öka gammalt Surkålsfermenteringens kemi och biologi mathantverk IDA OLOFSSON 2012 En investering i framtiden

Transkript

1 öka gammalt mathantverk IDA OLOFSSON 2012 Surkålsfermenteringens kemi och biologi En investering i framtiden EUROPEISKA UNIONEN Europeiska regionala utvecklingsfonden

2 Fermentering av växtmaterial är en urgammal konserveringsmetod som ursprungligen kommer från Asien. Metoden har flera fördelar, den är enkel att genomföra, den är energisnål, produkternas näringsämnen bevaras bättre än vid till exempel värmekonservering och produkterna får dessutom en lång hållbarhet. De vanligaste produkterna är surkål, gurkor och oliver. I denna text beskrivs olika mikrobiologiska begrepp och processer som är kopplade till fermentering av surkål: mikroorganismer, jäsning och fermentering, syrning som konserveringsmetod, råvaran, fermentationen, produktfel och hälsoaspekter. Förpackningar får ett eget avsnitt med förslag på förpackningar som kan användas vid försäljning av mindre kvantiteter. Mikroorganismer Liksom alla biologiska varelser är de mikroorganismer som finns i vår omgivning bara intresserade av att få tillgång på näring så att de kan föröka sig och bli fler. Olika mikroorganismer gillar olika typ av näring. Generellt kan sägas att jästsvampar växer på socker, mögelsvampar växer på stärkelse och bakterier växer på proteiner. Vissa mikroorganismer är önskvärda vid förädling av livsmedel, andra är oönskade (förskämning). Förädlande mikroorganismer gör att livsmedlen smakar bättre eller tillför andra gynnsamma egenskaper, förskämmande gör att de smakar sämre. Det finns också sjukdomsframkallande mikroorganismer, de påverkar oftast inte smaken alls. Vid förädling av livsmedel är man alltså intresserad av att gynna de förädlande mikroorganismerna och missgynna de förskämnings-/sjukdomsframkallande mikroorganismerna. Vissa mikroorganismer är beroende av syre och växer i syrerika miljöer (aerob miljö), andra är inte beroende av syre (anaerob miljö) och slutligen är vissa beroende av en liten koncentration syre (mikroaerofila). När det gäller syrning av vitkål är man beroende av att gynna mjölksyrabakterier som bildar organiska syror som sänker ph så att andra mikroorganismer missgynnas. Bakterier förökar sig genom delning, detta gör att tillväxten är lite trög i starten men sen går väldigt snabbt. En bakterie med en generationstid (delningstid) på 30 minuter kommer att dela sig och bli 2, 4, 8, osv och efter 12 timmar är de stycken. Tillväxten kan fortsätta på detta vis under förutsättning att det råder rätt betingelser för tillväxt, det ska finnas näring och bakterierna ska inte bli förgiftade av sina egna restprodukter. Bakteriernas tillväxt brukar beskrivas med hjälp av ett diagram där antal bakterier visas på den stående axeln och tiden på den liggande axeln, se figur 1. Den platta inledningsfasen kallas lagfas och den fas där antalet ökar snabbt kallas logfas. Den raka delen i mitten av diagrammet kallas stationärfas, här börjar det bli slut på näring och det nybildas lika många som dör, slutligen infaller deklinationsfasen. Kulturen är då på nedgång, det dör fler bakterier än vad det bildas nya. Antal bakterier: 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Figur 1: Bakteriernas tillväxtkurva Bakterier kan indelas efter: Cellväggsstruktur Släktskap Utseende Egenskaper Temperaturpreferenser Antal bakterier Antal bakterier Genom att titta på hur bakteriernas cellväggsstruktur reagerar på en speciell färgningsteknik (Graminfärgning), delas bakterierna upp i grampositiva eller gramnegativa bakterier. De förädlande bakterierna hör oftast till de grampositiva. Bakterierna kan även indelas efter hur de är släkt med varandra. Tittar man på utseendet kan de beskrivas som IDA OLOFSSON 2:8

3 kocker (runda) eller baciller (stavar). Bakterierna kan även indelas beroende på vad de för egenskaper, till exempel mjölksyrabakterier har alla förmågan att tillverka mjölksyra. Beroende på vilket temperaturintervall de föredrar indelas de i mesofila (20 40 C) eller termofila (45 60 C). Detta är olika indelningar och det finns ingen inbördes relation mellan dem, till exempel mjölksyrabakterierna är: mikroaerofila, grampositiva, har samma egenskap (de bildas mjölksyra av kolhydrater), de kan vara både stavar och kocker, de kan vara mesofila eller termofila, men de behöver inte vara släkt med varandra. För att beskriva en bakterie anges först vilket släkte den tillhör till exempel Leuconostoc, men eftersom det finns flera arter inom detta släkte så måste man även lägga till ett artnamn för att beskriva den specifika arten till exempel mesenteroides. Det fullständiga artnamnet blir alltså Leuconostoc mesenteroides eller Ln.mesenteroides. En art delas sedan upp i underarter eller stammar till exempel L.mesenteroides, stambeteckning A4, den delas i sin tur upp i biovarianter. De olika stammarnas egenskaper kan variera mycket inom en art och vilka arter/stammar/ biovarianter som finns i en speciell miljö är svårt att säga. Att artbestämma bakterier till stam och biovariant kräver mycket kunskap. Genom att odla upp kulturer på agarplattor kan man till exempel särskilja mjölksyrabakterier från andra bakterier och man kan i vissa fall bestämma ner på artnivå, men för att komma ner på underart och biovariantnivå krävs mer avancerad utrustning. när mjölksyrabakterier omvandlar sackaros till mjölksyra och energi kallas nedbrytningen för fermentation eller syrning. Syrning som konserveringsmetod Jäsning och fermentering I alla levande organismer sker det energigivande nedbrytningsprocesser (av till exempel kolhydrater eller protein) och energikrävande uppbyggnadsprocesser. Dessa två processer kallas tillsammans för metabolism. I de energigivande processerna överförs energin genom att väte transporteras från det organiska ämnet och ämnet oxideras. Om vätet transporteras över till syre (aerob miljö) kallas den energigivande processen respiration och det bildas koldioxid och vatten. Om det inte finns tillgång på syre (anaerob miljö) kan vätet istället föras över till en organisk molekyl, det kallas då för fermentation eller jäsning. Två exempel på anaerob nedbrytning är då jäst omvandlar glukos till etanol, koldioxid och energi samt när mjölksyrabakterier omvandlar laktos (disackarid som består av sockerarterna glukos och galaktos) eller sackaros (disackarid som består av sockerarterna glukos och fruktos) till mjölksyra och energi. För att särskilja dessa båda reaktioner kallas den förstnämnda reaktionen ofta för etanoljäsning och den sistnämnda för fermentation eller syrning.¹ Flera mikroorganismer kan finnas samtidigt i en produkt, en del verkar genom kemisk krigsföring för att helt kunna överta herraväldet, det kan till exempel vara genom att producera restprodukter som hämmar övriga typer av mikroorganismer. Andra är beroende av varandra och avlöser varandra under en förädlingsprocess. Konservering genom mjölksyrning baserar sig på organiska syror som sänker ph. I figur 2 visas strukturformeln för de två organiska syrorna ättiksyra och mjölksyra. Hur bra de är på att döda eller hämma varierar mellan olika syror, beror på syrans pka, men det beror även på hur stor strukturformeln är. Figur 2: Strukturformler för ättiksyra och mjölksyra IDA OLOFSSON 3:8

4 Syrorna dödar eller hämmar mikroorganismerna genom att de passerar cellmembranet, inne i cellen avger de sin vätejon, när ph sjunker fungerar inte cellens metabolism och den dör. Vissa organismer kan pumpa ut vätejonerna igen och på så sätt överleva, men denna aktivitet kräver energi och därmed hämmas organismens tillväxt. Vissa typer av jäst kan använda de organiska syrorna som kol- och energikälla, dessa kan ställa till problem i syrade produkter då de kan avsyra dem. Under fermenteringsprocessen bildas koldioxid, den ansamlas dels i vätskan och dels i utrymmet under locket på syrningskärlet, överskottet bubblar ut. Koldioxiden bildas vid den mikrobiella aktiviteten i fermenteringen, och kommer dels från växtcellerna som även efter skörd, fortsätter sin respiration. Närvaro av koldioxid gör att lagfasen förlängs och att tillväxthastigheten under logfasen inte blir lika hög. Gramnegativa bakterier är generellt mer känsliga för koldioxid än grampositiva bakterier. Lactobaciller är en av de bakterier som tål de högsta koncentrationerna av koldioxid. Att produkten dessutom är saltad gör att tillväxt av oönskade gramnegativa bakterier hämmas. Vissa mjölksyrabakterier har även förmåga att producera bakteriehämmande substanser sk. bacterociner.² Kålhuvudena rensas, stockas ur och strimlas. Den strimlade massan saltas och stampas ner i sin behållare, behållaren försluts och fermenteringen kan ta allt från några veckor till ett helt år. Genom att tillsätta salt i lagom mängd hämmas oönskade mikroorganismer som finns på vitkålen, till exempel Pseudomonas som annars kan förstöra produkten. Saltet drar ut vätska ur den strimlade vitkålen samt hämmar pectinolytiska enzymer som annars kan göra kålen mjuk, detta hjälper till att få kålen krispig och den urdragna vätskan bildar den lag som täcker vitkålen under syrningen. Saltet ger även smak åt surkålen. 5 Vid en saltmängd under 1 2 % blir kålen mjuk och en salthalt på över 3 % gör att även mjölksyrabakteriernas tillväxt hämmas, där L.mesenteroides är speciellt känslig för höga salthalter. 6 Den ideala salthalten sägs ligga på 1,8 2,25 vikt %.² Fermentationen På växtmaterial finns en mycket liten mängd mjölksyrabakterier, de står som mest för 1 % av den totala mikrofloran. Det är främst arter från släktena Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, Enterococcus och Lactococcus, de två senare har identifierats i initieringssskedet av fermenteringen, men deras roll i den senare fermenteringen är inte helt fastställd. Genom att tillsätta starterkultur får man igång processen fortare, men det vanligaste är att man förlitar sig att fermenteringen startar utan en starterkultur.² I vissa fall tillsätts filmjölk eller vassle som starterkultur. Med hjälp av temperaturen styrs populationen av mikroorganismer och smakutveckling i en positiv riktning. Råvaran För att tillverka surkål behövs vitkål och salt samt ett fermenteringskärl. Det är viktigt att vitkålen är av god kvalitet så att det finns tillräckligt med fermenterbart socker samt hög halt av vitamin C. Konventionellt odlad vitkål kan ha blivit besprutad med kemiska bekämpningsmedel, dessa kan eventuellt ha betydelse för mängd mikroorganismer och även vilka typer av mikroorganismer som dominerar.³ En omogen och grön vitkål innehåller för lite socker och C-vitamin. Den låga sockerhalten gör att det kan vara trögt att få igång processen och en låg halt C-vitamin gör att surkålen kan bli gulbrunfärgad. 4 Halten av fermenterbart socker (glukos, fruktos och sackaros) bör ligga på 3 9 % i färskt tillstånd.² Det är också viktigt att använda relativt nyskördad vitkål eftersom sockerhalten sjunker under lagringstiden. Surkålen ska först förvaras i en relativt hög temperatur, ca i C. Under denna varmförvaring sker en heterofermentativ fermentering med hjälp av Ln.mesenteroides. Enligt viss litteratur 7 kan denna bakterie inte tillväxa vid temperaturer högre än 20 C så temperaturen bör inte vara långt över denna gräns och i så fall inte under för lång tid. Vid heterofermentativ fermentering bildas: mjölksyra, ättiksyra, koldioxid och alkoholer. Syrorna och alkoholerna bildar estrar som bidrar till den speciella surkålssmaken. 5 Koldioxiden ersätter ursprungsluften och skapar en syrefri miljö, detta är viktigt för att förhindra oxidation av askorbinsyra (C-vitamin) och för att undvika att kålen blir mörkfärgad.² När ph sänks till under ph 4, (ca 1 % mjölksyra) sänks aktiviteten hos oönskade mikroorganismer och enzymer som kan göra kålen mjuk. Efter två-tre dagar är det lämpligt att ställa kärlet i temperatur på 15 C. Nu kommer Ln.mesenteroides att ersättas av mer syratoleranta homofermentativa arter som Pediococcus IDA OLOFSSON 4:8

5 pentosaceus och Lactobacillus plantarum, dessa tål syrahalter ner till 1,5 % och dessa kan senare ersättas av den extremt syratåliga Lactobacillus brevis som kan höja halten av mjölksyra till 2,5 %. Syrahalten bestäms med hjälp av titrering. Vid homofermentativ fermentering bildas främst mjölksyra. I figur 3 visas en schematisk bild av hur de olika arterna byter av varandra allteftersom halten av syra ökar. 7 Parallellt med denna fermentering sker ofta en tillväxt av jäst som också bidrar till arombildningen. Efter ca 2 4 veckor kyls produkten ytterligare till under 8 C, då sker en mognadsprocess och smakerna balanseras. Syrahalt % Produktfel Slemmighet En defekt som kan uppkomma hos surkålen är att den blir slemmig. Defekten kan orsakas av att Leuconostoc mesenteroides producerar dextran, detta är en polysackarid med slemmig konsistens. Detta är dock ett övergående problem då dextranerna kan brytas ner av andra mjölksyrabakterier i ett senare skede av fermentationen. Slemmigheten kan också orsakas av pectinolytiska enzymer, denna slemmighet blir däremot permanent.² Dålig lukt Defekter som beror på jäst- eller mögelsvampar kan ge upphov till: dålig lukt, minskning av aciditeten och/eller slemmig och mjuk surkål. Dålig lukt kan även orsakas av bakterier med proteolytiska egenskaper (proteinnedbrytande), när de bryter ner svavelinnehållande proteiner frigörs illaluktande svavelföreningar. 6 Missfärgning En rosafärgning av surkålen kan orsakas av jästsvampen Rhodotorula. 5 Missfärgning av surkål kan även bero på att järn har reagerat med tanniner och sulfider vilket ger en missfärgning av surkålen, men det kan också vara så enkelt att de kommit in syre i kärlet och att vitamin C som annars skyddar mot brunfärgning oxideras, även mjölksyrabakterien L.brevis kan i vissa fall bilda röda pigment. 6,9 Leuconostoc mesenteroides Lactobacillus plantarum Lactobacillus brevis Dygn Figur 3: Syrningsförloppet vid framställning av syrkål Om surkålen fermenteras vid en för hög temperatur förändras populationen för snabbt mot homofermentativa mjölksyrabakterier. Vid temperaturer upp mot 32 C blir Lb.plantarum och P.pentosaceus dominerande och hastigheten på syrabildningen ökar.² Detta kan göra att smaken blir vass och syrlig. 8 Låg temperatur (ner till 5 C), ger däremot en låg produktion av syra eftersom Ln.mesenteroides kan växa vid lägre temperaturer än andra mjölksyrabakterier. Hälsoaspekter Vitkål är av naturen en mycket C-vitaminrik grönsak, fermenteringen gör att halten av vitamin C stannar på en nivå som liknar den i färsk vitkål. De flesta konserveringsmetoder medför högre förluster av vitamin C. Både kolhydrat- och proteinhalten minskar under förädlingen, detta beror på att mjölksyrabakterierna behöver energi för sin metabolism. En fördel med fermentering är att mjölksyrabakterierna kan bilda vissa vitaminer som normalt inte finns i grönsaker, till exempel vitamin B12 och att näringsämnen blir mer lättillgängliga, till exempel cellulosa och hemicellulosa bryts ner till monosackarider som blir tillgänglig näring för människan. 10,7 Probiotika är levande mikroorganismer som anses vara bra för vår hälsa och vårt välbefinnande. De positiva effekterna kan vara att: motverka infektioner, främja munhälsan och att motverka kolik hos spädbarn. Det är bara vissa mjölksyrabakterier som har probiotiska egenskaper, till exempel stammar inom släktena Streptococcus, Lactobacillus och Bifidobacterium. För att bakterierna ska verka som probiotika måste de vara syraresistenta och gallsaltståliga så att de klarar sig igenom magsäcken och tunntarmen. Genom att IDA OLOFSSON 5:8

6 äta surkål i samband med måltid ökar mjölksyrabakteriernas chanser att överleva syrabadet i magsäcken, då ph i magsäcken höjs något på grund av utspädningseffekten. Det som dessutom har betydelse är att det är tillräckligt stor mängd av probiotiska bakterier som intas.¹ I färsk och värmebehandlad kåljuice återfinns metyl-metantiosulfinat och metyl-metantiosulfonat, dessa två har antimikrobiella egenskaper. En ytterligare fördel är att syrningen bryter ner negativa smakkompontenter(glukosinolates) till bland annat isotiocyanater som anses ha anticancerogen verkan.² Förpackningar Vid tillverkning av surkål i industriell skala är det vanligt att fermenteringskärlen har en volym på flera kubikmeter. Även de fermenteringsskärl som används i hemmiljö eller hos mathantverkare är relativt stora. Som tidigare nämnts har anaeroba mjölksyrabakterier tagit över under syrningen, men detta behöver inte betyda att alla aeroba mikroorganismer har dött. Om produkten exponeras för syre kan de vakna till liv och på så sätt orsaka smakfel och missfärgning av den färdiga produkten. De mikroorganismer som kan angripa syresatt surkål är främst jästsvampar. 11 I Annelis Schönecks bok³ omtalas detta som toppjäst. Om den färdiga surkålen från ett större kärl tas upp och packas i påsar för försäljning kommer det att blandas in syre i produkten. Mjölksyrabakterierna som redan har gjort sitt jobb och som dessutom inte gynnas av inblandningen av syre har nu svårt att konkurrera med eventuella aeroba mikroorganismer. Detta gör att den påsförpackade surkålen får mycket kort hållbarhet. I en undersökning 12 som Svenska Livsmedelsinstitutet (SIK) gjorde på surkål visade det sig att koldioxid var mycket effektiv när det gäller att hämma jäst- och mögelsvampar. Ett annat sätt att kunna sälja i en förpackning som är anpassad till vad kunden kan konsumera inom två veckor är att göra som Karin Bojs beskriver i sin bok. 8 I denna bok finns det en mycket bra och kreativ beskrivning om hur man kan packa/ tillverka surkålen i små konserveringsglas. Detta kan vara en bra förpackning att sälja direkt till kund. Nackdelen med denna förpackning är att den är relativt dyr samt att det blir mycket manuell hantering per burk. I många länder med en stor produktion av surkål är det vanligt att surkålen pastöriseras före packning. På detta vis avdödas alla mikroorganismer, vilket gör att någon efterjäsning inte äger rum. Nackdelen med pastöriseringen är bland annat. att eventuella probiotiska effekter av att äta surkål försvinner eftersom även mjölksyrabakterierna dör. En annan effekt är att halten av vitamin C reduceras med 25 %. 6 När det gäller förvaring av den färdigsyrade surkålen är en kall förvaring att föredra, vid en temperatur på 4 C kan surkålen behålla både textur och smak i upp till fyra månader, om temperaturen sänks till 2 C håller den i upp till 8 månader, men om surkålen förvaras så kallt att den fryser förlorar den sin krispighet. 12 Om det handlar om surkål i hemmiljö blir det översta lagret av krukan förstört och om krukan öppnas många gånger blir det mycket svinn. Ett sätt att förlänga hållbarheten är att packa surkålen i modifierad atmosfär. Detta sätt att förlänga hållbarheten har blivit vanligare på senare år, det är till exempel vanligt i förpackningar med färdig grönsallad. Tekniken för att åstadkomma modifierad atmosfär är inte så komplicerad, det går till så att man kopplar en gastub till en vakuumpackare (som är anpassad för detta), sedan ställer man in hur mycket gas som ska tillsättas i varje påse. De gasblandningar som används till färdig grönsallad kan vara¹: 100 % kvävgas 50 % kvävgas/50 % koldioxid 70 % kvävgas/30 % koldioxid IDA OLOFSSON 6:8

7 Ordlista Aerob Anaerob Baciller Bacterociner Biovariant Cellmembran Dextran Fruktos Glukos Gramnegativa bakterier Grampositiva bakterier Heterofermentativ fermentation Homofermentativ fermentation Kocker Laktos Metabolism Organiska syror Oxideras Pectinolytiskt enzym pka Probiotika Respiration Sackaros syreälskande syreskyende stavformade bakterier bakteriehämmande substanser underindelning inom en stam cellens yttersta skikt, dess hud slemmig polysackarid (många små sockerarter ihopsatta till en stor) fruktsocker druvsocker har tunnare cellvägg, färgas röd vid graminfärgning har tjockare cellvägg, färgas lila vid graminfärgning producerar mjölksyra, koldioxid och aromämnen producerar främst mjölksyra klotformade bakterier mjölksocker ämnesomsättning till exempel ättiksyra, mjölksyra är syror som består av en organisk del, de är svagare än oorganiska syror som till exempel saltsyra och svavelsyra att reagera med syre enzym som bryter ner pektinlika substanser ett mått på hur stark en syra är, det vill säga hur lätt den avger sina vätejoner är levande mikroorganismer som anses vara bra för vår hälsa och vårt välbefinnande energigivande process som förbrukar syre strösocker IDA OLOFSSON 7:8

8 Referenser 1 Thougaard, H., Varlund, V., Madsen, R. M., Grundläggande mikrobiologi med livsmedelsapplikationer. Studentlitteratur Salminen, S., von Wright, A., Ouwehand, A., Lactic acid bacteria, microbiological and functional aspects, Marcel Dekker Inc Schöneck, A., Mjölksyrejäsning av grönsaker. Syrans förlag Resebeskrivning Grönsaksresa till Surkållandet oktober Eldrimner, Viktoria Vestun Adams, M. R., Moss, M.O., Food microbiology, RSC Andersson, R., Fermentering av vegetabilier, en litteraturstudie. SIK-Rapport 1982 Nr Andersen, P.E., Risum, J., Livsmedelsteknolgi 1, konserveringsmetoder. Studentlitteratur Bojs, K., Syra själv, konsten att förädla grönsaker med hälsosamma bakterier. Bokförlaget Max Ström Walstra, P., Wouters, J.T. M., Geurts, T. J., Dairy Science and technology. 2nd ed. CRC Press Slv.se 11 Seminarium av Philipp, G. D. Surkål och andra mjölksyrade grönsaker producerade vid mjölksyrajäsning. Eldrimner Andersson, R., Lundborg, C., Lundgren, B., Åkesson, I., Mjölksyrafermentering av grönsaker- en energisnål teknik som leder till goda och hållbara produkter. SIK-Rapport 1986 Nr 539. Ida Olfosson är kemist och mejerist. Hon har arbetat som lärare på Rösta Mejeri och driver nu företaget Idas Mejeritjänst. Artikeln är framtagen inom ramen för Interregprojektet Söka gammalt skapa nytt. Foto: Stephane Lombard / Text: Ida Olofsson / Grafisk form: Koning & Smith Eldrimner / Söka gammalt skapa nytt, 2013 IDA OLOFSSON 8:8