Como as tecnologias modernas tornam seus alimentos fermentados favoritos mais saborosos

Álcool. Iogurte. Kimchi. Molho de soja. Você escolhe: os alimentos fermentados são agora uma grande parte da nossa dieta. Atribuindo aos seus supostos benefícios à saúde , eles também estão se tornando mais populares. Você já se perguntou o que acontece durante a fermentação e o papel dos microrganismos nesse processo? Este artigo fornece um breve histórico da fermentação, seguido de uma discussão sobre como as biotecnologias modernas podem ajudar a tornar seu alimento fermentado favorito mais saboroso.

O que é fermentação?

A fermentação é o processo de açúcares sendo quebrados por enzimas de microorganismos na ausência de oxigênio. Microrganismos como bactérias e fungos possuem conjuntos únicos de genes metabólicos, permitindo que produzam enzimas para quebrar tipos distintos de metabólitos de açúcar. Durante a fermentação, uma variedade de microrganismos está presente em diferentes proporções. O processo é semelhante a um concerto onde diferentes músicos (ou seja, microorganismos) têm seus respectivos papéis. A cooperação deles produz uma bela música — nosso alimento fermentado favorito. Portanto, quando os tipos e números de microrganismos são alterados, o sabor dos alimentos fermentados também pode mudar drasticamente. É também por isso que as empresas alimentícias tomam extremo cuidado para proteger suas receitas e manter seus biobancos de microorganismos.

Três formas básicas de fermentação:

  • Fermentação de ácido lático: Durante este processo anaeróbico, amidos ou açúcares são quebrados para produzir ácido lático, entre outros produtos residuais. As bactérias lácticas não só protegem os alimentos da deterioração microbiana, como também protegem o corpo das doenças microbianas. A fermentação láctica é comumente usada na produção de alimentos como iogurte, picles e chucrute.
  • Fermentação de etanol (ou álcool): Neste tipo de fermentação, as moléculas de piruvato nos açúcares são quebradas pelas leveduras em moléculas de álcool e dióxido de carbono para produzir vinho e cerveja, bem como pão.
  • Fermentação de ácido acético: Este processo de oxidação converte açúcares de grãos ou frutas em vinagre e condimentos com sabor azedo. Daí a diferença entre a cidra de maçã e o vinagre de maçã usado para cozinhar.

História da ciência da fermentação

A fermentação do vinho foi documentada já em 7000 aC. Antigamente, os produtores de vinho normalmente esmagavam as frutas com os pés antes de deixá-las em recipientes. A transferência de microrganismos dos pés dos produtores de vinho para os frutos esmagados foi hipotetizada para causar fermentação. No século 17 , a hipótese foi validada quando a invenção de lentes ópticas de alta qualidade permitiu a visualização de microrganismos unicelulares pela primeira vez. Através de uma série de experimentos, Louis Pasteur, um microbiologista francês, mostrou que a fermentação do vinho é causada por um tipo de fungos conhecidos como leveduras (e temos muitos deles em nossos pés, gole!)

Em 1856, um acidente em uma destilaria de beterraba açucareira levou a uma descoberta inovadora que foi fundamental para a produção subsequente de queijo e iogurte. Pasteur foi encarregado de investigar o problema e descobriu que, em vez de álcool, a mistura de beterraba “estragada” continha principalmente ácido lático, o que causava um sabor azedo. A mistura de beterraba azeda também continha muitos objetos menores que leveduras. Esses objetos foram posteriormente confirmados como bactérias do ácido lático. Esse incidente fortuito foi fundamental para nossa compreensão moderna de que fungos e bactérias realizam a fermentação de maneira diferente.

Não foi até o início de 1900 que o Prêmio Nobel Eduard Buechner descobriu que a fermentação pode ocorrer com extratos de levedura sem células consistindo apenas de enzimas, ao contrário do que Pasteur propôs. Desde então, produzimos uma variedade de alimentos fermentados, incluindo o popular Kombucha. Embora nossa capacidade de controlar a fermentação seja razoavelmente compreendida, ainda existem muitas maneiras de melhorar a fermentação industrial. Por exemplo, sequenciamento genético moderno, engenharia genética, microfluídica e tecnologias eletrônicas de “nariz” podem tornar nossos alimentos fermentados favoritos ainda mais saborosos.

Alimentos e bebidas fermentados populares

1. Kimchi: Comum na culinária coreana e feito de vegetais fermentados como repolho e rabanete.

2. Kombucha: Bebida fermentada de chá preto ou verde conhecida por seus supostos benefícios à saúde.

3. Miso: Um tempero ou pasta japonesa feita a partir da fermentação de purê de soja e grãos misturados com sal.

4. Hidromel: Bebida alcoólica feita a partir da fermentação do mel com água, podendo também incluir frutas, especiarias, grãos ou lúpulo.

5. Tempeh: O produto da fermentação da soja cozida, que liga a soja em forma de bolo.

Sequenciamento de DNA

Durante os diferentes estágios da fermentação, a proporção das populações microbianas pode mudar com pequenas mudanças na temperatura e no pH. Considere o Kimchi, uma comida tradicional coreana. Kimchi é geralmente produzido pela fermentação do repolho com bactérias do ácido lático. No entanto, diferentes cepas de bactérias do ácido lático prosperam em diferentes faixas de pH. Por exemplo, Lee e colegas descobriram que durante a fermentação inicial (pH 4,27-5,64), Leuconostoc mesenteroides domina, mas à medida que o ambiente se torna mais ácido (pH 4,15), Lactobacillus sakei se torna a cepa dominante de bactérias lácticas. Pequenas mudanças ambientais podem alterar drasticamente a consistência e a qualidade dos alimentos, sendo necessário monitorar as populações microbianas durante a fermentação.

As tecnologias de sequenciamento de DNA são extremamente úteis para identificar flutuações em populações microbianas. Cada microrganismo tem sua composição de DNA única, assim como nossas impressões digitais são únicas para cada um de nós. Os pesquisadores fizeram uso de ferramentas de sequenciamento de DNA para mapear os genomas de muitas formas de vida, incluindo a de microrganismos cruciais para a fermentação. Os recentes avanços tecnológicos também aceleraram a velocidade do sequenciamento de DNA e reduziram rapidamente os custos, tornando o sequenciamento de DNA mais acessível para uso na indústria alimentícia.

Algumas empresas utilizaram tecnologias de sequenciamento de DNA para otimizar seu processo de fermentação. Cerveja Decodificou cepas de levedura sequenciadas em 39 marcas de cervejas de cinco países para ajudar a descobrir novas cervejas e promover a consistência da produção. Os dados também são de acesso aberto e podem ser especialmente úteis para microcervejarias pequenas e independentes que não conseguem realizar estudos abrangentes. Através do sequenciamento de DNA, Kikkoman, um produtor japonês de molho de soja, também teve uma descoberta surpreendente. Eles descobriram que, além dos auxiliares de fermentação comuns, bactérias do ácido lático e leveduras, dois tipos de mofo Koji também eram cruciais para a fermentação. Recentemente, um grupo de pesquisadores chineses levou a tecnologia de sequenciamento de DNA um passo adiante, quantificando a proporção de vários microrganismos em 11 estágios diferentes da fermentação da pasta de camarão . A equipe acredita que seu trabalho pode melhorar o controle de qualidade e a segurança alimentar durante a produção de pasta de camarão.

Engenharia genética

A engenharia genética (ou modificação) refere-se amplamente ao corte e colagem do genoma do DNA para criar células com características específicas. A eficiência da engenharia genética melhorou com técnicas avançadas de edição de genes como CRISPR.

A engenharia genética permitiu a criação de microrganismos com características mais desejáveis ​​do que seus primos do tipo selvagem. Por exemplo, Yu e colegas de trabalho geraram uma cepa de Clostridium tyrobut yricum que produzia maior rendimento de butanol, um tipo de açúcar encontrado em muitos alimentos fermentados, do que seus primos do tipo selvagem. Os microrganismos também podem ser geneticamente modificados para produzir apenas um produto final com alta pureza. Isso os torna mais vantajosos do que suas contrapartes do tipo selvagem, que geralmente produzem uma mistura de produtos finais. As empresas normalmente preferem apenas um produto final para evitar ter que realizar qualquer separação a jusante, o que pode ser caro e tecnicamente desafiador.

Biorreatores de gotículas e microfluídicos

A fermentação tradicional em escala industrial é realizada em grandes biorreatores com capacidade de alguns milhares de litros. Este processo é caro e incompatível com testes rápidos das próximas receitas de fermentação. Os biorreatores de gotículas, por outro lado, facilitam a fermentação rápida, pois confinam ingredientes brutos e microrganismos juntos em minúsculas gotículas de alguns microlitros para acelerar a fermentação.

No entanto, uma grande desvantagem da microfluídica de gotículas é que sua taxa de produção é (excruciante) lenta. Por exemplo, com o biorreator de vinho microfluídico que Attinger e sua equipe criaram, levará cerca de nove anos para produzir uma garrafa de vinho. No momento, os biorreatores de gotículas são mais úteis para testar novas receitas e condições de fermentação. Não espere que eles substituam os cervejeiros tradicionais tão cedo.

Anteriormente, discutimos a utilidade dos microrganismos geneticamente modificados e como eles contribuíram para tornar a produção de alimentos fermentados mais barata e eficiente. No entanto, está ficando cada vez mais claro que os microrganismos geneticamente modificados se comportam de maneira diferente quando são cultivados em um frasco de laboratório ou em cervejarias industriais. Um fator que causa esse comportamento divergente é a diferença no estresse físico que eles encontram.

Lembre-se da última vez que você foi nadar. Você se lembra de sentir uma pressão mais baixa na superfície da água e aumentar a pressão quando se aprofunda na piscina? Isso também acontece com micro-organismos nadando em grandes cervejeiras. Microrganismos no fundo experimentam uma pressão hidrostática muito maior. Quando isso acontece, eles podem explodir e morrer. Outros podem sofrer alterações genéticas ou metabólicas, sabotando os esforços anteriores de engenharia genética. Este é um grande problema para a indústria de alimentos.

Os pesquisadores tentaram resolver esse problema construindo biorreatores microfluídicos que podem lidar com volumes de até alguns litros. Esses biorreatores microfluídicos funcionam como uma cervejaria industrial, mas como uma versão reduzida. Microrganismos podem ser cultivados nesses biorreatores reduzidos e sujeitos a diferentes pressões controladas por sensores, taxas de agitação, temperaturas e pH. Em seguida, coletando dados sobre o crescimento de microrganismos e rendimento do produto nessas condições, os pesquisadores podem usar essas informações para otimizar a fermentação em uma cervejaria ampliada. Isso pode ajudar a realizar a produção em escala industrial de novas receitas de fermentação.

Cheirar ciência em alimentos fermentados

Nosso olfato e paladar estão intrinsecamente conectados. Infelizmente, por causa disso, algumas pessoas evitam alimentos fermentados saborosos por causa de seu cheiro. E se houver uma maneira de remover o cheiro pungente, mantendo o sabor dos alimentos fermentados? Isso motivou Yan et al. projetar um “nariz” eletrônico para detectar compostos voláteis de pasta de camarão. O nariz eletrônico é basicamente um conjunto de sensores eletrônicos que criam assinaturas elétricas únicas quando diferentes compostos se ligam a eles. Essas assinaturas são então alimentadas e combinadas com um banco de dados de compostos testados. Usando sua tecnologia, Yan e seus colegas atribuíram o cheiro pungente da pasta de camarão ao ácido propanóico. Da mesma forma, Harper e colegas de trabalhotambém descobriu usando o nariz eletrônico que o aroma do queijo pode ser completamente atribuído a apenas cinco tipos de ácidos graxos. Curiosamente, o ácido propanoico também está na lista. Essas pesquisas mostram que o nariz eletrônico tem o potencial de ajudar a remover ou melhorar o cheiro pungente/aromático de alimentos fermentados.

Nosso futuro com a ciência dos alimentos fermentados

Alimentos fermentados estão em toda parte. O iogurte no café da manhã. O condimento de molho de soja que acompanha o nosso almoço de sushi. E para não esquecer, nosso copo de vinho durante o jantar. A demanda por alimentos fermentados está cada vez mais forte e o tamanho de seu mercado também. Em 2016, a PepsiCo lançou suas bebidas Tropicana Essentials Probiotics . A Peet's Coffee também adquiriu recentemente uma participação majoritária na Revive Kombucha. Tecnologias modernas de biologia molecular podem ser exploradas para gerar microrganismos com características desejáveis ​​e monitorar populações microbianas durante a fermentação. As técnicas microfluídicas também podem acelerar o teste de receitas para o próximo produto fermentado matador, enquanto o nariz eletrônico pode 'refinar' o cheiro de alimentos fermentados. Espero que da próxima vez que você consumir seu alimento fermentado favorito, lembre-se do que acontece durante esse processo incrível e aprecie as inovações tecnológicas que foram fundamentais para a descoberta da fermentação e, muito provavelmente, sua trajetória futura.