Konserwowanie żywności: Naturalne konserwanty dla przemysłu mleczarskiego

Produkty żywnościowe są podatne na zmiany chemiczne, fizyczne i mikrobiologiczne zachodzące w trakcie ich przechowywania, wynikające m.in. z ekspozycji na ciepło, tlen i światło, a także działalność enzymów. Szczególnie produkty mleczarskie, ze względu na swój skład biochemiczny, są podatne na działanie tego typu czynników, a także stanowią dobre podłoże do rozwoju wielu drobnoustrojów. W związku z tym produkty mleczarskie wymagają ochrony przed zepsuciem się podczas przygotowywania i dystrybucji, aby zapewnić im odpowiednio długi okres przydatności do spożycia. W tym celu stosowane są różnego rodzaju zabiegi technologiczne, takie jak np. ogrzewanie i chłodzenie. Stosowanie tych zabiegów wiązać się może z niekorzystnymi zmianami w smaku i zapachu produktów, a także utratą składników odżywczych.

W celu wydłużenia trwałości i okresu przydatności do spożycia produktów spożywczych często stosowane są również środki konserwujące. Konsumenci oczekują zaś żywności wysokiej jakości, bezpiecznej i o składzie jak najbardziej zbliżonym do naturalnego. Wiele osób preferuje żywność minimalnie przetworzoną, przygotowywaną bez zastosowania konserwantów. W związku z tym przemysł mleczarski coraz częściej zwraca się ku stosowaniu naturalnych alternatyw dla syntetycznych środków konserwujących. Zabiegi takie umożliwiają otrzymanie produktów z tzw. „czystą etykietą”. W przyszłości przewiduje się stopniowy wzrost wykorzystania naturalnych konserwantów, ze względu na rosnące zapotrzebowanie na produkty minimalnie przetworzone, najlepiej zawierające naturalne dodatki.

Substancje konserwujące stosowane były już w czasach starożytnych cywilizacji egipskich, greckich i rzymskich. Do najwcześniejszych konserwantów należały cukier i sól, które wytwarzały środowisko o wysokim ciśnieniu osmotycznym, uniemożliwiając lub ograniczając rozwój drobnoustrojów. Nowoczesne substancje konserwujące obejmują głównie różnego typu związki chemiczne tj. benzoesany i sorbiniany. Zgodnie z Rozporządzeniem (WE) nr 1333/2008 w sprawie dodatków do żywności, „substancje konserwujące” to substancje przedłużające okres przydatności środków spożywczych do spożycia poprzez ochronę przed zepsuciem się spowodowanym obecnością mikroorganizmów lub chroniące przed wzrostem mikroorganizmów patogennych. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1129/2011 zmieniające załącznik II do rozporządzenia (WE) nr 1333/2008 ustanawia unijny wykaz dodatków do żywności, w tym możliwych do stosowania konserwantów.

Konserwanty dzielą się na naturalne tj. sól, cukier, ocet, syrop, przyprawy, zioła, miód i oleje jadalne oraz syntetyczne środki konserwujące tj. benzoesany, sorbiniany, azotyny, azotany i siarczyny. Konserwanty naturalne i syntetyczne dzielą się dodatkowo na trzy rodzaje: środki przeciwdrobnoustrojowe, przeciwutleniające i przeciwenzymatyczne. W tabeli 1 przedstawiono ogólne działanie oraz przykłady tych substancji. Syntetyczne konserwanty są uważane za bezpieczne w dozwolonych dawkach, jednak są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym, a ich spożywanie w nadmiarze może wywoływać skutki uboczne dla organizmu. Nadmierne spożycie syntetycznych dodatków do żywności jest związane z działaniami niepożądanymi ze strony przewodu pokarmowego, układu oddechowego, dermatologicznego i neurologicznego. W przypadku produktów mleczarskich stosowanie konserwantów jest ograniczone, jednak nadal dozwolone w wybranych produktach. Przykładowo kwas fosforowy i fosforany dozwolone są do stosowania w produkcji mleka w proszku, mleka zagęszczonego, masła ze śmietany, serów topionych i wybranych serów niedojrzewających, zaś kwas sorbowy dozwolony jest do stosowania w produkcji wybranych serów dojrzewających i serów topionych.

W ostatnich latach badania nad konserwacją żywności zwracają się ku bardziej naturalnym rozwiązaniom – tzw. biokonserwacji. Biokonserwacja zajmuje się wydłużeniem okresu przydatności do spożycia żywności i zwiększeniem bezpieczeństwa żywności przy użyciu związków pochodzących od roślin, zwierząt, i mikroorganizmów (rysunek 1). Od konserwantów pochodzenia naturalnego wymaga się, aby były bezpieczne, stabilne podczas przetwarzania i wykazywały działanie przeciwdrobnoustrojowe.

Naturalne konserwanty pochodzenia roślinnego obejmują m.in. polifenole, fenole i roślinne peptydy przeciwdrobnoustrojowe, pochodzące głównie z ziół, przypraw i olejków eterycznych. Substancje te mają działanie przeciwbakteryjne i przeciwutleniające. Mechanizmy przeciwdrobnoustrojowych związków fenolowych zależą od ich stężenia – w niskich stężeniach wpływają na aktywność enzymatyczną, a w wysokich stężeniach mogą powodować denaturację białek, hamowanie aktywności enzymów drobnoustrojów, zakłócanie przepuszczalności błony komórkowej bakterii, co wpływa na hamowanie ich rozwoju i śmierć. Fenole mogą wykazywać również właściwości przeciwwirusowe, poprzez hamowanie syntezy białek wirusowych na wielu etapach infekcji wirusowej. Mechanizm przeciwdrobnoustrojowy większości peptydów przeciwdrobnoustrojowych obejmuje zaburzanie błony komórkowej mikroorganizmów i wpływ na wywoływanie śmierci komórek.

Naturalne konserwanty pochodzenia zwierzęcego obejmują m.in. lizozymy, laktoperoksydazę, laktoferynę i peptydy przeciwdrobnoustrojowe. Ich mechanizmy działania przeciwdrobnoustrojowego wynikają głównie z ich bezpośredniego wpływu na błony komórkowe drobnoustrojów i hamowania replikacji drobnoustrojów. Coraz częściej analogi tego typu substancji pochodzenia zwierzęcego (np. lizozymu) otrzymywane są również z wykorzystaniem drobnoustrojów.

Naturalne konserwanty pochodzące od mikroorganizmów obejmują głównie wytwarzane przez drobnoustroje bakteriocyny, m.in. nizynę i pediocynę. Bakteriocyny to przeciwdrobnoustrojowe peptydy lub białka wytwarzane głównie przez bakterie kwasu mlekowego. Większość bakteriocyn ma potencjał jako konserwanty żywności ze względu na ich działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko patogenom żywności. Nizyna jest reprezentatywną bakteriocyną wytwarzaną przez różne szczepy Lactococcus lactis i wykazującą aktywność wobec patogenów żywności, w tym Listeria monocytogenes, Bacillus spp., Micrococcus spp., Clostridium spp., Staphylococcus. aureus. Mechanizmy przeciwdrobnoustrojowe bakteriocyn wynikają głównie ze zdolności tych związków do tworzenia porów w błonie cytoplazmatycznej drobnoustrojów, co prowadzi do śmierci komórki poprzez utratę cząsteczek wewnątrzkomórkowych.

Wysoką popularnością wśród badaczy cieszą się naturalne konserwanty pochodzenia roślinnego. Są to związki, które są również pozytywnie odbierane i akceptowane przez konsumentów, ze względu na ich powszechność i kojarzenie jako pochodzenia naturalnego. Obecna wiedza pokazuje, że wzrost drobnoustrojów chorobotwórczych powodujących psucie się żywności może być silnie ograniczony lub zahamowany przez niektóre związki pochodzące z roślin. Związki te prócz swoich właściwości przeciwdrobnoustrojowych wykazują również wysoki potencjał antyoksydacyjny. Ich działanie przeciwdrobnoustrojowe i antyoksydacyjne wynika z obecności różnego typu związków chemicznych, charakterystycznych dla poszczególnej rośliny m.in. fenoli, flawonoidów, karotenoidów, antocyjanów.

Jako naturalne konserwanty pochodzenia roślinnego wykorzystywane są głównie przyprawy, zioła i olejki eteryczne. Przyprawy i zioła, pierwotnie dodawane do żywności głównie w celu zmiany lub poprawy smaku, mogą również wydłużyć okres przydatności do spożycia ze względu na ich przeciwdrobnoustrojowy charakter. Stosowane są w różnych formach – świeżej, suszonej lub w formie olejków eterycznych. Zioła są zwykle pozyskiwane z liści rośliny, a przyprawy pochodzą z różnych części roślin, np. nasion, korzeni, kory, strąków, kwiatów. Zioła i przyprawy mają korzystny wpływ na zdrowie człowieka, ze względu na ich właściwości przeciwzapalne, przeciwutleniające i wspierające odporność. Związki fenolowe ziół i przypraw są dobrymi substytutami syntetycznych środków przeciwdrobnoustrojowych stosowanych w produkcji żywności. Przykładowo, związki fenolowe tj. katechiny, oleuropeina, kwas ferulowy, kwas elagowy i kwas kumarowy zapobiegają rozwojowi niektórych bakterii chorobotwórczych (Staphylococcus aureus, Salmonella enteritidis i Listeria monocytogenes) oraz grzybów. Spośród najpopularniejszych ziół i przypraw wykazujących właściwości konserwujące można wyróżnić m.in. bazylię, miętę pieprzową, czosnek, tymianek, imbir i goździki.

Olejki eteryczne są zazwyczaj otrzymywane przez destylację z parą wodną rośliny lub części rośliny. Są to oleiste ciecze otrzymywane z kwiatów roślin, pąków, nasion, liści, gałązek, kory, ziół, drewna, owoców i korzeni. Olejki eteryczne to ekstrakty roślinne, które zostały najlepiej przebadane pod kątem ich działania przeciwdrobnoustrojowego. Ich wady to obecność związków lotnych (często nieprzyjemnych w smaku) oraz niska rozpuszczalność w wodzie, co ogranicza ich zastosowanie do konserwacji żywności. Należy również pamiętać, że ich dodatek w zbyt dużej ilości może negatywnie wpływać na smak i zapach, dlatego należy odpowiednio dostosować ich ilość do specyfiki produktu spożywczego. Ekstrakty roślinne odgrywają jednak ważną rolę w produkcji żywności, ze względu na ich właściwości odżywcze, wizualne (wzbogacanie koloru) i smakowe. Większość zastosowań ekstraktów roślinnych bogatych w fenole do celów bezpieczeństwa żywności wiąże się z ich działaniem przeciwutleniającym, w tym wybitny przykład ekstraktu z rozmarynu, który ma status dodatku do żywności w Unii Europejskiej (symbol E 392). Ekstrakt z rozmarynu zawiera kwas karnozowy i karnozol, które są fenolami. Oprócz tych właściwości przeciwutleniających, wykazano również, że polifenole olejków eterycznych wydłużają okres przydatności do spożycia niektórych produktów spożywczych poprzez ich działanie przeciwdrobnoustrojowe, a także mogą działać jako inhibitory drobnoustrojów chorobotwórczych.

Niektóre roślinne ekstrakty, przeznaczone do stosowania w celach konserwacyjnych, są już produkowane w sposób komercyjny, np. ekstrakt z bambusa moso wprowadzony na rynek przez Takex Labo (Osaka, Japonia) i mieszanka różnych naturalnych ekstraktów przeciwdrobnoustrojowych (Biovia), wprowadzona przez DuPont Danisco (Illinois, USA).

Naturalne substancje konserwujące znajdują swoje zastosowanie w różnego typu produktach mleczarskich. Skład biochemiczny mleka i jego przetworów sprawia, że są one dobrym podłożem do rozwoju drobnoustrojów, jednak w wielu produktach tego typu nie jest dopuszczalne stosowanie konserwantów. Ich bezpieczeństwo jest osiągane na drodze zabiegów technologicznych tj. pasteryzacja, sterylizacja albo pakowanie aseptyczne. Wykorzystanie w technologii ich produkcji składników naturalnych, powszechnie spożywanych przez konsumentów, może jednak wpłynąć na zwiększenie ich bezpieczeństwa. Zastosowanie substancji naturalnych do celów konserwujących w produktach mlecznych wpływa również na zwiększenie w nich zawartości składników bioaktywnych, których nośnikami są m.in. zioła i przyprawy. Większość tych substancji dodatkowo nie wpływa na właściwości technologiczne produktów mleczarskich.

Spośród substancji konserwujących uważanych za naturalne, które są oficjalnie dopuszczone do stosowania w produktach mlecznych (zgodnie z Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1129/2011) należą nizyna (konserwant pochodzenia mikrobiologicznego), lizozym (konserwant pochodzenia zwierzęcego lub mikrobiologicznego) i ekstrakt z rozmarynu (konserwant pochodzenia roślinnego). Nizyna jest dopuszczona do stosowania w produkcji serów dojrzewających, topionych, mascarpone i clotted cream. Ekstrakt z rozmarynu dopuszczony jest do stosowania w produkcji mleka w proszku i lodów, zaś lizozym można stosować w produkcji serów dojrzewających.

W literaturze opisuje się zastosowanie wielu ziół i przypraw w różnych postaciach (sproszkowanej, świeżej, olejków eterycznych itp.) w wybranych produktach mleczarskich (tabela 2). Najwięcej tych składników stosuje się w produkcji serów twarogowych oraz podpuszczkowych. Stosowanie ziół i przypraw w produkcji sera jest powszechną praktyką od czasów starożytnych i zazwyczaj polegało na fizycznym nacieraniu sera niektórymi ziołami lub przyprawami. Zioła i przyprawy dodaje się do serów nie tylko, aby nadać im niepowtarzalny smak, ale również niektóre z nich mogą wpływać na ich jakość mikrobiologiczną. Serek typu cottage cheese z dodatkiem suszonych lub świeżych papryki, pietruszki, czosnku, koperku lub rozmarynu wykazuje pożądane przez konsumentów właściwości smakowe i zapachowe, ale również charakteryzuje się wydłużonym okresem przydatności do spożycia. Wymienione przyprawy skutecznie zmniejszają liczbę patogenów przenoszonych przez żywność, takich jak Salmonella typhimurium, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus i Escherichia coli, a zatem mogą być dobrymi naturalnymi konserwantami i przeciwutleniaczami. Dodatek ekstraktu z czarnuszki do sera twarogowego wykazuje potencjał przeciwdrobnoustrojowy wobec patogenów (Staphylococcus aureus, Salmonella enteritidis, Escherichia coli) i poprawia właściwości fizykochemiczne i sensoryczne, zaś dodatek olejku goździkowego znacząco zmniejsza tempo wzrostu Listeria monocytogenes. Pieprz cayenne i pieprz zielony zmniejszają populację Staphylococcus aureus w serze twarogowym, a olejki eteryczne z szałwii i bazylii wykazują działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko Listeria monocytogenes. Olejki z oregano i tymianku wykazują zaś działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko Listeria monocytogenes w serze feta.

W serach podpuszczkowych ekstrakty z cynamonu, skórki granatu, pestek winogron, oregano i goździków istotnie hamują wzrost Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes i Salmonella enterica. Wykorzystanie tych ekstraktów poprawia również odporność na utlenianie tłuszczów w serze. Olejki eteryczne z cynamonu wykazują aktywność przeciwgrzybiczą wobec Apergillus niger i Penicillium expansum w serach podpuszczkowych dojrzewających. Olejek rozmarynowy zapobiega zaś wzrostowi Clostridium spp. odpowiedzialnego za późne wzdęcia serów podpuszczkowych.

W jogurtach dodatek cynamonu, czosnku, mięty pieprzowej, kopru i bazylii nie wpływa na proces fermentacji, a nawet poprawia aktywność wykorzystanych kultur starterowych. Związki pochodzące z tych przypraw mogą być stosowane również do wspomagania rozwoju bakterii kwasu mlekowego podczas procesu fermentacji. Substancje te wpływają również na zwiększenie całkowitej zawartości fenoli i aktywności antyoksydacyjnej w tych produktach w porównaniu z jogurtem naturalnym. Jogurty z dodatkiem ziół charakteryzują się wysoką zawartością bioaktywnych peptydów i ulepszonymi właściwościami przeciwutleniającymi, co może prowadzić do powstawania nowej gamy produktów o potencjalnych właściwościach prozdrowotnych. Dodatek ekstraktu z róży do jogurtu wpływa na zwiększenie aktywności przeciwdrobnoustrojowej i dużą selektywnością wobec bakterii Gram-ujemnych (np. Bacillus cereus, Escherichia coli, Staphylococcus aureus i Salmonella typhimurium). Również ekstrakty z rumianku i kopru wykazują działanie przeciwdrobnoustrojowe w jogurcie, jednocześnie poprawiając jego aktywność antyoksydacyjną i nie wpływając na jego wyglądu, strukturę i pH.

W produkcji masła dodatek szałwii i rozmarynu powoduje znaczne zmniejszenie stężenia wtórnych produktów utleniania, w porównaniu do masła bez dodatku ziół. Dodatek olejków z tymianku i kminku do masła zapobiega psuciu się masła przechowywanego w temperaturze pokojowej i może być skuteczniejszy niż stosowanie konserwantów syntetycznych.

Działanie przeciwdrobnoustrojowe konserwantów naturalnych zależy od składu biochemicznego produktów mlecznych, m.in. od zawartości tłuszczu. W związku z tym należy dokładnie określać jaki dodatek danego składnika będzie optymalny, w zależności od typu produktu, jednocześnie nie wpływając negatywnie na jego smak i zapach. Przykładowo olejki z goździków, cynamonu i tymianku mają działanie przeciwdrobnoustrojowe wobec Listeria monocytogenes głównie w serach twarogowych niskotłuszczowych. W twarogu o wysokiej zawartości tłuszczu właściwości te słabną.

Coraz większa świadomość konsumentów dotycząca zdrowego żywienia i chęć otrzymywania produktów spożywczych z tzw. „czystą etykietą” będą wpływać na wzrost popularności stosowania naturalnych rozwiązań w konserwacji żywności. Zioła i przyprawy to naturalne składniki, które są coraz częściej stosowane w przetwórstwie żywności nie tylko jako dodatek wzbogacający smak, ale również ze względu na swoje właściwości konserwujące i prozdrowotne. Włączając naturalne konserwanty do produktów mleczarskich należy jednak zadbać o ich jak najwyższą jakość tak, aby nie stały się one same w sobie nośnikiem niepożądanych drobnoustrojów lub nie wpłynęły negatywnie na smak i zapach finalnego produktu.

Literatura:

1. Anand S.P., Sati N. Artificial preservatives and their harmful effects: looking toward nature for safer alternatives. IJPSR 2013, 4(7), 2496-2501.
2. Caleja C., Barros L., Antonio A., Carocho M., Beatriz M., Oliveira P., Ferreira C. Fortification of yogurts with different antioxidant preservatives: a comparative study between natural and synthetic additives. Food Chem. 2016, 210, 262-268.
3. Chibane L., Dagraeve P., Ferhout H., Bouajila J., Oulaha N. Plant antimicrobial polyphenols as potential natural food preservatives. J Sci Food Agric 2019, 99(4), 1457-1474.
4. El-Sayed S., Youssef A.M. Potential application of herbs and spices and their effects in functional dairy products. Heliyeon, 2019, 5, 01989.
5. Na-Kyoungg L., Hyun-Dong P. Status, Antimicrobial Mechanism, and Regulation of Natural Preservatives in Livestock Food Systems. Korean J. Food Sci. An. 2016, 36(4), 547-557.
6. Ritota M., Manzi P. Natural Preservatives from Plant in Cheese Making. Animals 2020, 10, 749.
7. Rozporządzenie Komisji (UE) NR 1129/2011 z dnia 11 listopada 2011 r. Zmieniające załącznik II do rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1333/2008 poprzez ustanowienie unijnego wykazu dodatków do żywności.
8. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego I Rady (WE) NR 1333/2008 z dnia 16 grudnia 2008 r. W sprawie dodatków do żywności.