Chleb należy do grona pierwszych produktów biotechnologicznych. Już w starożytności wypiekano placki chlebowe, które jednak znacznie różniły się od chleba, do jakiego dziś jesteśmy przyzwyczajeni. Były to płaskie, raczej twarde placki przypominające dzisiejszą meksykańską tortillę. Historia chleba jest silnie związana z historią tworzących go składników – zboża i produkowanej z niego mąki, drożdży i zakwasu. Współcześnie chleb wypiekany jest głównie z mąki pszennej lub żytniej, ale dawniej używano mieszaniny różnorodnych zbóż. Człowiek selekcjonował gatunki traw m.in. pod kątem wielkości ziaren obecnych w kłosie. Wraz z rozprzestrzenianiem się upraw zbóż rozpowszechniała się także tradycja wypieku chleba. Wynalezienie wydajnych metod młócenia ziaren i ich przerobu na mąkę (młyny) także miało ogromny wpływ na popularność i jakość wypieków. Niemałe znaczenie miało zastosowanie zamkniętych pieców do wypieku chleba, wcześniej był on pieczony głównie na otwartych paleniskach. Zastosowanie zakwasu spowodowało wydłużenie czasu przechowywania chleba, zmianę jego smaku i konsystencji gotowego wypieku.

Przyjmuje się, że pierwsze bochenki chleba wyszły z rąk Egipskich piekarzy – przedstawicieli jednego z najstarszych zawodów na świecie. Chleb był również podstawowym pożywieniem starożytnych Greków i Rzymian. Ekspansja Imperium Rzymskiego sprzyjała upowszechnianiu upraw zbóż i wypieku chleba. W ruinach starożytnych Pompei odkryto publiczne piekarnie, w których można było kupić gotowy chleb, albo przynieść swój bochenek do wypieku. W tzw. wiekach średnich m.in. ze względu na rozwój miast zapotrzebowanie na chleb stale rosło. Doprowadziło to do powstania pierwszych cechów piekarzy chroniących ich interesów i regulujących cenę i wagę chleba.

Proces pieczenia chleba w starożytnym Egipcie

Źródło: http://www.touregypt.net/featurestories/prices.htm

Chleb był bardzo cennym produktem, w starożytności wielokrotnie używany był w formie waluty – robotnicy budujący piramidy egipskie byli wynagradzani bochenkami chleba. Bogaci Rzymianie mogli sobie pozwolić na chleb wypiekany z dodatkiem jaj, mleka i masła, co nam przypomina raczej rodzaj ciasta. W średniowieczu rodzaj spożywanego chleba był wyznacznikiem statusu materialnego i społecznego. Biedni jadali duże, ciemne bochenki z otrębów , a ludzie wyższych sfer – małe z białej mąki. Przez wieki najbardziej ceniony był chleb pszenny. Zdarzało się, że nieuczciwi piekarze dodawali do mąki wapna, kredy lub sproszkowanych kości, aby uzyskać jaśniejsze, droższe bochenki. W okresach głodu, np. w czasie I Wojny Światowej rządy wielu państw wprowadzały specjalne regulacje prawne dotyczące produkcji i sprzedaży chleba. Ustalano rodzaj i ilość dodawanej mąki oraz innych dodatków, kształt bochenków i wysoką cenę mającą zmusić ludzi do oszczędzania tego ważnego produktu. W 1918 roku nakazano piekarzom dodawać do mąki ziemniaków do poziomu 20% masy ciasta chlebowego. Eksperymentowano także z dodatkami grochu, ryżu, kukurydzy, pasternaku. Możliwość importu dobrej jakości pszenicy z Ameryki Północnej wraz z wprowadzeniem młynów walcowych sprawiło, że pod koniec XIX wieku biały chleb stał się powszechny i tani.

Chleb to nie tylko podstawowy składnik diety milionów ludzi na świecie, wyznacznik statusu społecznego czy rodzaj wynagrodzenia za pracę. To także ważny element kultury. Specyficzne odmiany chleba wypiekane według tradycyjnych receptur są ważną częścią regionalnych specjałów. Rytuały wypiekania chleba, przekazywania z pokolenia na pokolenie technik przygotowania pieczywa stanowiły i niekiedy nadal stanowią istotny element tradycji. Chleb wykorzystywany jest także w wielu obrzędach religijnych, jest symbolem ważnych dla ludzi wartości, niekoniecznie materialnych.

W XX wieku zastąpiono tradycyjne piece ceglane opalane drewnem lub węglem piecami gazowymi. Umożliwiło to produkcję chleba na większą skalę. W 1929 roku naukowcy udowodnili, że chleb pieczony z mąki z pełnego przemiału jest zdrowszy od białego. Potwierdzili w ten sposób zalecenia wygłaszane już 100 lat wcześniej. To jednak nie przekonało opinii publicznej i nie stłumiło ogólnego zamiłowania do białego chleba, które trwa do dziś (stanowi on ok. 70% wszystkich kupowanych dziś wypieków). W 1930 roku wprowadzono pierwszą maszynę do krojenia chleba. Amerykanom tak bardzo spodobała się ta forma, że już 3 lata później krojony chleb stanowił ponad 80% bochenków sprzedawanych w U.S.A.

Saccharomyces cerevisiae to naukowa nazwa bardzo popularnego gatunku drożdży. Pierwsza część nazwy - Saccharomyces jest pochodzenia greckiego i oznacza „pleśń cukrową”, natomiast cerevisiae to łacińskie oznaczenie czegoś piwnego. Prawdopodobnie są to jedne z najwcześniej udomowionych organizmów. Od tysięcy lat służą ludziom w produkcji takich popularnych produktów jak chleb, wino, piwo. W odniesieniu do skali czasowej naszej przyjaźni z drożdżami stosunkowo niedawno człowiek dowiedział się, że to właśnie im tak naprawdę zawdzięcza możliwość delektowania się takimi pysznymi produktami. W 1859 roku Louis Pasteur po raz pierwszy zaproponował, że to dwutlenek węgla pochodzący od drożdży jest odpowiedzialny za proces „rośnięcia” chleba. Od tego czasu naukowcy zaczęli interesować się Saccharomyces cerevisiae i przeprowadzać eksperymenty mające wyjaśnić jakie właściwości mają te ciekawe mikroorganizmy i jakie są mechanizmy procesów w nich zachodzących.

komórki Saccharomyces cerevisiae

Źródło: http://www.chateauneuf.dk/artikler/vini15.jpg

Saccharomyces cerevisiae są jednokomórkowymi eukariontami, fakultatywnymi anareobami. Oznacza to, że najlepiej rosną w atmosferze tlenowej, ale mogą też żyć i rozwijać się bez tlenu prowadząc fermentację. Są to organizmy mało wymagające – do życia wystarczy im niewiele ponad źródło węgla (np. trochę sacharozy), wodę i odpowiednią temperaturę bliską pokojowej (są to mezofile). Czyste kultury tych drożdży zostały wyizolowane po raz pierwszy ze skórek winogron. Ich komórki mają owalny kształt o średnicy ok. 5-10 µm. Rozmnażają się głównie bezpłciowo przez pączkowanie, ale w warunkach stresowych formy diploidalne mogą zainicjować mejozę zamiast mitozy i utworzyć haploidalne spory. Takie formy przetrwalnikowe powszechnie występują w powietrzu i osiadają na wszelkich nieprzykrytych przedmiotach. Stąd możliwe było wykorzystanie drożdży przez starożytnych, którzy nie mieli pojęcia o mikrobiologii – przypadkowe dostanie się sporów S. cerevisiae do przygotowanych półproduktów było bardzo prawdopodobne. To samo można uzyskać dzisiaj i „wyłapać” drożdże z powietrza, o czym będzie napisane w dalszej części artykułu. Haploidy wyrosłe ze spor mogą albo przechodzić mitozy i rozmnażać się przez pączkowanie, albo utworzyć diploidy na drodze koniugacji z innymi haploidami.

Drożdże piekarskie należą do grupy drożdży, które zazwyczaj prowadzą procesy tlenowe i beztlenowe w mniej więcej równych proporcjach – oddychanie stanowi przeważnie 40-50% przemian metabolicznych związanych z uzyskiwaniem energii. Jeśli S. cerevisiae znajdą się w warunkach tlenowych (znaczenie ma tlen dostępny dla mikroorganizmów, czyli rozpuszczony w pożywce), to produkcja biomasy wzrasta 5-10-krotnie. Następuje hamowanie fermentacji – zjawisko to nazywane jest efektem Pasteura. Za zmianę proporcji przemian metabolicznych z korzyścią dla procesów tlenowych odpowiedzialnych jest wiele modyfikacji na różnych etapach metabolizmu. Zwiększenie stężenia tlenu w pożywce skutkuje m.in. inhibicją fosforuktokinazy, co powoduje zwolnienie glikolizy. Z drugiej strony obserwuje się wzrost aktywności liazy cytrynianowej i dehydrogenazy jabłczanowej, co oznacza zwiększenie intensywności cyklu Krebsa. Uruchamiany jest proces fosforylacji oksydatywnej w mitochondriach i jednocześnie hamowany jest aktywny transport cząsteczek glukozy ze środowiska. Ponadto alkohol wytworzony w procesie fermentacji jest wykorzystywany w zintensyfikowanym cyklu glioksalowym.

Możliwa jest także zmiana proporcji w kierunku metabolizmu beztlenowego. Taki efekt można osiągnąć poprzez dodatek do pożywki dużych ilości glukozy lub innych fermentowanych cukrów. Powoduje to powstanie katabolicznej represji glukozowej, która objawia się przez m.in. obniżenie ilości i aktywności enzymów cyklu Krebsa oraz cytochromów, hamowanie aktywności dehydrogenaz i ATP-azy. W ten sposób, w obecności tlenu może wydajnie zachodzić fermentacja. Za tą sytuację odpowiedzialne są 2 ściśle ze sobą związane efekty regulacyjne. Hamowanie biosyntezy enzymów oddechowych nazywane jest negatywnym efektem Pasteura, a hamowanie ich aktywności to efekt Crabtree.

Pod nazwą drożdże piekarskie kryje się mieszanina kilku szczepów Saccharomyces cerevisiae. Dostępne są różne formy handlowe, wśród nich wyróżniamy:

- drożdże o konsystencji kremu – najbardziej przypominają zaczyny drożdży używane w XIX wieku. Jest to zawiesina komórek w płynie hodowlanym. Używane w dużych piekarniach produkujących chleb na skalę przemysłową, raczej niedostępne dla małych piekarni i użytku domowego.

- drożdże prasowane – są to drożdże z poprzedniej kategorii z tą różnicą, że większość płynu została z nich odprowadzona (powinny zawierać nie mniej niż 26% suchej masy). Mają konsystencję gładkiego ciasta barwy beżowej (barwa zależy od sposobu produkcji i najlepiej, gdy drożdże są możliwie najjaśniejsze). Są łatwo dostępne na rynku w formie małych prostopadłościennych „paczuszek”. Ich wadą jest stosunkowo duża podatność na psucie się. Pożądana trwałość drożdży prasowanych w temperaturze 20ºC wynosi 14 dni, a minimalny okres trwałości to 10 dni. Objawami zepsucia drożdży są: barwa szarożółta, niebieskie plamy (kolonie bakteryjne), nieprzyjemny zapach i tłustość w dotyku.

- suche aktywne drożdże – są to drożdże suszone rozpyłowo, wykazują większą odporność na zepsucie, ale są bardziej wrażliwe na szok cieplny . Uśpione komórki wegetatywne można pobudzić do metabolizmu przez dodatek ciepłej wody. Mają formę granulek, są powszechnie wykorzystywane w mniejszych piekarniach.

- drożdże instant – wyglądają podobnie jak suche aktywne drożdże, ale granulki są mniejsze i zawierają więcej żywych komórek. Są bardziej podatne na psucie niż forma opisana wyżej, ale nie wymagają dehydratacji i mogą być dodawane bezpośrednio do ciasta, chyba że jest ono bardzo suche. Często zawierają niewielką ilość kwasu askorbowego jako środka konserwującego.

Zarówno same drożdże jak i całe mieszanki chlebowe wraz z drożdżami można kupić w wielu sklepach spożywczych oraz przez internet. Poniżej podano przykładowe linki do kilku stron z takimi ofertami:

• różnorodne mieszanki chlebowe + drożdże gratis
  • http://www.bogutynmlyn.pl/go/_category/index.php?idc=15&sess_id=595f4743c349cbec9491407a93633edc
• na aukcjach można kupić wszystko
  • http://aukcja.onet.pl/27990_zywnosc_mieszanki_chlebowe_i_maka.html?id=27990&view=gtext&order=p&change_view=1
  • http://www.allegro.pl/show_user_auctions.php?uid=4598860&nolimit=1&order=t
• nie tylko drożdże, ale i automaty do pieczenia chleba oraz poradniki
  • http://www.chlebpolski.pl/sklep/

Zakwas lub zaczyn chlebowy to mieszanina mąki (głównie żytniej) i wody poddana fermentacji przez bakterie kwasu mlekowego. To nie tylko produkt fermentacji tych mikroorganizmów, ale również swoista nisza ekologiczna zawierająca ponad 70 gatunków aktywnych metabolicznie bakterii i drożdży. Ta złożona mikroflora ściśle ze sobą współpracuje tworząc skomplikowaną sieć wzajemnych powiązań. O tym jak będzie przebiegać cały proces decydują zarówno czynniki endogenne jak i egzogenne. Do endogennych należą m.in. skład chemiczny mąki i rodzaj mikroorganizmów zasiedlających to specyficzne środowisko. Pozostałe czynniki to m.in. temperatura, dodatek soli, czas fermentacji. Wpływ wszystkich tych czynników powoduje selekcję odpowiednich mikroorganizmów. Rozwój bakterii kwasu mlekowego i drożdży także przyczynia się do eliminacji innych mikroorganizmów, których źródłem mogą być surowce lub po prostu otaczające środowisko. Warunki panujące w zakwasie są na tyle specyficzne, że tworzy się swego rodzaju presja selekcyjna. Właśnie z tego powodu możliwe jest utrzymywanie zaczynu w niemal niezmienionej formie przez wiele lat ! Co więcej fakt ten jest powszechnie wykorzystywany w piekarniach szczycących się tradycyjnymi metodami wypieku. W Europie nadal wiele jest takich zakładów, w których korzysta się z zaczynu, który jest utrzymywany od dziesięcioleci przez dodawanie świeżej mąki żytniej i wody w odpowiednich, regularnych odstępach czasowych. Takie postępowanie zapewnia utrzymanie stosunkowo stałej jakości i właściwości m.in. smakowych wypiekanego chleba.

Jednak próbując samemu wytworzyć zakwas, szczególnie za pierwszym razem nie liczmy na tak dużą jego trwałość. Prawdopodobnie nie uda się tak od razu wyłapać ze środowiska takiego bogactwa mikroorganizmów, których wzajemna współpraca będzie zapobiegać rozwojowi niepożądanych drobnoustrojów. Wręcz przeciwnie – może się okazać, że powstanie dogodne, bogate w łatwo dostępne składniki odżywcze środowisko sprzyjające rozwojowi np. pleśni. W praktyce, zaczyn przygotowany domowym sposobem można trzymać w lodówce około 3-4 dni. Poniżej podano przykładowy przepis na zrobienie własnego zakwasu (wg informacji na stronie domowej Agnieszki Hensoldt http://ahensoldt.wroclaw.pl/chleb.html ):

1. Do miski zawierającej ok. ¾ szklanki letniej wody dodać ok. 20 dag mąki żytniej i wymieszać do uzyskania konsystencji kwaśnej śmietany
2. Całość przykryć wilgotną ściereczką i pozostawić w nieprzewiewnym miejscu na okres ok. 3 dni. Przez ten czas należy sprawdzać, czy ściereczka jest wilgotna oraz zamieszać zakwas co ok. 12 godzin
3. Jeśli po trzech dobach na zakwasie nie rozwinęła się pleśń i widać ślady po bąbelkach, to można dodać niecałe pół szklanki letniej wody i dosypać nieco mąki pszennej i żytniej. Składników należy dodać tyle, żeby po wymieszaniu całość miała konsystencję ciasta naleśnikowego
4. Ponownie przykryć miskę wilgotną ściereczką i odstawić na kolejną dobę dbając, aby przez cały czas ściereczka była wilgotna
5. Po wykonaniu wszystkich powyższych czynności zakwas jest gotowy i może zostać użyty do przygotowania ciasta chlebowego. Można odłożyć część takiego ciasta chlebowego i przechować w lodówce w zamkniętym pojemniku. Posłuży ono do przygotowania nowego zakwasu. W takim przypadku należy do ciasta dodać ok. ¾ szklanki letniej wody, trochę mąki pszennej i żytniej, wymieszać i odstawić na ok. 1 dobę pod przykryciem wilgotnej ściereczki. Potem można przygotować nowe ciasto chlebowe.

Zakwas w domowych warunkach

Źródło: http://recipes.howstuffworks.com/sourdough2.htm

Od wieków zakwas jest używany do produkcji chleba, jego zalety są wysoko cenione także przez współczesnych piekarzy i oczywiście konsumentów. Użycie zaczynu do produkcji ciasta chlebowego ułatwia jego wyrabianie, wpływa na smak, zapach, konsystencję chleba i przedłuża czas jego przechowywania. Zwiększają się także wartości odżywcze takiego wypieku, gdyż proces fermentacji mlekowej powoduje rozkład kwasu fitynowego. To z kolei sprawia, że mikroelementy zawarte w ziarnach zbóż stają się dostępne dla naszego organizmu. Dzieje się tak dlatego, że kwas fitynowy ściśle wiąże się z mikroelementami tworząc związki nieprzyswajalne dla człowieka. Podczas tworzenia zakwasu ta swoista pułapka zostaje zniszczona powodując uwolnienie cennych związków takich jak np. żelazo, cynk, miedź , mangan.

Bakterie rozwijające się w cieście mogą pochodzić z naturalnych zanieczyszczeń mąki lub z tzw. kultury starterowej dodawanej przez piekarza. Są to głównie szczepy przeprowadzające heterofermentację, co oznacza że kwas mlekowy nie jest jedynym produktem fermentacji – może powstać wiele innych produktów (np. kwas octowy). Spośród ponad pięćdziesięciu gatunków bakterii kwasu mlekowego znajdowanych w zakwasie, większość stanowią gatunki z rodzaju Lactobacillus. Najczęściej spotykane to Lactobacillus sanfranciscensis, L. plantarum i L. brevis. Współpracujące z nimi drożdże to nie tylko znane nam Saccharomyces cerevisiae, ale także inne gatunki z rodzaju Saccharomyces oraz z rodzaju Candida. Zazwyczaj stosunek bakterii kwasu mlekowego do drożdży w zakwasie wynosi 100:1. Dominacja heterofermentujących bakterii z rodzaju Lactobacillus wynika z ich konkurencyjności i doskonałej adaptacji do środowiska panującego w zakwasie. Po pierwsze ich metabolizm węglowodanów dobrze koreluje z dostępnymi w cieście głównymi źródłami energii – maltozą i fruktozą (wykorzystują te cukry efektywniej niż bakterie homofermentujące). Po drugie ich wymagania wzrostowe pokrywają się z warunkami panującymi w fermentującym zaczynie. Ponadto posiadają wiele mechanizmów umożliwiających im przetrwanie w środowisku niekorzystnym dla rozwoju większości innych mikroorganizmów ( niskie pH, niska lub wysoka temperatura, odwodnienie, stres oksydacyjny i głód). Co więcej produkują substancje antybakteryjne takie jak np. bakteriocyny i kwasy organiczne (mlekowy, octowy i inne).

Brak konkurencji o główne źródło węgla wydaje się być wstępnym warunkiem stabilności mikroflory bakterii i drożdży. Tak się dzieje w przypadku współpracy Lactobacillus sanfranciscensis i Saccharomyces exiguus. W tym swoistym konsorcjum bakterie są zdolne do hydrolizy maltozy i dopóki ten dwucukier jest obecny w podłożu L. sanfranciscensis wydziela na zewnątrz glukozę. To źródło węgla może być wykorzystane przez drożdże nie zdolne do hydrolizy maltozy, jakimi są np. S. exiguus. Z drugiej strony obecność glukozy w podłożu powoduje represję genów metabolizujących maltozę u tych gatunków, które są zdolne do korzystania z maltozy jako źródła węgla. Zalicza się do nich m.in. S. cerevisiae. W ten sposób bakterie sprytnie wywalczyły sobie wyłączność na korzystanie z maltozy. Jeśli jednak zabraknie tego dwucukru L. sanfranciscensis nie będzie głodować – zacznie korzystać z wydzielonej glukozy.

Pewne szczepy S. cerevisiae są wrażliwe na kwas octowy produkowany przez bakterie kwasu mlekowego, szczególnie w pH typowym dla zakwasu (4,0-4,5) kiedy to kwasy organiczne znajdują się w formie niezdysocjowanej, lipofilnej. Dlatego też czasem konieczne jest dodanie do zakwasu sporych ilości S. cerevisiae, aby zrekompensować dość słabą przeżywalność dzikich szczepów w zakwasie, w którym następuje ciągła fermentacja. Gdy wraz z drożdżami współpracują bakterie Lactobacillus plantarum w obecności sacharozy jako źródła węgla, wtedy rośnie produkcja kwasu octowego. Drożdże bardzo efektywnie hydrolizują sacharozę – około 200 razy szybciej niż zachodzi fermentacja uwolnionych heksoz. Korzystają z tego bakterie kwasu mlekowego, dla których glukoza i fruktoza są znacznie korzystniejszymi źródłami węgla niż sacharoza.

Bakterie i drożdże współpracują nie tylko na poziomie metabolizmu węglowodanów – równie istotne są interakcje związane z metabolizmem związków zawierających azot. Podczas fermentacji zakwasu pszennego dochodzi do gromadzenia się aminokwasów i krótkich peptydów. Te składniki zaczynu mają zasadnicze znaczenie dla wypiekanego chleba jako że są prekursorami substancji zapachowych i wpływają na fizyczne właściwości ciasta chlebowego. Skąd się one biorą w zakwasie? Po pierwsze w mące zawarte są enzymy proteolityczne mogące rozkładać białka ziaren zbóż. Istotne znaczenie ma obecność oraz aktywność mikroorganizmów. Wykazano, że drożdże wydzielają pewne aminokwasy i peptydy podczas wzrostu. Wydaje się, że pobieranie glukozy powoduje swego rodzaju wyciekanie aminokwasów z komórek drożdży ze względu na zmianę przepuszczalności błony komórkowej. Ponadto zarówno komórki drożdży jak i bakterii mogą ulec autolizie i w ten sposób stać się źródłem aminokwasów i peptydów. Obecność S. cerevisiae wspomaga wzrost bakterii kwasu mlekowego do tego stopnia, że są one w stanie dobrze rosnąć nawet w pożywkach minimalnych, w których brakuje niezbędnych im do życia aminokwasów. Bakterie nie pozostają dłużne drożdżom. Posiadają one szeroki arsenał enzymów proteolitycznych. Obecność bakterii kwasu mlekowego w zakwasie powoduje zwiększenie stężenia aminokwasów alifatycznych, dikarboksylowych i hydroksylowych, które stymulują wzrost bakterii i są chętnie wykorzystywane przez drożdże. Dodatkowo bakterie kwasu mlekowego i Saccharomyces nie konkurują o źródło azotu – w obecności jonów amonowych i aminokwasów drożdże preferują azot w formie nieorganicznej, przeciwnie do bakterii.

Bakterie kwasu mlekowego mają także wpływ na wydzielanie dwutlenku węgla przez drożdże. Zauważono, że obecność L. sanfranciscensis powoduje skrócenie czasu potrzebnego do osiągnięcia maksymalnej produkcji CO2 do 1/3 w porównaniu do kultury samych S. cerevisiae. Ponadto kwas mlekowy wpływa na zwiększenie elastyczności struktury glutenu, a to z kolei ułatwia zatrzymywanie wytworzonego dwutlenku węgla w cieście.

Chleb żytni wytwarzany w większości dzisiejszych komercyjnych piekarni opiera się na zakwasie typu drugiego (typ pierwszy odnosi się do zakwasu tradycyjnego, a typ trzeci określa formę suszoną). Proces tworzenia takiego zaczynu zazwyczaj trwa od dwóch do pięciu dni i często zachodzi w podwyższonej temperaturze (powyżej 30º C). Wyższa temperatura przyspiesza cały proces tak, że już po 24 godzinach fermentacji ilość wytworzonego kwasu doprowadza do pH poniżej 3,5. Mikroorganizmy utrzymywane są w późnej fazie stacjonarnej i dlatego wykazują tylko niewielką aktywność metaboliczną. Do zaczynu dodaje się drożdży piekarskich Saccharomyces cerevisiae. Zakwas produkowany w ten sposób może być przechowywany do 1 tygodnia. Można w ten sposób szybko otrzymać duże ilości zaczynu, którego właściwości są stosunkowo łatwe w kontroli. Co więcej jest to proces jednoetapowy, w przeciwieństwie do powolnego, wieloetapowego procesu tworzenia tradycyjnego zakwasu (typ I). Te cechy są bardzo użyteczne w produkcji chleba na dużą skalę.

Głównymi składnikami mąki są węglowodany (70-80%), białka (5-15%) i woda (ok. 15%), znajduje się w niej także niewielka ilość tłuszczy i witamin głownie z grupy B i PP, enzymy i składniki mineralne. Zawartość poszczególnych składników decyduje o jakości mąki i jej przydatności do wyrobu konkretnych produktów spożywczych. Skład chemiczny mąki zależy nie tylko od rodzaju ziarna, ale także od warunków przemiału i magazynowania. Bardzo ważna jest zawartość białek, a dokładnie gliadyny i gluteiny, które po połączeniu z wodą tworzą gluten.

Znane są różne podziały mąk. Można je dzielić np. na chlebowe i niechlebowe bądź jasne i ciemne. Mąkami chlebowymi nazywa się mąki pszenne i żytnie. Mąki niechlebowe otrzymuje się z przemiału innych zbóż (np. owies, jęczmień) lub roślin niezbożowych (np. soja, groch). Bielmo ziaren stanowi główne źródło mąki. Jednym z podstawowych wyznaczników jakości mąki jest jej typ – ten parametr jest dobrze widoczny na opakowaniach różnych mąk. Czy zdajemy sobie sprawę co kryje się pod cyframi eksponowanymi przez producentów? Typ określa ile jest w mące składników pochodzących z przemiału innych części ziarna niż bielmo czyli np. z otręb czy zarodków. W praktyce jest to zawartość popiołu. Wyznacza się go przez spalenie mąki i wyżarzenie pozostałości. Liczby oznaczają ilość gramów popiołu uzyskanego po spaleniu 100 kg mąki. Przykładowo typ 450 oznacza, że jeśli spali się 100 kg mąki to pozostanie 450 gram popiołu. Wynika z tego, że im wyższy typ mąki, tym więcej zawiera błonnika, soli mineralnych i witamin. Do wypieku ciast stosuje się mąki o najniższej zawartości białek i najniższym typie – przechodzi ona specjalne procesy wybielania. Dzięki temu zwiększa się zdolność takiej mąki do „utrzymania” znacznych ilości wody i cukru (mniejsza możliwość, że ciasto opadnie). Do wypieku chleba lepiej stosować mąki o wyższej zawartości białka.

Poniżej podano przykładowe typy mąki pszennej:

Typ

• 450 - tortowa
• 500 - krupczatka
• 550 - luksusowa
• 650 - bułkowa
• 750 - chlebowa
• 850 - chlebowa
• 1400 - sitkowa
• 1850 - graham
• 2000 - razowa

Pod względem składników, produkcja pieczywa jest bardzo prosta. Wystarczy zmieszać ze sobą mąkę pszenną lub żytnią, wodę oraz czynnik spulchniający, który odpowiada za produkcję gazu: dwutlenku węgla, na drodze reakcji chemicznych czy też procesów biochemicznych. Generacja CO2 na drodze chemicznej odbywa się z udziałem proszku do pieczenia, w skład którego wchodzi wodorowęglan sodu (NaHCO3), regulator kwasowości (kwasy lub sole o odczynie kwaśnym, np. wodorowinian potasu: KHC4H4O6), który zapobiega powstawaniu posmaku ługu, generowanego za sprawą rozkładu NaHCO3 a także przyspiesza powstawanie CO2 oraz wypełniacza: skrobi kukurydzianej, której zadaniem jest absorbowanie wody i zapobieganie zachodzeniu reakcji do momentu dodania do mąki wody. Po dodaniu wody dochodzi do uwodnienia i rozpuszczenia składników proszku do pieczenia i bardzo szybkiego, gwałtownego procesu wydzielania CO2, zgodnie z reakcją:

NaHCO3 + KHC4H4O6 ⇒ KNaC4H4O6 + H2O + CO2

Za powstawanie dwutlenku węgla mogą być odpowiedzialne także drożdże, które korzystając z cukrów zawartych w mące (przetwarzają je w miarę możliwości do glukozy), przeprowadzają proces fermentacji, z wydzieleniem etanolu i CO2:

Glukoza ⇒ etanol + CO2

C6H12O16 ⇒ 2 C2H5OH + 2 CO2

Metabolizm drożdży w produkcji chleba

Źródło: http://www.taunton.com/finecooking/articles/yeast-role-bread-baking.aspx

Proces ten jest bardziej długotrwały niż z wykorzystaniem proszku do pieczenia, ma jednak kilka zalet. Aktywność drożdży przyczynia się do rozkładu niektórych związków zwartych w mące, co prowadzi do nadawania pieczywu specyficznych, pożądanych własności smakowych. Ponadto, proszek do pieczenia może powodować nadmierny wzrost ciasta, powodując jego zapadnięcie się. W przypadku drożdży proces tworzenia CO2 jest bardziej zrównoważony, dlatego też zapadanie się ciasta nie jest zwykle problemem.

Sam dwutlenek węgla nie jest jednak w stanie unieść i utrzymać struktury ciasta. Konieczny jest dodatkowy składnik, który przechwyci gazowe bąbelki i pozwoli je zatrzymać wewnątrz masy ciasta. Taki składnikiem jest gluten – wieloskładnikowy polimer białkowy, wytwarzany w ziarnach zbóż jako materiał zapasowy. Najważniejszymi białkami współtworzącymi strukturę glutenu są gliadyny i gluteniny, które po uwodnieniu mąki, formują włókna glutenu. Ugniatanie ciasta powoduje formowanie coraz to nowych glutenowych włókien, a ponadto wpływa na modyfikację, rozciąganie, wzmocnienie i uplastycznianie tych włókien co pozwala na formowane ciasta i przechwytywanie gazowych bąbelków.

Animacja przedstawiająca formowanie się włókien glutenu

Źródło: http://www.exploratorium.edu/cooking/bread/index.html#

Dzięki ugniataniu ciasta zachodzi także uwalnianie enzymów rozkładających skrobię z ziaren mąki, co pozwala na rozłożenie skrobi do postaci prostych cukrów, które są łasym kąskiem dla komórek drożdży i pozwalają na ich ekspansję. Dlatego też, nie jest przesadą stwierdzenie, iż sekretem drożdżowego ciasta jest jego odpowiednie wyrobienie.

Z produkcją ciasta drożdżowego wiąże się jeszcze jedno interesujące zagadnienie. Skoro drożdże fermentując cukry produkują oprócz CO2 także etanol dlaczego więc nie upajamy się przy konsumpcji chlebowych pyszności? Odpowiedź jest prosta – w procesie pieczenia powstający alkohol ulatnia się, a powstające pieczywo jest już produktem w pełni zdatnym do spożycia przez kierowców.

W procesie obróbki termicznej pieczywa zachodzą także inne istotne procesy, które odpowiadają za powstanie finalnego, smakowitego produktu. Mianowicie, w zewnętrznych warstwach utrzymywana jest wysoka temperatura, powodująca rozkład zawartej tam skrobi do postaci disacharydu maltozy i rozgałęzionych oligosacharydów – dekstryn, które biorą udział w procesie karmelizacji, prowadzącego do powstania brązowej, chrupiącej skórki oraz smakowitego zapachu. Za ten proces odpowiedzialna jest jednak przede wszystkim reakcja Maillarda: reakcja pomiędzy aminokwasami a cukrami redukującymi. Podstawą procesu karmelizacji jest piroliza – termiczny rozkład substancji, zachodzący pod nieobecność tlenu. W procesie tym cukry przekształcają się na drodze rearanżacji, pękania wiązań w różnorodne związki zapachowe i smakowe takie jak biacetyl, o charakterystycznym maślanym zapachu. W procesie tym powstają także różnorodne związki nadające produktowi barwę brązową. Dodatkowo, mogą powstawać związki wpływające na obniżenie parametrów smakowych, powodujące gorzki posmak, czy zapach określany jako woń spalonego cukru. O wiele ciekawszą z punktu widzenia różnorodności produktów jest reakcja Maillarda, która do zajścia wymaga niższej temperatury niż karmelizacja (zachodzi nawet w temperaturze pokojowej, natomiast karmelizacja wymaga temperatury powyżej 120 – 180 stopni C). Jest to bardzo skomplikowana reakcja, w której uczestniczą cukry proste, uwolnione ze skrobi oraz obecne w mące aminokwasy. W efekcie tych wielu bardzo skomplikowanych przemian stymulowanych temperaturą powstają między innymi: nierozpuszczalne, brązowe melanoidyny nadające własności chlebowej skórce, wiele związków aromatycznych, smakowych (zwłaszcza o gorzkim posmaku), a także antyoksydanty, które mogą zwiększać czas przechowywania produktów poprzez zapobieganie utleniania składników wypieku. Jednakże, to co dobre niestety bardzo często jest także szkodliwe. I tak jest w tym przypadku. Mianowicie, reakcja ta powoduje straty własności odżywczych, poprzez zużywanie aminokwasów. Co gorsza jednak, wykazano tworzenie w tym procesie związków o własnościach kancerogennych, co z pewnością nie jest dobrą wiadomością dla chlebowych smakoszy. Wewnątrz struktury wypiekanego pieczywa dochodzi natomiast do denaturacji białek glutenowych, które oddają wodę do otaczanych przez nie ziarenek skrobiowych, powodując ich puchnięcie oraz podlegają koagulacji i częściowemu usztywnieniu, utrwalając trójwymiarową strukturę wewnętrznej, elastycznej masy. Same drożdże natomiast, po wstępnym podwyższeniu temperatury, radośnie zwiększają tempo fermentacji i produkują duże ilości dwutlenku węgla, podnosząc strukturę wypieku. Ostatecznie jednak, niecnie wykorzystane przez człowieka, giną śmiercią tragiczną pod wpływem wysokiej temperatury.

Chlebowe wnętrze

Źródło: http://www.exploratorium.edu/cooking/bread/index.html#

Proces czerstwienia chleba to bardzo dobrze nam znane zjawisko, powodujące iż smakowite pieczywo zmienia się w suchą, twardą „gugułę”. Ten tak łatwy do organoleptycznego stwierdzenia proces, jest jednak bardzo trudno wytłumaczyć w oparciu o podłoże cząsteczkowe. Od wielu lat naukowcy zajmujący się tematyką pieczywa (wbrew pozorom jest ich bardzo wiele i w swoich badaniach wykorzystują zaawansowane techniki pomiarowe jak NMR:), spierają się co do molekularnych podstaw rządzących „starzeniem się” chleba i starają się znaleźć środki zaradcze łagodzące ten niepożądany stan. Ogólnie rzecz biorąc uważa się, iż jest to proces złożony, uwzględniający zmiany w wielu elementach tworzących strukturę pieczywa. Jednym z winowajców, odpowiedzialnych za ten proces jest sama skrobia, podstawowy składnik mąki. Mianowicie, uważa się, iż podczas przechowywania chleba dochodzi do agregacji pomiędzy łańcuchami skrobi, zwłaszcza komponenty amylopektynowej, w wyniku czego tworzy się sztywna, twarda struktura krystaliczna, w miejsce amorficznej, przez co chleb twardnieje. Ponadto, część winy za „geriatryczne” procesy w chlebie ponosi też gluten, gdyż uważa się, iż może on tworzyć wiązania wodorowe z cząsteczkami skrobi i tym samym powodować twardnienie. Dodatkowo, ważnym procesem jest też utrata wody z pieczywa podczas jego przechowywania, a co ważniejsze zmiana rozkładu wody pomiędzy chlebowymi kompartmentami. Mianowicie, tworzące się krystaliczne struktury skrobiowe, „wysysają” wodę z glutenu, który w efekcie podlega usztywnieniu. Woda w obrębie krystalicznych struktur zostaje natomiast uwięziona i w ten sposób „zagrabiona” przez skrobię traci swój uplastyczniający wpływ na pieczywo. Co można więc zrobić, aby zaradzić tym wszystkim niekorzystnym zmianom? Ze względu na nie do końca wyjaśnioną naturę czerstwienia, metody stosowane w przedłużaniu świeżości pieczywa oparte są jedynie na domysłach. Jednym ze sposobów zaradczych jest dodawanie do pieczywa związków o charakterze surfaktantów, przykładowo lecytyny. Podejrzewa się, iż związki te tworzą chemiczne i fizyczne kompleksy z komponentami, biorącymi udział w czerstwieniu i zapobiegają tworzeniu różnorodnych usztywniających połączeń. Ponadto, zaobserwowano, iż dodatek α – amylazy może wywierać pozytywny efekt na procesy czerstwienia. Najprawdopodobniej jest to spowodowane trawieniem skrobi do dekstryn i maltodekstryn , które dobrze zatrzymują wodę, chronią przed jej ucieczką oraz nierównomiernym rozmieszczeniem i tym samym uplastyczniają pieczywo. Podobny efekt przypisuje się również naturalnie występującym w mące pentozanom (polimerom cukrów pięcio – węglowych) oraz modyfikowanej skrobi – poddanej obróbce, dzięki czemu jest ona częściowo zdegradowana.

Oczywiście najczęstszym sposobem nabycia drożdży jest po prostu odwiedzenie najbliższego sklepu i odnalezienie stosownej półki sklepowej (co podobno czasem nie jest w cale takie oczywiste i proste na przykład w dużych hipermarketach). Obecnie, powszechnie dostępne są dwie formy drożdży piekarnianych: świeże sprasowane drożdże w postaci kostki oraz drożdże suszone. Te drugie są o wiele wygodniejsze, gdyż mogą być przechowywane przez bardzo długi czas, w przeciwieństwie do drożdży sprasowanych (około tygodnia w warunkach chłodniczych) i tym samym można zaopatrzyć się w pewien zapas drożdży na wypadek poczucia nieodpartej ochoty na świeże pieczywo czy ciasto w dzień świąteczny lub też niespodziewanej wizyty gości.

Drożdże sprasowane i suszone

Alternatywnie, sami możemy wcielić się w rolę „drożdżowych potentatów” i wyhodować własnymi rękoma wyjściową kulturę drożdży (tak jak jest to praktykowane przy wytwórstwie zakwasu chlebowego). Te małe, komórkowe „fabryki” CO2 towarzyszą nam w codziennym życiu i powszechnie rezydują w powietrzu. Dlatego też można stosując niezawodne „techniki uwodzenia”, zastymulować je do wzrostu na naszą korzyść. Najprawdopodobniej tak właśnie powstało pierwsze pieczywo – przez przypadkowy rozwój dzikich drożdży na zaczynie ciasta.

Hodowla dzikich drożdży jest bardzo prosta. Aby ją zainicjować należy:

1. Około ¼ szklanki mąki zmieszać z 1 – 2 łyżkami stołowymi wody
2. Ugniatać powstałe ciasto przez około 5 –8 minut
3. Umieścić ciasto w niewielkiej misce, przykryć wilgotnym ręcznikiem i pozostawić w ciepłym miejscu na 2 – 3 dni
4. Po tym czasie ciasto będzie wilgotne, zmarszczone a spod zewnętrznej zgrubiałej warstwy wydobywać się będą bąbelki gazu oraz charakterystyczny, słodki zapach
5. Po pozbyciu się zewnętrznej, stwardniałej warstwy, należy dodać około pól szklanki świeżej mąki oraz wystarczającą ilość wody, aby zagnieść zwarte ciasto
6. Po kolejnych 1 – 2 dniach ponownie należy usunąć zewnętrzną warstwę i dodać szklankę mąki
7. Ponownie przykryć wilgotną szmatką i umieścić w ciepłym miejscu na 8 – 12 godzin
8. Startowa kultura gotowa! Można ją przechowywać w lodówce przez kilka dni i stosować do dalszego odnawiania kultury oraz wypieków.

Szczepy Saccharomyces cerevisiae były od wielu lat selekcjonowane pod względem zdolności produkcyjnych w procesie wypieku chleba. Dzięki takiemu podejściu możliwe było między innymi znaczące podniesienie ilości produkowanego przez te drożdże CO2 i tym samym zwiększenie ich zdolności do indukowania rośnięcia ciasta. Jakkolwiek, ciągle bardzo wiele pozostało do osiągnięcia na polu ulepszania drożdży piekarnianych w celu zapewnienia lepszej, bardziej pożądanej charakterystyki pieczywa oraz bardziej ekonomicznej propagacji samych drożdży na cele handlowe.

Najbardziej pożądanymi cechami w propagacji drożdży są oczywiście szybki wzrost komórek i uzyskiwanie dużej produkcji biomasy w jak najkrótszym czasie, najlepiej z wykorzystaniem odpadowych substratów różnych gałęzi przemysłu. Założenia te są z pewnością słuszne, jednakże ich osiągnięcie może nastręczać znaczących problemów. Obecnie, na skalę komercyjną, drożdże uzyskuje się z użyciem pożywki, jaką stanowi melasa buraczana czy też trzcinowa. Melasa jest produktem odpadowym produkcji cukru spożywczego, ma postać gęstego, ciemnobrązowego syropu i składa się przede wszystkim z sacharozy, wody, cukrów redukujących, aminokwasów, rafinozy. Sacharoza stanowi tu około 40% składu, stąd też melasy są bardzo odżywczym podłożem, sprzyjającym rozmnażaniu drożdży. Mogą one jednak zawierać również związki wpływające negatywnie na wzrost drożdży i własności produkowanego z ich użyciem ciasta. Ponadto, melasy nie mają ściśle zdefiniowanego składu i mogą wykazywać znaczące różnice, wpływające na efektywność produkcji. Dodatkowo, melasy zawierają znaczący udział cząstek stałych, które przez wykorzystaniem do propagacji drożdży muszą być z niej usunięte, co znacząco podraża koszty. Dlatego też, w dążeniu do polepszania wydajności produkcji masy drożdżowej zwrócono uwagę na możliwość przestrojenia metabolizmu drożdży tak, aby były w stanie utylizować wydajniej zawarte w różnorodnych pożywkach substancje odżywcze. Tutaj, z pomocą przychodzą techniki inżynierii genetycznej, umożliwiające uzyskiwanie drożdży transgenicznych o pożądanych cechach.

Pierwszym podejściem, związanym z manipulowaniem metabolizmem S. cerevisiae jest zintensyfikowanie zdolności wzrostowych drożdży na melasach. Można to osiągnąć „zmuszając” drożdże do efektywnej utylizacji innego cukru – rafinozy: trisacharydu, składającego się z glukozy, fruktozy i galaktozy, który pod wpływem drożdżowego enzymu – inwertazy jest hydrolizowany do fruktozy i melibiozy – disacharydu, który nie może być przez dzikie szczepy drożdży przyswajany ze względu na brak enzymu – α – galaktozydazy. Gen kodujący ten enzym można jednak wprowadzić do S. cerevisiae, uzyskując wydajniejszy wzrost na melasie, dzięki zwiększeniu przyswajalności obecnych w tym substracie źródeł węgla.

Kolejnym podejściem, służącym optymalizacji produkcji drożdży piekarnianych jest wykorzystanie innych niż melasy źródeł węgla. Jedną z możliwości jest zastosowanie produktu odpadowego przemysłu mleczarskiego – serwatki. Cukrem obecnym w serwatce jest laktoza, której dzikie drożdże zużywać nie mogą, gdyż nie produkują enzymu – β – galaktozydazy oraz innego białka – permeazy laktozowej, pozwalającego na transport galaktozy do komórki. I w tym przypadku z pomocą przychodzi inżynieria genetyczna. Można bowiem wyizolować odpowiednie geny z grzyba Kluyveromyces lactis i wprowadzić je do komórek S. cerevisiae aby i one „nabrały apetytu” na laktozę. Dzięki takiemu podejściu można niejako upiec dwie pieczenie na jednym ogniu. Można bowiem wyprodukować wydajnie drożdże na sprzedaż, a dodatkowo zutylizować serwatkę, która wbrew pozorom jest dużym zagrożeniem dla środowiska naturalnego i stanowi zanieczyszczenie zbiorników wodnych.

Dzięki technikom inżynierii genetycznej możliwe jest też wykorzystanie produktów zawierających skrobię do produkcji masy drożdżowej (wywar gorzelniany, ekstrakt słodowy). Skrobia, jak powszechnie wiadomo, zbudowana jest z dwóch rodzajów łańcuchów: nierozgałęzionej amylozy (20%) oraz amylopektyny, w której występują rozgałęzienia, przyłączone przez wiązania α – 1,6 – glikozydowe. Drożdże nie mogą wykorzystywać tak złożonego polimeru i wymagają ku temu zewnętrznej pomocy. Takiej pomoc można zapewnić drożdżom poprzez termiczną i enzymatyczną obróbkę skrobi, prowadzącą do jej scukrzenia i rozłożenia do postaci sacharozy. Tego typu pomoc jest jednak wielce nieopłacalna ze względów finansowych całego procesu. Dlatego też, pomocną dłoń wyciąga ponownie inżynieria genetyczna. Można bowiem wyposażyć drożdże w potrzebne do pełnego rozkładu skrobi enzymy, tworząc z nich prawdziwych „skrobiożerców”. Enzymy, których geny należy wprowadzić do komórek drożdży to: α – amylaza, tnąca wewnętrzne wiązania i prowadząca do powstania maltozy i rozgałęzionych oligosacharydów - dekstryn, glukoamylazy, odcinającej reszty glukozy od końców cząsteczki, także w miejscach rozgałęzienia, co pozwala na strawienie do postaci glukozy oraz pullulanazy, rozcinającej wydajnie rozgałęzienia i zwiększającej efektywność hydrolizy.

Struktura amylozy i amylopektyny

Źródło: http://www.lsbu.ac.uk/water/hysta.html

Kolejnym pomysłem jest „zmuszenie” drożdży do wzrostu na produkcie odpadowym przemysłu drzewiarskiego, rolniczego: lignocelulozie. Jest to podłoże mało sprzyjające wzrostowi mikroorganizmów w ogólności. Składa się z celulozy (polimeru glukozy z trudnymi w rozkładzie wiązaniami β – 1,4 – glikozydowymi), hemiceluloz (polimerów m.in. ksylozy z wiązaniami β – 1,4 – glikozydowymi) oraz ligniny (polimeru alkoholi pochodnych fenolu). W tym przypadku w celu zapewnienia efektywnego wykorzystania surowca konieczne jest wyposażenie drożdży w enzymy rozkładające celulozę, hydrolizujące ksylany oraz umożliwiające asymilację przez drożdże ksylozy, do czego w postaci dzikiej także nie są zdolne. Są to więc przedsięwzięcia skomplikowane, a także wymagające, mimo obecności transformowanych drożdży, wstępnej obróbki lignocelulozy, zapewniającej podatność jej składników na atak enzymatyczny.

Struktura celulozy

Źródło: http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/LAD/C4c/C4c_polysaccharides.html

Mając wyprodukowane drożdże, cechujące się dużą efektywnością wzrostu, należałoby pomyśleć nad możliwością ich dalszej „obróbki” w celu polepszenia własności pieczywa. Oczywiście, wszyscy lubimy gdy chlebek jest w środku puszysty, dobrze wyrośnięty, powoli obsycha i wolno poddaje się atakowi pleśni. Te cechy można osiągnąć poprzez modyfikację drożdży i „nakłanianie” ich do tworzenia specyficznych produktów, co pozwoli zbliżyć się nam do „chlebowego ideału”.

Po pierwsze, możliwe jest zintensyfikowanie procesu wzrostu ciasta poprzez „nakłonienie” drożdży do efektywnego metabolizowania maltozy, która obok glukozy, fruktozy, sacharozy stanowi składnik cukrowy mąki. Mianowicie, maltoza nie jest dla drożdży najbardziej pożądanym substratem cukrowym i w obecności glukozy, preferowanego cukru, geny metabolizmu maltozy ulegają represji (jest to zjawisko represji katabolicznej). Takie hamowanie pobierania i rozkładu maltozy wywołuje opóźnienie w produkcji CO2 przez drożdże, aż do momentu, gdy preferowane cukry zostaną zużyte a drożdże zdecydują się na bardziej energochłonną utylizację maltozy. Drożdże można jednak oszukać i pozbawić je ich pierwotnego ekonomicznego podejścia do życia, poprzez zamianę sekwencji zawiadujących ekspresją genów metabolizmu maltozy, na takie, które nie biorą udziału w inhibicji. Dzięki temu drożdże będą od samego początku zużywać maltozę i efektywnie produkować dwutlenek węgla.

Kolejnym wyzwaniem jest uzyskiwanie ciast mrożonych. Mianowicie, wzrost ciast mrożonych jest znacząco obniżony, co spowodowane jest utratą żywotności i zdolności produkcji CO2 przez traktowane tak niesprzyjającymi temperaturami drożdże. Efekt jest jeszcze silniejszy w ciastach słodkich, kiedy to komórki drożdży są dodatkowo poddawane stresowi osmotycznemu, wynikającemu z wysokich stężeń sacharozy, w wyniku czego wykazują trudności z utrzymaniem wody w obrębie komórek i także tracą wigor. Pożądane jest więc takie zmodyfikowanie drożdży, aby były w stanie przeciwstawić się niskiej temperaturze i ucieczce cennej wody. Aby zapewnić drożdżom większy komfort w tak niesprzyjających warunkach jak obniżona temperatura, można „nakłonić” je do nadprodukcji disacharydu glukozy z wiązaniami α – 1,1 – glikozydowymi: trehalozy, natomiast aby ochronić je przed ucieczką wody w środowisku słodkiego ciasta skuteczne okazało się zmuszenie drożdży do akumulacji wewnątrz komórek glicerolu.

Bardzo korzystnie na charakterystykę ciasta może też wpływać obecność dodatkowych, nie produkowanych przez drożdże enzymów. Od dawna w praktyce piekarniczej stosowano dodatki w postaci różnorodnych enzymów, zwłaszcza pochodzenia grzybowego. Takie jednak rozwiązanie ma kilka znaczących wad. Po pierwsze, tradycyjnie enzymy uzyskiwane są z pożywki pohodowlanej grzybów. Taka pożywka zawiera jednak oprócz pożądanych enzymów, także inne związki, które mogą negatywnie wpływać na produktywność drożdży i charakterystykę ciasta, stąd też albo pogarsza się niektóre cechy produkcyjne albo stosuje kosztowne procedury oczyszczania enzymów. Ponadto, jak wykazano, hodowle grzybów mogą wywoływać choroby zawodowe w postaci alergii. Dodatkowo, pojawia się problem standaryzacji ilości dodawanych enzymów, gdyż w zależności od hodowli grzybowej stężenia pożądanych enzymów mogą być bardzo różne. Enzymy dodane w nadmiarze mogą natomiast wpływać negatywnie na jakość uzyskiwanego ciasta. I tutaj odpowiedzią na bolączki jest inżynieria genetyczna, z której wykorzystaniem można uzyskać produkcję pożądanych enzymów bezpośrednio w komórkach drożdży.

Enzymami, które można wykorzystać do ulepszania produkcji pieczywa mogą być amylazy, pozwalające na rozkład skrobi, która bardzo obficie występuje w mąkach. Dzięki temu, zwiększa się ilość dostępnych dla drożdży źródeł pożywienia i tym samym zwiększa się ich produktywność. W efekcie uzyskuje się pieczywo bardziej wyrośnięte, o delikatniejszej teksturze. Dodatkowo, dzięki aktywności amylaz zwiększa się pula cukrów redukujących, biorących udział w reakcji Maillarda, odpowiadającej za brązowienie skórki i charakterystyczny zapach świeżego pieczywa. Dodatkowo, wykazano, iż dodatek amylaz i pullulanazy zwiększa czas przechowywania chleba, poprzez spowolnienie jego czerstwienia. Podobnie można wykorzystać enzymy rozkładające ksylany – hemicelulazy również obecne w mące (aczkolwiek wpływ pentozanów na proces czerstwienia jest dyskusyjny: w niektórych badaniach ich rozkład wydłuża świeżość pieczywa, natomiast w innych, tak jak wspomniano w podrozdziale poświęconym procesowi czerstwienia, wręcz przeciwnie – to dodatek pentozanów wpływa pozytywnie na długość czasu przechowywania; obserwacje te potwierdzają założenie ogromnego skomplikowania procesów związanych z czerstwieniem i udziału w nim bardzo wielu składników).

Możliwe jest też wykorzystanie proteaz, przede wszystkim enzymów rozkładających łańcuchy glutenu. Dzięki częściowej degradacji glutenu, możliwe jest kontrolowanie i manipulowanie konsystencją pieczywa, a także skrócenie produkcji, poprzez skrócenie etapu ugniatania ciasta. Można też zastosować lipooksygenazę, która przeprowadza reakcje utleniania wielonienasyconych kwasów tłuszczowych podczas mieszania ciasta. W wyniku tego procesu powstają hydroksynadtlenki, powodujące utlenianie mostków disiarczkowych łańcuchów glutenu i wpływając na lepkość pieczywa oraz czas ugniatania, podobnie jak proteazy.

Interesującym pomysłem jest również wykorzystanie drożdży w postaci immobilizowanej (unieruchomionej) na odpowiednim podłożu do produkcji pieczywa. Do immobilizacji ponadto wraz z drożdżami można wykorzystać bakterie kwasu mlekowego, produkujące kwas mlekowy i octowy, wpływające na walory smakowe pieczywa oraz przedłużające jego przechowywanie, z uwagi na spowolnione czerstwienie oraz hamowanie rozwoju pleśni. Takie immobilizowane kokultury bakteryjno – drożdżowe wpływają także na zmianę tekstury pieczywa, co powodowane jest innym rozkładem dużych, unieruchomionych cząstek z komórkami drożdży i bakterii w obrębie ciasta. Jak wykazano, można stosować różne podłoża do immobilizacji. Przykładowo może to być mieszanina skrobi, glutenu i mleka (tradycyjny przefermentowany produkt znany między innymi w Grecji jako trahanas) czy podłoże do immobilizacji mogą stanowić obierki pomarańczowe – produkt odpadowy przemysłu owocowego. Ponadto, do immobilizacji można wykorzystać naturalnie występujące kokultury drożdży i bakterii kwasu mlekowego w postaci kefiru.

Jak widać, potencjał związany z ulepszaniem drożdży jest ogromny. Dzięki różnym zmianom można wpływać na przeróżne cechy uzyskiwanego z nich pieczywa, w celu dostosowania ich do wymagań i smaków konsumentów. Jedyną jak do tej pory barierą powszechnego wykorzystania modyfikowanych genetycznie drożdży w produkcji piekarniczej jest ogólna obawa konsumentów przed GMO, zwykle bazująca na irracjonalnych przesłankach. Konieczne jest więc przełamywanie tych głęboko już zakorzenionych w umysłach stereotypów, aby móc w prosty, ekonomiczny i wydajny sposób wpływać na ulepszanie podstawowego składnika naszej diety, jakim jest pieczywo.

1. ‘Engineering baker’s yeast: room for improvement’ Francisca Randez-Gil, Pascual Sanz, Jose A. Prieto; Trends in Biotechnology; June 1999 (Vol. 17); 237 – 244
2. ‘Biotechnology of bread baking’ Yu-Yen Linko, Päivi Javanainen, Susan Linko; Trends in Food Science & Technology; October 1997 (Vol. 8); 339 – 344
3. ‘Use of immobilized cell biocatalysts in baking’ Stavros Plessas, Argyro Bekatorou, Maria Kanellaki, Athanasios A. Koutinas, Roger Marchant Ibrahim M. Banat; Process Biochemistry 42 (2007) 1244 – 1249
4. Construction of Baker's Yeast Strains that Secrete Aspergillus oryzae Alpha-amylase and their Use in Bread Making’ F. Randez-Gil, J. A. Prieto, A. Murcia and P. Sanz; Journal of Cereal Science 21 (1995) 185 – 193
5. ‘Construction of Baker’s Yeast Strains that Secrete Different Xylanolytic Enzymes and their use in Bread Making’ A. Monfort, A. Blasco, J. A. Prieto and P. Sanz; Journal of Cereal Science 26 (1997) 195 – 199
6. http://www.exploratorium.edu/cooking/bread/index.html#
7. http://www.helium.com/items/410397-bread-essential-every-world
8. http://www.hyfoma.com/en/content/food-branches-processing-manufacturing/other-branches/yeast-production/#heading6
9. http://www.joyofbaking.com/Yeast.html
10. http://www.taunton.com/finecooking/articles/yeast-role-bread-baking.aspx
11. http://www.howstuffworks.com/question57.htm
12. http://www.wikipedia.org/
13. ‘Bakery Products: Science and Technology’ Author: Y. H. Hui, Harold Corke, Wai-Kit Nip, Ingrid de Leyn, Nanna Cross; http://books.google.pl/books?id=UMNk-mczQkgC
14. http://www.bakersfederation.org.uk/antiquity.aspx
15. http://www.kitchenproject.com/history/Bread/
16. Vuyst L., Neysens P. „The sourdough mikroflora: biodiversity and metabolic interactions” Trends in Ford Science and Technology 16 (2005) 43-56
17. http://ahensoldt.wroclaw.pl/chleb.html
18. Gobbetti M. “The sourdough microflora: Interactions of lactic acid bacteria and yeasts” Trends in Ford Science and Technology 9 (1998) 267-274
19. http://science.nasa.gov/newhome/headlines/msad16mar99_1b.htm
20. www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/dydaktyka/materialy/TPF/1_drozdze_teoria.pdf
21. http://www.blackwell-synergy.com/doi/pdf/10.1111/j.1541-4337.2003.tb00011.x
22. http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/dydaktyka/materialy/biotechnologia/BIO%201.pdf
23. http://www.technolog.friko.pl/3.surowce/6.htm
24. http://www.taunton.com/finecooking/articles/choosing-flour-for-baking.aspx
25. http://pl.wikipedia.org/wiki/M%C4%85ka
26. http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=447206

Racemaza (EC 5.1.-.-) to enzym katalizujący inwersję wokół asymetrycznego atomu węgla w cząsteczce substratu mającej tylko jedno centrum chiralne (enzym specyficzny dla substratu o więcej niż jednym centrum chiralne nazywa się epimerazą). Substratem takiego enzymu jest więc cząsteczka chiralna.

Cząsteczka chiralna może występować w postaci jednego z dwóch enancjomerów, są one dla siebie wzajemnie „odbiciami lustrzanymi.”

Źródło: http://jan.ucc.nau.edu/~dsk5/AAGL/images/chart_08.jpg

Reakcja racemizacji na przykładzie alaniny

Źródło: http://static.icr.org/i/articles/imp/imp-023.gif

Racemazy (i epimerazy) dzieli się na cztery grupy: [1]

1. działające na aminokwasy i ich pochodne (EC 5.1.1.-);
2. działające na hydroksykwasy i ich pochodne (EC 5.1.2.-);
3. działające na węglowodany i ich pochodne (EC 5.1.3.-); do tej grupy należą wyłącznie epimerazy;
4. działające na inne substraty (EC 5.1.99.-);

Przemysłowe zastosowania znajdują głównie racemazy należące do pierwszej grupy.

Racemaza alaniny

Źródło: www.mrc-lmb.cam.ac.uk/genomes/date/1bd0.gif

Wszystkie racemazy aminokwasów wymagają kofaktora: fosforanu pirydoksalu. Jako biokatalizatory przyspieszają reakcję izomeryzacji obydwu enancjomerów, ale nie wpływają na równowagę reakcji – produktem jest mieszanina racemiczna. Racemaza fenyloalaniny (EC 5.1.1.11), jako jedyna, posiada aktywność ATPazy – sprzęga reakcję L-Phe ⇔ D-Phe z korzystną energetycznie hydrolizą ATP do AMP i PPi. Dzięki temu, podczas reakcji uprzywilejowane jest tworzenie D-fenyloalaniny; stosunek stężeń powstających izomerów L i D wynosi około 3:7. [2]

Enzymy należące do grupy racemaz występują powszechnie u bakterii. Przykładem może być racemaza alaniny (EC 5.1.1.1), czy racemaza glutaminianu (EC 5.1.1.3), służące generacji D-aminokwasów – substratów do syntezy peptydoglikanu. [3]

W skład peptydoglikanu wchodzą D-aminokwasy

Źródło: http://www.nature.com/nrmicro/journal/v5/n4/images/nrmicro1620-i1.jpg

Choć może się to wydawać zaskakujące, racemazy mogą znaleźć zastosowanie przy produkcji optycznie czystych enancjomerów. Stosuje się je w procesach biotransformacji prowadzonych przez stereospecyficznie działające enzymy, gdzie substratem jest mieszanina racemiczna właściwego substratu i jego enancjomeru. Racemaza, ułatwiając wzajemne przejścia między dwoma izomerami, uzupełnia ubytek substratu kosztem jego nieaktywnego enancjomeru. Dzięki temu wykorzystane są obydwa enancjomery, czyli wydajność produkcji jest dwukrotnie większa. Równocześnie substrat do reakcji nie wymaga wstępnego oczyszczania, które byłoby skomplikowane, drogie, czasochłonne i wiązałoby się z nieuchronną utratą części substratu.

Substratem do syntezy L-lizyny jest w tym wypadku L-α-amino-ε-kaprolaktam (nazwa systematyczna: L-2-aminoheksano-6-laktam), dostarczany w formie racematu z enancjomerem D. Enzym hydrolaza L-aminolaktamowa generuje L-lizynę selektywnie z enancjomeru L, a ubytek substratu uzupełnia obecna w mieszaninie reakcyjnej racemaza L-2-aminoheksano-6-laktamowa (EC 5.1.1.15) z Achromobacter obae. Hydrolazę L-aminolaktamową izoluje się z Cryptococcus laurentii, drobnoustroju zdolnego do wzrostu na L-aminolaktamach jako źródle węgla i azotu. Jako że oba zastosowane enzymy mają podobne optima pH, reakcję można prowadzić jednoetapowo. Możliwe jest także prowadzenie procesu przy użyciu immobilizowanych całych, żywych lub martwych komórek obydwu rodzajów, Cryptococcus i Achromobacter. [4]

Zastosowanie racemazy alaniny pozwala na wydajne otrzymywanie D-aminokwasu na drodze fermentacji mikrobiologicznej, pomimo iż jest to aminokwas niebiałkowy. Powstająca z pirogronianu L-alanina jest przekształcana przez racemazę do D-alaniny, która następnie jest preferencyjnie wydzielana z komórki, tym samym przesuwając równowagę reakcji w stronę dalszej transformacji L-alaniny w D-alaninę. Tym sposobem otrzymano optycznie czystą D-alaninę w ilości 5g/l hodowli. Pochodne D-alaniny znajdują zastosowanie jako insektycydy, pestycydy, substraty do syntezy półsyntetycznych penicylin i cefalosporyn. Także inne racemazy działające na „prochiralne” substraty (α-ketokwasy, L-aminokwasy) stanowią tani i wydajny system produkcji przemysłowej D-aminokwasów. [5]

Deaminazy i transaminazy aminokwasów wykorzystuje się do otrzymywania α-ketokwasów z tanich aminokwasów. Zastosowanie racemaz aminokwasów pozwala na produkcję α-ketokwasów również z tych aminokwasów, których czyste optycznie preparaty są zbyt drogie do celów przemysłowych. Wykorzystując racemazy, można jako substrat stosować mieszaniny racemiczne tych aminokwasów. [6]

Metoda hydantoinowa wykorzystuje jako substrat D,L-5-monohydantoinowe pochodne aminokwasów otrzymane na drodze syntezy chemicznej. Wykorzystuje się enzym hydantoinazę, odcinającą hydantoinowy podstawnik i działającą stereoselektywnie na tylko jeden izomer. Powstałe aminokwasy można łatwo oddzielić od pochodnych hydantoinowych ze względu na różne właściwości fizyczne i chemiczne. Do spontanicznej racemizacji hydantoinowych pochodnych aminokwasów konieczna jest ich tautomeryzacja keto-enolowa; całą reakcję prowadzi się w środowisku alkalicznym, w warunkach sprzyjających tautomeryzacji. Mimo to, jest to najwolniejszy i najmniej wydajny etap syntezy. Ze względu na długi czas jego trwania, D-aminokwasy udaje się otrzymać prawie wyłącznie z D-monohydantoinowych pochodnych, a L-aminokwasy z L-monohydantoinowych pochodnych, a więc tylko z połowy dostarczonych cząsteczek substratu. Zastosowanie racemaz hydantoinowych pozwala na znaczne zwiększenie wydajności procesu.

D-Hydantoinazy występują powszechnie u bakterii, ich rolą jest degradacja 5,6-hydropyrimidyny. W przemyśle znalazła już zastosowanie hydantoinaza D-p-hydroksyfenyloglicyny. Enzym ten katalizuje hydrolizę izomeru D, ale nie izomeru L, co umożliwia późniejszą izolację czystego optycznie D-aminokwasu. Większą (bliską 100%) wydajność produkcji można uzyskać dzięki racemazom hydantoinowym, głównie z Pseudomonas i Agrobacter. Cały proces prowadzi się przy użyciu enzymów immobilizowanych. [7]

Znane są również hydantoinazy hydrolizujące selektywnie izomery L, choć ich rola biologiczna nie jest jeszcze wyjaśniona. Wykazano za to, że skuteczne są oparte na nich przemysłowe metody otrzymywania czystych optycznie L-aminokwasów: L-glutaminianu, L-leucyny, L-izoleucyny i L-aminokwasów aromatycznych. Tu również zastosowanie odpowiedniej racemazy hydantoinowej pozwala zwiększyć wydajność procesu. Szczególnie istotne znaczenie przemysłowe ma otrzymywanie L-glutaminianu w wyniku aktywności hydantoinazowej Bacillus brevis, metoda alternatywna dla syntezy tego aminokwasu de novo przez Corynebacterium glutamicum. [8,9]

Również w tym przypadku zastosowano dwa enzymy: racemazę kwasu migdałowego (EC 5.1.2.2) i stereoselektywną lipazę. Proces przebiega dwuetapowo, ponieważ reakcja katalizowana przez lipazę zachodzi w bezwodnym środowisku eteru diizopropylowego, natomiast racemaza kwasu migdałowego jest nieaktywna w rozpuszczalnikach organicznych. Pierwszy etap obejmuje O-acylację izomeru S kwasu migdałowego przez lipazę, jest on prowadzony aż do przekształcenia w O-acylopochodną połowy substratu (bo substratem jest racemat). Następnie lipaza jest odfiltrowywana, rozpuszczalnik organiczny zastępowany wodnym roztworem i dodawana jest do niego racemaza, katalizująca przekształcenie części pozostałego izomeru R w S. Te dwa etapy powtarza się kilkukrotnie – przy czterech powtórzeniach wydajność konwersji wynosi 94%. Zastosowanie immobilizowanych enzymów pozwala na ich wielokrotne użycie. [10]

Nieco inne zastosowanie tych przydatnych enzymów. System taki opiera się na wykorzystaniu gospodarza auksotroficznego, w tym wypadku szczepu Corynebacterium glutamicum z delecją genu alr, kodującego racemazę alaniny. Wektor z transgenem wprowadzanym do komórek bakterii niesie dodatkowo gen alr, a po transformacji komórki wysiewa się na podłoże niezawierające D-alaniny. W takich warunkach istnieje silna presja selekcyjna faworyzująca komórki, które pobrały plazmid – pozostałe nie będą zdolne do syntezy peptydoglikanu, a więc do wzrostu. System ten okazał się być równie wydajny jak system oparty na oporności na tetracyklinę. W przemyśle znalazł zastosowanie przy produkcji kwasu pantotenowego. [11]

W dobie wzrastającej lekooporności patogennych szczepów bakteryjnych, ogromnego znaczenia nabiera projektowanie nowych, skutecznych leków, w tym – poszukiwanie nowych celów dla antybiotyków. Jednym z obiecujących pomysłów jest synteza antybiotyku o aktywności inhibitora racemazy alaniny. Enzym ten posiada kilka cech czyniących go atrakcyjnym celem dla leku:

• występuje powszechnie wśród bakterii, a równocześnie jest nieobecny u ludzi;
• jego aktywność jest niezbędna do budowy ściany komórkowej (syntezy peptydoglikanu), a więc do wzrostu bakterii;
• podobna struktura centrum aktywnego enzymu u bakterii różnych gatunków stwarza nadzieję na uzyskanie leku skutecznego względem szerokiego spektrum patogenów. [12]

1. http://www.expasy.org/enzyme/5.1.-.-
2. www.wikipedia.org
3. Soda, K., Esaki, N., Pyridoxal Enzymes Acting on D-Amino Acids, Pure & Appl. Chem., Vol. 66, No. 4, pp. 709-714.
4. Ahmed, S.A., Esaki, N., Tanaka, H., Soda, K., Properties of α-amino-ε-caprolactam Racemase from Achromobacter obae, Agric. Biol. Chem., 47 (8), 1887-1893, 1983
5. Yamada, S., Maeshima, H., Wada, M., Chibata, I., Production of D-Alanine by Corynebacterium fascians, Appl Microbiol. 1973 April; 25(4): 636–640.
6. Industrial Biotransformations. red Andreas Liese, Karsten Seelbach, Christian Wandrey. Wiley-VCH 2006.
7. Martinez-Gomez, A.I., Martinez-Rodriguez, S., Clemente-Jimenez, J.M., Pozo Dengra, J., Rodriguez-Vico, F., Las Heras-Vasquez, F.J., Recombinant Polycistronic Structure of Hydantoinase Process Genes in Escherichia coli for the Production of Optically Pure D Amino Acids, Applied and Enviromental Microbiology, Vol. 73, No. 5, Mar. 2007, p. 1525–1531
8. Syldatk, C., Läufer, A., Müller, R., Höke, H., Production of Optically Pure D- and L-α-Amino Acids by Bioconversion of D-l-5-monosubstituted Hydantoin Derivatives, w: Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Springer Berlin / Heidelberg, 1990
9. Dictionary of Renewable Resources. Zoebelein, H., Böllert, V. Wiley-VCH 2001.
10. Strauss, U. T., Faber, K., Deracemization of mandelic acid using a lipase–mandelate racemase two-enzyme system, Tetrahedron: Asymmetry 10 (1999) 4079–4081
11. Tauch, A., Götker, S., Pühler, A., Kalinowski, J., Thierbach, G., Cabral, J.S., The Alanine Racemase Gene alr Is an Alternative to Antibiotic Resistance Genes in Cloning Systems for Industrial Corynebacterium glutamicum Strains, Journal of Biotechnology, Volume 99, Issue 1, 9 October 2002, Pages 79-91
12. Strych, U., Davlieva, M., Longtin, J.P., Murphy, E.L., Im, H., Benedik, M.J., Krause, K.L., Purification and Preliminary Crystallization of Alanine Racemase from Streptococcus pneumoniae, BMC Microbiology 2007.