Bakterie: Bakterie w produkcji twarogów

dr hab. Małgorzata Ziarno, prof. SGGW, SGGW w Warszawie dr. inż. Dorota Zaręba, ZSSG w Warszawie
Forum Mleczarskie Biznes 2/2017 (28)

Sery są od dawna obecne w diecie człowieka. Sery twarogowe (twarogi) wytwarzane są na drodze kwasowego lub kwasowo-podpuszczkowego wytrącania białek mleka. W produkcji twarogów kwasowych wyróżnia się charakterystyczne etapy produkcji: ocena jakościowa mleka, normalizacja zawartości tłuszczu, pasteryzacja (zalecana wysoka obróbka cieplna), schłodzenie do temperatury zaszczepiania, dodatek kultury bakterii, fermentacja, obróbka skrzepu (intensyfikacja synerezy), oddzielanie serwatki, prasowanie, pakowanie i magazynowanie. Cechy fizykochemiczne, sensoryczne i jakości mikrobiologicznej twarogów zależą od standardów higienicznych na etapie doboru i przygotowania mleka oraz prowadzenia ukwaszania mleka i obróbki skrzepu. Zarówno jakość mleka, jak i etapy przygotowujące do procesu fermentacji, mają kluczowe znaczenie dla jakości skrzepu twarogowego. Na finalne cechy sensoryczne i jakość twarogów istotny zaś wpływ mają bakterie obecne w kulturze startowej, jak i mikroflora z mleka, która przetrwała jego pasteryzację. Dlatego zalecane jest, aby jakość surowca kierowanego do produkcji twarogu była wysoka, wówczas zminimalizowane zostanie ryzyko rozwoju mikroflory konkurencyjnej dla bakterii wchodzących w skład mikroflory kultury starterowej. Biorąc pod uwagę etapy produkcji, najistotniejszym elementem procesu produkcji jest dobór kultury bakteryjnej oraz jej prowadzenie w procesie fermentacji i obróbki skrzepu. Do ukwaszania mleka wykorzystywane są najczęściej mezofilne paciorkowce mlekowe.

Skład kultur startowych do produkcji twarogów jest efektem tradycji. Pierwotnie, twarogi były efektem fermentacji spontanicznej, prowadzonej przez mikroorganizmy obecne w surowym mleku. Początkowo twarogi powstawały poprzez podgrzanie zsiadłego mleka w celu intensyfikacji synerezy i oddzielenia skrzepu. Zgodnie z technologicznym zamiarem, jest istotne, aby w warunkach przemysłowych mleko zostało ukwaszone przez bakterie fermentacji mlekowej. Podstawową właściwością tych bakterii fermentacji mlekowej jest produkcja kwasów organicznych, przede wszystkim kwasu mlekowego. Ukwaszanie mleka może być prowadzone do wyczerpania substratów fermentacji (w przypadku mleka jest to przede wszystkim laktoza) lub do chwili powstania takiej ilości metabolitów, która wykazuje działanie hamujące wobec komórek bakterii mlekowych. Na etapie ukwaszania, oprócz kwasu mlekowego powstaje także szereg innych związków chemicznych o znaczeniu istotnym dla powstania akceptowalnego smaku i zapachu produktu finalnego. Sery kwasowe powinny charakteryzować się czystym smakiem i zapachem, łagodnym i lekko kwaśnym. Powinny mieć zwartą konsystencję i jednolitą białą barwę. W serach chudych dopuszcza się konsystencję lekko ziarnistą. Wszelkie odstępstwa są przesłanką do negatywnej oceny produktu pod względem bezpieczeństwa, w efekcie rozwoju niekorzystnej mikroflory zanieczyszczającej.

Zbyt intensywne ukwaszenie mleka prowadzi do nadmiernego odwodnienia skrzepu, co daje efekt suchego, ziarnistego i twardego luźnego sera. Natomiast zbyt wolne ukwaszanie mleka może nie zahamować wzrostu niektórych drobnoustrojów (przede wszystkim z grupy coli) i w konsekwencji spowodować nadmierne gazowanie skrzepu oraz zmiany cech sensorycznych.

Bakterie fermentacji mlekowej (LAB, Lactic Acid Bacteria)

Bakterie są klasyfikowane na trzech podstawowych poziomach: rodzaju, gatunku i szczepu. Pierwszy człon określa rodzaj bakterii, na przykład: Lactobacillus, Bifidobacterium, Lactococcus, Leuconostoc, Pediococcus itp. Drugi człon nazwy określa gatunek bakterii, na przykład dla rodzaju Lactobacillus: Lb. acidophilus, Lb. casei, Lb. delbrueckii i Lb. rhamnosus. Trzeci człon nazwy (najczęściej numeryczny) określa szczep, na przykład Lb. rhamnosus ATCC 53103, Lb. rhamnosus ATCC 7469. Im więcej różnic w tych nazwach pomiędzy bakteriami, tym więcej jest różnic wśród cech technologicznych. To znaczy, że bakterie w obrębie tego samego rodzaju różnią się cechami fermentacyjnymi, ale różnice występują też pomiędzy bakteriami należącymi do dwóch różnych gatunków tego samego rodzaju, i analogicznie może być w przypadku szczepów należących do tego samego gatunku. Dokładna systematyka bakterii fermentacji mlekowej jest stale weryfikowana. W efekcie podział bakterii fermentacji mlekowej opiera się na różnicach morfologicznych (wyglądu komórki), biochemicznych (zdolnościach metabolicznych, w tym fermentacyjnych) oraz serologicznych (odpowiedzi immunologicznej). Ogólnie mówiąc, bakterie fermentacji mlekowej przyporządkowane są do rodziny Lactobacillaceae, do których należą niektóre rodzaje wykorzystywane w technologii żywności: Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus.

Osobny podział bakterii, wykorzystywanych w technologii żywności, jest oparty na wartościach warunków wzrostu, do których należą temperatura i dostęp do tlenu. Ze względu na optymalną temperaturę wzrostu, bakterie mlekowe klasyfikuje się na termofilne oraz mezofilne. Bakterie termofilne są to te, których najefektywniejszy wzrost i aktywność przypada na zakres temperatury 40-45°C, należą do nich typowe bakterie jogurtowe (Lb. delbrueckii subsp. bulgaricus i Streptococcus thermophilus oraz Lb. helveticus). Bakterie mezofilne charakteryzują się optymalnym wzrostem i aktywnością biochemiczną w temperaturze 25-35&Deg;C, do nich należą między innymi gatunki: Lactococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides. Pod względem preferencji tlenu, bakterie mlekowe dzielone są na beztlenowe i tlenowe. Należy jednak podkreślić, że tolerancja tlenu dotyczy wzrostu, nie zaś zdolności metabolicznych. I tak dla przykładu do gatunków bezwzględnie tlenowych zalicza się Str. thermophilus i Lc. lactis, zaś beztlenowych na przykład Lb. delbrueckii subsp. bulgaricus, Lb. acidophilus.

Istotnym podziałem LAB pod względem technologicznym jest zdolność do fermentacji określonej grupy substratów (najczęściej cukrów). Na tej podstawie duński mikrobiolog Ora-Jensen dokonał podziału bakterii kwasu mlekowego na bakterie mlekowe (właściwe) i pseudomlekowe. Do grupy bakterii pseudomlekowych zaliczył te, które do produkcji kwasu mlekowego wykorzystują nietypowe substancje, a ich ubytek powoduje wady produktu finalnego. Do bakterii pseudomlekowych zaliczane są niektóre gatunki z rodzaju Microbacterium i Pediococcus. Podstawowym podziałem charakteryzującym zdolności fermentacyjne właściwych bakterii mlekowych jest podział na homofermentatywne i heterofermentatywne. Bakterie homofermentatywne są to te, które w efekcie fermentacji cukrów wytwarzają w dominującym udziale kwas mlekowy. Z kolei heterefermentatywne bakterie mlekowe charakteryzują się bardziej złożonymi szlakami metabolicznymi, a rozkładając cukry wytwarzają wiele produktów, w tym: kwasy mlekowy i octowy, diacetyl, acetaldehyd, ketony, alkohole, dwutlenek węgla i wiele innych. Do bakterii homofermentatywnych zalicza się: Lb. bulgaricus, Lb. helveticus, Lc. lactis, zaś do heterofermentatywnych: Lb. fermentum, Leuc. cremoris i Lc. diacetilactis.

Wymienione cechy, warunkujące wzrost, jak i drogę fermentacji, są znaczące na etapie doboru składu startowych kultur bakteryjnych oraz na etapie doboru kultury do rodzaju oczekiwanego produktu finalnego o charakterystycznych cechach jakościowych wynikających z użytej mieszanki bakterii. Kultury starterowe zawierają w składzie zestaw szczepów LAB, które wykazują wzajemną symbiozę oraz zgodność metaboliczną. Efekt odpowiedniego doboru składu kultury startowej to: charakterystyczny smak, aromat oraz konsystencja finalnego produktu fermentowanego.

Fermentacja spontaniczna

Bakterie mlekowe są mikroorganizmami powszechnie występującymi w żywności i ogólnie w całym środowisku. Jednym z naturalnych środowisk bytowania bakterii kwasu mlekowego jest układ pokarmowy zwierząt. Jest to też naturalna droga, z której wynika obecność bakterii fermentacji mlekowej w surowym mleku. I to właśnie te bakterie są odpowiedzialne za zjawisko spontanicznej fermentacji surowego mleka. Przyczynę krzepnięcia mleka jako pierwszy opisał w 1857 r. Ludwik Pasteur, a jego współpracownik Ilja Miecznikow zasugerował metodę spontanicznej fermentacji jako sposób na biologiczne utrwalanie mleka. Jednak nie można zapominać, że oprócz mikroflory pozytywnej, jaką są bakterie kwasu mlekowego, do mleka surowego dostają się także bakterie niepożądane, powodujące jego psucie, jak i bakterie patogenne zagrażające zdrowiu konsumenta. Spośród tych bakterii należy wymienić rodzaje: Pseudomonas, Streptococcus, Micrococcus i Bacillus. Z tego względu, mleko surowe kierowane na spontaniczną fermentację powinno cechować się bardzo wysoką czystością mikrobiologiczną. Podobnie, proces produkcji wyrobów z takiego mleka powinien cechować się wysokimi standardami higienicznymi. W początkowym etapie spontanicznej fermentacji mleka surowego rozwijają się drobnoustroje proteolityczne (rozkładające białka, np. Pseudomonas), następnie do aktywności dochodzą bakterie fermentacji pseudomlekowej i bakterii z grupy coli. Dopiero w następnej kolejności swoją aktywność kwasotwórczą ujawniają właściwe paciorkowce mlekowe (Lactococcus). I to tych ostatnich bakterii zależy sukces prawidłowej fermentacji mleka surowego, a przede wszystkich bezpieczeństwo jego konsumpcji oraz charakterystyczne cechy organoleptyczne. Podobnie, twaróg otrzymany z tak ukwaszonego mleka surowego odzwierciedla jego cechy sensoryczne i mikrobiologiczne. Pewną gwarancją bezpieczeństwa skrzepu twarogowego jest obniżenie jego kwasowości do wartości pH w zakresie 4,1-4,5. Sery o takiej kwasowości można zaklasyfikować do grupy produktów o niskim ryzyku rozwoju drobnoustrojów zanieczyszczających. Jednak zbyt intensywne ukwaszenie mleka prowadzi do nadmiernego odwodnienia skrzepu, co daje efekt suchego, ziarnistego i twardego luźnego sera. Natomiast zbyt wolne ukwaszanie mleka może nie zahamować wzrostu niektórych drobnoustrojów (przede wszystkim z grupy coli) i w konsekwencji spowodować nadmierne gazowanie skrzepu oraz zmiany cech sensorycznych (zmian wyglądu, struktury, barwy, smaku i zapachu, które pośrednio świadczą o pojawieniu się zagrożenia dla konsumenta). Na skutek rozwoju niepożądanej mikroflory sery twarogowe otrzymane bez odpowiednich środków zabezpieczających mogą ulec zepsuciu w ciągu kilku dni. To dlatego, w przypadku twarogów z mleka surowego potrzebna jest wiedza dająca orientację w zagrożeniach dla ludzkiego zdrowia.

Mikroorganizmy, które w twarogu spontanicznie fermentowanym można uznać za bezpieczne są to bakterie mlekowe odpowiedzialne za ukwaszenie mleka, tworzenie substancji aromatycznych i utrwalających mleko (takich jak kwas mlekowy, kwas octowy, bakteriocyny, dwutlenek węgla itp.). Bakterie mlekowe przyczyniają się do tworzenia pożądanych właściwości fizycznych oraz sensorycznych. Wszelkie oznaki lepkości, śluzowacenia, zmiany koloru, zmiany smaku w kierunku posmaków mydła, goryczki, jełczenia najprawdopodobniej świadczą o niekorzystnych i niekontrolowanych przemianach mikrobiologicznych. Dokładne określenie kierunku przemian jest możliwe dopiero po dokładnej analizie mikrobiologicznej, a produkt z nieoczekiwanymi zmianami i cechami sensorycznymi powinien być wyeliminowany z potencjalnej konsumpcji. Zmniejszenie rozwoju niekorzystnej mikroflory mleka surowego jest związane z szybkim zakwaszeniem mleka, które można osiągnąć poprzez dodatek aktywnych kultur startowych, powodują szybką dominację układu przez bakterie mlekowe.

Pewną gwarancją bezpieczeństwa skrzepu twarogowego jest obniżenie jego kwasowości do wartości pH w zakresie 4,1-4,5.

Fermentacja wymuszona (kontrolowana)

W celu kontrolowania i optymalizacji procesu produkcji na skalę przemysłową mleko, przed procesem fermentacji jest zaszczepiane gotowymi zestawami kultur startowych LAB. Szybkie zdominowanie środowiska mleka przez wyselekcjonowane bakterie mlekowe powoduje kontrolowane obniżanie wartości pH oraz zmniejsza ryzyko rozwoju bakterii niekorzystnych, w tym patogennych. Efekt dominacji układu przez pożądane bakterie kwasu mlekowego potęguje się poprzez stosowanie przed etapem fermentacji procesu pasteryzacji mleka surowego. Pasteryzacja mleka pozwala wyeliminować mikroflorę niepożądaną, pozostawiając jedynie mikroflorę przetrwalnikującą, która przy założeniu prawidłowej fermentacji nie ma później warunków do wzrostu.

Zwolennicy rzemieślniczych metod produkcji żywności, w tym otrzymywania twarogów z mleka surowego, zauważają wadę stosowania procesu pasteryzacji mleka, wskazując na nieco zubożony bukiet smakowo-zapachowy twarogów przemysłowych i znacznie bogatszy serów fermentowanych spontaniczne przez mikroorganizmy naturalnie występujące w mleku surowym. W tym miejscu należy zadać sobie pytanie, co jest wartością wyższą: bezpieczeństwo konsumenta czy wyszukane bukiety smakowo-zapachowe kreowane przez niekontrolowaną fermentację spontaniczną? Biorąc pod uwagę powyższe, w celu zapewnienia odpowiedniej jakości sensorycznej w ofercie gotowych kultur bakteryjnych dedykowanych do produkcji twarogów na skalę przemysłową znajdują się mieszanki starterowe bakterii mlekowych homo- i hetefermentujących, których celem jest otrzymanie smaku i zapachu w produkcie gotowym dostosowanych do oczekiwań konsumenta.

Kultury bakterii fermentacji mlekowej (starterowe, startowe)

Kultury stosowane do przemysłowej produkcji twarogów są wielogatunkowymi mieszankami wyselekcjonowanych bakterii mlekowych, co oznacza, że w jednej porcji takiego startera znajdują się co najmniej dwa szczepy z co najmniej dwóch gatunków LAB. Jako startery do twarogów najczęściej wykorzystywane są mezofilne bakterie mlekowe. Zgodnie z międzynarodową klasyfikacją mezofilne kultury LAB grupuje się w cztery typy: O, L, D i DL. Każdy typ różni się składem, który przekłada się na zdolności fermentacyjne obecnych w nim bakterii. Kultury typu O, w których skład wchodzą dwa podgatunki z rodzaju Lactococcus (Lc. lactis subsp. lactis i Lc. lactis subsp. cremoris) nie wykazują zdolności do fermentacji cytrynianów i w konsekwencji są to startery bardzo ubogo aromatyzujące i niegazujące. Najczęściej takie kultury LAB są stosowane w produkcji serów typu cottage cheese lub serów typu feta. Startery typu L są to mieszanki, które zawierają LAB zdolne do powolnej fermentacji cytrynianów, a co za tym idzie, tworzące większą (w porównaniu do kultur typu O) gamę związków aromatotwórczych. W skład tych kultur wchodzą dwa podgatunki z rodzaju Lactococcus (Lc. lactis subsp. lactis, Lc. lactis subsp. cremoris) oraz szczepy z rodzaju Leuconostoc (najczęściej Leuc. mesenteroides subsp. cremoris, Leuc. lactis, Leuc. mesenteroides subsp. dextranicum, Leuc. mesenteroides subsp. mesenteroides). Startery tego typu są najczęściej wykorzystywane do produkcji twarogów. Kultury starterowe typu D są to mieszanki Lc. lactis subsp. lactis, Lc. lactis subsp. cremoris, Lc. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis. Taka mieszanka LAB charakteryzuje się szybką fermentacją z intensywnym gazowaniem i aromatyzowaniem. Typ LD startera łączy skład i cechy obu wcześniej omawianych typów: D i L. W efekcie, zawierają: Lc. lactis subsp lactis, Lc. lactis subsp. cremoris, Lc. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis, Leuc. mesenteroides subsp. cremoris, Leuc. lactis, Leuc. mesenteroides subsp. dextranicum, Leuc. mesenteroides subsp. mesenteroides. Taki zestaw LAB prowadzi szybką fermentację, silnie aromatyzuje i tworzy znaczne ilości dwutlenku węgla. Jest to skład idealny do produkcji tzw. klasycznego polskiego twarogu, charakteryzującego się silnym, orzechowym aromatem i luźną, miękką konsystencją.

Jak można wywnioskować z powyższego, charakter produktu finalnego pod względem walorów smakowych, zapachowych i strukturalnych może i powinien być kształtowany przez dobór kultur startowych ukierunkowanych na zwiększanie asortymentu proponowanych twarogów oraz poprzez dostosowanie do oczekiwań konsumenta finalnego, z jednoczesnym zagwarantowaniem bezpieczeństwa konsumentowi.