Молочнокислое брожение: от древнейших технологий к генетическим адаптациям.

Введение

Серия взаимосвязанных биохимических реакций

Молочнокислое брожение — это метаболический процесс, в ходе которого глюкоза или другие сахара, содержащие шесть атомов углерода (а также дисахариды, состоящие из шестиуглеродных сахаров, например, сахароза или лактоза), преобразуются в клеточную энергию и метаболит лактат, который представляет собой молочную кислоту в растворе. Это анаэробная ферментация, происходящая в некоторых бактериях и клетках животных, таких как мышечные клетки. Если в клетке присутствует кислород, многие организмы обходят ферментацию и переходят к клеточному дыханию; однако факультативные анаэробы способны как ферментировать, так и дышать в присутствии кислорода. Хотя этот химический процесс не был должным образом описан до работ Пастера, люди использовали микробиологическое молочнокислое брожение для производства продуктов питания задолго до этого. Химический анализ археологических находок показывает, что использование ферментации молока предшествует историческому периоду; первые применения, вероятно, были частью неолитической революции. Поскольку молоко естественным образом содержит молочнокислые бактерии, открытие процесса ферментации было очевидным, поскольку оно происходит спонтанно при подходящей температуре. Проблема заключалась в том, что свежее молоко трудно переваривается взрослыми, поэтому первые фермеры были заинтересованы в открытии этого механизма. Молочнокислые бактерии содержат необходимые ферменты для переваривания лактозы, и их популяция быстро растет в процессе ферментации. Следовательно, молоко, подвергшееся ферментации даже в течение короткого времени, содержит достаточно ферментов для расщепления молекул лактозы после попадания в организм человека, что позволяет взрослым его употреблять. Еще более безопасным было длительное брожение, которое использовалось для [производства сыра]. Этот процесс также был открыт очень давно, что подтверждается рецептами производства сыра, найденными на клинописных табличках – первых письменных документах, и чуть позже в вавилонских и египетских текстах. Интересна теория о конкурентном преимуществе ферментированных молочных продуктов. Суть этой теории заключается в том, что женщины первых оседлых земледельческих кланов могли сократить интервал между родами благодаря дополнительному усвоению лактозы из потребляемого молока. Этот фактор мог дать им важное преимущество в конкуренции с обществами охотников-собирателей. С увеличением потребления молочных продуктов в этих обществах развилась персистенция лактазы посредством эпигенетического наследования, то есть фермент лактазы, переваривающий молоко, присутствовал в их организме на протяжении всей жизни, что позволяло им употреблять неферментированное молоко и во взрослом возрасте. Эта ранняя адаптация к потреблению лактозы в первых оседлых обществах до сих пор наблюдается в региональных различиях концентрации этой мутации. По оценкам, около 65% населения мира до сих пор не обладает ею. Поскольку эти первые общества пришли из регионов вокруг восточной Турции в центральную Европу, ген чаще встречается там и в Северной Америке, заселенной европейцами. Именно из-за доминирования этой мутации в западных культурах считают непереносимость лактозы необычным явлением, хотя на самом деле она встречается чаще, чем сама мутация. Напротив, непереносимость лактозы гораздо более распространена в азиатских странах. Молочные продукты и их ферментация оказали значительное влияние на развитие некоторых культур. Это особенно заметно в Монголии, где люди часто занимаются кочевым скотоводством. Молоко, которое они производят и потребляют в этих культурах, в основном кобылье, и имеет давние традиции. Однако не все части или продукты свежего молока имеют одинаковое значение. Например, более жирный слой сверху, "deež", считается наиболее ценным и поэтому часто используется для угощения гостей. Важное значение, часто с традиционным подтекстом, имеют продукты ферментации кобыльего молока, такие как кумыс – слабоалкогольный йогурт. Его потребление достигает пика во время культурных праздников, таких как монгольский лунный Новый год (весной). Время этого праздника называется "белым месяцем", что указывает на то, что молочные продукты (называемые "белой пищей" вместе с крахмалистыми овощами, в отличие от мясных продуктов, называемых "черной пищей") являются центральной частью этой традиции. Цель этих празднеств – "закрыть" уходящий год – убрать дом или юрту, отдать дань уважения животным за предоставленную пищу и подготовиться к предстоящему летнему сезону – быть готовыми "открыть" новый год. Употребление белой пищи в этом праздничном контексте – это способ связи с прошлым и национальной идентичностью, олицетворяемой Чингисханом. Во времена этой империи ферментированное кобылье молоко было напитком для чествования и благодарности воинам и лидерам, оно не предназначалось для всех. Хотя со временем оно стало напитком для обычных людей, оно сохранило свой почетный смысл. Как и многие другие традиции, эта также подвержена влиянию глобализации. Другие продукты, такие как промышленный йогурт, поступающие в основном из Китая и западных стран, все больше и больше заменяют его, особенно в городских районах. Однако в сельской местности и среди бедных слоев населения оно по-прежнему имеет большое значение.

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.

Основные роды бактерий, ферментирующих лактозу

Некоторые основные штаммы бактерий, способные ферментировать лактозу, относятся к родам Escherichia, Citrobacter, Enterobacter и Klebsiella. Все четыре из этих групп принадлежат к семейству Enterobacteriaceae. Эти четыре рода можно различить друг от друга с помощью биохимических тестов, и простые биологические тесты легко доступны. Помимо полногеномного секвенирования, распространенные тесты включают определение выделения сероводорода (H2S), подвижность и способность использовать цитрат, а также тесты на индол, метиловый красный и Voges-Proskauer.

Приложения

В многих регионах мира молочнокислое брожение используется для производства продуктов, которые нельзя получить другими методами. Наиболее важным с коммерческой точки зрения родом молочнокислых бактерий является Lactobacillus, хотя иногда применяются и другие бактерии, и даже дрожжи.

Кимчи

Кимчи также использует молочнокислое брожение.

Квашенная капуста

Ферментация молочной кислоты также используется в производстве квашеной капусты. Основной род бактерий, используемых при производстве квашеной капусты, – Leuconostoc. Как и в йогурте, повышение кислотности благодаря молочнокислым бактериям приводит к гибели многих других патогенных микроорганизмов. Бактерии производят молочную кислоту, а также простые спирты и другие углеводороды, которые могут соединяться, образуя эфиры и придавая квашеной капусте её характерный вкус.

Йогурт

Основным способом производства йогурта является молочнокислое сбраживание молока с использованием безвредных бактерий. Основными используемыми бактериями обычно являются Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus, и законодательство США и Европы требует, чтобы все йогурты содержали эти две культуры (хотя другие могут быть добавлены в качестве пробиотических). Силосное брожение – это анаэробная реакция, в результате которой сахара преобразуются в продукты брожения, такие как молочная кислота.

Физиологические

Ферментация лактобактерий и сопровождающееся ею образование кислоты создают защитный вагинальный микробиом, который препятствует размножению патогенных микроорганизмов.

Лактатное брожение и мышечные судороги

В 1990-х годах была создана гипотеза о молочной кислоте, чтобы объяснить, почему люди испытывают жжение или мышечные судороги, возникающие во время и после интенсивных физических упражнений. Гипотеза предполагает, что недостаток кислорода в мышечных клетках приводит к переключению с клеточного дыхания на брожение. Лактат, образующийся как побочный продукт брожения пирувата в процессе гликолиза, накапливается в мышцах, вызывая ощущение жжения и судороги. Исследования, проведенные в 2006 году, показали, что ацидоз не является основной причиной мышечных судорог. Вместо этого судороги могут быть вызваны недостатком калия в мышцах, что приводит к сокращениям при высокой нагрузке. Животные на самом деле не производят молочную кислоту в процессе брожения. Несмотря на распространенное использование термина «молочная кислота» в литературе, побочным продуктом брожения в клетках животных является лактат. Еще одно изменение гипотезы о молочной кислоте заключается в том, что при наличии лактата натрия в организме у хозяина наблюдается более продолжительный период истощения после физической нагрузки. Лактатное брожение важно для физиологии мышечных клеток. Когда мышечные клетки подвергаются интенсивной деятельности, например, спринту, им требуется энергия быстро. В мышечных клетках запасов АТФ хватает лишь на несколько секунд спринта. Затем клетки переходят к брожению, поскольку находятся в анаэробной среде. Благодаря лактатному брожению мышечные клетки способны регенерировать НАД+ для продолжения гликолиза даже при интенсивной нагрузке. [5]

На влагалищную среду сильно влияют бактерии, производящие молочную кислоту. Лактобациллы, обитающие во влагалищном канале, способствуют контролю pH. Если pH во влагалище становится слишком щелочным, производится больше молочной кислоты для снижения pH до более кислого уровня. Бактерии, производящие молочную кислоту, также действуют как защитный барьер против возможных патогенов, таких как бактериальный вагиноз и виды, вызывающие вагинит, различные грибки и простейшие, посредством выработки перекиси водорода и антибактериальных соединений. Неизвестно, происходит ли дальнейшее использование молочной кислоты посредством брожения во влагалищном канале. [6]

Польза для непереносимости лактозы

В небольших количествах молочная кислота полезна для организма, обеспечивая энергию и субстраты в процессе метаболизма. Небольшие исследования показали, что у людей с непереносимостью лактозы ферментация лактозы в молочную кислоту может облегчать симптомы. Процесс ферментации снижает количество доступной лактозы. Уменьшение количества лактозы приводит к меньшему ее накоплению в организме и, как следствие, к снижению вздутия живота. Эффективность молочнокислого брожения наиболее ярко проявляется в йогуртовых культурах. В настоящее время проводятся дальнейшие исследования других молочных продуктов, таких как молоко с ацидофильными бактериями.