Technologia jogurtów: Wyzwania w mikrobiologii jogurtów

Według definicji ujętej w CODEX STAN 243-2003 – Mleka Fermentowane (Codex Standard For Fermented Milks) jogurt jest zaliczany do grupy mlek fermentowanych, które są definiowane jako produkty mleczne otrzymane w wyniku fermentacji mleka pełnego, częściowo lub całkowicie odtłuszczonego, lub które mogą być wyprodukowane z produktów otrzymanych z mleka (np. mleka w proszku), bez lub z modyfikacjami składu (np. przez zagęszczenie składników suchej masy beztłuszczowej mleka), przez działanie odpowiedniej mikroflory, która powoduje obniżenie pH bez lub z koagulacją białek (tzw. izoelektryczna precypitacja białek mleka). Bardzo ważnym aspektem produkcji jest rodzaj mikroflory użytej do fermentacji mleka. Musi to być mikroflora specyficzna dla określonego typu mleka fermentowanego. W przypadku jogurtu są to symbiotyczne kultury szczepów z gatunków Streptococcus thermophilus i Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. W przypadku produkcji tzw. jogurtu o zmienionej mikroflorze (tzw. mild jogurt, jogurtu łagodnego) są to kultury szczepów z gatunku Streptococcus thermophilus i dowolnych szczepów z rodzaju Lactobacillus. Mikroflora starterowa powinna być żywa, aktywna i liczna w finalnym produkcie aż do końca daty minimalnej trwałości. Termin „jogurt” jest zastrzeżony dla produktu zawierającego żywe kultury bakterii jogurtowych w liczbie nie mniejszej niż 10 milionów komórek w 1 g. Ale jeśli finalny produkt jest poddany obróbce cieplnej po fermentacji nie stosuje się wymagania odnośnie do żywej mikroflory, a wyrób nie powinien nosić nazwy „jogurt”, aby nie wprowadzać konsumentów w błąd.

Ostatnia polska wersja przytoczonego powyżej Standardu Kodeksu Żywnościowego pochodzi z 2012 roku. Jednak historia jogurtu jest znacznie dłuższa. Szacuje się, że mleko pojawiło się w diecie człowieka około 10000--5000 p.n.e. i bardzo szybko ludzie odkryli, że mleko poddane spontanicznej fermentacji również nadaje się do spożycia. Dane literaturowe podają różne genezy powstania jogurtu. Jedne źródła podają, że jogurt został przypadkowo „odkryty” przez arabskich hodowców bydła z krajów azjatyckich, a inne zaś, że jego kolebką są regiony Indii, Mongolii, Turcji, Bułgarii, a nawet Afryka. Mleko fermentowane przypominające jogurt było znane również w starożytnej Grecji, Imperium Rzymskim i Imperium Osmańskim. Do Europy Zachodniej jogurt został sprowadzony przez króla Francji Franciszka I Walezjusza w 1542 roku. Niewątpliwie, pierwsze jogurty powstawały na drodze spontanicznej fermentacji przez mikroflorę zasiedlającą bukłaki (ze zwierzęcych żołądków) służące do przewożenia mleka surowego. I przez całą ewolucję ludzkich społeczeństw udoskonalaniu ulegał proces otrzymywania jogurtu, otrzymując status biologicznej metody utrwalania mleka pozyskanego od zwierząt hodowlanych, takich jak kozy, owce, krowy itp. Słowo „jogurt” prawdopodobnie pochodzi od tureckiego czasownika „yoğmak” oznaczającego skoagulowanie, zagęszczanie. I taki był pierwotny sposób otrzymywania jogurtu: poddanie spontaniczne fermentacji mleka, wstępnie podgęszczonego przez długotrwałe gotowanie w kociołku. Otrzymany produkt miał silnie kwaśny smak i zwartą konsystencję. Z racji gorącego klimatu, jaki panuje w regionach, które są przypuszczalnie ojczyzną jogurtu, w mleku pozostawionym na fermentację, możliwy był rozwój bakterii termofilnych, szczególnie mlekowych. Jednak dopiero bułgarski naukowiec Stamen Grigorow w 1905 roku wyizolował te bakterie, nazwane następnie Lactobacillus bulgaricus (szczep wyizolowany przez naukowca został nazwany na jego cześć: Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus Grigoroff 1905). Jednym z pierwszych współczesnych propagatorów jogurtu był rosyjski naukowiec Ilja Miecznikow, który już z samego początku interesował się badaniami Grigorowa. W 1919 roku w Barcelonie została uruchomiona pierwsza przemysłowa produkcja jogurtu. Jej założycielem był Hiszpan tureckiego pochodzenia, Izaak Carasso. Dopiero w 1933 roku opatentowano produkcję jogurtów owocowych, polegającą na dodaniu dżemu do jogurtu. Takie jogurty były produkowane przez czeską firmę Radlická Mlékárna. Spopularyzowanie produkcji i spożywania jogurtów owocowych przypisuje się jednak Szwajcarom.

Jak wspomniano wcześniej, klasyczna mikroflora jogurtowa obejmuje dwa gatunki, które powinny znaleźć się w składzie startera użytego do fermentacji mleka na jogurt. Są to: Streptococcus thermophilus i Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. W przypadku tzw. jogurtu o zmienionej mikroflorze: Streptococcus thermophilus i dowolne kultury pałeczek mlekowych z rodzaju Lactobacillus. Taka modyfikacja wynika z właściwości pałeczek mlekowych z gatunku Lb. delbrueckii subsp. bulgaricus, które wytwarzają więcej aldehydu octowego niż paciorkowce mlekowe z gatunku Str. thermophilus. Aldehyd octowy (czyli acetaldehyd) jest lotną substancją smakowo-zapachową odpowiadającą za specyficzny posmak określany jako „zielony”, „trawiasty”, „zielonego jabłka” czy nawet „farby emulsyjnej”, zależnie od jej stężenia. Substancja ta jest naturalnym metabolitem pałeczek mlekowych. Jednak jej nadmiar, a także produkty jej dalszych przemian biochemicznych, mogą być niekorzystnie odbierane sensorycznie przez konsumentów. Takie przemiany acetaldehydu mogą zachodzić w czasie długiego chłodniczego przechowywania produktu. Obserwuje się wówczas częściowe przekształcenie acetaldehydu do alkoholu etylowego i pojawienie się wad zapachowo-smakowych produktu. Wymienienie gatunku Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus w składzie kultury służącej do fermentacji mleka na jogurt na dowolne inne kultury pałeczek mlekowych z rodzaju Lactobacillus ma służyć ograniczeniu powstawania aldehydu octowego i otrzymaniu produktu fermentowanego, o łagodnym smaku i zapachu, bez efektów przekwaszania podczas chłodniczego przechowywania w czasie zadeklarowanego długiego terminu przydatności do spożycia.

W jogurcie mogą być obecne również inne drobnoustroje niż te składające się na specyficzne kultury starterowe określone powyżej. Jest to tak zwana mikroflora dodatkowa, specyficzna, której obecność podaje się na opakowaniu produktu w deklarowanym jego składzie. Jeszcze do niedawna taką mikroflorą były szczepy probiotyczne, przede wszystkim należące do rodzajów Lactobacillus i Bifidobacterium. Obecnie, zastosowanie takiej mikroflory probiotycznej w produkcie jest etykietowane wyłącznie poprzez podanie nazw szczepów, bez użycia terminu „probiotyczny”. Jest to wynikiem odmowy przez EFSA (European Food Safety Authority) uznania efektów prozdrowotnych tych szczepów za wystarczająco udowodnione i tym samym niedopuszczenia do użycia oświadczeń zdrowotnych mówiących o korzystnych skutkach zdrowotnych wynikających z ich spożywania. W konsekwencji, producentom jogurtów zawierających dodatek takiej mikroflory pozostało umieszczanie na etykietach informacji typu „zawiera żywe szczepy bakterii...”.

Obecnie rejestr Komisji Europejskiej uwzględnia tylko jedno oświadczenie zdrowotne zaakceptowane przez EFSA. Oświadczenie to dotyczy podstawowej mikroflory jogurtowej: „żywe kultury bakterii jogurtowych poprawiają trawienie laktozy z jogurtów u osób ze złym trawieniem laktozy”. Co najważniejsze, w celu użycia tego oświadczenia wobec jogurtu, powinien on zawierać co najmniej 100 milionów żywych komórek mikroorganizmów startowych (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus i Streptococcus thermophilus) w 1 gramie, czyli 10-krotnie więcej niż oczekuje tego Standard Kodeksu Żywnościowego. Dla przypomnienia, zgodnie z Rozporządzeniem 1924/2006 WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 grudnia 2006 r. w sprawie oświadczeń żywieniowych i zdrowotnych dotyczących żywności, wszelkie deklaracje producentów na temat korzyści zdrowotnych, wynikających ze spożywania produktu, muszą być potwierdzone naukowo i ujęte w formie zatwierdzonych oświadczeń opublikowanych przez Komisję Europejską w postaci listy oświadczeń.

Mikroflorą dodatkową mogą być także bakterie fermentacji mlekowej lub propionowej o właściwościach ochronnych. Taka mikroflora, dzięki wytwarzaniu substancji przeciwdrobnoustrojowych, np. bakteriocyn, ma zdolność do hamowania rozwoju mikroflory technicznie szkodliwej i zanieczyszczającej (np. drożdży lub pleśni, bakterii z grupy coli) oraz potencjalnie patogennej (np. Clostridium botulinum, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes). Kultury ochronne mogą być stosowane w produkcji równolegle z tradycyjnymi kulturami startowymi (wówczas kultury ochronne nie działają na aktywność fermentacyjną mikroflory startowej) albo mogą jednocześnie pełnić funkcję kultur startowych i ochronnych (wtedy kultury ochronne mogą przyczyniać się do powstawania korzystnych cech sensorycznych biologicznie chronionego produktu). Kultury ochronne są to zwykle kultury bakterii z gatunków Lactobacillus plantarum, Lb. rhamnosus, Lb. sakei, Lb. paracasei oraz Propionibacterium freundenreichii subsp. shermanii. Zgodnie z opinią European Food and Feed Cultures Association (EFFCA), kultury ochronne są integralną częścią kultur startowych i nie należy ich traktować jako dodatki do żywności.

Kultury startowe mogą zawierać udoskonalone szczepy bakterii jogurtowych. Pracują nad tym firmy biotechnologiczne, które stosując naturalne zabiegi modyfikacji szczepów (niemające statusu modyfikacji genetycznych), mogą oferować startery o innowacyjnych właściwościach. Przykładem takich innowacji jest otrzymywanie jogurtu nieprzekwaszającego się. Taki efekt uzyskuje się poprzez ograniczenie zdolności pałeczek i paciorkowców mlekowych do fermentacji laktozy, dzięki czemu jogurty mogą być magazynowane przez bardzo długi czas. Najprościej opisując, sztuka polega na zastosowaniu w starterze szczepów np. Lb. delbrueckii subsp. bulgaricus z usuniętą krótką sekwencją insercyjną wchodzącą w skład genu lac Z, która jest odpowiedzialna za syntezę enzymu β-D-galaktozydazy katalizującej rozkład laktozy i umożliwiającej jej fermentację przez komórki bakteryjne. Modyfikacja właściwości kultur jogurtowych może dotyczyć również uzyskania produktów naturalnie słodzonych poprzez użycie modyfikowanych paciorkowców mlekowych o pełnej zdolności do enzymatycznego rozkładu laktozy, ale ograniczonym metabolizmie glukozy i galaktozy. Jak wiadomo, mieszanka glukozy i galaktozy, uwolniona z laktozy, jest smakowo odbierana jako słodsza niż sama laktoza. W ten sposób można zwiększyć naturalną słodycz produktu bez konieczności stosowania dodatkowych substancji słodzących, np. sacharozy, ostatnimi czasy niepostrzeganej przez konsumentów jako pożądany składnik jogurtów smakowych. Zainteresowanie firm biotechnologicznych dotyczy również innych cukrów, które mogą być metabolizowane przez kultury startowe stosowane w produkcji jogurtów. W tradycyjnej fermentacji laktoza ulega hydrolizie do glukozy oraz galaktozy. Jednak galaktoza jest składnikiem niebezpiecznym dla ludzi cierpiących na galaktozemię, którym brak enzymu uczestniczącego w jej metabolizmie. Stąd wynika pomysł na zaoferowanie spontanicznych mutantów z gatunku Str. thermophilus, które mają zmiany sekwencji w operonie gal, co może być podstawą wykorzystania tego cukru z żywności przez te bakterie. W rezultacie takich zmian otrzymuje się pełne odfermentowanie glukozy i galaktozy uwolnionych z laktozy. Z punktu widzenia zdrowia konsumenta, ważna jest również nietolerancja laktozy. W obecnych czasach oferta produktów bezlaktozowych jest coraz szersza, a w przypadku mlecznych napojów fermentowanych ważne jest zapewnienie takiego poziomu fermentacji laktozy, aby w finalnym produkcie jej ilości były śladowe. Stosując klasyczną mutagenezę u szczepów bakterii jogurtowych produkujących zwiększone ilości β-D-galaktozydazy uzyskano aktywność tego enzymu w zakresie do ponad 200%.

Udoskonalanie szczepów bakterii jogurtowych może również dotyczyć skierowania ich aktywności w kierunku wzmacniania cech smakowych. Dla przykładu, na skutek uaktywnienia w komórce bakteryjnej genu kodującego dehydrogenazę alaninową obserwuje się zwiększoną jej zdolność do wykorzystania pirogronianu do biosyntezy L-alaniny, czyli aminokwasu, który może być zarówno substancją słodzącą, jak i wzmacniającą smak jogurtu smakowego. Szczepy o takich zdolnościach mogą być z powodzeniem wykorzystane do otrzymywania jogurtów z „czystą etykietą”, o prostym składzie recepturowym (w tym bez użycia dodatków aromatotwórczych), a jednocześnie ograniczonym dodatku sacharozy.

Osobnym zagadnieniem dotyczącym mikroflory jogurtowej jest poszukiwanie szczepów posiadających zdolność do syntezy witamin, przykładowo z grupy B (np. kwas foliowy, kobalamina, ryboflawina, tiamina i kwas pantotenowy) lub K (menachinion). Już teraz stosowane są kultury zawierające bakterie z rodzajów Lactobacillus, Lactococcus, Enterococcus, Bifidobacterium czy gatunku Str. thermophilus syntezujące niektóre z wymienionych witamin, ale niewykorzystujące ich do swojego rozwoju.

Trend „czyszczenia etykiety” i upraszczania składu jogurtów obejmuje również eliminację dodatku mleka w proszku. Jak wspomniano na początku artykułu, jogurt jest otrzymywany z mleka o zmienionym składzie poprzez zagęszczenie składników suchej masy beztłuszczowej mleka. Taka modyfikacja od kilkudziesięciu lat odbywa się poprzez dodatek preparatów białek mleka: zwykle odtłuszczonego mleka w proszku lub białek serwatkowych. Zagęszczenie składników suchej masy beztłuszczowej mleka umożliwia otrzymanie produktu końcowego o zwartej, zwięzłej konsystencji, bez efektu wydzielania serwatki w czasie chłodniczego magazynowania. Od niedawna konsumenci niechętnie patrzą na obecność proszku mlecznego w mlecznych napojach fermentowanych. Taki dodatek jest postrzegany jako próba fałszowania produktu. Z tego powodu producenci jogurtów wracają do stosowania tradycyjnej metody zagęszczenia składników suchej masy beztłuszczowej mleka: poprzez odparowanie wody w aparatach wyparnych. Również i w tym przypadku istnieje możliwość modyfikowania lub stabilizacji konsystencji jogurtów, nawet w czasie długotrwałego chłodniczego przechowywania. Specjalnie do takich potrzeb, firmy biotechnologiczne opracowały kultury startowe wykazujące się wysoką zdolnością do biosyntezy egzopolisacharydów (EPS). Dla przykładu, w komórkach bakterii z gatunku Str. thermophilus zdezaktywowano gen fosfoglukomutazy, czego rezultatem była efektywniejsza biosynteza polimerów poprawiających lepkość fermentowanych produktów.

Dlaczego na początku tekstu przypomniano historię jogurtu? Ponieważ w przypadku tego rodzaju mleka fermentowanego można powiedzieć, że w pewnym sensie historia zatoczyła koło. Trend do „czyszczenia etykiet” wymusza nie tylko modyfikację składu recepturowego produktu, ale również procesu technologicznego. Usunięcie sacharozy ze składu także wymaga zastosowania innych sposobów nadania słodyczy, w tym poprzez sprytnie dobrane szczepy bakterii jogurtowych. Eliminacja dodatku odtłuszczonego proszku mlecznego wymaga zastosowania innych rozwiązań w celu stabilizacji struktury produktu. Powrót do pierwotnej technologii, polegającej na odparowaniu wody z mleka przerobowego, może także wiązać się z zastosowaniem startera wytwarzającego EPS. W ten oto sposób trend do „czyszczenia etykiety” znalazł odzwierciedlenie w mikrobiologii jogurtów.