоти. Він має водостійкість, але не може переносити високих температур (>55°C). Оскільки він не розчиняється у воді, мікроби в морському середовищі можуть розкладати його на CO2 і воду. Пластик має схожість з чистим полістиролом, має гарні естетичні якості (глянець і прозорість), але є занадто жорстким і крихким і потребує модифікації для більшості практичних застосувань (тобто його еластичність збільшується пластифікаторами). Як і більшість термопластів, його можна переробляти на волокна, плівки, виготовлені гарячим формуванням або литтям під тиском.
Структура полілактиду
У процесі виробництва зерно зазвичай спочатку перемелюється для отримання крохмалю. Потім шляхом переробки крохмалю одержують неочищену декстрозу, яка при ферментації перетворюється на молочну кислоту. Молочна кислота згущується для лактиду, циклічного проміжного димера, який застосовується як мономер для біополімерів. Лактид проходить очищення шляхом вакуумної дистиляції. Після цього в процесі розплаву без розчинника відкривається кільцева структура для полімеризації - таким чином виходить полімер полімолочної кислоти.
Модуль пружності при розтягуванні
Міцність по Ізоду з надрізом
Модуль при згинанні
Подовження при розтягуванні
Компанія NatureWorks, дочірнє підприємство Cargill, найбільшої приватної компанії в США, виробляє полілактидний полімер (PLA) із відновлюваних ресурсів із використанням власної технології. В результаті 10 років досліджень і розробок на базі компанії NatureWorks та 750 мільйонної інвестиції, в 2002 році було створено спільне підприємство Cargill Dow (тепер дочірнє підприємство NatureWorks LLC, що повністю належить компанії Cargill) з річною продуктивністю 140 000 тонн. Полілактиди, отримані із зерна та реалізовані під торговою маркою NatureWorks PLA та Ingeo, в основному знаходять своє застосування в термоупаковці, екструдованих плівках та волокнах. Компанія також розробляє технічні можливості виробництва продукції ливарним пресуванням.
Ємність для компосту з PLA
PLA, як і PET, вимагає просушування. Технологія обробки аналогічна LDPE. Рецикляти можна піддавати повторної полімеризації або розмелювати і повторно використовувати. Матеріал піддається повному біохімічному розпаду. Спочатку цей матеріал також використовується для формування роздувом. Подібно до PET, пластик на основі зерна дозволяє виробляти цілий ряд різноманітних і складних форм пляшок всіх розмірів і використовується компанією Biota для формування з роздувом і витяжкою пляшок для розливу джерельної води вищої якості. Одношарові пляшки з NatureWorks PLA формуються на тому ж обладнанні лиття під тиском/орієнтованого формування роздувом, яке використовується для PET без втрати продуктивності. Хоча бар'єрна ефективність NatureWorks PLA нижча, ніж у PET, він може конкурувати з поліпропіленом. Більше того, компанія SIG Corpoplast в даний час здійснює розробки з використання своєї технології покриттів "Plasmax" для таких альтернативних матеріалів з метою підвищення її бар'єрної ефективності та, отже, розширення сфери її застосування. Матеріалам NatureWorks не вистачає теплостійкості, властивої стандартним пластмасам. Вони починають втрачати форму вже при температурі близько 40°C, але постачальнику вдається досягати значних успіхів у створенні нових марок, які мають термостійкість пластмас на основі нафти, і, таким чином, отримують нові можливості застосування в упаковках для гарячих продуктів та напоях, що продаються на винос, або продуктів, що розігріваються в мікрохвильовій печі.
Пластики, що знижують нафтову залежність
Підвищена зацікавленість зниження залежності полімерного виробництва від нафтових ресурсів також сприяє розробці нових полімерів або складів. З урахуванням наростаючої необхідності зниження залежності від нафтопродуктів особлива увага приділяється значущості максимізації використання поновлюваних ресурсів як джерело сировини. Показовим прикладом є використання соєвих бобів для виробництва поліолу на біооснові Soyol як основна сировина для поліуретану.
Щороку пластмасова промисловість використовує кілька мільярдів фунтів наповнювачів та підсилювачів. Удосконалена технологія складів та нові сполучні агенти, що дозволяють підвищувати рівень завантаження волокон та наповнювачів, сприяють розширенню застосування таких добавок. Найближчим часом рівень завантаження волокна, що становить 75 частин на сто, може стати поширеною практикою. Це вплине на скорочення використання пластиків на основі нафти. Нова технологія високонаповнених композитів демонструє деякі цікаві властивості. Дослідження композиту 85% кенаф-термопластик показали, що його властивості, наприклад, модуль пружності при згинанні та міцність, перевершують більшість типів деревних частинок, ДСП низької та середньої щільності, а також може в деяких застосуваннях конкурувати навіть з орієнтовано-стружковими плитами.