Jogurty: Innowacje w mikroflorze jogurtów

Jogurty należą do grupy bardzo popularnych mlecznych produktów fermentowanych. Od czasu opracowania przemysłowej technologii ich otrzymywania przeprowadzane są różnego rodzaju badania w celu zrozumienia i poprawy ich tekstury, smaku czy właściwości zdrowotnych związanych m.in. z obecną mikroflorą. Postępy i innowacje w rozwoju produktów jogurtowych utrzymują stałe zainteresowanie konsumentów tą grupą wyrobów. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele odmian jogurtów, a wszystkie są produkowane na drodze fermentacji. Słowo „fermentacja” pochodzi od łacińskiego słowa „fervere” i przez Louisa Pasteura zostało wykorzystane do zdefiniowania zjawiska „życia bez powietrza”, czyli procesu metabolicznego, w którym żywe komórki pozyskują energię ze związków organicznych.

Mikroflora podstawowa

Zgodnie ze standardem Kodeksu Żywnościowego (Standard For Fermented Milks CXS 243-2003) ustanowionym przez FAO/WHO i stale aktualizowanym (ostatnia aktualizacja pojawiła się w 2022 r.) jogurt jest produktem mlecznym otrzymywanym z mleka w drodze fermentacji mieszaną kulturą starterową składającą się z bakterii fermentacji mlekowej należących do dwóch termofilnych gatunków: Streptococcus thermophilus i Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. 

Wybór tych bakterii kwasu mlekowego jako składników kultury starterowej w produkcji jogurtów ma ogromny wpływ na konsystencję, wygląd i smak produktów końcowych. Bakterie z gatunków L. delbrueckii subsp. bulgaricus i S. thermophilus zazwyczaj stosuje się w proporcji 1:1 lub 1:2 ze względu na ich symbiotyczny związek. Badania jednoznacznie dowodzą, że oba gatunki bakterii razem rosną szybciej i działają lepiej, niż gdy są stosowane osobno. Po dodaniu do mleka bakterie z gatunku S. thermophilus pierwsze zaczynają rosnąć, obniżając wartości pH i potencjału redoks (Eh) mleka do poziomów preferowanych przez bakterie z gatunku L. bulgaricus subsp. bulgaricus. Z kolei bakterie L. delbrueckii subsp. bulgaricus, wytwarzając proteinazę i hydrolizując kazeinę, uwalniają aminokwasy niezbędne do wzrostu S. thermophilus w mleku. Należy zauważyć, że L. delbrueckii subsp. bulgaricus wytwarzają więcej kwasu mlekowego niż S. thermophilus, tym samym regulują tempo rozwoju obu gatunków i ich wzajemną proporcję, co z kolei pozwala na sterowanie w pewnym zakresie smakiem, zapachem czy konsystencją końcowego produktu. 

Bakterie z gatunków S. thermophilus i L. delbrueckii subsp. bulgaricus są podstawowymi bakteriami starterowymi stosowanymi w produkcji jogurtów, ale nie muszą być jedynymi. Standard Kodeksu Żywnościowego nakłada obowiązek produkcji jogurtów z charakterystyczną kulturą składającą się ze S. thermophilus i L. delbrueckii subsp. bulgaricus – zgodnie z tym standardem produkt końcowy musi zawierać oba charakterystyczne gatunki w odpowiedniej ilości i proporcji, aby móc używać nazwy „jogurt”. W jogurtach komercyjnych zazwyczaj wykorzystuje się wiele szczepów obu gatunków bakterii mlekowych.

Mikroflora dodatkowa 

Uważa się, że oba gatunki bakterii jogurtowych (S. thermophilus i L. delbrueckii subsp. bulgaricus) nie są naturalną mikroflorą jelit człowieka i nie wykazują zdolności do przeżywania w warunkach kwaśnego soku żołądkowego czy w obecności soli żółciowych spotykanych w ludzkim przewodzie pokarmowym. Dlatego też pojawiła się tendencja do wytwarzania jogurtów z wykorzystaniem mikroflory dodatkowej stosowanej równocześnie z tradycyjnymi kulturami jogurtowymi, ale cechującej się lepszą adaptacją do warunków panujących w ludzkim przewodzie pokarmowym. Wiele z takich mikroorganizmów dodatkowych ma udokumentowane właściwości prozdrowotne (szczepy probiotyczne). W celu zwiększenia korzyści zdrowotnych jogurtów powszechnie zaczęto stosować dodatek szczepów probiotycznych z gatunku Lactobacillus acidophilus i rodzaju Bifidobacterium.

Wraz z pojawieniem się mikroorganizmów dodatkowych, w tym probiotycznych, popularna stała się produkcja jogurtów o zmienionym składzie mikrobiologicznym. W obecnych czasach standard Kodeksu Żywnościowego dopuszcza produkcję mlecznego napoju fermentowanego nazwanego „jogurtem alternatywnym” (ang. „alternate culture yoghurt”), otrzymywanego z wykorzystaniem bakterii fermentacji mlekowej należących do S. thermophilus i Lactobacillus innych niż L. delbrueckii subsp. bulgaricus. Warto podkreślić, że zgodnie z zapisami standardu Kodeksu Żywnościowego suma żywych komórek mikroorganizmów tworzących kulturę starterową powinna wynosić min. 107 jtk/g, zaś mikroorganizmów dodatkowych min. 106 jtk/g. Wartości te mają być spełniane w produktach rynkowych aż do ostatniego dnia ich deklarowanej trwałości. 

W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci w produkcji jogurtów znalazło zastosowanie wiele mikroorganizmów uznawanych jako mikroflora dodatkowa. Najczęściej są to bakterie fermentacji mlekowej inne niż z gatunków S. thermophilus i L. delbrueckii subsp. bulgaricus – termofilne lub mezofilne pałeczki mlekowe z gatunków:

• Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis, 
• L. acidophilus, 
• Lacticaseibacillus casei (dawniej klasyfikowany jako Lactobacillus casei), 
• Lacticaseibacillus paracasei (dawniej klasyfikowany jako Lactobacillus paracasei),
• Lacticaseibacillus rhamnosus (dawniej klasyfikowany jako Lactobacillus rhamnosus), 
• Lactiplantibacillus plantarum (dawniej klasyfikowany jako Lactobacillus plantarum),
• Lactobacillus helveticus, 
• Limosilactobacillus fermentum (dawniej klasyfikowany jako Lactobacillus fermentum),
• Limosilactobacillus reuteri (dawniej klasyfikowany jako Lactobacillus reuteri). 

W niektórych krajach dopuszcza się dodatek mezofilnych paciorkowców mlekowych z gatunków Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, a także różnych gatunków bakterii z rodzajów Bifidobacterium lub Propionibacterium, a nawet bakterii octowych z gatunku Acetobacter aceti. 

Jedną z kluczowych innowacji w zakresie mikroflory jogurtów są kultury zdolne do modyfikacji właściwości fizycznych produktu, przede wszystkich cech sensorycznych: konsystencji i smaku. Okazuje się, że niektóre szczepy z gatunków L. delbrueckii i S. thermophilus wytwarzają substancje zagęszczające, tzw. egzopolisacharydy (EPS). EPS zwiększają lepkość jogurtów, jednocześnie zmniejszając skłonność skrzepu do wydzielania serwatki. Na produkcję EPS wpływa wybór temperatury fermentacji, ale ilość i struktura EPS są determinowane doborem szczepów bakteryjnych. Substancje polisacharydowe wytwarzane przez bakterie kwasu mlekowego składają się głównie z glukozy, galaktozy i ramnozy, jednak poszczególne substancje polisacharydowe mogą się różnić zależnie od szczepu bakteryjnego. Wiadomo, że zastosowanie temperatury fermentacji z dolnego zakresu przedziału 35-45°C sprzyja zwiększeniu produkcji EPS przez bakterie jogurtowe. Warto zauważyć, że zastosowanie różnych kombinacji szczepów bakterii jogurtowych i temperatury inkubacji prowadzi do modyfikacji nie tylko tekstury, ale również smaku produktu końcowego. Zastosowanie kultur jogurtowych wytwarzających EPS może zapewnić lepszą teksturę jogurtów o niskiej zawartości tłuszczu i z powodzeniem wyeliminować konieczność stosowania dodatków takich jak zamienniki tłuszczu.

Dalszy postęp w doborze mikroorganizmów dodatkowych wykazujących aktywność biochemiczną pozwala na wytworzenie jogurtów o innowacyjnych parametrach jakościowych lub odżywczych. Przykładem jest zdolność do biosyntezy witamin: 

• tiaminy i ryboflawiny (wybrane szczepy z gatunków L. casei, L. plantarum, L. fermentum, a także wybrane szczepy z gatunków Bifidobacterium infantis, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium adolescentis), 
• kwasu nikotynowego (wybrane szczepy z gatunków B. infantis, B. bifidum, B. breve, B. longum, B. adolescentis), 
• biotyny (np. wybrane szczepy z gatunków L. helveticus, L. rhamnosus lub rodzaju Bifidobacterium), 
• pirydoksyny (wybrane szczepy z gatunków B. bifidum, B. breve, B. longum, B. infantis),
• kwasu foliowego (wybrane szczepy z gatunków S. thermophilus, L. delbrueckii, L. rhamnosus, L. helveticus, Lactobacillus amylovorus, Lactococcus lactis subsp. lactis, rodzajów Leuconostoc lub Bifidobacterium, np. Bifidobacterium lactis, B. breve, B. infantis),
• B12 (Propionibacterium shermanii, Propionibacterium. freudenreichii, wybrane szczepy z gatunków B. lactis, Bifidobacterium animalis lub L. reuteri), 
• witaminy K (wybrane szczepy pałeczek mlekowych, a także z rodzajów Lactococcus, Enterococcus, Leuconostoc, Streptococcus). 

Niezbędne do uzyskania oczekiwanych parametrów jakościowych i żywieniowych produktu końcowego jest przetrwanie żywych komórek mikroorganizmów starterowych czy dodatkowych na odpowiednim poziomie populacji. Bakterie starterowe czy mikroflora dodatkowa stosowane w produkcji jogurtów są narażone na wiele niekorzystnych czynników (tzw. czynników stresowych) podczas produkcji, transportu, sprzedaży i przechowywania produktu końcowego. Takie czynniki stresowe są zróżnicowane i obejmują między innymi wahania kwasowości (wartości pH), temperatury (ciepło/zimno), zmiany oksydacyjne i osmotyczne. Wprawdzie komórki bakterii jogurtowych mają wypracowane wyrafinowane mechanizmy obronne przed czynnikami stresowymi, pozwalające im przetrwać w niekorzystnych warunkach wzrostu i/lub nagłych zmianach środowiskowych, ale nie w każdych okolicznościach te systemy działają poprawnie i w wystarczającym zakresie. W rezultacie w niektórych przypadkach technologicznych, recepturowych czy przechowalniczych odnotowuje się spadek przeżywalności komórek mikroorganizmów starterowych czy dodatkowych, na tyle drastyczny, że produkt końcowy przestaje spełniać standardy Kodeksu Żywnościowego dotyczące produktów etykietowanych jako jogurty. Z tego powodu nieustająco trwają badania naukowe dotyczące reakcji bakterii jogurtowych i innych mikroorganizmów możliwych do stosowania jako mikroflora dodatkowa na różnorodne warunki stresowe. W tym sensie najczęściej badanymi gatunkami są oczywiście S. thermophilus i L. delbrueckii, ale zainteresowanie naukowców sięga także innych bakterii fermentacji mlekowej, w tym z rodzajów Leuconostoc, Streptococcus czy Lactococcus. 

Przeżywalność żywych komórek jest kluczowa dla szczepów probiotycznych. Dla przypomnienia, probiotyk to żywy mikroorganizm, który podawany w odpowiednich ilościach, wpływa korzystnie na zdrowie gospodarza. Dowody naukowe korzyści zdrowotnych są wymagane na poziomie szczepu probiotycznego (niekiedy grupy szczepów probiotycznych), a poza tym wszystkie probiotyki muszą być bezpieczne dla ich zamierzonego zastosowania. Najczęściej stosowanymi probiotykami w jogurtach są szczepy z gatunków L. acidophilus, L. casei, L. rhamnosus, a także z rodzaju Bifidobacterium (dodawane jako mikroflora dodatkowa). W ostatnich latach rola, jaką probiotyki odgrywają w zdrowiu i chorobach człowieka, ponownie przyciągnęła uwagę naukowców i branży biotechnologicznej. Może to być spowodowane rosnącym zainteresowaniem społeczeństwa naturalnymi terapiami na pojawiające się choroby cywilizacyjne. Obecnie badania nad mikroorganizmami probiotycznymi obejmują rodzaje mikroorganizmów takie jak Propionibacterium, a także niektóre gatunki Saccharomyces. Ponadto wielu badaczy i instytucji legislacyjnych zaleca, aby termin „probiotyczny” był stosowany tylko w odniesieniu do produktów, które dostarczają żywe mikroorganizmy o odpowiedniej liczbie komórek dobrze zdefiniowanych szczepów z uzasadnionym oczekiwaniem na korzyści dla dobrego samopoczucia konsumenta. Bogactwo oferowanych szczepów probiotycznych czy potencjalnie probiotycznych do produkcji jogurtów i różnorodność stosowanych technologii sprawiają, że na rynkach światowych dostępnych jest tak wiele jogurtów probiotycznych, że trudno wskazać ten najlepszy. 

Innowacje w produkcji jogurtów probiotycznych starają się podążać za ogólnoświatowymi trendami prac nad zastosowaniem nowych probiotyków. Od kilku lat ten kierunek badawczy mocno skupia się na niektórych szczepach bakterii przetrwalnikujących z rodzaju Bacillus, podkreślając ich bezpieczeństwo i korzyści ze spożycia przez ludzi, powszechność występowania i oporność na czynniki stresowe. Przykładem są niektóre szczepy z gatunku Bacillus coagulans, który jest powszechnie uznawany za bezpieczny (chociaż korzystny wpływ tego gatunku na zdrowie człowieka nie jest dokładnie poznany, to niektóre badania wykazały, że doustna suplementacja B. coagulans może zapewnić korzystny wpływ na wchłanianie składników odżywczych, modulację mikroflory jelitowej i regulację immunologiczną). Ostatnimi laty zainteresowanie opinii publicznej i świata naukowego korzystnym wpływem B. coagulans na zdrowie ludzkie znacząco wzrosło, co skutkowało w ostatniej dekadzie opublikowaniem znacznej liczby badań koncentrujących się na wpływie tych bakterii na różne choroby ludzkie, w tym choroby żołądkowo-jelitowe, choroby metaboliczne, choroby immunologiczne, a nawet zaburzenia depresyjne. Jednocześnie niektóre szczepy B. coagulans (np. B. coagulans PTA-6086, B. coagulans unique S1 i B. coagulans MTCC 5856) zostały skomercjalizowane i zastosowane jako probiotyki w żywności funkcjonalnej (np. w produkcji makaronów, czekolad i lodów probiotycznych). W porównaniu z tradycyjnymi probiotykami, wysoka tolerancja B. coagulans na stres środowiskowy zapewnia jego żywotność i stabilność w całym przetwórstwie przemysłowym i okresie przydatności produktu końcowego do spożycia. Dlatego opracowano różnorodne produkty spożywcze zawierające probiotyczne szczepy B. coagulans i są one obecnie dostępne na rynkach światowych. Niezwykle wartościową cechą bakterii B. coagulans w produkcji jogurtów okazuje się zdolność do wytwarzania kwasu mlekowego. Badania doświadczalne wykazują, że jogurty otrzymywane z dodatkiem różnych probiotycznych szczepów B. coagulans cechują się oczekiwanymi parametrami dynamiki ukwaszania (szybsze i lepsze tworzenie skrzepu), tekstury (np. twardości, lepkości), a nawet oceny sensorycznej (pozytywny wpływ na wygląd, smak i aromat) w całym okresie przechowywania produktów. Doświadczalnie udowodniono doskonałą przeżywalność probiotycznych szczepów B. coagulans w warunkach produkcyjnych i przechowalniczych. Potwierdzono również odporność na działanie niekorzystnych czynników układu pokarmowego (np. kwasu solnego żołądka), dzięki czemu bakterie tego gatunku bezpiecznie docierają do jelit, gdzie mogą korzystnie wpływać na organizm gospodarza.

Podsumowanie

Od lat wiadomo, że spożywanie jogurtów, czyli produktów fermentowanych zawierających żywe komórki dobroczynnych mikroorganizmów, wiąże się z szeregiem korzyści zdrowotnych, w tym z poprawą zdrowia jelit i układu odpornościowego. Producenci nie tylko starają się wprowadzać nowe smaki i warianty jogurtów, ale także eksperymentują z różnymi kulturami starterowymi i dodatkowymi, aby poprawić jakość i dostarczać jeszcze więcej korzyści zdrowotnych. Niechybnie wraz z rosnącą świadomością dotyczącą korzyści zdrowotnych i wynikającą z niej popularnością spożycia jogurtów nadal będzie rozwijać się oferta mikroflory możliwej do zastosowania dla tych produktów w celu osiągnięcia oczekiwanych parametrów technologicznych i ekonomicznych, jak również cech jakościowych i zdrowotnych finalnego produktu.