Kultury do napojów fermentowanych: Startery w napojach mleczarskich
Mleczne napoje fermentowane są otrzymywane z mleka poddanego procesowi fermentacji, zwykle po uprzedniej obróbce termicznej (np. pasteryzacji). Do fermentacji wykorzystywane są specyficzne mikroorganizmy w postaci kultur starterowych (tzw. starterów). Według zaleceń Organizacji ds. Wyżywienia i Rolnictwa/Światowej Organizacji Zdrowia (FAO/WHO) oraz Międzynarodowej Federacji Mleczarskiej (IDF/FIL) wybrane mleczne napoje fermentowane mają zastrzeżony skład mikroflory.
Rodzaje mlecznych napojów fermentowanych
Jogurt jest otrzymywany z wykorzystaniem fermentacji kwasu mlekowego i termofilnych bakterii z gatunków Streptococcus thermophilus i Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Jednakże możliwa jest również pewna modyfikacja tego składu mikrobiologicznego jogurtów. Jogurty o tzw. zmodyfikowanej mikroflorze są produkowane z wykorzystaniem bakterii z gatunku Streptococcus thermophilus oraz bakterii z rodzaju Lactobacillus innych niż z gatunku Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Zgodnie z wytycznymi FAO/WHO oraz IDF/FIL, łączna populacja żywych komórek mikroorganizmów prowadzących fermentację powinna wynosić co najmniej 107 komórek w 1 g produktu w ostatnim dniu jego przydatności do spożycia. W przypadku jogurtów tzw. nowej generacji są także dodawane jeszcze inne mikroorganizmy o potencjalnych właściwościach prozdrowotnych: wyselekcjonowane szczepy w gatunków Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus casei subsp. rhamnosus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus plantarum i/lub rodzaju Bifidobacterium (por. Ziarno M., Zaręba D., 2018. Probiotyki. Forum Mleczarskie Handel 3/18, 24-28). Jeszcze inną mikroflorą dodatkową, niekiedy stosowaną przy produkcji jogurtów w celu modyfikacji konsystencji, kwasowości, aromatu lub wartości zdrowotnej, są mezofilne bakterie mlekowe – z gatunków Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. lactis biovar diacetylactis, Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris.
Odmienną propozycją mlecznego napoju fermentowanego jest kefir. Powstaje on w wyniku fermentacji mlekowo-alkoholowej. W wersji tradycyjnej do tej produkcji wykorzystywano tzw. grzybek kefirowy zawierający charakterystyczną mikroflorę z gatunku Lactobacillus kefir, rodzajów Leuconostoc, Lactococcus i Acetobacter, a także drożdże fermentujące laktozę Kluyveromyces marxianus i niefermentujące laktozy Saccharomyces unisporus, Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces exiguus, żyjące w symbiozie. Współczesna produkcja kefiru opiera się na wykorzystaniu kultur starterowych składających się z mikroflory wyizolowanej z grzybków kefirowych (zazwyczaj są to podstawowe bakterie mlekowe i często drożdże niefermentujące laktozy).
Zgodnie z zaleceniami FAO/WHO oraz IDF/FIL łączna populacja żywych komórek bakterii mlekowych powinna wynosić co najmniej 107 komórek w 1 g produktu, zaś drożdży co najmniej 104 komórek w 1 g produktu w ostatnim dniu jego przydatności do spożycia. Spośród bakterii fermentacji mlekowej wybiera się te z rodzajów Lactobacillus (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus), Lactococcus (najczęściej z gatunków Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis, niekiedy z gatunku Streptococcus thermophilus), Leuconostoc (najczęściej gatunek Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris), zaś spośród drożdży rodzaje Kluyveromyces (np. Kluyveromyces marxianus) oraz Saccharomyces (głównie gatunki Saccharomyces unisporus i Saccharomyces cerevisiae).
Innym mlecznym napojem fermentowanym wymienionym w wytycznych FAO/WHO i FIL/IDF jest kumys. Jest to mleczny napój fermentowany otrzymywany pierwotnie na bazie mleka klaczy, wielbłądzicy lub oślic, a obecnie również mleka krowiego. Zalecenia FAO/WHO i FIL/IDF podają, że ten rodzaj mlecznego napoju fermentowanego powinien zawierać bakterie mlekowe z gatunku Lactobacillus bulgaricus na poziomie nie mniejszym niż 107 komórek w 1 g produktu, a także drożdże fermentujące laktozę z gatunku Kluyveromyces marxianus w liczbie co najmniej 104 komórek w 1 g produktu w ostatnim dniu jego przydatności do spożycia. Możliwa i praktykowana jest również mikroflora dodatkowa, zwykle z gatunków Lactobacillus acidophilus, Lactococcus lactis, czy rodzaju Saccharomyces.
Ponadto, w wytycznych Organizacji ds. Wyżywienia i Rolnictwa/Światowej Organizacji Zdrowia (FAO/WHO) oraz Międzynarodowej Federacji Mleczarskiej (FIL/IDF) jest kategoria ogólna – mleko fermentowane. Przykładem mleka fermentowanego jest mleko zsiadłe, zwykle produkowane na skalę przemysłową na bazie mleka pasteryzowanego poddanego fermentacji z wykorzystaniem mezofilnych bakterii mlekowych z gatunku Lactococcus lactis subsp. lactis. Mlekiem fermentowanym jest także maślanka. Tradycyjnie maślanka jest otrzymana przy produkcji masła. Jednakże możliwe jest także otrzymywanie maślanki na drodze fermentacji mleka pasteryzowanego (lub mieszanki mleka i maślanki) z wykorzystaniem mezofilnych bakterii kwasu mlekowego, najczęściej z gatunków Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. diacetylactis, Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris. Dopuszczone jest również stosowanie mikroflory dodatkowej, np. bakterii z rodzaju Bifidobacterium lub gatunku Lactobacillus acidophilus. Warto jeszcze wspomnieć o mleku acidofilnym zawierającym wyłącznie lub jako główną mikroflorę bakterie z gatunku Lactobacillus acidophilus. Zgodnie z zaleceniami FAO/WHO i FIL/IDF liczba żywych komórek bakterii stosowanych do otrzymania mleka fermentowanego powinna być na poziomie nie mniejszym niż 107 komórek w 1 g produktu, aż do ostatniego dnia jego przydatności do spożycia.
Rodzaje kultur
Stosowanie kultur bakterii użytych do otrzymywania poszczególnych mlecznych napojów fermentowanych ma swój cel. Pierwszym i najważniejszym celem jest przeprowadzenie fermentacji. Produkcja przemysłowa mlecznych napojów fermentowanych nie byłaby możliwa bez kultur starterowych, czyli czystych, wyselekcjonowanych kultur stosowanych do zainicjowania (wystartowania) procesu fermentacji. Kultury takie zwane są również mikroflorą techniczną, bowiem są niezbędne w procesie technologicznym produkcji mlecznych napojów fermentowanych. Mikroflora techniczna, a w przypadku bakterii mlekowych są to zwykle kultury mezofilne lub termofilne, ma za zadanie przede wszystkim przeprowadzić fermentację laktozy (kultury kwaszące) lub przyczynić się do powstania substancji smakowo-zapachowych (kultury kwasząco-aromatyzujące lub kultury aromatyzujące).
Innymi kulturami starterowymi są takie, które mają na celu podwyższenie wartości zdrowotnej produktu. Jest to tzw. mikroflora dodatkowa. Zazwyczaj do tej kategorii zalicza się kultury szczepów potencjalnie probiotycznych. Spośród szczepów potencjalnie probiotycznych, wywodzących się z bakterii mlekowych, wyróżnia się głównie te z rodzaju Lactobacillus, w tym z gatunków Lb. acidophilus, Lb. paracasei, Lb. rhamnosus, Lb. casei, Lb. plantarum. Ponadto jako mikroflorę dodatkową stosuje się niektóre szczepy z rodzaju Bifidobacterium, w tym z gatunków Bifidobacterium animalis, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium infantis, Bifidobacterium lactis i Bifidobacterium longum. Należy zauważyć, że szczep mikroorganizmu może być uznany za probiotyczny, jeśli spełnia szereg kryteriów, w tym wykazuje udokumentowane badaniami klinicznymi korzyści zdrowotne. Niestety, w świetle prawodawstwa UE nie ma opracowanej oficjalnej definicji probiotyku, zaś dotychczas EFSA odrzucała wszystkie złożone wnioski dotyczące oświadczenia zdrowotnego odnoszącego się do probiotyków. W efekcie, zaleca się, aby termin „probiotyk” nie był stosowany w etykietowaniu produktów, bowiem daje do zrozumienia, że produkt zawierający szczep probiotyczny wywiera korzystny wpływ na zdrowie, zaś takiego oświadczenia nie ma w wykazach oświadczeń zdrowotnych dozwolonych prawem żywnościowym UE. W większości kraje członkowskie UE dostosowały się do tych zaleceń, jednakże w niektórych, np. w Hiszpanii, wyraża się zgodę na stosowanie terminu „probiotyk” jako określenia wskazującego na obecność w produkcie wybranych specyficznych mikroorganizmów. Według hiszpańskiej La Agencia Española de Seguridad Alimentaria y Nutrición akceptuje się na etykietach żywności (wyprodukowanej w Hiszpanii, jak i w innych krajach UE) obecność terminu „probiotyk”, dopóki nie zostanie ustalone przez państwa członkowskie Unii Europejskiej jednolite kryterium.
Mikroflorą dodatkową mogą być nie tylko szczepy o potencjalnych właściwościach prozdrowotnych, ale również takie kultury, dzięki którym możliwe jest uzyskanie wyrobu z wartością dodaną. Spośród bakterii fermentacji mlekowej, jak również bakterii fermentacji propionowej, znane są szczepy zdolne do biosyntezy pewnych witamin w ilościach znaczących dla potrzeb ludzkiego organizmu. Do takich witamin zalicza się m.in. witaminy z grupy B, w tym B12. Już obecnie oferowane są branży spożywczej kultury bakterii fermentacji propionowej z gatunku Propionibacterium freudenreichii, wytwarzające w czasie fermentacji witaminę B12 w tak dużych ilościach, że możliwe jest zastosowanie oświadczenia żywieniowego lub zdrowotnego. Innym przypadkiem są kultury bakteryjne zdolne do syntezy menachinonu, czyli witaminy K2. Niektóre bakterie, w tym niektóre szczepy bakterii kwasu mlekowego, wykazują zdolność do biosyntezy witaminy K2 w procesie fermentacji żywności. Obecnie znanych jest kilka szczepów z gatunków Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. lactis i Leuconostoc lactis wytwarzających witaminę K2 w mleku i napojach roślinnych w czasie ich fermentacji.
Osobnym rodzajem kultur wykorzystywanych w produkcji mlecznych napojów fermentowanych są kultury ochronne. Mają one za zadanie przede wszystkim zabezpieczyć produkt przed rozwojem mikroflory technicznie szkodliwej (tzn. zanieczyszczającej) lub chorobotwórczej (w tym przed wytwarzaniem przez nią toksycznych metabolitów, np. mykotoksyn). W niektórych przypadkach kultury ochronne jednocześnie pełnią funkcje kwaszące lub kwasząco-aromatyzujące, a nawet wykazują właściwości potencjalnie probiotyczne. Działanie kultur ochronnych opiera się na aktywności wytwarzanych metabolitów przeciwdrobnoustrojowych, takich jak bakteriocyny, czy inne substancje (kwasy organiczne, metabolity niskocząsteczkowe, w tym nadtlenek wodoru, ditlenek węgla, diacetyl, acetoinę, kwasy tłuszczowe, etanol, lizozym, laktoperoksydazę czy reuterynę). Działanie hamujące rozwój, a nawet aktywność metaboliczną, mikroflory zanieczyszczającej i/lub patogennej, obserwuje się nie tylko w trakcie fermentacji mlecznych napojów fermentowanych, ale także w czasie ich chłodniczego przechowywania. Kultury ochronne zwykle zawierają wyselekcjonowane szczepy bakterii z rodzajów Lactobacillus (w tym z gatunków Lb. casei i Lb. paracasei subsp. paracasei), Lactococcus (w tym z gatunku Lactococcus lactis) lub gatunku Propionibacterium (w tym z gatunków Propionibacterium jensenii i Propionibacterium freundenreichii subsp. shermanii).
Zmiany taksonomiczne bakterii z rodzaju Lactobacillus
Jak wynika z powyższego, w części zastosowań kultur bakteryjnych w produkcji mlecznych napojów fermentowanych są wykorzystywane bakterie z rodzaju Lactobacillus. Rodzaj Lactobacillus został zaproponowany przez Beijerincka w 1901 r. i obejmuje Gram-dodatnie, fakultatywnie beztlenowe, nieprzetrwalnikujące bakterie zaliczane do bakterii fermentacji mlekowej (LAB, lactic acid bacteria). Rodzaj ten był klasyfikowany do typu Firmicutes, klasy Bacilli, rzędu Lactobacillales, rodziny Lactobacillaceae. Przez lata rodzaj Lactobacillus rozrósł się do ponad 261 gatunków pałeczek mlekowych (stan na marzec 2020 r.), zaś nazwa Lactobacillus jest dobrze rozpoznawalna przez konsumentów.
Tymczasem postęp w analizach genetycznych i fenotypowych tych bakterii, poznawanie miejsc ich występowania w przyrodzie, a także poznawanie ich zdolności biochemicznych sprawiają naukowcom coraz więcej problemów w prawidłowym klasyfikowaniu. Z tego powodu, w 2020 r. pojawiła się propozycja stworzenia nowych rodzajów bakterii fermentacji mlekowej, w większości wykazujących podobieństwo do Lactobacillus (por.: Zheng et al., Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 202).
Zgodnie z sugestią rodzaj Lactobacillus ponownie zostałby ograniczony do 35 gatunków, zaś pozostałe gatunki zostałyby formalnie włączone do nowych rodzajów (niektóre do istniejącego już rodzaju Paralactobacillus). Propozycja nowych rodzajów bakterii mlekowych obejmuje 23 nazwy: Holzapfelia, Amylolactobacillus, Bombilactobacillus, Companilactobacillus, Lapidilactobacillus, Agrilactobacillus, Schleiferilactobacillus, Loigolactobacilus, Lacticaseibacillus, Latilactobacillus, Dellaglioa, Levilactobacillus, Liquorilactobacillus, Ligilactobacillus, Lactiplantibacillus, Furfurilactobacillus, Paucilactobacillus, Limosilactobacillus, Fructilactobacillus, Acetilactobacillus, Apilactobacillus, Secundilactobacillus i Lentilactobacillus. Taka klasyfikacja ma odzwierciedlać pozycję filogenetyczną tych mikroorganizmów, a jednocześnie grupować pałeczki kwasu mlekowego w grupy o wspólnych właściwościach ekologicznych i metabolicznych. Proponuje się także przypisanie ogólnego terminu „pałeczki kwasu mlekowego” do oznaczania wszystkich mikroorganizmów, które do 2020 r. były klasyfikowane do rodziny Lactobacillaceae. Rodzina Lactobacillaceae ma obecnie obejmować wszystkie rodzaje bakterii, które wcześniej należały do rodzin Lactobacillaceae i Leuconostocaceae.
Z racji wielu wspólnych cech tych bakterii fermentacji mlekowej, które znajdują zastosowanie w przetwórstwie mleka, ich nowe zaklasyfikowanie obejmuje rodzaje, których nazwy zaczynałyby się na literę „L”, zaś nazwy gatunków i oznaczenia szczepów mają pozostać niezmienione. Dla jasności, nie ma zmiany dla takich bakterii mlekowych jak np. Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus (alias Lactobacillus bulgaricus), Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus johnsonii. Zmiana dotyczy natomiast takich pałeczek mlekowych jak: Lactobacillus casei na Lacticaseibacillus casei, Lactobacillus paracasei na Lacticaseibacillus paracasei, Lactobacillus rhamnosus na Lacticaseibacillus rhamnosus, Lactobacillus plantarum na Lactiplantibacillus plantarum, Lactobacillus brevis na Levilactobacillus brevis, Lactobacillus fermentum na Limosilactobacillus fermentum, a także Lactobacillus reuteri na Limosilactobacillus reuteri.
To jest na razie propozycja zmian systematyki pałeczek mlekowych, ale wydaje się, że zmiany te należy śledzić biorąc pod uwagę niezbędne modyfikacje, jakie będą konieczne do wykonania w ramach specyfikacji kultur starterowych czy etykiet produktów. Ponieważ, w wielu przypadkach nazwa rodzajowa jest podawana skrótowo jako „L.”, etykietowanie takich szczepów nie wymusza zmiany etykiety. Jednakże tam, gdzie podawana jest pełna nazwa rodzajowa stosowanych pałeczek mlekowych, konieczne będą zmiany w etykietowaniu.
