Микробиом хлебной закваски оказался независим от географического положения

Ученые из США провели масштабное исследование образцов хлебной закваски из Европы, Америки и Австралии. Они выяснили, что микробиомный состав закваски нельзя предсказать по географическому положению пекарни. В то же время, взаимодействие микробов друг с другом в закваске повлияло на вкусовые качества хлеба. Работа опубликована в eLife.

Хлеб традиционно готовят с использованием закваски, микробиом которой состоит из дрожжей и бактерий. Дрожжи, молочнокислые бактерии и уксуснокислые бактерии выделяют углекислый газ, который заставляет хлеб подниматься. Кроме того, микробиом выделяет органические кислоты и ферменты, что влияет на аромат хлеба, его текстуру, срок хранения и питательные свойства. 

Хлебную закваску можно приготовить с нуля брожением смеси муки и воды, либо получить готовую от знакомых или купить. Ферментация хлебной закваски в домашних условиях – древняя традиция во многих сообществах. Ключевыми «игроками» в закваске принято считать дрожжи (Saccharomycetales) и молочнокислые (Lactobacillales) бактерии, в то время как уксуснокислые (Rhodospirillales) бактерии часто не рассматриваются в исследованиях.

Несмотря на экономическую и историческую значимость хлебной закваски, больших межконтинентальных исследований состава ее микробиома еще не проводилось. Считается, что биоразнообразие заквасок связано с их географическим происхождением, разницей в условиях окружающей среды и способе хранения. 

Команда исследователей из университета Тафтса под руководством Бенджамина Вулфа (Benjamin Wolfe) собрала 500 образцов, в основном из США (n = 429) и Канады (n = 29), также в выборке были представлены европейские страны (n = 24), Австралия и Новая Зеландия (n = 17) и Таиланд одним образцом. Закваски сильно отличались друг от друга в возрасте, происхождении (домашние закваски и используемые в производстве), зерновой основе (пшеница, рожь, разная степень обработки зерна) и условиях поддержания.

Качественный состав микробиома ученые определили с помощью секвенирования. В среднем, молочнокислые и уксуснокислые бактерии составляли более 97 процентов бактериальных ридов, а дрожжи – более 70 процентов грибных ридов. Внимание исследователей привлекла высокая распространенность уксуснокислых бактерий в образцах домашних заквасок. Остальные замеченные бактерии и грибы были распространенными видами плесени, патогенами растений, а также микробами, обитающими на человеческой коже, питьевой воде и почве. Дальше в исследовании их не рассматривали.

В большинстве микробных сообществ доминировал один вид грибов и два-три вида бактерий. Так, например, S. cerevisiae составляли более 50 процентов ридов в 77 процентах образцов. Молочнокислая бактерия L. sanfranciscensis оказалась доминантной и ее присутствие отрицательно коррелировало с распространением L. plantarum и L. brevis в образцах (p < 0,001). 

Далее ученые проверили, как географическое происхождение и условия поддержания закваски влияют на микробиом. Они использовали статистический тест Мантела, который часто используется в экологии для оценки корреляции генетической вариативности организмов с их географической удаленностью друг от друга. На глобальном уровне, таксономический состав дрожжей плохо получалось предсказать местом происхождения закваски (коэффициент корреляции = 0,07; р < 0,01). Когда же во внимание принимались другие грибы, корреляция с географическим положением становилась сильнее (коэффициент корреляции = 0,23; р ≤ 0,001), вероятно, из-за различий недрожжевых (плесень, растительные патогены) грибов в окружающей среде. Общую связь микробиома с географией ученые исследовали на выборке из США, откуда образцов было больше всего, но корреляции выявить не удалось (коэффициент корреляции = 0,0; р > 0,05).

Ученые собрали данные по еще 33 аспектам работы с закваской: возраст закваски, место хранения, частота «подкармливания», характеристики помещений, климатические условия и прочее. Все вместе, эти факторы могли предсказать только 10 процентов вариативности как бактериальных, так и грибных сообществ. Лишь некоторые отдельные виды были лучше представлены в зависимости от определенных факторов. Например, в молодых заквасках часто доминировала молочнокислая бактерия L. plantarum и L. brevis (р < 0,001), когда как в старые закваски часто содержали L. sanfranciscensis (p = 0,01) и P. parvulus (p < 0,001). 

Далее ученые выбрали из начального набора 40 репрезентативных образцов и измерили два показателя, важных для выпечки: выделение летучих органических соединений (они влияют на аромат хлеба) и способность теста подниматься. Газовая хроматография, сопряженная с масс-спектрометрией, позволила идентифицировать 123 летучих соединения, среди них – этиловый спирт, уксусная кислота, этилацетат и другие. Кроме анкетирования владельцев заквасок, обонятельный анализ провели при помощи обученных различать запахи специалистов. Они смогли различить 14 доминантных запахов в образцах, такие как запах дрожжей, уксусной кислоты, зеленого яблока и другие. Начальный состав микробиома сильно коррелировал с составом определяемых летучих органических веществ (коэффициент корреляции = 0,19; р ≤ 0,01). Конкретно, на выделяемые летучие вещества влияло процентное соотношение уксуснокислых бактерий в закваске (коэффициент корреляции = 0,73; р < 0,001), они же объясняли различия в запахе (р < 0,05). И те же уксуснокислые бактерии отрицательно коррелировали с уровнем поднятия теста (коэффициент корреляции = -0,51; р < 0,001). Ученые предположили, что вырабатываемые ими вещества, в том числе уксусная кислота, подавляют рост молочнокислых бактерий в закваске и таким препятствуют поднятию теста. Таким образом, несмотря на небольшое их содержание в заквасках, уксуснокислые бактерии сильно повлияли на структуру и аромат хлеба.

Авторы работы отмечают, что влияние географического происхождения закваски на ее биологический состав может быть сильно ограничена из-за широкой практики обмена и продаж заквасок. Кроме того, мука – один из источников микробов – также перемещается на огромные расстояния в ходе торговли.

Человек с древности использует микроорганизмы для ферментации. Не так давно удалось испечь хлеб на закваске из собранных египтологами с глиняных горшков, которые использовались в обиходе 4500 лет назад.

Вера Сысоева