Кіріспе
Бір-бірімен байланысты биохимиялық реакциялар сериясы Сүт қышқылы ферментациясы – глюкоза немесе басқа алты көміртекті қанттар (сондай-ақ, алты көміртекті қанттардың дисахаридтері, мысалы, сахароза немесе лактоза) жасушалық энергияға және лактат метаболитіне, яғни ерітіндідегі сүт қышқылына айналатын метаболикалық процесс. Бұл кейбір бактериялар мен жануарлар жасушаларында, мысалы, бұлшық жасушаларында кездесетін анаэробты ферментация реакциясы. Егер жасушада оттегі болса, көптеген организмдер ферментацияны айналып өтіп, жасушалық тыныс алуға көшеді; алайда, факультативті анаэробты организмдер оттегі бар жерде де ферментацияланып, тыныс алады. Бұл химиялық процесс Пастердің жұмысынан бұрын дұрыс сипатталмаған болса да, адамдар азық-түлік өндірісі үшін микробиалды сүт қышқылы ферментациясын одан да ертерек пайдаланған. Археологиялық қазбалардың химиялық талдауы сүтті ашытудың тарихи кезеңге дейінгі уақытқа қарайтынын көрсетеді; алғашқы қолданылуы, мүмкін, неолиттік революцияның бір бөлігі болған. Сүт табиғи түрде сүт қышқылы бактерияларын қамтитындықтан, ашыту процесінің ашылуы өте айқын болды, себебі ол жеткілікті температурада өздігінен жүреді. Алғашқы фермерлердің мәселесі – ересектердің жаңа сүтті сіңіруі қиын болды, сондықтан олар осы механизмді ашуға қызығушылық танытты. Шындығында, сүт қышқылы бактерияларында лактозаны қорытуға қажетті ферменттер бар, және олардың саны ашыту кезінде күрт көбейеді. Сондықтан, тіпті қысқа уақытқа ашытылған сүтте де лактоза молекулаларын қорытуға жеткілікті ферменттер болады, бұл сүт адам организміне енгеннен кейін ересектерге оны тұтынуға мүмкіндік береді. Ал ұзақ ашыту, [ірімшік жасау] үшін қолданылатын, одан да қауіпсіз. Бұл процесс де өте ерте кезде ашылған, оны клинопись жазуларындағы, ең алғашқы жазба құжаттардағы, және кейінірек Вавилон мен Мысыр мәтіндеріндегі ірімшік өндіру рецепттері дәлелдейді. Қызықтысы, ферменттелген сүт өнімдерінің бәсекелестік артықшылығы туралы теория бар. Бұл теорияның мәні – алғашқы қоныс аударушы шаруалардың әйелдері сүт тұтыну арқылы лактозаны қосымша сіңірудің есебінен екі бала арасындағы уақытты қысқарта алған. Бұл фактор оларға аңшы-жинаушылар қоғамымен бәсекелесуде маңызды артықшылық берген болуы мүмкін. Сүт өнімдерін тұтынудың артуымен бұл қоғамдар эпигенетикалық тұқым қуалау арқылы лактаза тұрақтылығын дамытты, яғни сүтті қорытатын лактаза ферменті олардың денелерінде өмір бойы сақталды, сондықтан олар ересектерде де ашытпаған сүт іше алды. Алғашқы қоныс аударушы қоғамдардағы лактоза тұтынуға ерте дағдылану осы мутацияның аймақтық таралуында әлі де байқалады. Әлем халқының шамамен 65%-ы әлі де осы мутацияға ие емес. Бұл алғашқы қоғамдар Түркияның шығыс аймақтарынан Орталық Еуропаға келгендіктен, ген сол жерде және Солтүстік Америкада жиірек кездеседі, себебі оны еуропалықтар қоныстандырған. Осы мутацияның басымдығы батыс мәдениеттерінде лактозаға төзбеушілік сирек кездесетін жағдай деп есептелуіне себеп болады, бірақ шындығында ол мутациядан гөрі жиі кездеседі. Керісінше, Азия елдерінде лактозаға төзбеушілік көбірек таралған. Сүт өнімдері мен олардың ашытуы кейбір мәдениеттердің дамуына маңызды әсер еткен. Мысалы, Моңғолияда мал шаруашылығы кең таралған. Бұл мәдениеттерде өндірілетін және тұтылатын сүт негізінен бие сүті болып табылады және оның ұзақ тарихы бар. Бірақ сүттің әр бөлігінің немесе өнімінің мәні бірдей емес. Мысалы, жоғарыдағы майлы бөлік – "дееж" ең құнды бөлік ретінде қарастырылады және сондықтан көбінесе қонақтарды құрметтеу үшін қолданылады. Бие сүтінің ашыту өнімдері, мысалы, сәл спирттік йогурт – кумыс, өте маңызды және көбінесе дәстүрлі мағынаға ие. Бұл өнімдерді тұтыну мәдени мерекелерде, мысалы, моңғолдық жаңа жыл мерекесінде (көктемде) ең жоғары деңгейге жетеді. Бұл мереке "ақ ай" деп аталады, бұл сүт өнімдерінің (ет өнімдерімен салыстырғанда, "ақ тағам" деп аталатын, құрамында крахмал бар көкөністермен бірге "қара тағам" деп аталатын) осы дәстүрдің орталық бөлігі екенін көрсетеді. Бұл мерекелердің мақсаты – өткен жылды "жабу" – үйді немесе киіз үйді тазалау, тамақ берген жануарларды құрметтеу және алдағы жазғы маусымға дайындық – жаңа жылды "ашуға" дайын болу. Бұл мерекелік контексте ақ тағамды тұтыну – өткенмен және ұлттық бірегейлікпен байланысудың жолы, яғни Шыңғыс хан бейнелеген Моңғол империясы. Осы империя кезінде ашытылған бие сүті батырлар мен басшыларды құрметтеу және оларға алғыс айту үшін қолданылатын сусын болды, ол барлығына арналмаған. Бірақ ол ақырында қалыпты адамдарға да қол жетімді болды, бірақ оның құрметті мәнін сақтап қалды. Көптеген басқа дәстүрлер сияқты, бұл дәстүр де жаһанданудың әсерін сезінуде. Басқа өнімдер, мысалы, Қытай мен батыс елдерінен келген өнеркәсіптік йогурт, оны, әсіресе қалалық аймақтарда, көбірек ауыстыруда. Алайда, ауылдық және кедей аймақтарда оның маңызы әлі де зор.
Lactic acid fermentation is a metabolic process by which glucose or other six carbon sugars (also, disaccharides of six carbon sugars, e. g. sucrose or lactose) are converted into cellular energy and the metabolite lactate, which is lactic acid in solution. It is an anaerobic fermentation reaction that occurs in some bacteria and animal cells, such as muscle cells. If oxygen is present in the cell, many organisms will bypass fermentation and undergo cellular respiration; however, facultative anaerobic organisms will both ferment and undergo respiration in the presence of oxygen. Although this chemical process had not been properly described before Pasteur's work, people had been using microbial lactic acid fermentation for food production much earlier. Chemical analysis of archeological finds show that milk fermentation uses predate the historical period; its first applications were probably a part of the Neolithic Revolution. Since milk naturally contains lactic acid bacteria, the discovery of the fermentation process was quite evident, since it happens spontaneously at an adequate temperature. The problem of these first farmers was that fresh milk is nearly indigestible by adults, so they had an interest to discover this mechanism. In fact, lactic acid bacteria contain the needed enzymes to digest lactose, and their populations multiply strongly during the fermentation. Therefore, milk fermented even a short time contains enough enzymes to digest the lactose molecules, after the milk is in the human body, which allows adults to consume it. Even safer was a longer fermentation, which was practiced for [cheesemaking]. This process was also discovered a very long time ago, which is proven by recipes for cheese production on Cuneiform scripts, the first written documents that exist, and a bit later in Babylonian and Egyptian texts. What is interesting is the theory of the competitive advantage of fermented milk products. The idea of this theory is that the women of these first settled farmer clans could shorten the time between two children thanks to the additional lactose uptake from milk consumption. This factor may have given them an important advantage to out compete the hunter gatherer societies. With the increasing consumption of milk products these societies developed a lactase persistence by epigenetic inheritance, which means that the milk digesting enzyme lactase was present in their bodies during the whole lifetime, so they could drink unfermented milk as adults too. This early habituation to lactose consumption in the first settler societies can still be observed today in regional differences of this mutation's concentration. It is estimated that about 65% of world population still lacks it. Since these first societies came from regions around eastern Turkey to central Europe, the gene appears more frequently there and in North America, as it was settled by Europeans. It is because of the dominance of this mutation that Western cultures believe it is unusual to have a lactose intolerance, when it is in fact more common than the mutation. On the contrary, lactose intolerance is much more present in Asian countries. Milk products and their fermentation have had an important influence on some cultures’ development. This is the case in Mongolia, where people often practice a pastoral form of agriculture. The milk that they produce and consume in these cultures is mainly mare milk and has a long tradition. But not every part or product of the fresh milk has the same meaning. For instance, the fattier part on the top, the "deež", is seen as the most valuable part and is therefore often used to honor guests. Very important with often a traditional meaning as well are fermentation products of mare milk, like for example the slightly alcoholic yogurt kumis. Consumption of these peaks during cultural festivities such as the Mongolian lunar new year (in spring). The time of this celebration is called the "white month", which indicates that milk products (called "white food" together with starchy vegetables, in comparison to meat products, called "black food") are a central part of this tradition. The purpose of these festivities is to "close" the past year – clean the house or the yurt, honor the animals for having provided their food, and prepare everything for the coming summer season – to be ready to "open" the new year. Consuming white food in this festive context is a way to connect to the past and to a national identity, which is the Mongolian empire personified by Genghis Khan. During the time of this empire, the fermented mare milk was the drink to honor and thank warriors and leading persons, it was not meant for everybody. Although it eventually became a drink for normal people, it has kept its honorable meaning. Like many other traditions, this one feels the influence of globalization. Other products, like industrial yogurt, coming mainly from China and western countries, have tended to replace it more and more, mainly in urban areas. However, in rural and poorer regions it is still of great importance.
Лактозаны ашытатын бактериялардың негізгі тұқымдары
Лактозаны ферменттеуге қабілетті негізгі бактериялық штаммдардың кейбіреуі Escherichia, Citrobacter, Enterobacter және Klebsiella туыстарына жатады. Бұл төрт топтың барлығы Enterobacteriaceae отбасының құрамына кіреді. Бұл төрт туысты биохимиялық сынақтар арқылы бір-бірінен ажыратуға болады, ал қарапайым биологиялық сынақтар кеңінен қолжетімді. Толық геномдық секвенирлеуден басқа, H2S өндірісі, қозғалмалылық, цитратты пайдалану, индол, метил қызыл және Вог Проскауэр сынақтары сияқты әдеттегі сынақтар бар.
Қолданбалар
Көптеген елдерде сүт қышқылы астыру арқылы басқа тәсілдермен жасау мүмкін емес тағамдар өндіріледі. Сүт қышқылын астыратын бактериялардың ең маңызды коммерциялық туысы – Лактобацилл, алайда кейде басқа бактериялар және тіпті ашытқылар да қолданылады.
Кимчи
Кимчи де сүт қышқылы астауын пайдаланады.
Қымыз
Сүт қышқылы айналысы көкбас өндірісінде де қолданылады. Көкбас өндірісінде қолданылатын бактериялардың негізгі түрі Leuconostoc туысына жатады. Йогурттағы сияқты, сүт қышқылы айналысын тудыратын организмдердің әсерінен қышқылдық деңгейі көтерілгенде, көптеген басқа патогенді микроорганизмдер өлтіріледі. Бактериялар сүт қышқылын, сондай-ақ қарапайым спирттер мен басқа да көмірсутектерді өндіреді. Бұл заттар бірігіп, эфирлерді құрайды, олар көкбасқа тән ерекше дәмді қалыптастыруға көмектеседі.
Йогурт
Йогуртты өндірудің негізгі әдісі – сүтті зиянсыз бактериялармен сүт қышқылы астыру арқылы жасау. Көбінесе қолданылатын негізгі бактериялар Lactobacillus bulgaricus және Streptococcus thermophilus болып табылады, ал АҚШ және Еуропа заңнамасы барлық йогурттардың осы екі бактериялық культураны міндетті түрде қамтуын талап етеді (қосымша пробиотиктер де қосылуы мүмкін). Силаж астыру – қантты сүт қышқылы сияқты астыру өнімдеріне дейін тотықтыратын, оттегізсіз реакция.
Физиологиялық
Лактобациллалардың ферментациясы және оның ілесінде қышқылдың өндірілуі, патогенді организмдердің өсуіне қарсы қорғаныш қамтамасыз ететін вагинальді микробиомды құрайды.
Лактатты ферментация және бұлшық еттердегі қисаюлар
1990 жылдары сүт қышқылы гипотезасы адамдардағы қарқынды жаттығулар кезінде және одан кейін пайда болатын күйісу немесе бұлшық еттердің құрысуының себептерін түсіндіру үшін жасалды. Гипотеза бұлшық ет жасушаларындағы оттегінің жетіспеуінің нәтижесінде жасушалық тыныс алудың ферментацияға ауысатынын көрсетеді. Гликолизден алынған пируваттың ферментациясының қосалқы өнімі болып табылатын сүт қышқылы бұлшықеттерде жинақталып, күйісу сезімі мен құрысуға себеп болады. 2006 жылғы зерттеулер бұлшық еттердің құрысуының басты себебі ацидоз емес екенін көрсетті. Керісінше, құрысулар бұлшықеттердегі калийдің жетіспеуінен туындауы мүмкін, бұл жоғары стресс кезінде жиырылуға әкеледі. Шындығында, жануарлар ферментация кезінде сүт қышқылын өндірмейді. Әдебиетте «сүт қышқылы» термині жиі қолданылса да, жануарлар жасушаларында ферментацияның қосалқы өнімі лактат болып табылады. Сүт қышқылы гипотезасындағы тағы бір өзгеріс – натрий лактаты организмде болғанда, жаттығудан кейін организмнің шаршау кезеңі ұзарады. Лактат ферментациясы бұлшықет жасушаларының физиологиясы үшін маңызды. Бұлшықет жасушалары қарқынды жұмыс істеген кезде, мысалы, жүгіргенде, оларға жылдам энергия қажет. Бұлшықет жасушаларында сақталған АТФ тек бірнеше секундқа жүгіруге жетеді. Содан кейін жасушалар анаэробтық ортада болғандықтан ферментацияға көшеді. Лактат ферментациясы арқылы бұлшықет жасушалары тіпті ауыр физикалық жүктеме кезінде де гликолизді жалғастыру үшін NAD+ молекуласын қайта жасай алады. [5]
Қынап ортасы сүт қышқылын өндіретін бактерияларға күшті әсер етеді. Қынап каналдарында мекендейтін Lactobacilli spp. pH деңгейін реттеуге көмектеседі. Егер қынаптың pH деңгейі тым жоғары болса, pH деңгейін қышқыл жағдайға қайтару үшін көбірек сүт қышқылы өндіріледі. Сүт қышқылын өндіретін бактериялар бактериялық вагиноз және вагинит түрлері, әртүрлі саңырауқұлақтар және протозоалар сияқты патогендерге қарсы қорғаныш қабаты ретінде әрекет етеді, олар сутек пероксиді және антибактериялық қосылыстарды өндіреді. Сүт қышқылын ферментация арқылы қынап каналдарында одан әрі қолданудың болашағы әлі белгісіз. [6]
Лактозаға төзімді емес адамдарға арналған пайдасы
Кішкене мөлшерде сүт қышқылы адам организміне энергия және субстраттармен қамтамасыз ету арқылы пайдалы. Лактозаға төзбейтін адамдарда лактозаның сүт қышқылына айналуы (ферментациясы) шағын зерттеулерде осы топтағы адамдарға көмектесетінін көрсетті. Ферментация процесі қол жетімді лактоза мөлшерін азайтады. Лактоза мөлшері төмендегенде, организмде лактоза жиналуы азайып, ісіп кету симптомдары жеңілдейді. Сүт қышқылының ферментациясы йогурт өндірісінде ең жақсы нәтижелерді көрсетті. Қазір ацидофиль сүті сияқты басқа да сүт өнімдері бойынша қосымша зерттеулер жүргізілуде.