Kultury starterowe: Dobór kultur w produkcji serów podpuszczkowych

Współczesna produkcja serów podpuszczkowych, dojrzewających lub niedojrzewających, opiera się na wykorzystaniu kultur starterowych do zainicjowania procesu fermentacji mleka. Kultury starterowe, zwane również kulturami startowymi lub po prostu starterami, są dobranymi mikrobiologicznie koncentratami wyselekcjonowanych mikroorganizmów. Są opracowywane i produkowane przez wyspecjalizowane firmy biotechnologiczne, a w ofercie każdej takiej firmy znajdują się różnego rodzaju startery przeznaczone do otrzymywania najróżniejszych gatunków serów podpuszczkowych. Każda firma biotechnologiczna tworzy własne kompozycje starterów, bazując na indywidualnie pozyskiwanych szczepach i kulturach, co sprawia, że produkty wytwarzane z wykorzystaniem takich starterów będą charakteryzować się własnymi, niepowtarzalnymi parametrami jakościowymi. Ponadto, producenci starterów oferują zwykle doradztwo w zakresie aplikacji oferowanych przez siebie starterów, a niekiedy również technologii i higieny produkcji z nimi związanymi.

Najogólniej mówiąc, jednym z pierwszych kryteriów doboru startera w produkcji serów podpuszczkowych jest to, jaki gatunek sera ma być otrzymany, a zatem ważne są: skład mikroflory starterowej, parametry procesu technologicznego, a także to, czy finalny produkt ma charakteryzować się obecnością oczek w miąższu i jakie te oczka mają być (duże, małe, liczne, nieliczne). Wynika to z głównych funkcji, jakie są pełnione przez mikroflorę kultur starterowych: tempo wytwarzania kwasu mlekowego oraz udział w tworzeniu właściwej struktury, oczkowania i cech smakowo-zapachowych serów w procesie ich dojrzewania. Kluczową właściwością startera pod tym względem jest aktywność fermentacyjna obecnych mikroorganizmów.

Kultury przeznaczone do produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających charakteryzujących się brakiem oczek (np. cheddar) lub serów podpuszczkowych niedojrzewających (np. feta, mozzarella) są złożone z mezofilnych paciorkowców kwaszących: Lactococcus lactis subsp. lactis i Lactococcus lactis subsp. cremoris. Nie fermentują one cytrynianów, a więc podczas procesu fermentacji węglowodanów nie powstają substancje smakowo-zapachowe czy dwutlenek węgla, a jedynie kwas mlekowy. Są to tak zwane startery typu O lub N, zwane również kulturami kwaszącymi. W niektórych przypadkach startery zawierają również domieszkę termofilnych paciorkowców mlekowych z gatunku Streptococcus thermophilus.

Wynika z tego, że w skład kwaszących kultur starterowych wchodzą wyselekcjonowane bakterie kwasu mlekowego. Wiadomo że bakterie kwasu mlekowego należą do grupy mikroorganizmów (pałeczek lub paciorkowców) prowadzących fermentację beztlenową, której głównym produktem jest kwas mlekowy. W wyniku fermentacji węglowodanów bakterie mlekowe produkują od 0,6% do 3% kwasu mlekowego. Oczywiście, bakterie mlekowe mogą wytwarzać również inne metabolity. Ilość i rodzaj tych metabolitów jest podstawą do klasyfikacji bakterii mlekowych na dwie grupy: bakterie homofermentatywne (wytwarzające wyłącznie lub prawie wyłącznie kwas mlekowy) oraz bakterie heterofermentatywne (które poza kwasem mlekowym produkują również dwutlenek węgla, kwas octowy, kwas mrówkowy i/lub etanol). W przypadku produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających, charakteryzujących się brakiem oczek albo serów podpuszczkowych niedojrzewających potrzebne są bakterie wyłącznie kwaszące, a więc homofermentatywne paciorkowce mlekowe, które nie wytwarzają dwutlenku węgla, odpowiedzialnego w głównej mierze za powstawanie oczek w serach.

Ze względu na wymagania temperaturowe bakterie mlekowe można klasyfikować na: bakterie mezofilne (zdolne do wzrostu w temperaturze umiarkowanej z zakresu 20-28°C, na przykład Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris) oraz bakterie termofilne (posiadające optimum wzrostu w temperaturze z przedziału 37-45°C, na przykład Streptococcus thermophilus oraz niektóre gatunki z rodzaju Lactobacillus). Jak można wnioskować z podanych przykładów, w przypadku produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających, charakteryzujących się brakiem oczek, lub serów podpuszczkowych niedojrzewających podstawą każdego startera są mezofilne paciorkowce mlekowe z rodzaju Lactococcus, a przede wszystkim dwa gatunki uprzednio wymienione: Lactococcus lactis subsp. lactis i Lactococcus lactis subsp. cremoris.

Do produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających, charakteryzujących się małą liczbą oczek w miąższu, można stosować startery typu L lub B, które nie tylko zakwaszają środowisko, ale również prowadzą powolną fermentację cytrynianów i wytwarzają niewielkie ilości aromatów oraz dwutlenku węgla. Takie kultury starterowe zawierają Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris oraz Leuconostoc lactis (dwa ostatnie wymienione gatunki są to bakterie aromatyzujące).

Aromatyzujące bakterie kwasu mlekowego charakteryzują się zdolnością do fermentacji cytrynianów. Cytryniany są związkami naturalnie występującymi w mleku, a efektem ich fermentacji przez bakterie mlekowe są związki lotne takie jak diacetyl, acetoina i butanodiol odpowiadające za typowy smak i aromat produktów. Diacetyl charakteryzuje się kremowym, maślanym aromatem, natomiast acetoina, pomimo że jest związkiem bezwonnym, łatwo utlenia się do diacetylu (wytworzony diacetyl nie pozostaje zbyt długo w środowisku i po 2-3 godzinach jego zawartość ulega zmniejszeniu, w wyniku rozkładu katalizowanego przez reduktazę diacetylową do bezwonnej acetoiny, a w następnym etapie do 2,3-butanodiolu). Na skutek metabolizmu cytrynianów powstaje również dwutlenek węgla. Przyczynia się on do formowania oczek w serach podpuszczkowych dojrzewających, zatem metabolizm cytrynianów przez bakterie mlekowe ma korzystny wpływ na jakość tych produktów.

Z kolei do produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających, charakteryzujących się obecnością oczek (np. serów półtwardych typu holenderskiego) zaleca się używanie kultur starterowych typu LD lub BD, które fermentują węglowodany szybko, z wytworzeniem aromatu i dwutlenku węgla. Startery LD zawierają Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris oraz Lactococcus lactis subsp. diacetylactis. Liczba, wielkość i kształt oczek są istotnymi parametrami określającymi jakość danego gatunku sera podpuszczkowego (w serach typu holenderskiego oczka mają być nieliczne, okrągłe lub owalne, o wielkości od ziaren ryżu do nasion fasolki).

Niektóre firmy biotechnologiczne oferują także kultury starterowe przyspieszające dojrzewanie serów podpuszczkowych dojrzewających. Takie kultury zwykle zawierają termofilne lub mezofilne bakterie mlekowe, o znaczącej aktywności proteolitycznej, np. z gatunków Lactobacillus casei, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis, Lactobacillus helveticus, Streptococcus thermophilus. Jeśli chodzi o aktywność proteolityczną, to wyższą aktywność proteolityczną obserwuje się u pałeczek mlekowych z rodzaju Lactobacillus, niż u paciorkowców mezofilnych z rodzaju Lactococcus. Najskuteczniej katalizującymi proteolizę białek są proteinazy i peptydazy tych bakterii (uważa się, że aktywność peptydaz zewnątrzkomórkowych w większym stopniu determinuje cechy sensoryczne serów dojrzewających, niż aktywność peptydaz wewnątrzkomórkowych uwalnianych po autolizie termizowanych kultur zakwasu, które w dawnych czasach często były wykorzystywane w celu przyspieszenia dojrzewania serów podpuszczkowych). W komórkach LAB peptydy są rozkładane do aminokwasów przy udziale peptydaz, a następnie aminokwasy mogą ulegać reakcjom transaminacji, dehydrogenacji, redukcji i dekarboksylacji z wytworzeniem kwasów tłuszczowych, aldehydów, ketonów, alkoholi, laktonów i innych związków smakotwórczych i aromatotwórczych. Oczywiście, należy zauważyć, że nadmierna niekontrolowana aktywność proteolityczna bakterii mlekowych nie jest pożądana, a wręcz może być przyczyną obniżenia jakości serów podpuszczkowych dojrzewających; bowiem niskocząsteczkowe peptydy i wolne aminokwasy, uwolnione podczas proteolizy, mogą być przyczyną pojawienia się goryczki w serach podpuszczkowych dojrzewających. To wskazuje na konieczność właściwego doboru kultur starterowych w produkcji takich serów.

Także przemiany lipidów mogą być istotne w procesie dojrzewania serów podpuszczkowych i determinować powstawanie właściwych związków o charakterze smakowo-zapachowym. Taka aktywność enzymatyczna bakterii mlekowych może być zatem kluczowa przy doborze starterów serowarskich. Metabolizm lipidów przez bakterie mlekowe odbywa się za pośrednictwem enzymów lipaz (bakterie kwasu mlekowego posiadają wewnątrz i zewnątrzkomórkowe lipazy), które rozkładają lipidy do wolnych kwasów tłuszczowych i gliceryny. Bakterie mlekowe charakteryzują się również bogatym systemem wewnątrzkomórkowych enzymów hydrolitycznych, w tym esteraz, które są uwalniane po lizie komórek bakteryjnych. Enzymatyczna hydroliza wiązań estrowych triacylogliceroli, prowadząca do powstania glicerolu, mono- i diacylogliceroli oraz wolnych kwasów tłuszczowych, ma znaczenie w kształtowaniu cech smakowo-zapachowych serów podpuszczkowych długodojrzewających, gdyż wolne kwasy tłuszczowe są prekursorami wielu istotnych związków (takich jak ketony, laktony, estry, alkany i alkohole drugorzędowe) determinujących smakowitość serów podpuszczkowych dojrzewających.

Jeszcze bardziej bogaty, od podanych powyżej, jest skład mikrobiologiczny starterów przeznaczonych do produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających typu szwajcarskiego, charakteryzujących się obecnością w miąższu licznych oczek (oczka mają być okrągłe lub owalne, o wielkości nieprzekraczającej dużej czereśni, przy brzegach bloku serowego dopuszcza się oczka nieco mniejsze oraz nieliczne oczka orzeszynowate lub nieregularne). Do produkcji serów typu szwajcarskiego, które są zaliczane do serów twardych wysokodogrzewanych, wykorzystuje się kultury starterowe zawierające:

• Lactococcus lactis subsp. lactis,
• Lactococcus lactis subsp. cremoris,
• Streptococcus thermophilus,
• Lactobacillus helveticus,
• Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus,
• Lactobacillus lactis,
• Lactobacillus casei,
• Propionibacterium (szczególnie z gatunków Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii oraz Propionibacterium acidipropionici).

Jeśli chodzi o bakterie z rodzaju Propionibacterium, są one bakteriami fermentacji propionowej, a nie mlekowej. Charakterystycznymi metabolitami fermentacji propionowej są kwas propionowy i kwas octowy wytwarzane w stosunku co najmniej 1-2 moli propionianu na 1 mol octanu (pozostałymi produktami tej fermentacji są również inne kwasy organiczne i dwutlenek węgla). Substratami w procesie fermentacji propionowej są kwas mlekowy i kwas asparaginowy, a uzyskane metabolity przyczyniają się do powstania charakterystycznego smaku i zapachu serów typu szwajcarskiego, jak również intensywnego oczkowania w miąższu tych serów (szacuje się, że aż 70-80% gazowego dwutlenku węgla w tych serach jest wynikiem fermentacji kwasu propionowego, zachodzącej podczas etapu dojrzewania). Większość gatunków z rodzaju Propionibacterium rośnie w zakresie temperatury 20-45°C (optimum 30-37°C). Wykazują szczególną tolerancję na niewielkie stężenia chlorku sodu, to dlatego te bakterie są w stanie rozwijać się w serach typu szwajcarskiego, w których zawartość soli jest niska, np. w serze ementalskim wynosi

Niektóre szczepy bakterii fermentacji mlekowej oraz bakterii z rodzaju Propionibacterium mają także potencjał jako kultury ochronne i kultury probiotyczne. Mikroflora starterów ochronnych wykazuje właściwości przeciwdrobnoustrojowe, a jej najważniejszymi metabolitami o takich właściwościach są kwasy organiczne i ich sole (np. mleczany, propioniany), a także bakteriocyny o aktywności bakteriobójczej lub bakteriostatycznej wobec innych bakterii (w tym tzw. niestarterowych bakterii kwasu mlekowego), innych bakterii Gram-dodatnich, bakterii Gram-ujemnych, drożdży i pleśni. Przy wytwarzaniu serów podpuszczkowych takie kultury znajdują zastosowanie przede wszystkim w produkcji rzemieślniczej (tzn. serów z mleka surowego) w celu zahamowania rozwoju mikroflory zanieczyszczającej lub patogennej, a także w produkcji przemysłowej w celu zahamowania wczesnych i późnych wzdęć serów. Z kolei aktywność probiotycznych starterów w produkcji serów podpuszczkowych przekłada się na znaczenie dietetyczne. Obecność mikroflory probiotycznej wpływa na: wzrost przeżywalności komórek bakterii w środowisku o niskiej wartości pH lub wysokich stężeniach soli żółciowych, modulację składu mikroflory jelitowej (obecność żywych komórek probiotyków w układzie pokarmowym powoduje redukcję populacji mikroflory patogennej), efekty immunomodulacyjne i przeciwzapalne, wzrost zawartości metabolitów o znaczeniu prebiotycznym.

Specyficznymi kulturami są startery wykorzystywane w produkcji serów miękkich dojrzewających „na maź” (np. sery Limburger, Romadur, Munster, Tilsiter, Appenzeller, Gruyère i Brick). Kultury takie, oprócz typowej mezofilnej kultury serowarskiej (czyli mezofilnych paciorkowców mlekowych Lactococcus lactis subsp. lactis i Lactococcus lactis subsp. cremoris) zawierają także bakterie z gatunku Brevibacterium linens. Główna rola Brevibacterium linens w procesie produkcji serów maziowych polega na rozkładzie tłuszczów i białek, wytworzeniu mazi na powierzchni tych serów oraz kształtowaniu charakterystycznych cech organoleptycznych podczas dojrzewania. Również charakterystyczny czerwony kolor powierzchni tych serów powstaje dzięki barwnikom karotenoidowym produkowanym przez te bakterie.

Dla odmiany, w produkcji serów podpuszczkowych z przerostem pleśni (np. Roquefort, Rokpol) wykorzystuje się połączenie typowej mezofilnej kultury serowarskiej i zarodników wyselekcjonowanych pleśni (z gatunków Penicillium roqueforti, Penicillium glaucum). Z kolei w produkcji serów podpuszczkowych z porostem pleśni (np. Camembert, Brie) stosowane są inne gatunki pleśni (głównie z gatunków Penicillium camemberti, Penicillium candidum, Penicillium caseicolum, Penicillium nalgiovensis, Geotrichum candidum) nanoszonych wyłącznie na powierzchnię serów. Wykorzystanie pleśni wynika z ich znacznie aktywniejszego systemu lipolitycznego i proteolitycznego niż ten stwierdzany u bakterii mlekowych czy propionowych, to dlatego sery pleśniowe szybko dojrzewają, zaś użyte kultury pleśni aktywnie uczestniczą w procesie dojrzewania serów (w efekcie rozkładu białek i lipidów pleśnie mają wpływ na smak i aromat serów, ich barwę oraz konsystencję). W ofercie niektórych firm biotechnologicznych można znaleźć startery do produkcji serów podpuszczkowych pleśniowych, będące mieszanką wyselekcjonowanych pleśni i drożdży. Drożdże (np. Kluyveromyces marxianus var. lactis, Debaromyces hansenii, Candida utilis) w takim układzie mają przede wszystkim: stymulować wzrost pożądanych mikroorganizmów (metabolizują kwas mlekowy co powoduje zwiększenie pH i odkwaszanie powierzchni sera), brać udział w powstawaniu odpowiedniej struktury oraz produkcji substancji smakowo-zapachowych serów (szczególnie na ich powierzchni), hamować rozwój mikroflory niepożądanej.

Współczesne kultury starterowe przeznaczone do produkcji serów podpuszczkowych wyparły stosowanie zakwasów mleczarskich. Wysokie standardy higieny produkcji starterów i kontrolowany ich skład mikrobiologiczny (jakościowy i ilościowy) gwarantują stabilność i powtarzalność cech jakościowych serów w warunkach przemysłowych, oporność na bakteriofagowe zakłócenia procesów produkcyjnych, wysoką jakość mikrobiologiczną serów, a także możliwość pełnego kontrolowania produkcją i procesem dojrzewania serów podpuszczkowych.