Czekoladowa mikrobiologia

BioLetyn 19/II/2016

BARBARA KOCIOŁEK

Wszyscy biotechnologowie lub, jeśli ktoś woli, biotechnolodzy (przy okazji, obie formy są poprawne) doskonale wiedzą, że mikroorganizmy ogrywają kluczową rolę w naszym życiu. Mogą być one zarówno naszymi sprzymierzeńcami, jak i wrogami. Czasem mówi się, że bakterie są dobre albo złe. Ale czy doceniamy zasługi tych małych stworzeń w dostarczaniu nam rozkoszy? I nie mam tu na myśli przyjemnego masażu za pomocą ezy lub głaszczki agaru wylanego na płytki Petriego, zwanego też w naukowym żargonie posiewem (choć trzeba przyznać, że to też całkiem sensowny punkt widzenia). Nie chodzi mi, tym razem, także o wino ani piwo, które także potrafią przynieść uciechę konsumentom, o czym Was z pewnością nie muszę przekonywać. Chcę opowiedzieć o czymś, co jest niezawodne w dostarczaniu radości bez względu na wykonywany zawód oraz wiek (pamiętajcie, alkohol tylko dla pełnoletnich), a mianowicie – o czekoladzie.

Zaraz, zaraz… Ale co wspólnego ma czekolada z mikroorganizmami?

W tym właśnie miejscu zaczyna się ta smakowita historia. Musimy jednak przenieść się w cieplejsze zakątki, do takich tropikalnych rejonów jak Wybrzeże Kości Słoniowej, Ghana, Kamerun, Nigeria, Indonezja czy Brazylia. Tam właśnie rośnie niezwykły gatunek drzewa, czyli kakaowiec właściwy (łac. Theobroma cacao). Warto tutaj nadmienić, że łacińskie theobroma oznacza pożywienie bogów. Przypadek? Raczej nie. Kakaowiec wydaje owoce o kształcie owalnym, na które składa się ok. 30-40 ziaren otoczonych słodką, białą, śluzowatą miazgą zamkniętą w grubej ścianie. Nim jednak ziarna czy też nasiona kakaowca trafią do naszych ust w formie pysznej czekolady, będą musiały przejść długą drogę – i to nie tylko w sensie geograficznym, ale przede wszystkim w wieloetapowym procesie produkcji.

Najpierw dojrzałe owoce muszą być, rzecz jasna zebrane. Potem następuje najciekawsza, z mikrobiologicznej perspektywy, faza. Jest nią spontaniczna fermentacja. Owoc po otwarciu zostaje zanieczyszczony mnóstwem mikroorganizmów pochodzących m. in. z rąk pracownika, z noża (wykorzystywanego do przecięcia łupiny), a także drewnianej skrzyni lub innego pojemnika, do którego wrzucane są pozbawione wierzchniej okrywy owoce. Następnie, tak przygotowana pulpa przykrywana jest liśćmi banana w celu utrzymania temperatury i pozostawiona na 3-7 dni. Aby ujednolicić warunki fermentacji i zwiększyć dostęp powietrza, raz dziennie ręcznie się ją miesza.

Celem fermentacji jest wytworzenie prekursorów substancji nadających smak i aromat kakao oraz pozbycie się miazgi. Proces ten można podzielić na dwa etapy: do pierwszego należą przemiany w pulpie i zewnętrznej części ziarna, natomiast do fazy drugiej zalicza się reakcje hydrolityczne w liścieniu (liściu zarodkowym) ziarna. Produktami fermentacji jest wiele związków lotnych i nielotnych, takich jak alkohole, aldehydy ketony, estry, kwasy karboksylowe, cukry i inne. Spośród nich, etanol wraz z kwasem octowym dostają się na drodze dyfuzji do wnętrza ziarna i wspólnie z podwyższoną temperaturą (ok. 45-50 °C) zabijają zarodek. Wtedy też wewnętrzna struktura ziarna rozpada się uwalniając związki i barwniki, które oddziałując z wewnętrznymi enzymami, powodują powstawanie substancji nadających aromat i kolor. Większość związków smakowych (ok. 400) tworzonych jest właśnie przez biochemiczne reakcje zachodzące w liścieniu.

Dobra, dobra… No to gdzie są te mikroorganizmy?

Fermentacja kakao oczywiście nie byłaby możliwa bez mikroorganizmów. Początkowo kwaśne środowisko (spowodowane obecnością kwasu cytrynowego) i mała ilość tlenu sprzyja rozwojowi drożdży. Te, odpowiedzialne są za inicjację procesu fermentacji. Przekształcają cukry zawarte w pulpie kakaowej w etanol. Następnie, po drożdżach do działania biorą się bakterie kwasu mlekowego, które wytwarzają kwas mlekowy i cytrynowy. Ich rola w procesie fermentacji nie jest do końca jasna i przypuszcza się, że nie są one do jej zachodzenia konieczne. Jednak przyczyniają się do obniżenia pH, co jest korzystne dla aktywności enzymów. Po bakteriach kwasu mlekowego przychodzi czas na bakterie kwasu octowego. Te wykorzystują część produkowanego przez drożdże etanolu i utleniają go do kwasu octowego. Oprócz tych trzech najważniejszych grup mikroorganizmów, w fermentacji miazgi kakaowej udział też mają tlenowe bakterie przetrwalnikujące i grzyby pleśniowe. Skład biocenozy zmienia się wraz ze zmianą warunków. Następuje tu okresowa sukcesja, czyli zastępowanie jednych gatunków drugimi.

Fermentacja kakaowa jest procesem empirycznym, prowadzonym w sposób tradycyjny, a przez to nie do końca kontrolowany. W związku z tym, jakość produktu może być zmienna oraz możliwie są problemy wynikające z niepełnej fermentacji. Dlatego też prowadzi się badania mające na celu poszerzenie wiedzy na temat roli poszczególnych gatunków w fermentacji, a przez to uprzemysłowienie procesu, np. poprzez wykorzystanie szczepów starterowych.

W takim razie co dalej?

Po fermentacji ziarna kakao są suszone przez ok. 1-4 tygodnie, a potem wysyłane do fabryk czekolady. Tam z kolei, po oczyszczeniu i ponownym wysuszeniu, kakao jest prażone, dzięki czemu uzyskuje ono w pełni swój aromat. Kolejnym etapem jest rozdrobnienie aż do uzyskania tzw. likieru kakaowego o płynnej konsystencji. Wtedy można dodać odpowiednie dla danego rodzaju wyrobu dodatki, rozetrzeć i zgnieść aż do roztopienia masy, która może być już nazwana czekoladą.

Tutaj historia właściwie się już kończy. Ale jeśli jeszcze nie rzuciliście się na kostkę, pralinkę lub kubek gorącej czekolady, to znaczy, że wciąż coś Was gryzie. Wcale się nie dziwię, bo nie odpowiedzieliśmy jeszcze na pytanie dręczącego z pewnością niejednego mikrobiologa (patrz: https://forumakademickie.pl/fa/2007/09/czy-bakterie-lubia-czekolade/), a mianowicie:

Czy bakterie lubią czekoladę?

I znów trzeba wrócić do początku, czyli do dobrych i złych bakterii znajdujących się w naszym przewodzie pokarmowym. Do tych, które są nam życzliwe należą bifidobakterie i bakterie kwasu mlekowego bytujące w jelitach. A te, bardzo chętnie korzystają z konsumowanej przez nas czekolady. Dokładniej rzecz ujmując, rozkładają one zawarte w kakao polifenole, takie jak katechiny czy epikatechiny do mniejszych cząstek, które dodatkowo mają właściwości przeciwzapalne. Nie wiem jak dla Was, ale dla mnie jest to przekonujący argument, że bakterie, podobnie jak i my, lubią czekoladę.

Jakby tego wszystkiego było jeszcze mało, czekolada (rys.4) ma kilka dodatkowych korzystnych, naukowo potwierdzonych właściwości. Dzięki zawartości flawonoidów pomaga obniżyć ryzyko chorób układu krążenia poprzez zmniejszenie ciśnienia krwi. Dodatkowo, kakao może być też pomocne w odchudzaniu. Obecny w nim błonnik, po rozłożeniu na krótko łańcuchowe kwasy tłuszczowe, wpływa bowiem na uczucie sytości. Co więcej, dzięki teobrominie, czekolada może hamować kaszel. Taniny z kolei mogą osłabić krwawienie dziąseł i poprawić zapach z ust. Magnez zawarty w czekoladzie polepsza trawienie. Czekolada może też mieć pozytywny wpływ na pamięć i czas reakcji. Dodatkowo przez to, że zawiera w sobie fenyloetyloaminę uważana jest za afrodyzjak.

Po takiej litanii zalet czekolady nie mam już chyba nic więcej do dodania (o jej wpływie na brzuchy i biodra nie mam serca pisać). Chociaż właściwie mogę jeszcze dołożyć czekoladową ciekawostkę. Czy wiedzieliście, że czekolada ma swój dzień? A właściwie nawet nie jeden, bo w różnych miejscach obchodzona w jest w różnym czasie. Za światowy dzień czekolady uznaje się 7 lipca, w Polsce swoje święto miała 12 kwietna, w Stanach Zjednoczonych dzień ten przypada na 13 września i… jest jeszcze wiele innych dat. Oznacza to prawdopodobnie, że na czekoladę zawsze jest dobry moment 😉 Pozostaje mi więc tylko życzyć Wam smacznego!

Źródła bibliograficzne:

da Veiga Moreira, I. M., da Cruz Pedrozo Miguel M. G., Duarte W. F., Dias D. R., Schwan R. F., Microbial succession and the dynamics of metabolites and sugars during the fermentation of three different cocoa (Theobroma cacao L.) hybrids, „Food Research International”, 2013, nr 54(1), s. 9-17.
de Melo Pereira G. V.,  da Cruz Pedrozo Miguel M. G., Ramos C. L.,  Schwan R. F., Microbiological and physicochemical characterization of small-scale cocoa fermentations and screening of yeast and bacterial strains to develop a defined starter culture, „Applied and environmental microbiology”, 2012,  nr 78(15), s.5395-405.
de Melo Pereira G. V., Magalhães K. T., de Almeida E. G., Da Silva Coelho I., Schwan R. F., Spontaneous cocoa bean fermentation carried out in a novel-design stainless steel tank: Influence on the dynamics of microbial populations and physical–chemical properties, „International Journal of Food Microbiology”,  2013, nr 161(2), s.121-133.
Ding E. L., Hutfless S. M., Ding X., Girotra S., Chocolate and prevention of cardiovascular disease: a systematic review, „Nutrition & Metabolism”, 2006 nr 3.
Ho V. T. T., Zhao J., Fleet G., Yeasts are essential for cocoa bean fermentation, „International Journal of Food Microbiology”, 2014, nr 174, s.72-87.
Ho V. T. T., Zhao J., Fleet G., The effect of lactic acid bacteria on cocoa bean fermentation, „International Journal of Food Microbiology”, 2015, nr 205, s.54-67.
Schwan R. F., Wheals A. E., The microbiology of cocoa fermentation and its role in chocolate quality, „Critical Reviews in Food Science and Nutrition”, 2004, nr 44(4), s. 205-221.
American Chemical Society, The precise reason for the health benefits of dark chocolate: mystery solved, http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2014/march/the-precise-reason-for-the-health-benefits-of-dark-chocolate-mystery-solved.html (dostęp: 4.05.2016 r.)
Doucleff M., Thank Your Gut Bacteria For Making Chocolate Healthful, http://www.npr.org/sections/thesalt/2014/03/18/290922850/chocolate-turns-into-heart-helpers-by-gut-bacteria (dostęp: 4.05.2016 r.)
Elsevier, Infographic: What science says about chocolate, https://www.elsevier.com/connect/infographic-what-science-says-about-chocolate (dostęp: 4.05.2016 r.)
Lozano A. C., Kownacka P., Łachut Ł., Rosińska K., Węklar M., Czekolada. Produkcja czekolady, https://projektcacao.wordpress.com/czekolada/ (dostęp: 4.05.2016 r.)