Kultury starterowe a zakwasy mleczarskie: Startery dla zakładów

Kultury starterowe (startery) są to zestawy wyselekcjonowanych mikroorganizmów (bakterii, pleśni lub drożdży), celowo dodawane do mleka przerobowego w celu uzyskania pożądanego rezultatu w produkcie finalnym. Są to kultury drobnoustrojów, bez których produkcja nie byłaby możliwa (tzw. mikroflora techniczna) oraz hodowle, których dodatek ma na celu osiągnięcie innego efektu, np. podwyższenia wartości zdrowotnej produktu (tzw. mikroflora dodatkowa). Mikroflora techniczna ma na celu przeprowadzenie fermentacji, wytworzenie substancji smakowo-zapachowych, przyczynienie się do przemian proteolitycznych i/lub lipolitycznych białek i lipidów. Natomiast celem wykorzystania mikroflory dodatkowej jest wydłużenie przydatności do spożycia i ochrona produktu przed rozwojem mikroflory zanieczyszczającej (tzw. kultury ochronne) lub wywołanie efektu korzystnego dla organizmu konsumenta (tzw. kultury probiotyczne).

Najczęściej oczekiwanym rezultatem jest fermentacja, będąca efektem metabolicznej aktywności mikroflory starterowej, czyli produkcja kwasów organicznych (przede wszystkim kwasu mlekowego) z laktozy (cukru mlecznego). Ponieważ w warunkach przemysłowych mleko surowe przyjmowane do zakładu mleczarskiego jest poddawane pasteryzacji, podczas której cała mikroflora kwasząca w nim obecna, ulega inaktywacji termicznej, wywołanie jakichkolwiek procesów fermentacji wymaga jej zainicjowania, poprzez dodatek mikroorganizmów starterowych.

W starterach wytwarzających kwas mlekowy wykorzystuje się głównie bakterie kwasu mlekowego (LAB), homofermentatywne lub heterofermentatywne. Homofermentatywne LAB (np. Lactococcus lactis, Lactobacillus delbrueckii, Lb. plantarum i Lb. acidophilus) wytwarzają wyłącznie lub prawie wyłącznie (90%) kwas mlekowy. Heterofermentatywne LAB (np. gatunki z rodzaju Leuconostoc i niektóre z rodzaju Lactobacillus, w tym Lb. brevis i Lb. fermentum), poza kwasem mlekowym, produkują również inne kwasy organiczne (np. kwas octowy, kwas mrówkowy), dwutlenek węgla i/lub niewielkie ilości etanolu. Proces fermentacji mlekowej jest prowadzony w kontrolowanych warunkach m.in. pod względem temperatury, czasu, dawki startera i finalnej wartości pH. Kwaszące kultury starterowe są wykorzystywane w branży mleczarskiej do produkcji mlecznych napojów fermentowanych, śmietany, serów kwasowych i podpuszczkowych. Wytworzenie kwasu mlekowego powoduje obniżenie wartości pH mleka przerobowego, co sprzyja koagulacji białek mleka, głównie kazeiny, gdyż osiąga się takie pH mleka, które odpowiada wartości punktu izoelektrycznego (pI) kazeiny (pH ok. 4,5-4,6). W świeżym mleku o pH 6,60-6,75 kazeina występuje w postaci micel tworzących koloidalny roztwór, a poszczególne frakcje kazeiny w każdej miceli są połączone wiązaniami wapniowo-fosforanowo-cytrynianowymi. Natomiast przy pH odpowiadającemu punktowi izoelektrycznemu kazeiny micele kazeinowe mają ładunek elektryczny równy zero (czyli są elektrycznie obojętne), co powoduje, że tracą warstwy hydratacyjne (ochronne) i mogą się wzajemnie przyciągać. W ten sposób powstają warunki do utworzenia przestrzennej sieci wiązań między micelami kazeinowymi, w efekcie czego powstaje żel (skrzep kazeinowy). Zmniejszanie wartości pH jednocześnie zmienia konsystencję produktu, poprawia strawność białek i wartość odżywczą produktu. Ma także pewne działanie utrwalające produkt, gdyż niskie pH produktów może hamować niektóre mikroorganizmy powodujące psucie, chociaż efekt hamowania mikroflory zanieczyszczającej jest również związany z innymi produktami ubocznymi aktywności kultury startowej.

Celem stosowania czystych kultur mikroflory jest nie tylko zapoczątkowanie i przeprowadzenie prawidłowej fermentacji mlekowej, ale także wytworzenie odpowiednich ilości substancji aromatycznych. W trakcie fermentacji niektóre mikroorganizmy wykazują zdolność do wytwarzania związków smakowo-zapachowych, takich jak diacetyl, acetoina lub butanodiol, chociaż kwas mlekowy również przyczynia się do kreowania typowego aromatu i smaku produktów fermentowanych poprzez rozkład białek, tłuszczów i innych składników mleka przerobowego. Związki smakowo-zapachowe mogą być syntetyzowane przez niektóre gatunki bakterii fermentacji mlekowej posiadające zdolność do metabolizmu cytrynianów. Cytryniany są metabolizowane przez gatunki bakterii kwasu mlekowego takie jak Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis, a także wybrane gatunki z rodzaju Leuconostoc, dlatego niektóre z tych bakterii mlekowych są dodawane do aromatyzujących kultur startowych.

Na skutek metabolizmu cytrynianów powstaje również dwutlenek węgla (CO2). Przyczynia się on do powstawania „oczek” w serach długodojrzewających i serach typu Gouda. Dwutlenek węgla w serach, zarówno podpuszczkowych jak i kwasowych, może być także efektem fermentacji mlekowej lub propionowej. W przypadku mikroflory mlekowej uwalniany dwutlenek węgla jest w części gromadzony w skrzepie powstrzymując opadanie skrzepu na dno wanny serowarskiej, czego oczekuje się podczas otrzymywania skrzepu twarogowego. Z kolei fermentację kwasu propionowego prowadzą bakterie propionowe, spośród których w mleczarstwie wykorzystuje się szczególnie Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii, znajdujące zastosowanie jako kultury startowe do otrzymywania serów podpuszczkowych dojrzewających typu szwajcarskiego. Dwutlenek węgla, uwalniany w czasie fermentacji propionowej jest odpowiedzialny za powstawanie oczek w tych serach. Produktami fermentacji propionowej są także kwasy organiczne (propionowy i octowy), ważne dla powstawania charakterystycznego orzechowo-słodkawego smaku serów podpuszczkowych dojrzewających, typu szwajcarskiego.

Osobnym rodzajem starterów są kultury bakterii z gatunku Brevibacterium linens, które są głównymi mikroorganizmami stosowanymi na powierzchnię serów miękkich dojrzewających „na maź”, np. serów limburskiego i romadur. Bakterie te poprzez produkcję enzymów, endopeptydaz i egzopeptydaz, rozkładają białka mleka na peptydy, aminokwasy i amoniak, dzięki czemu na powierzchni sera powstaje szarożółta lub czerwona maź. Bakterie z rodzaju Brevibacterium przyczyniają się także do powstawania właściwego smaku i zapachu serów pielęgnowanych na maź, poprzez produkcję metanotiolu i innych związków siarkowych. Przy okazji warto zauważyć, że metanotiol (merkaptan metylowy, CH3SH) w nadmiernie dużych stężeniach ma silny i odrażający zapach zgniłej kapusty.

Startery dla serów pleśniowych

W przemyśle mleczarskim wykorzystuje się także wyselekcjonowane startery złożone z kultur pleśni, szczególnie z rodzaju Penicillium. Głównym kierunkiem zastosowania pleśni w mleczarstwie jest produkcja serów podpuszczkowych dojrzewających: z porostem pleśniowym (np. camembert, brie), z przerostem pleśni (np. roquefort, gorgonzola), a także maziowych. W czasie procesu produkcyjnego serów z porostem pleśniowym do mleka przerobowego dodawane są kultury pleśni z gatunków Penicillium camemberti lub Penicillium candidum. Z kolei sery z przerostem pleśni należą do serów półmiękkich, charakteryzują się wewnętrznym żyłkowym rozwojem pleśni niebieskiej (Penicillium roqueforti), zielononiebieskiej (Penicillium gorgonzola), ciemnozielonej (Penicillium glaucum). Pleśnie znajdują zastosowanie tam, gdzie wymagany jest szybki proces dojrzewania serów, a jednocześnie panują warunki tlenowe, umożliwiające rozwój pleśni. Pleśnie z rodzaju Penicillium lekko zakwaszają masę sera i nadają mu lekki aromat pieczarek. Po rozłożeniu kwasu mlekowego, Penicillium camemberti biorą udział w rozkładzie białek aż do amoniaku. Kilkutygodniowe sery mają smak łagodny, lekko kwaskowaty z charakterystycznym posmakiem pieczarek. W miarę dojrzewania cechy te zanikają, smak serów staje się bardziej pikantny, zaś zapach swoisty ostry.

Startery kultur drożdży

Przemysłowe wykorzystanie startowych kultur drożdży kojarzy się powszechnie z produkcją kefiru lub kumysu. Kefir jest jednym z najstarszych mlecznych napojów fermentowanych, który z uwagi na swoje właściwości jest produktem mleczarskim o najwyższych właściwościach odżywczych w grupie napojów fermentowanych. Drożdże stosowane do takiej produkcji można podzielić na drożdże fermentujące laktozę (np. Kluyveromyces marxianus, Torulaspora delbrueckii, Saccharomyces cerevisiae, Candida kefir) i niefermentujące laktozy (Saccharomyces unisporus, Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces exiguus). Korzyści z ich użycia są związane z powstawaniem niewielkich ilości etanolu, uwalnianiem dwutlenku węgla i tworzeniem typowych cech organoleptycznych jako głównych efektów fermentacji mleka.

Szczepy probiotyczne

Zupełnie inny cel zastosowania mają kultury szczepów bakterii o właściwościach probiotycznych, wykazujących korzystne oddziaływanie zdrowotne, nie tylko zmieniających wartość pH, smak lub aromat produktu finalnego. Wykorzystanie wyselekcjonowanych szczepów probiotycznych, mających klinicznie potwierdzony dobroczynny wpływ na organizm człowieka, stwarza możliwość jednoczesnego spełnienia technologicznych potrzeb producentów i oczekiwań konsumentów, bowiem od lat wśród znacznej części społeczeństwa istnieją oczekiwania na żywność funkcjonalną. Kultury probiotycznych szczepów z rodzajów Propionibacterium, Bifidobacterium oraz Lactobacillus z powodzeniem znajdują zastosowanie w przetwórstwie mleka, mimo że dotychczas bakterie te nie znalazły uznania w opinii EFSA decydującej o akceptacji oświadczeń zdrowotnych i żywieniowych.

Kultury ochronne

Postęp technologiczny w zakresie opracowywania nowych kultur starterowych spowodował, że oprócz kultur kwaszących, probiotycznych, aromatyzujących lub przyspieszających dojrzewanie, pojawiły się możliwości wykorzystania mikroflory, która zapobiega rozwojowi mikroflory szkodliwej technicznie i/lub chorobotwórczej dla ludzi, czym ułatwia produkcję i wpływa na przedłużenie trwałości otrzymanych fermentowanych produktów mleczarskich. Kultury takie są określane mianem kultur ochronnych. Mogą one być stosowane równolegle z innymi kulturami starterowymi, np. kwaszącymi lub probiotycznymi. Niekiedy kultury ochronne mogą jednocześnie pełnić funkcję kultur startowych lub probiotycznych. Obecnie do bioochrony produktów mleczarskich stosowane są kultury Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii, a także wybrane gatunki z rodzaju Lactobacillus lub gatunku Lactococcus lactis.

Istnieje wiele rodzajów kultur startowych i można je klasyfikować na różne sposoby. Według optymalnej temperatury wzrostu rozróżnia się startery mezofilne (rosnące w temperaturze około 20-30°C) i termofilne (o preferowanej temperaturze wzrostu na poziomie 40-45°C). Jak wspomniano na początku artykułu są wyselekcjonowanymi kulturami mikroorganizmów. Ze względu na skład mikrobiologiczny wyróżnia się startery zdefiniowane, co oznacza, że znane są: przynależność rodzajowa, gatunkowa i szczepowa mikroorganizmu lub mikroorganizmów wchodzących w skład kultury. Kultury mieszane (częściej spotykane) mają dwa lub więcej szczepów należących do jednego gatunku lub gatunków, ale każdy z nich wykazuje swój własny specyficzny wpływ na produkt końcowy. Takie kultury określa się mianem niezdefiniowanych, ze względu na nieznajomość obecnych szczepów. Startery takie znajdują zastosowanie w niektórych krajach europejskich, szczególnie we Włoszech, jako tzw. tradycyjne kultury rzemieślnicze.

Branża mleczarska nabywa komercyjne kultury startowe w różnych formach: skoncentrowanej głęboko mrożonej lub skoncentrowanej liofilizowanej (są to wysoko skoncentrowane startery stosowane do bezpośredniej inokulacji mleka), głęboko mrożonej lub liofilizowanej (są to kultury startowe stosowane do bezpośredniej inokulacji mleka lub namnażania startera w formie zakwasu roboczego). Obecnie dość rzadko oferowane i wykorzystywane są startery w postaci płynnej, służące do namnażania kultur w postaci zakwasu macierzystego i następnie zakwasów roboczych. Kultury w postaci proszków mają wiele zalet, m.in. utrzymują swoją aktywność przez wiele miesięcy, a nawet lat, jeśli są magazynowane w temperaturze -18°C. Jest je o wiele łatwiej przechowywać niż kultury głęboko mrożone, które wymagają temperatury -45°C. ich stosowanie ułatwia organizację produkcji dzięki dostępności kultur w każdej chwili. Wysoko skoncentrowane kultury są znane jako DVS (Direct Vat Set) lub DVI (Direct Vat Inoculation). Stosowanie starterów skoncentrowanych oznacza mniejszą pracochłonność, a większą energooszczędność procesu, ze względu na eliminację etapu prowadzenia zakwasów macierzystych (eliminacja urządzeń, czynników energetycznych i nakładów pracy związanych z przygotowaniem zakwasów roboczych). Zapewniają również stabilność składu mikroflory i jej aktywności podczas prowadzenia procesu produkcyjnego, co gwarantuje standardową powtarzalność cech jakościowych finalnych produktów fermentowanych. Ponadto, stosowanie wyselekcjonowanych kultur startowych, sprawdzonych pod kątem czystości mikrobiologicznej, zmniejsza ryzyko reinfekcji procesu technologicznego szkodliwą mikroflorą oraz infekcji fagowej.

Zagrożenie fagami

Fagi (bakteriofagi) są to wirusy atakujące i niszczące komórki bakterii. Jeden fag, po infekcji komórki bakteryjnej może doprowadzić do uwolnienia do 200 fagów, z których każdy może zainfekować nową komórkę bakteryjną. Od ponad 80 lat infekcje fagowe są postrzegane za jeden z najważniejszych problemów w mleczarskich procesach fermentacyjnych. Atak bakteriofagowy prowadzi do całkowitego lub częściowego hamowania obecności LAB w kulturach starterowych. Przyjmuje się, że występowanie fagów jest wszechobecne w zakładach mleczarskich, stąd też opracowano wiele strategii, których celem jest zapobieganie takim infekcjom. Fagi są bardzo specyficzne wobec szczepów docelowych, dlatego w procesach fermentacyjnych wymagana jest rotacja stosowanych kultur, a także stosowanie starterów wykazujących oporność na powszechnie występujące w przemyśle bakteriofagi. To właśnie ryzyko infekcji fagowej sprawia, że prowadzenie zakwasów (macierzystych lub roboczych) jest coraz częściej eliminowane z praktyki przemysłowej. Prowadzenie zakwasów wymaga bardzo starannie kontrolowanych warunków technologicznych, mikrobiologicznych i sanitarnych. Przede wszystkim wykorzystywania mleka o bardzo dobrej jakości, poddanego wysokiej pasteryzacji (np. 90°C/30 minut), przestrzegania parametrów namnażania (m.in. temperatury), proporcji pasażowanej ilości zakwasu, przestrzegania wysokiej higieny w pomieszczeniach do prowadzenia zakwasów, w celu niedopuszczenia do zanieczyszczenia ani postronną mikroflorą, ani fagami. Należy zauważyć, że przemysłowe kultury startowe są kontrolowane pod względem oporności na infekcje fagami. Zdolność fagów do przetrwania zabiegów termicznych (w tym pasteryzacji) i ich oporność na środki sanitarne zmusiły przemysł mleczarski do stosowania sprawdzonych kultur startowych. Jest to jedna z największych zalet zestawów wyselekcjonowanych mikroorganizmów, jakimi są kultury startowe.