Fermentacja to technologia przetwarzania wykorzystująca działanie drobnoustrojów w naturalnych lub sztucznie kontrolowanych warunkach w celu nadania mięsu niepowtarzalnego smaku, koloru i tekstury, co pozwala na wytwarzanie produktów mięsnych o przedłużonym okresie przydatności do spożycia.
Dwie generacje bakterii starterowych
Startery I generacji pochodzą z roślin reprezentowanych przez Lactobacillus plantarum i Pediococcus pentosaceus. Zakwasy drugiej generacji izolowane są z produktów mięsnych, które bardziej nadają się do produkcji kiełbas fermentowanych. Ich dominującymi mikroorganizmami są Lactobacillus sakei i Lactobacillus curvatus. Dzięki silnym przewagom konkurencyjnym te dwa szczepy mogą hamować dzikie bakterie kwasu mlekowego w środowisku naturalnym i zdominować cały proces fermentacji i suszenia.
Startery drugiej generacji mają również następujące właściwości: mogą wytwarzać enzymy biorące udział w tworzeniu barwy i substancje aromatyczne. Smak i jakość sensoryczna kiełbas fermentowanych wynikają z połączonego działania bakterii kwasu mlekowego, mikrokoków i drożdży znajdujących się wewnątrz kiełbasy. Obecnie sklonowano gen β-galaktozydazy, gen katalazy i gen bakteriocyny pałeczek kwasu mlekowego, co może poprawić właściwości szczepów bakteryjnych. Zastosowanie bakterii kwasu mlekowego wytwarzających bakteriocynę w kiełbasach fermentowanych może zwiększyć konkurencyjność zakwasów i zahamować rozwój bakterii chorobotwórczych. Lactobacillus plantarum, Lactobacillus sakei i Lactobacillus curvatus są zdolne do wytwarzania bakteriocyn.
Funkcje mikroorganizmów w fermentowanych produktach mięsnych
Aby obniżyć wartość pH, zapobiec psuciu się, poprawić teksturę i smak tkanki; promować rozwój koloru; zapobiegają przebarwieniom oksydacyjnym; zmniejszyć powstawanie nitrozoamin; oraz hamują wzrost i produkcję toksyn patogennych mikroorganizmów.
Mikroorganizmy w kiełbasach fermentowanych obejmują głównie bakterie kwasu mlekowego, mikrokoki, pleśnie i drożdże, z których każdy odgrywa wyjątkową rolę w tworzeniu smaku i bezpieczeństwie żywności kiełbasy fermentowanej.
Metody fermentacji
① Naturalna fermentacja
W tradycyjnym przetwarzaniu fermentacja całkowicie opiera się na rodzimych bakteriach kwasu mlekowego w surowym mięsie. Bakterie kwasu mlekowego są wszechobecne w surowym mięsie, ale ich początkowa liczba jest wyjątkowo niska, chyba że surowe mięso było przechowywane przez pewien czas w opakowaniach próżniowych.
Warunki początkowe ciasta kiełbasianego są na ogół niekorzystne dla rozwoju dominujących w mięsie bakterii Gram-ujemnych, sprzyjają jednak namnażaniu się bakterii Gram-dodatnich, gronkowców koagulazo-dodatnich i koagulazo-ujemnych oraz bakterii kwasu mlekowego. Dowody wskazują, że fermentacja kwasu mlekowego obejmuje sekwencyjną sukcesję drobnoustrojów od Enterobacteriaceae do Enterococci, a na końcu do Lactobacilli i Pediococci. Przy płynnej fermentacji bakterie kwasu mlekowego namnażają się szybko, osiągając liczbę kolonii 106–108 jtk/g w ciągu 2 do 5 dni. Wynikający z tego spadek pH powoduje śmierć Pseudomonas i innych wrażliwych na kwas pałeczek Gram-ujemnych w ciągu 2 do 3 dni, podczas gdy bakterie kwasoodporne, takie jak Salmonella, mogą przeżyć dłużej.
Po osiągnięciu ilości szczytowej populacja bakterii kwasu mlekowego stopniowo maleje. Jednakże kiełbasy dojrzewające pleśnią często wykazują drugi szczyt wzrostu po około 15 dniach, zgodny ze wzrostem pH spowodowanym metabolizmem mleczanu. Opóźnione rozpoczęcie fermentacji mlekowej i powolne obniżenie pH ułatwią wzrost i produkcję enterotoksyn Staphylococcus aureus, a namnażanie się różnych bakterii pogorszy smak kiełbasy. Kiełbasy fermentowane zwykle zawierają azotany zamiast azotynów, co umożliwia rozwój szerokiej gamy mikroorganizmów, co korzystnie wpływa na poprawę jakości smakowej kiełbas fermentowanych na sucho.
Aby poprawić stabilność i niezawodność naturalnej fermentacji, na początku produkcji powszechnie przyjęto metodę back-slopping, która polega na zaszczepianiu świeżego ciasta kiełbasianego częściowo przefermentowanymi materiałami z poprzedniej partii produkcyjnej. Metoda ta skutecznie poprawiała stabilność fermentacji, ale miała oczywiste wady. Po pierwsze, bakterie kwasu mlekowego w materiałach z nasypem wstecznym uległy starzeniu fizjologicznemu i nie zainicjowały szybkiej fermentacji. Po drugie, brak kontroli nad tą metodą może spowodować wprowadzenie niepożądanych szczepów, takich jak bakterie wytwarzające nadtlenki, które, gdy staną się dominujące, poważnie obniżą jakość kiełbasy.
Wśród bakterii kwasu mlekowego izolowanych z naturalnie fermentowanych kiełbas przeważają bakterie Lactobacillus, a następnie Pediococcus, który dominuje nawet w fermentacji niektórych odmian kiełbas. Kluczowe gatunki Pediococcus obejmują Pediococcus acidilactici, Pediococcusdamnosus i Pediococcus pentosaceus. Z wyjątkiem kiełbas niskiej jakości z dużą ilością Leuconostoc, ilości Lactococcus i Leuconostoc są na ogół niskie.
② Fermentacja kultury starterowej
Ze względu na zawodność i brak kontroli naturalnej fermentacji, nowoczesne przetwórstwo coraz częściej wykorzystuje czyste kultury drobnoustrojów, czyli komercyjne kultury starterowe, w celu precyzyjnej kontroli procesu fermentacji oraz zapewnienia bezpieczeństwa produktu i stabilnej jakości. Fermentacja inicjowana przez startery bakterii kwasu mlekowego jest w zasadzie zgodna z udaną fermentacją naturalną, z tym wyjątkiem, że kultury starterowe umożliwiają bakteriom kwasu mlekowego szybsze stanie się szczepami dominującymi.
Komercyjne kultury starterowe mięsne są dostępne w postaci zamrożonej lub liofilizowanej, w tym preparaty jednoszczepowe i mieszane szczepów pałeczek kwasu mlekowego, pediokoków i pleśni. Aktywne startery dodaje się zwykle na etapie dozowania. Chociaż większość producentów dodaje startery po suchych składnikach, równomierne rozprowadzenie wymaga dokładnego wymieszania starterów z surowym mięsem przed dodaniem innych składników.
Co najważniejsze, żywe kultury drobnoustrojów nie mogą mieć bezpośredniego kontaktu ze składnikami o wysokim zasoleniu, takimi jak sól i azotyny, w przeciwnym razie żywotność i aktywność szczepów zostaną zmniejszone. Większość starterów sprzedawana jest w postaci skoncentrowanej i można ją równomiernie rozprowadzić po rozcieńczeniu wodą. Liofilizowane startery wymagają nawodnienia, aby osiągnąć optymalną aktywność.
Warunki procesu fermentacji
Temperatura, wilgotność i cyrkulacja powietrza w komorze fermentacyjnej łącznie wpływają na smak, kolor i końcowe pH fermentowanych kiełbas.
Rozruszniki przemysłowe są przeważnie liofilizowane i wymagają ponownego nawodnienia przed użyciem. Uwodnione zakwasy należy umieścić w temperaturze pokojowej na 18 do 24 godzin, aby przywrócić aktywność drobnoustrojów, zanim zostaną dodane do ciasta kiełbasianego. Konwencjonalna dawka inokulacyjna wynosi 106–107 jtk/g ciasta mięsnego, a w przypadku krótkotrwałej fermentacji w wysokiej temperaturze wymagana jest wyższa dawka, aż do 108 jtk/g.
Temperatury fermentacji dzielą się na trzy kategorie: wysoka temperatura (＞40℃), tradycyjna europejska temperatura (20～24℃) i niska temperatura (10～15℃), wybrane według rodzaju produktu. Generalnie nieco wyższa temperatura przyspiesza redukcję pH; szybkość produkcji kwasu podwaja się przy każdym wzroście temperatury o 5 ℃. Niemniej jednak wysoka temperatura zwiększa ryzyko rozwoju bakterii chorobotwórczych (zwłaszcza Staphylococcus aureus), jeśli fermentacja jest opóźniona. Temperatura reguluje również stosunek wytwarzanego kwasu mlekowego do kwasu octowego, przy czym wyższe temperatury sprzyjają syntezie kwasu mlekowego.
W praktycznej produkcji parametry fermentacji różnią się znacznie dla różnych rodzajów kiełbas. Kiełbasy suche są zwykle fermentowane w temperaturze 15 ~ 27 ℃ przez 24 do 72 godzin; kiełbaski do smarowania w temperaturze 22～30℃ przez 48 godzin; półsuche kiełbasy krojone w temperaturze 30 ~ 37 ℃ przez 14 do 72 godzin. Warunki przetwarzania różnią się znacznie w zależności od regionu: na przykład węgierskie salami fermentuje się w temperaturze poniżej 10 ℃, podczas gdy półsuche wędzone kiełbasy o niskim pH w Stanach Zjednoczonych fermentuje się w temperaturze do 40 ℃.
Wilgotność względna otoczenia ma kluczowe znaczenie dla zainicjowania suszenia i zapobiegania nadmiernemu wzrostowi powierzchniowych drożdży i pleśni, dlatego wymaga ścisłej kontroli. Właściwe zarządzanie wilgocią pozwala również uniknąć tworzenia się twardej skorupy na powierzchni podczas suszenia. Utwardzona skórka utrudnia wewnętrzne odprowadzanie wilgoci i wydłuża czas schnięcia; Tymczasem nadmierna wilgotność powierzchni kiełbas chrupiących prowadzi do rozwoju pleśni podczas przechowywania. W przypadku krótkotrwałej fermentacji w wysokiej temperaturze wilgotność względną zwykle ustala się na około 98%. W przypadku fermentacji niskotemperaturowej wilgotność względna w komorze powinna być od 5% do 10% niższa niż równowaga wilgotności zależna od wilgoci wewnątrz kiełbas (około 90%).
W nowoczesnej produkcji fermentacja kiełbasy odbywa się w szczelnych komorach o ściśle kontrolowanej temperaturze i wilgotności. Na tym etapie w przypadku niektórych odmian kiełbas można zastosować łagodne wędzenie bez zakłócania postępu fermentacji. W przeszłości, ze względu na brak precyzyjnej kontroli środowiskowej, w niektórych krajach przyjęto specjalne środki zapobiegające psuciu się podczas fermentacji. Choć te tradycyjne metody są zbędne w przypadku nowoczesnej produkcji, nadal są stosowane w przypadku produktów specjalistycznych w celu uzyskania unikalnych cech sensorycznych. Na przykład niektóre niemieckie kiełbasy są fermentowane w temperaturze 25 ℃ w wysokiej wilgotności, a nadmiar mikroorganizmów powierzchniowych jest usuwany poprzez regularne mycie.
Kiełbasy suche fermentują szybciej w nieruchomym powietrzu niż w szybko krążącym powietrzu. Stopień zakwaszenia kiełbas fermentowanych różni się w zależności od rodzaju produktu. Największą kwasowością charakteryzują się kiełbasy półsuche, zwłaszcza kiełbasy amerykańskie półsuche o pH pofermentacyjnym poniżej 5,0. Wartość pH kiełbas suszonych niemieckich waha się od 5,0 do 5,3, natomiast kiełbasy suszone pochodzące z Francji, Włoch i innych regionów wykazują łagodne zakwaszenie. Najsilniejsze zakwaszenie na skutek warunków niedotlenienia wykazują kiełbasy nadziewane próżniowo i kiełbasy o dużej średnicy. Jednakże akumulacja amoniaku w kiełbasach o dużej średnicy przeciwdziała spadkowi pH spowodowanemu produkcją kwasu mlekowego.
Dwie generacje bakterii starterowych
Startery I generacji pochodzą z roślin reprezentowanych przez Lactobacillus plantarum i Pediococcus pentosaceus. Zakwasy drugiej generacji izolowane są z produktów mięsnych, które bardziej nadają się do produkcji kiełbas fermentowanych. Ich dominującymi mikroorganizmami są Lactobacillus sakei i Lactobacillus curvatus. Dzięki silnym przewagom konkurencyjnym te dwa szczepy mogą hamować dzikie bakterie kwasu mlekowego w środowisku naturalnym i zdominować cały proces fermentacji i suszenia.
Startery drugiej generacji mają również następujące właściwości: mogą wytwarzać enzymy biorące udział w tworzeniu barwy i substancje aromatyczne. Smak i jakość sensoryczna kiełbas fermentowanych wynikają z połączonego działania bakterii kwasu mlekowego, mikrokoków i drożdży znajdujących się wewnątrz kiełbasy. Obecnie sklonowano gen β-galaktozydazy, gen katalazy i gen bakteriocyny pałeczek kwasu mlekowego, co może poprawić właściwości szczepów bakteryjnych. Zastosowanie bakterii kwasu mlekowego wytwarzających bakteriocynę w kiełbasach fermentowanych może zwiększyć konkurencyjność zakwasów i zahamować rozwój bakterii chorobotwórczych. Lactobacillus plantarum, Lactobacillus sakei i Lactobacillus curvatus są zdolne do wytwarzania bakteriocyn.
Funkcje mikroorganizmów w fermentowanych produktach mięsnych
Aby obniżyć wartość pH, zapobiec psuciu się, poprawić teksturę i smak tkanki; promować rozwój koloru; zapobiegają przebarwieniom oksydacyjnym; zmniejszyć powstawanie nitrozoamin; oraz hamują wzrost i produkcję toksyn patogennych mikroorganizmów.
Mikroorganizmy w kiełbasach fermentowanych obejmują głównie bakterie kwasu mlekowego, mikrokoki, pleśnie i drożdże, z których każdy odgrywa wyjątkową rolę w tworzeniu smaku i bezpieczeństwie żywności kiełbasy fermentowanej.
Metody fermentacji
① Naturalna fermentacja
W tradycyjnym przetwarzaniu fermentacja całkowicie opiera się na rodzimych bakteriach kwasu mlekowego w surowym mięsie. Bakterie kwasu mlekowego są wszechobecne w surowym mięsie, ale ich początkowa liczba jest wyjątkowo niska, chyba że surowe mięso było przechowywane przez pewien czas w opakowaniach próżniowych.
Warunki początkowe ciasta kiełbasianego są na ogół niekorzystne dla rozwoju dominujących w mięsie bakterii Gram-ujemnych, sprzyjają jednak namnażaniu się bakterii Gram-dodatnich, gronkowców koagulazo-dodatnich i koagulazo-ujemnych oraz bakterii kwasu mlekowego. Dowody wskazują, że fermentacja kwasu mlekowego obejmuje sekwencyjną sukcesję drobnoustrojów od Enterobacteriaceae do Enterococci, a na końcu do Lactobacilli i Pediococci. Przy płynnej fermentacji bakterie kwasu mlekowego namnażają się szybko, osiągając liczbę kolonii 106–108 jtk/g w ciągu 2 do 5 dni. Wynikający z tego spadek pH powoduje śmierć Pseudomonas i innych wrażliwych na kwas pałeczek Gram-ujemnych w ciągu 2 do 3 dni, podczas gdy bakterie kwasoodporne, takie jak Salmonella, mogą przeżyć dłużej.
Po osiągnięciu ilości szczytowej populacja bakterii kwasu mlekowego stopniowo maleje. Jednakże kiełbasy dojrzewające pleśnią często wykazują drugi szczyt wzrostu po około 15 dniach, zgodny ze wzrostem pH spowodowanym metabolizmem mleczanu. Opóźnione rozpoczęcie fermentacji mlekowej i powolne obniżenie pH ułatwią wzrost i produkcję enterotoksyn Staphylococcus aureus, a namnażanie się różnych bakterii pogorszy smak kiełbasy. Kiełbasy fermentowane zwykle zawierają azotany zamiast azotynów, co umożliwia rozwój szerokiej gamy mikroorganizmów, co korzystnie wpływa na poprawę jakości smakowej kiełbas fermentowanych na sucho.
Aby poprawić stabilność i niezawodność naturalnej fermentacji, na początku produkcji powszechnie przyjęto metodę back-slopping, która polega na zaszczepianiu świeżego ciasta kiełbasianego częściowo przefermentowanymi materiałami z poprzedniej partii produkcyjnej. Metoda ta skutecznie poprawiała stabilność fermentacji, ale miała oczywiste wady. Po pierwsze, bakterie kwasu mlekowego w materiałach z nasypem wstecznym uległy starzeniu fizjologicznemu i nie zainicjowały szybkiej fermentacji. Po drugie, brak kontroli nad tą metodą może spowodować wprowadzenie niepożądanych szczepów, takich jak bakterie wytwarzające nadtlenki, które, gdy staną się dominujące, poważnie obniżą jakość kiełbasy.
Wśród bakterii kwasu mlekowego izolowanych z naturalnie fermentowanych kiełbas przeważają bakterie Lactobacillus, a następnie Pediococcus, który dominuje nawet w fermentacji niektórych odmian kiełbas. Kluczowe gatunki Pediococcus obejmują Pediococcus acidilactici, Pediococcusdamnosus i Pediococcus pentosaceus. Z wyjątkiem kiełbas niskiej jakości z dużą ilością Leuconostoc, ilości Lactococcus i Leuconostoc są na ogół niskie.
② Fermentacja kultury starterowej
Ze względu na zawodność i brak kontroli naturalnej fermentacji, nowoczesne przetwórstwo coraz częściej wykorzystuje czyste kultury drobnoustrojów, czyli komercyjne kultury starterowe, w celu precyzyjnej kontroli procesu fermentacji oraz zapewnienia bezpieczeństwa produktu i stabilnej jakości. Fermentacja inicjowana przez startery bakterii kwasu mlekowego jest w zasadzie zgodna z udaną fermentacją naturalną, z tym wyjątkiem, że kultury starterowe umożliwiają bakteriom kwasu mlekowego szybsze stanie się szczepami dominującymi.
Komercyjne kultury starterowe mięsne są dostępne w postaci zamrożonej lub liofilizowanej, w tym preparaty jednoszczepowe i mieszane szczepów pałeczek kwasu mlekowego, pediokoków i pleśni. Aktywne startery dodaje się zwykle na etapie dozowania. Chociaż większość producentów dodaje startery po suchych składnikach, równomierne rozprowadzenie wymaga dokładnego wymieszania starterów z surowym mięsem przed dodaniem innych składników.
Co najważniejsze, żywe kultury drobnoustrojów nie mogą mieć bezpośredniego kontaktu ze składnikami o wysokim zasoleniu, takimi jak sól i azotyny, w przeciwnym razie żywotność i aktywność szczepów zostaną zmniejszone. Większość starterów sprzedawana jest w postaci skoncentrowanej i można ją równomiernie rozprowadzić po rozcieńczeniu wodą. Liofilizowane startery wymagają nawodnienia, aby osiągnąć optymalną aktywność.
Warunki procesu fermentacji
Temperatura, wilgotność i cyrkulacja powietrza w komorze fermentacyjnej łącznie wpływają na smak, kolor i końcowe pH fermentowanych kiełbas.
Rozruszniki przemysłowe są przeważnie liofilizowane i wymagają ponownego nawodnienia przed użyciem. Uwodnione zakwasy należy umieścić w temperaturze pokojowej na 18 do 24 godzin, aby przywrócić aktywność drobnoustrojów, zanim zostaną dodane do ciasta kiełbasianego. Konwencjonalna dawka inokulacyjna wynosi 106–107 jtk/g ciasta mięsnego, a w przypadku krótkotrwałej fermentacji w wysokiej temperaturze wymagana jest wyższa dawka, aż do 108 jtk/g.
Temperatury fermentacji dzielą się na trzy kategorie: wysoka temperatura (＞40℃), tradycyjna europejska temperatura (20～24℃) i niska temperatura (10～15℃), wybrane według rodzaju produktu. Generalnie nieco wyższa temperatura przyspiesza redukcję pH; szybkość produkcji kwasu podwaja się przy każdym wzroście temperatury o 5 ℃. Niemniej jednak wysoka temperatura zwiększa ryzyko rozwoju bakterii chorobotwórczych (zwłaszcza Staphylococcus aureus), jeśli fermentacja jest opóźniona. Temperatura reguluje również stosunek wytwarzanego kwasu mlekowego do kwasu octowego, przy czym wyższe temperatury sprzyjają syntezie kwasu mlekowego.
W praktycznej produkcji parametry fermentacji różnią się znacznie dla różnych rodzajów kiełbas. Kiełbasy suche są zwykle fermentowane w temperaturze 15 ~ 27 ℃ przez 24 do 72 godzin; kiełbaski do smarowania w temperaturze 22～30℃ przez 48 godzin; półsuche kiełbasy krojone w temperaturze 30 ~ 37 ℃ przez 14 do 72 godzin. Warunki przetwarzania różnią się znacznie w zależności od regionu: na przykład węgierskie salami fermentuje się w temperaturze poniżej 10 ℃, podczas gdy półsuche wędzone kiełbasy o niskim pH w Stanach Zjednoczonych fermentuje się w temperaturze do 40 ℃.
Wilgotność względna otoczenia ma kluczowe znaczenie dla zainicjowania suszenia i zapobiegania nadmiernemu wzrostowi powierzchniowych drożdży i pleśni, dlatego wymaga ścisłej kontroli. Właściwe zarządzanie wilgocią pozwala również uniknąć tworzenia się twardej skorupy na powierzchni podczas suszenia. Utwardzona skórka utrudnia wewnętrzne odprowadzanie wilgoci i wydłuża czas schnięcia; Tymczasem nadmierna wilgotność powierzchni kiełbas chrupiących prowadzi do rozwoju pleśni podczas przechowywania. W przypadku krótkotrwałej fermentacji w wysokiej temperaturze wilgotność względną zwykle ustala się na około 98%. W przypadku fermentacji niskotemperaturowej wilgotność względna w komorze powinna być od 5% do 10% niższa niż równowaga wilgotności zależna od wilgoci wewnątrz kiełbas (około 90%).
W nowoczesnej produkcji fermentacja kiełbasy odbywa się w szczelnych komorach o ściśle kontrolowanej temperaturze i wilgotności. Na tym etapie w przypadku niektórych odmian kiełbas można zastosować łagodne wędzenie bez zakłócania postępu fermentacji. W przeszłości, ze względu na brak precyzyjnej kontroli środowiskowej, w niektórych krajach przyjęto specjalne środki zapobiegające psuciu się podczas fermentacji. Choć te tradycyjne metody są zbędne w przypadku nowoczesnej produkcji, nadal są stosowane w przypadku produktów specjalistycznych w celu uzyskania unikalnych cech sensorycznych. Na przykład niektóre niemieckie kiełbasy są fermentowane w temperaturze 25 ℃ w wysokiej wilgotności, a nadmiar mikroorganizmów powierzchniowych jest usuwany poprzez regularne mycie.
Kiełbasy suche fermentują szybciej w nieruchomym powietrzu niż w szybko krążącym powietrzu. Stopień zakwaszenia kiełbas fermentowanych różni się w zależności od rodzaju produktu. Największą kwasowością charakteryzują się kiełbasy półsuche, zwłaszcza kiełbasy amerykańskie półsuche o pH pofermentacyjnym poniżej 5,0. Wartość pH kiełbas suszonych niemieckich waha się od 5,0 do 5,3, natomiast kiełbasy suszone pochodzące z Francji, Włoch i innych regionów wykazują łagodne zakwaszenie. Najsilniejsze zakwaszenie na skutek warunków niedotlenienia wykazują kiełbasy nadziewane próżniowo i kiełbasy o dużej średnicy. Jednakże akumulacja amoniaku w kiełbasach o dużej średnicy przeciwdziała spadkowi pH spowodowanemu produkcją kwasu mlekowego.
