Mikrobielle Einflüsse auf fermentierte Bohnen

15. August 2023

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von der American Society for Microbiology

Fermentierte Lebensmittel sind tief in der globalen Esskultur verankert. Viele Rezepte werden streng gehütet, über Generationen hinweg weitergegeben und sind voller Geheimnisse. Die mikrobiellen Gemeinschaften, aus denen fermentierte Lebensmittel bestehen, sind oft vielfältig, aber typischerweise tragen nur wenige Arten wesentlich zum Endprodukt bei.

Darüber hinaus werden fermentierte Lebensmittel und Getränke (in diesem Artikel als Fermente bezeichnet) mit ähnlichen Geschmacksprofilen häufig von ähnlichen Mikroben fermentiert, oder zumindest von Mikroben, die ähnliche Stoffwechselprozesse durchführen. Indem wir die Vielfalt der Fermentationen aus im Wesentlichen demselben Ausgangsmaterial untersuchen, können wir die Auswirkungen von Mikroben auf das Endprodukt beobachten.

Die Rolle der Fermentation im Bereich der Mikrobiologie kann kaum genug betont werden. Bedeutende Fortschritte in der frühen Geschichte der Mikrobiologie resultierten aus dem Versuch zu verstehen, warum manche Fermente schiefgehen. Beispielsweise bemerkte Louis Pasteur Mitte des 19. Jahrhunderts, dass Wein sauer war, weil er von einem Organismus besiedelt war, der kleiner als Hefe war, bei dem es sich, wie sich herausstellte, um Milchsäurebakterien handelte.

Stoffwechseltechnisch beschreibt Fermentation einfach Prozesse, bei denen organische Moleküle als Donoren und Akzeptoren von Elektronen fungieren. Bei der mikrobiellen Gemeinschaft, die die Fermentation antreibt, kann es sich entweder um Mikroben handeln, die von Natur aus auf dem Lebensmittel vorkommen (sogenannte spontane Fermentation), oder um einen Teil einer vorherigen Fermentation, die als Starter-, Mutter- oder Backslop bezeichnet wird.

Starterkulturen tragen typischerweise dazu bei, die ersten Phasen der Fermentation zu beschleunigen. Dies liegt daran, dass der Starter das Ferment mit einer größeren Population von Organismen besiedelt, als von Natur aus auf dem Lebensmittelausgangsmaterial vorhanden sind. Starterkulturen können durch die Beibehaltung ähnlicher Organismen auch für mehr Konsistenz und Qualität der Gärung sorgen. Die Produktion in größerem Maßstab basiert tendenziell auf Starterkulturen, während viele traditionelle fermentierte Lebensmittel die einheimischen Gemeinschaften von Mikroorganismen nutzen.

Menschen behalten ihre Vorspeisen über einen längeren Zeitraum bei, um sicherzustellen, dass sie weiterhin die fermentierten Lebensmittel zubereiten können, die ihnen schmecken. In der Populärgeschichte beispielsweise hielten Bergleute in Alaska Sauerteigstarter warm, indem sie sie bei sich trugen.

Die mikrobiologischen Prozesse, die der Lebensmittelgärung zugrunde liegen, sind hochdynamisch. Viele Fermente zeichnen sich durch mehrere Phasen aus, da die Mikroben mit der Zugabe jedes Stoffwechselabfallprodukts ihre Umgebung verändern. Darüber hinaus zeichnen sich verschiedene Fermente durch unterschiedliche Mikroben aus, die jeweils zu den einzigartigen Geschmacksprofilen beitragen.

Die Fermentation beeinflusst fünf Hauptaspekte von Lebensmitteln:

Mit der Fermentierung wird oft der Gedanke der Lebensmittelkonservierung in Verbindung gebracht. Dies liegt daran, dass die gärenden Mikroben ihre Umgebung auf eine Weise beeinflussen, die viele der Organismen ausschließt, die Ranzigkeit verursachen oder Menschen krank machen. Beispielsweise produzieren Milchsäurebakterien in sauren Fermenten Säuren, die gefährliche Mikroben wie Clostridien ausschließen.

Die Fermentation kann eine gesunde Nahrungsaufnahme erleichtern, indem sie die Verdaulichkeit verbessert und eine Reduzierung der Toxine bewirkt. Dies gilt insbesondere für Sojabohnen, aber auch für viele andere pflanzliche Lebensmittel.

Pflanzenmaterial besteht häufig aus Molekülen, die die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen verringern, Verdauungsenzyme hemmen oder sogar die gesamte Zellfunktion hemmen. Während der Fermentation können mikrobielle Enzyme viele dieser Toxine abbauen, darunter auch cyanogene Glykoside, die die Zellatmung hemmen können. Darüber hinaus werden einige Giftstoffe während der Zubereitungsschritte entfernt, beispielsweise durch das Entfernen der Außenhülle von Samenkapseln oder durch Kochen.

Man geht davon aus, dass die gesundheitlichen Vorteile fermentierter Lebensmittel darüber hinausgehen, dass Lebensmittel leichter verdaulich und weniger giftig sind. Insbesondere der Einfluss der mikrobiellen Bestandteile des Fermentes als potenzielle Probiotika ist für Wissenschaftler von großem Interesse.

Es gibt gemischte Beweise für die Auswirkungen fermentierter Lebensmittel auf die Darmgesundheit. Viele dieser nahrungsassoziierten Mikroben gelten als transient und haben eine begrenzte Fähigkeit, den Darm zu besiedeln, was bedeutet, dass sie einfach den Verdauungstrakt passieren (oder etwas Ähnliches). Eine Studie weist jedoch darauf hin, dass einige Dysbiose-Situationen mit Hilfe von Milchsäurebakterien aus einem kefirähnlichen fermentierten Milchprodukt gemildert werden können.

Die Autoren untersuchten die Fähigkeit von Mikroorganismen (einem Konsortium aus Bfidobakterien, Lactococcus, Lactobacillus und Streptococcus) aus dem probiotischen Getränk, Rattendärme mit verschiedenen anfänglichen Mikrobiomen zu besiedeln. Sie beobachteten, dass Personen, die den Lactococcus lactis nicht aufrechterhielten, ein widerstandsfähigeres Mikrobiom hatten, das durch eine höhere relative Häufigkeit von Lachnospiraceae gekennzeichnet war. Dies deutet darauf hin, dass Mikrobiome, die einen Fluss durchlaufen, eher durch Probiotika in fermentierten Lebensmitteln beeinträchtigt werden.

Und natürlich Geschmack! Sekundäre Metaboliten wie Milchsäure, Ester und freie Aminosäuren, die während der Fermentation entstehen, können das Geschmacksprofil des Lebensmittels erheblich verändern. In Sauerteigkulturen beispielsweise bestimmt das Gleichgewicht zwischen Milchsäurebakterien und Hefen, wie sauer das Brot wird. Ein höherer Anteil an Milchsäurebakterien führt zu saurerem Brot.

Darüber hinaus kann man durch die Anpassung der Umweltbedingungen beeinflussen, welche Stoffwechselwege bevorzugt werden, und so die Produktion verschiedener Säuren oder Ester fördern, die auch zum Geschmacksprofil des Lebensmittels beitragen.

Normalerweise betrachten wir Fermentation als einen anaeroben Prozess, aber das ist bei „fermentierten“ Lebensmitteln nicht immer der Fall. In der westlichen Küche sind fermentierte Lebensmittel typischerweise sauer; Allerdings können fermentierte Lebensmittel auch durch alkalische Prozesse hergestellt werden oder Phasen mit unterschiedlichen pH-Werten aufweisen. Die saure Gärung, also die Gärung, die zu einem verringerten pH-Wert führt, ist ein umfassend untersuchter Prozess. Es gibt jedoch weniger Literatur zur alkalischen Fermentation, bei der Aminosäuren zu Ammoniak verstoffwechselt werden, was den pH-Wert der Kultur erhöht.

Alkalisch fermentierte Lebensmittel sind typischerweise proteinreicher und enthalten üblicherweise Hülsenfrüchte (z. B. Sojabohnen) und Samen. Natto, Dawadawa und Kinema sind beispielsweise allesamt alkalisch fermentierte Lebensmittel, die aus Hülsenfrüchten hergestellt werden. Die meisten alkalisch fermentierten Lebensmittel nutzen einheimische mikrobielle Gemeinschaften, von denen Bacillus-Arten in der Regel in großer Zahl vorhanden sind, nachdem sie durch den Kochprozess angereichert wurden.

Natto, ein fermentiertes Sojabohnenprodukt, das sich durch fadenförmige Polymere auszeichnet, die die Bohnen zusammenhalten, wird auf vielfältige Weise durch mikrobielle Prozesse beeinflusst. Die Produktion von Natto aus Sojabohnen erfolgt, wenn Bacillus subtilis, Unterart Natto, Proteasen absondert, die die Proteine ​​der eingeweichten und gekochten Sojabohnen abbauen. Dann führt eine zweite Fermentation durch Glutamatdehydrogenasen und Ureasen zu Nattos ikonischem Ammoniakgeruch.

Natto-Stränge bestehen hauptsächlich aus Poly-Gamma-Glutamat (γ-PGA), einer extrazellulären polymeren Substanz (EPS) von Bacillus subtilis (Natto). Das aus der Natto-Produktion gewonnene EPS ist auch als Polymer für Industrieprodukte von Interesse, darunter unter anderem biologisch abbaubare Fasern, Schwermetallabsorber.

Ein weiteres durch Bacillus angetriebenes alkalisches Ferment ist das auf Samen basierende Gewürz aus Westafrika, das unter anderem unter den Namen Dawadawa, Ogiri, Soumbala, Iru und Netetu bekannt ist. Zur Herstellung von Dawadawa werden Johannisbrotkerne (oder andere große Samen) gekocht und geschält und dann einige Tage lang fermentiert, während sich der Geschmack entwickelt. Bacillus subtilis ist oft ein primärer Organismus, der an dieser Fermentation beteiligt ist; Weitere beteiligte Organismen sind Mitglieder der Gattungen Leuconostoc, Staphylococcus und Micrococcus.

Über die Rolle von Pilzen bei diesem Fermentationsprozess liegen nur begrenzte Informationen vor. Es wird angenommen, dass der Kochprozess die Dominanz von Bacilli fördert, da diese hitzebeständige Sporen bilden können, und die Beimpfung der Samen mit Sporen von Bacillus subtilis verbessert die Reproduzierbarkeit des Fermentationsprozesses.

Kinema wird auf ähnliche Weise wie Dawadawa hergestellt, jedoch mit Sojabohnen und in einer anderen Region – dem östlichen Himalaya. Wie Natto bildet die Kinema-Fermentation fadenförmige Polymere, jedoch in etwas geringerem Maße als Natto. Die Fermentation wird auch von einheimischen Mikroorganismen durchgeführt, vor allem von Bacillus-Arten und anderen Firmicutes

Die wichtigsten Pilzarten sind Wallemia canadensis und Pichia sporocuriosa, ihre funktionelle Rolle ist jedoch nicht genau definiert. Wie bei anderen alkalischen Fermenten werden von den Mikroben Aminosäuren freigesetzt, die dem menschlichen Verbraucher eine unmittelbare Nährstoffquelle sowie einen Umami- oder fleischähnlichen Geschmack bieten.

Wie alkalische Fermente werden auch viele andere Lebensmittel mit einem höheren Proteingehalt, wie zum Beispiel Bohnen und Samen, mit Schimmelpilzen fermentiert. Schimmelpilzbasierte Fermente werden im Allgemeinen durch die Wirkung weniger Schimmelpilze geformt; Rhizopus, Mucor und Aspergillus.

Im Vergleich zu vielen Bakterienfermenten werden Schimmelpilzfermente häufig bei etwas höheren Temperaturen fermentiert. Auch die Vermehrungsmethoden unterscheiden sich etwas von denen bei Bakterienkulturen, da es oft sinnvoll ist, auf die Sporulation von Teilen der Kultur zu warten, um sie in das nächste Ferment zu übertragen.

Tempeh und Koji sind zwei durch Schimmelpilze vermittelte Sojabohnenfermente. Bei der Tempeh-Produktion werden die Bohnen eingeweicht, gekocht und getrocknet und dann mit einer Starterkultur von Rhizopus beimpft. Dann wird diese Mischung in eine Form (typischerweise Blöcke) geformt und mit einer luftdurchlässigen Hülle abgedeckt.

Dieser Vorgang muss sehr genau beobachtet und gemischt werden, da das Innere des gärenden Tempehs durch den Stoffwechsel der Schimmelpilze zu warm werden kann. Wenn der Schimmel wächst, bildet er ein Myzel, das den Tempeh-Block zusammenhält. Dieser Fermentationsprozess dauert in der Regel zwischen 1,5 und drei Tagen, je nach Temperatur und Ausgangsinokulum.

Rhizopus verbessert die Nährstoffqualität der Sojabohnen, indem es Proteine ​​abbaut, Eisen bioverfügbarer macht und toxische Verbindungen entfernt. Koji hingegen wird normalerweise aus Apsergillus-Arten hergestellt, es wird jedoch aus einer Vielzahl von Ausgangsmaterialien hergestellt, darunter Reis und Gerste sowie Sojabohnen. Koji ist die Ausgangskultur für andere Produkte wie Miso, Sojasauce und Sake.

Interessanterweise verwenden einige Lebensmittel, wie z. B. Amazaké, Koji als Enzymquelle, anstatt sich auf das Wachstum des Schimmelpilzes selbst zu verlassen. Amazaké setzt auf hohe Temperaturen, um die Enzymaktivität zu fördern und Zucker aus dem Reis freizusetzen, um daraus einen Pudding oder ein Getränk zuzubereiten.

Durch die Fermentation können wir mehr Lebensmittel zu uns nehmen und die Zeit, die wir zum Verzehr haben, bevor sie verderben, erweitert. Verschiedene Fermentationsprozesse und Organismen werden verwendet, um sehr unterschiedliche Geschmacksrichtungen zu erzeugen, was wir hervorheben, indem wir die Fermentationsprozesse untersuchen, die zur Herstellung von Natto, Dawadawa, Kinema sowie Tempeh und Koji verwendet werden.

Zur Verfügung gestellt von der American Society for Microbiology