تقرير عن التخمر

[TALA 2010]

تقرير عن النخمر وبتمنى ان يفيدكم 0000000000000000000
التخمر Fermentation
حيث أن معظم الاستخدامات الشائعة لتطبيقات البكتريا فى الغذاء ترتبط بقدرتها على إحداث عمليات تخمر مختلفة، فسوف يتم التعرض لهذا الجزء بشئ من التفصيل فى الصفحات القادمة. إن المعنى العلمى للتخمر هو إنتاج وتحرير الطاقة من المواد الغذائية من خلال عمليات الأيض المرتبطة بالتنفس اللاهوائى. وتتحول هذه المواد الغذائية من خلال عمليات التخمر إلى حمض اللاكتيك والخليك والإيثانول. ويعتبر التخمر هو أول تطبيقات البيوتكنولوجى (التقنية الحيوية) ويشير إلى العمليات الأيضية التى تتم بواسطة الميكروبات (البكتريا والفطريات) وينتج عنها الطاقة فى غياب الأكسجين أو أى من المستقبلات النهائية للإلكترونات فى سلسلة حملة الإلكترونات other terminal electron acceptors in electron transport chain مثل الفيومارات أو النترات Fumarate or nitrate.
وكان لفظ التخمر يطلق فى الثقافة المصرية القديمة على أنه مرادف لحفظ الطعام واستعادة قيمته الغذائية لاحقاً فقد كان يستخدم فى مصر عندما كان يترك العجين dough المصنوع من القمح والشعير لفترة زمنية "ليخمر" قبل عملية الخبز. وعلى عكس العجين الذى كان يتم خبزه مباشرة، فإنه قد لوحظ أنه إذا ترك العجين لفترات طويلة فإن حجمه يزداد وعند خبزه ينتج عنه خبزاً ذو مذاق أفضل وهشاً. هذه العملية لم تكن تتم بانتظام آنذاك أى أنها متروكة للصدفة إذا ترك العجين لفترات أطول ومايصاحبها من المذاق الأفضل والقوام الهش. إلا أنه لوحظ أيضاً أن إضافة جزء من ذلك العجين المتروك إلى جزء من عجين طازج فإن الخبز الناتج عن الأخير يكتسب نفس الصفات المرغوبة. وبدأ الرومان فى تحسين وضبط إيقاع هذه العملية ونشرها. كما قاد اكتشاف التخمر فى مصر إلى أول إنتاج للخمر والكحول. كل هذه الاكتشافات كانت ملاحظات عابرة ترجع لحوالى 3000 عام. قبل وضع تعريف علمى محدد للتخمر ودراسة عملياته إلى أن قام لويس باستير عام 1857 بإيضاح أن الكحول يمكن أن يتم إنتاجه عن طريق الخميرة عند تربيتها فى ظروف معينة Specific particular conditions. وبالمعنى الأشمل والأوسع Broader meaning للتخمر فإن التخمر يشير إلى نمو الكائنات الدقيقة على الموالد الغذائية. وعند هذا المستوى لايوجد تفرقة بين التنفس الهوائى أو غير الهوائى. وسوف يتم استخدام التخمر وفقاً لهذه الصورة فهو التغير التدريجى للمكونات الغذائية الناتج عن فعل الإنزيمات المفرزة بواسطة الكائنات الدقيقة النامية على هذه المواد الغذائية.
وقد كان لهذا الاكتشاف أثر الثورة فى مجال صناعات الغذاء الحديثة. ومن أهم المنتجات الناتجة عن التخمر مايلى: جدول 1

الخضروات المخمرة Fermented Vegetables
تتم عملية تخمير الخضروات مثل الخيار والكرنب والزيتون من خلال سلسلة من المراحل series of stages كما يلى:
1- مرحلة البداية Initiation stage
فى البداية تبدأ عديد من الكائنات الهوائية واختيارية التنفس الهوائى واللاهوائية aerobic, facultative and anaerobic فى النمو، ثم تبدأ إفراز حامض اللاكتيك بواسطة Streptococcus and Lactobacillusفينتج عن ذلك انخفاض الـ pH وتثبط نمو البكتريا سالبة الصبغ لجرام المكونة للجراثيم غير المرغوب فيها undesirable Gram negative spore forming
2- مرحلة التخمر الأولية Primary fermentation stage
تسود خلال هذه المرحلة بكتريا حامض اللاكتيك والخمائر المخمرة fermentative yeasts ويستمر التخمر حتى تستهلك كل الكربوهيدرات المتاحة أو إلى أن تصبح الـ pH منخفضة sufficiently low بصورة تمنع النمو البكتيرى.

3- مرحلة التخمر الثانية Secondary fermentation
حيث تقوم الخمائر yeasts التى تقوم بعملية التخمر والتى تتحمل الحموضة العالية fermentative and acid-tolerant باستغلال أية كربوهيدرات متبقية.
4- مرحلة مابعد التخمر Post-fermentative stage
قد يحدث نموات ميكروبية لاسيما الفطريات الخيطية molds والخمائر المؤكسدة oxidative yeasts على سطح المنتج المتخمر fermented products وهناك استغلال كبير لهذه المراحل على المستوى الصناعى فى إنتاج المخللات. ويوضح الجدول التالى بعض أمثلة لمنتجات غذائية مخمرة fermented food products جدول 2


ومن الطبيعى أن نتعرض الآن لقضية الأمان فى المواد الغذائية المخمرة.

الأمان فى الغذاء المتخمر Safety in fermented food
سجلت المواد الغذائية المخمرة معدلات أمان عالية حتى فى البلدان النامية Developing countries والتى يتم فيها إنتاج الغذاء تحت ظروف واشتراطات صحية بسيطة. ويأتى مصدر الخطر أن هناك عديد من الميكروبات الضارة السامة مثل Clostridium والـ Salminella يمكنها أن تنمو على المواد الغذائية أثناء تخمرها. على سبيل المثال عند تخمر الـ Tempeh (مطحون حبوب صويا يتم تخميرها بطريقة معينة وهى غذاء شائع فى إندونيسيا) فإنه يتم توفير ظروف مواتية لفطرة الرايزوبس Rhizopus مثل عدد كبير من جراثيم الفطرة وجفاف و pH منخفضة عن طريق عملية تخمر طبيعية لحمض اللاكتيك من خلال ماء النقع Soaking water أو بطريقة صناعية عن طريق إضافة حمض اللاكتيك أو الأسيتيك بعد الانتهاء من عملية نقع الحبوب.
1- تخمر حامض اللاكتيك Lactic acid fermentation
يعتبر حامض اللاكتيك أحد المنتجات ذات الأهمية الكبرى فى المجال الصناعى إذ أن مشتقاته تلاقى استخدامات متنوعة. على سبيل المثال، لاكتات الكالسيوم calcium lactate تستخدم فى معالجة نقص الكالسيوم calcium deficiency وتستخدم iron lactate فى معالجة الأنيميا و butyl lactate تستخدم كمذيب للورنيش ولاكتات الصوديوم sodium lactate تستخدم فى صناعات البلاستيك وكمادة مرطبة plasticizer and moisturizer. وتمتلك بكتريا حمض اللاكتيك القدرة على إنتاج حامض اللاكتيك من السكريات عن طريق عملية تعرف بالتخمر. ولعل الأنواع التالية: Lactobacillus, Leuconostoc mesenteroides, Pediococcus cerevisiae, Streptococcus lactis and Bifidobacterium bifidusمن أشهر الأنواع القادرة على إنتاجه. ويتم تقسيم بكتريا حامض اللاكتيك بالاعتماد على قدرتها على إنتاج حامض اللاكتيك بالتخمر من مواد كربوهيدراتية مختلفة بالإضافة إلى صبغة جرام فبكتريا الـ Lactobacillusموجبة الصبغ لجرام وتتباين مورفولوجيا مابين أشكال عصوية طويلة رفيعة إلى أشكال كرية قصيرة Coccobacilli والتى عادة ماتكون سلاسل frequently form chains.
ودراسة الأيض الخاص بهذه البكتريا يوضح أنها قادرة على التخمر fermentative، مقاومة للهواء aerotolerant وقد تستطيع استخدام الأكسجين من خلال إنزيم flavoproteins oxidase، وبعضها الآخر يكون لاهوائياً strictly anaerobic. إلا أن أنواع اللاكتوباسيلس الحاملة للجراثيم spore bearing lactobacilli تكون اختيارية التنفس اللاهوائى facultative anaerobic والباقى منها يكون لاهوائى. ويكون أفضل نمو لها عند Ph تتراوح بين 5.8-5.5 ولها احتياجات غذائية معقدة من حيث الأحماض الأمينية والببتيدات والقواعد النيوكليوتيدية nucleotide bases والفيتامينات والمعادن والأحماض الدهنية والكربوهيدرات.
ويمكن تقسيم جنس Lactobacillus إلى 3 مجموعات بناء على أنواع التخمرات Fermentation patterns:
1- homofermentative (متجانسة نواتج التخمر)
وتنتج أكثر من 85% من نواتج التخمر فى صورة حمض اللاكتيك من الجلوكوز.
2- heterofermentative (متباينة نواتج التخمر)
وتنتج فقط حوالى 50% حمض لاكتيك وكميات أخرى من الكحول افيثيلى وثانى أكسيد الكربون.
3- أنواع متباينة فى نواتج التخمر لكنها معروفة بدرجة أقل Less well-known heterofermentative والتى تنتج DL-lactic وحمض الخليك وثانى أكسيد الكربون.
ونجد أن عديد من المواد الكربوهيدراتية مثل نشا القمح، ونشا البطاطس والمولاس وشرش اللبن يمكن استخدامها فى إنتاج حمض اللاكتيك بواسطة الكائنات الدقيقة. إلا أنه يجب عند استخدام أى من أنواع النشا أن يتم تحليلها مائياً أولاً إلى جلوكوز عن طريق المعاملة بالأحماض أو الإنزيمات acid or enzymatic hydrolysis. ويعتمد اختيار نوع المادة الكربوهيدراتية على وفرتها availability وعلى نوع المعاملات treatments المطلوبة قبل إجراء عملية التخمر وتكلفة كل ذلك.
وعادة مايستخدم شرش اللبن المتخلف عن صناعة الجبن والزبد من اللبن فى إنتاج حامض اللاكتيك إذ أنه رخيص الثمن ويعتبر وسط نمو مناسب لعديد من الأنواع البكتيرية. وهو (أى شرش اللبن) محلول مائى من سكر اللبن (اللاكتوز) ومواد نيتروجينية مثل الفيتامينات وأملاح معدنية متنوعة. وحيث أن التخلص من disposal شرش اللبن غير المعالج untreated يمكن أن ينتج عنه التلوث، فإن استخدام الشرش فى إنتاج حامض اللاكتيك يضيف بعد بيئى هام. ويجب أن تكون الكائنات الدقيقة المستخدمة فى صناعة حامض اللاكتيك قادرة على النمو بصورة جيدة على الشرش فى حالة استخدامه كمصدر وتستطيع أن تخمر كل محتواه من سكر اللاكتوز وتحوله إلى حامض اللاكتيك كما فى المعادلة الآتية: شكل 3
وتعتبر أنواع بكتريا الـ Lactobacilliخاصة L. bulgaricus مناسبة لهذا الغرض. ولكى يتم حقن هذه البكتريا L. bulgaricusفى تنك التخمير Fermentation tank فإنه يتم زراعتها بصورة متسلسلة تتدرج بالزيادة فى حجم الآنية XXXXXXly in increasingly larger volumes tanks التى تحتوى على لبن منزوع الدسم معقم sterilized skim milk ثم لبن منزوع الدسم مبستر pasteurized ثم فى النهاية شرش whey. ويستخدم اللبن فى البداية إذ أنه يعد وسطاً أفضل من الشرش وبالتالى ينتج عنه محقون inoculum ذو حجم وكثافة أكبر. ثم يتم إضافة المزرعة النامية على الشرش whey culture إلى تانك التخمر بتركيز يمثل حوالى 5-10% من حجم السائل الكلى المطلوب تخميره. ويتم ضبط درجة الحرارة عند 43°م وهى درجة كافية لمنع أو تثبيط نمو عديد من الكائنات الدقيقة الأخرى دون أن يؤثر ذلك على نشاط الـ L. bulgaricus.
ويتم إضافة كميات من هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)2 بصورة منتظمة Periodically لمعادلة الحموضة ويتكون لاكتات الكالسيوم وإلا سينتج عن تراكم حمض اللاكتيك تثبيط لعملية التخمر retardation. وتتم عملية التخمر تقريباً بعد يومين ويتم رفع درجة حرارة محتويات التانك إلى درجة الغليان ليحدث تجلط coagulation للبروتين الميكروبى ويتم الترشيح الذى يتم فيه فصل البروتين الميكروبى ويتم معالجته ليصبح إضافات لتغذية الحيوانات وأما الرشيح filtrate والذى يحتوى على ملح لاكتات الكالسيوم الذائب يتم تركيزه عن طريق vacuum (تفريغ الهواء) لإزالة الماء ويحدث بعد ذلك معاملات إضافية لتنقية المركب
ويوجد بعض أنواع من الـ Lactobacillusلها أهمية فى مجال العلاجومنها:
L. sporogenus, L. acidophilus, L. plantarum, L. casei, L. brevis, L. delbruckii, L. lactis
إذ أن النشاط الأيضى لهذه الأنواع هو المسئول عن فوائدها العلاجية فمثلاً أنواع اللاكتوباسيلس التى يتم تربيتها على وسط غذائى يحتوى على اللبن تستطيع القيام بالأنشطة التالية:

1- النشاط المحلل للبروتين Proteolysis
يتم تكسير البروتينات إلى مركبات أسهل تمثيلاً more easily assimilable : شكل 4
وهذه الأنشطة للاكتوباسيلس فى القناة المعدية المعوية gastrointestinal تساعد على هضم البروتين ويكون لذلك أثر هام للغاية فى مجال تغذية الأطفال والمسنين ومن فى دور النقاهة.
2- النشاط المحلل لليبيدات Lipolysis : شكل 5
ولهذه الخاصية أهمية كبرى فى إعداد مواد غذائية لراغبى الريجيم dietetic formations ولذوى الاحتياجات الغذائية الخاصة. وقد أوضحت الأدلة الطبية Clinical على أن بكتريا اللاكتوباسيلاس قادرة على تكسير الكولستيرول فى المصل. كما أنها (أى اللاكتوباسيلاس) تساعد على إذابة أملاح الصفراء. ولهاتين الملاحظتين دلالة طبية كبيرة.
3- أيض اللاكتوز Lactose ****bolism
تمتلك بكتريا حامض اللاكتيك مجموعة من الإنزيمات التى تستطيع بها إنتاج حامض اللاكتيك من اللاكتوز وهذه الإنزيمات: b-galactosidase – glycolases and lactic dehydrogenase (LDH). وقد سجل أن لحامض اللاكتيك أهمية فسيولوجية فى عدة جوانب تشمل:
أ‌- تحسين هضم بروتينات اللبن عن طريق ترسيبها فى صورة حبيبات دقيقة متخثرة.
ب‌-تحسن من استغلال الكالسيوم والفوسفور والحديد.
ت‌-يحفز إفراز العصارة المعدية.
ث‌-يسارع من نقل محتويات المعدة للأمعاء.
وتعتمد كمية المتشابهات الضوئية المنتجة من حامض اللاكتيك Optical isomeric forms على طبيعة المزرعة. وتكون التركيبات الفراغية لهذه الأيزوميرات كما يلى: شكل 6
وفى الإنسان يتم امتصاص الصورتين الفراغيتين من القناة المعوية وبينما نجد أن الصور L(+) تمتص تماماً ويتم تمثيلها سريعاً فى تخليق الجليكوجين فإن الصورة D(-) يتم تمثيلها بمعدل أقل Lesser ****bolized وتفرز كمية الحمض التى لم يتم تمثيلها un****bolized فى البول. ووجود كمية غير ممثلة من حمض اللاكتيك ينتج عنها مايعرف بالـ ****bolic acidosis فى الأطفال. وتنتج بكتريا Lactobacillus acidophilusالصورة الفراغية D(-) وبالتالى فإن أهميتها الطبية محل جدل على الرغم من كونها استخدمت مبكراً فى عديد من المستحضرات العلاجية. وعلى النقيض، نجد أن L. sporogenes تنتج الصورة L(+) وبالتالى فهى الأكثر تفضيلاً.
ونجد أن قابلية الأنواع المختلفة للـ Lactobacillus على تحويل اللاكتوز إلى حامض اللاكتيك يمكن استغلالها بصورة ناجحة فى معالجة المقاومة للاكتوز لدى بعض الأفراد Lactose tolerance الذين لايستطيعون تمثيل اللاكتوز نظراً لنقص أو خلل Lack or dysfunction فى إنزيماتهم. فنجد أن حمض اللاكتيك يقلل قيمة الـ pH الخاصة بالأمعاء إلى 4-5، وبذلك يثبط نمو الكائنات الدقيقة المسببة لتعفن البروتينات Putrefactive organisms وكذلك الـ E.coli إذ تتطلب هذه الكائنات رقم حموضة (pH 6 to 7). كذلك فإن بعض الأحماض المتطايرة volatile acids التى يتم إنتاجها خلال عملية التخمر تحتوى على نشاط مضاد للميكروبات antimicrobial activity عند سيادة ظروف لاتسمح بعمليات الأكسدة – اختزال (under conditions of low oxidation reduction potential).
لقد وجد أن بكتريا حامض اللاكتيك تثبط نمو الكائنات الدقيقة التى تعمل على تعفين البروتينات Putrefactive microorganisms من خلال إفرازها (أى بكتيرا حمض اللاكتيك) لنواتج أيضية أخرى مثل فوق أكسيد الهيدروجين hydrogen peroxide وثانى أكسيد الكربون وثنائى الأسيتيل Diacetyl.
ويقدم الجدول التالى النواتج الأيضية لبكتريا حمض اللاكتيك التى ثبت أنها ذات أثر مضاد of antagonistic action ضد الكائنات الدقيقة التى تعمل على تعفن البروتينات وكذلك موضح أمام كل منها طراز عملها mode of action : شكل 7
# هذا، وتستخدم بكتريا حامض اللاكتيك على مستوى العالم لإنتاج أغذية خاصة مثل:
العالم الغربى: الزبادى، خبز هش معد بطريقة خاصة، الخيار المخلل والزيتون
الشرق الأوسط: الخضروات المخللة
كوريا: الكيمشى (Kimchi) وهو عبراة عن مخلوط متخمر من الكرنب الصينى والفجل والفلفل الأحمر والثوم والزنجبيل.
مصر: اللبن الرايب والكشك البلدى (عبارة عن حبوب متخمرة مع خليط من اللبن)
نيجيريا: (جارى) وهو نبات متخمرCasava
جنوب أفريقيا: (ماجو) وهو عصيدة من الذرة المتخمرة.
تايلاند: (النهام) وهم لحم خنزير نيئ مخمر
الخاثر : اللبن الرائب ( المتخمر ) وهي تسمية محلية في العراق
الداهي : اللبن المتخمر في الند
ونجد أن وجود حمض اللاكتيك المنتج خلال التخمر هو المسئول عن المذاق اللاذع Sour وعن الثبات الميكروبيولوجى (ضد الفساد) والأمان للغذاء المخمر المحتوى على هذا الحمض. وهو المسئول عن المذاق الخاص لبعض الخضروات المتخمرة والمخللة حيث يتحول السكر الموجود بالكرنب إلى حامض اللاكتيك ويعمل كمادة حافظة.