Dobroczynne mikroorganizmy

Dobroczynne mikroorganizmy w produkcji mleczarskiej to grupa mikroorganizmów, które mają pozytywny wpływ na jakość i bezpieczeństwo żywności. Do tej grupy należą głównie bakterie kwasu mlekowego (LAB), ale także drożdże, pleśnie i probiotyki.

Bakterie kwasu mlekowego

Jest to najważniejsza grupa mikroorganizmów wykorzystywanych w produkcji mleczarskiej. To grupa Gram-dodatnich pałeczek, które występują naturalnie w środowisku, w tym również w mleku i produktach mlecznych. Bakterie kwasu mlekowego są odpowiedzialne za fermentację mlekową, czyli przemianę laktozy do kwasu mlekowego. Kwas mlekowy nadaje produktom mleczarskim charakterystyczny smak, zapach i konsystencję. Oprócz fermentacji bakterie mlekowe wykazują również szereg innych korzystnych właściwości dla zdrowia człowieka. Mogą one: poprawiać trawienie laktozy, wzmacniać odporność organizmu, zmniejszać ryzyko wystąpienia chorób układu krążenia, obniżać poziom cholesterolu, wspomagać leczenie biegunek, łagodzić objawy alergii. Ponadto bakterie kwasu mlekowego mają właściwości antybakteryjne, co pomaga chronić żywność przed zepsuciem.

Do najważniejszych grup bakterii kwasu mlekowego wykorzystywanych w produkcji mleczarskiej należą: pałeczki mlekowe (np. Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus stosowane w produkcji jogurtów), paciorkowce mlekowe termofilne z gatunku Streptococcus thermophilus (stosowane w produkcji jogurtów), a także paciorkowce mlekowe mezofilne z rodzajów Lactococcus i Leuconostoc (stosowane w produkcji różnego rodzaju mlecznych produktów fermentowanych – napojów, serów, deserów). Warto zwrócić uwagę, że taksonomia pałeczek mlekowych została niedawno zmieniona, a gatunki wcześniej wyznaczone jako Lactobacillus zostały podzielone na 25 rodzajów, w tym Lactobacillus (Zheng i wsp. 2020). Także systematyka paciorkowców mlekowych uległa pewnej modyfikacji. W 2019 r. podgatunek Lactococcus lactis subsp. cremoris został podniesiony z powrotem do poziomu gatunku jako Lactococcus cremoris.

Ciekawym przykładem bakterii kwasu mlekowego stosowanych w mleczarstwie są bakterie z rodzaju Brevibacterium. Jednym z najważniejszych zastosowań Brevibacterium jest produkcja serów maziowych. Brevibacterium linens, jako bakterie proteolityczne, rozkładają białka mleka, w tym białka serwatkowe i kazeinowe. Proces ten prowadzi do rozluźnienia struktury sera i nadania mu miękkiej, mazistej konsystencji. 

Bifidobacterium

Bifidobacterium to rodzaj bakterii Gram-dodatnich beztlenowych, które są częścią mikrobioty jelitowej. To jeden z najczęstszych rodzajów bakterii występujących w ludzkim układzie pokarmowym i odgrywa on ważną rolę w trawieniu i ogólnym zdrowiu. Wytwarza również kwasy tłuszczowe o krótkim łańcuchu węglowym, które mogą mieć szereg korzyści zdrowotnych, w tym poprawę stanu zdrowia jelit i funkcji układu odpornościowego. Bifidobacterium mogą pomagać wzmacniać układ odpornościowy poprzez wytwarzanie przeciwciał i innych cząsteczek układu odpornościowego. Pomagają również zapobiegać wzrostowi szkodliwych bakterii, które mogą wywołać odpowiedź immunologiczną. Ostatnie badania naukowe sugerują, że Bifidobacterium mogą także poprawiać nastrój i funkcje poznawcze poprzez zwiększanie produkcji serotoniny i dopaminy. Są zdolne również do zmniejszania stanu zapalnego, który może mieć negatywny wpływ na nastrój i funkcje poznawcze. To szczególnie korzystny wybór dla niemowląt, dzieci i osób starszych, ponieważ bakterie te pomagają w trawieniu pokarmu i wchłanianiu składników odżywczych, a także budowaniu odporności. Mogą być też pomocne w leczeniu niektórych chorób, takich jak biegunka, zaparcia i choroby zapalne jelit.

Ich wykorzystywanie w produkcji mleczarskiej opiera się na pozytywnym wpływie na organizm człowieka i obejmuje produkcję mlecznych napojów fermentowanych (np. jogurtu, kefiru, maślanki i innych), serów świeżych i dojrzewających, deserów mlecznych mrożonych i niemrożonych (lody, szejki) czy proszków mlecznych (odżywki dla niemowląt). Stosuje się je wyłącznie jako probiotyki. Dostępne są także suplementy probiotyczne zawierające szczepy Bifidobacterium.

Bakterie propionowe

Propionibakterie mleczne obejmują cztery gatunki bakterii z rodzaju Propionibacterium – P. freudenreichii, P. acidipropionici, P. jensenii i P. thoenii – mające znaczenie przemysłowe jako kultury starterowe w procesie produkcji serów twardych, a ostatnio także jako ochronne biokonserwanty i probiotyki. Są to bakterie Gram-dodatnie, nieprzetrwalnikujące. Szczególnie propionibakterie z gatunków P. freudenreichii subsp. freudenreichii oraz P. freudenreichii subsp. shermanii znajdują zastosowanie jako mikroflora techniczna w produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających typu szwajcarskiego, takich jak ementaler. Bakterie te odgrywają znaczącą rolę w przemyśle serowarskim, ponieważ przetwarzają mleczany na kwas propionowy i octowy oraz wytwarzają znaczne ilości CO2. Produkowany CO2 (ok. 100 litrów gazowego CO2 w 100-kilogramowym serze ementalskim) powoduje tworzenie regularnych pożądanych oczek, a warto przypomnieć, że w prawidłowo wytworzonym serze typu szwajcarskiego oczka są bardzo liczne i o bardzo dużej średnicy. Ponadto ten rodzaj bakterii przyczynia się do kształtowania swoistych cech organoleptycznych serów, przede wszystkim dzięki wytwarzaniu kwasu propionowego i uwalnianiu znacznych ilości proliny, które nadają produktowi słodkawy, orzechowy smak i zapach. Za aromat w serze szwajcarskim odpowiedzialne są również kwas 3-metylobutanowy (kwasu izowalerianowy) i 2-metylobutanowy wytwarzane przez P. freudenreichii. 

Obecnie podejmuje się próby zastosowania bakterii z rodzaju Propionibacterium w utrwalaniu serów twarogowych oraz produkcji mlecznych napojów fermentowanych. Dzięki swoim właściwościom bakterie propionowe poprawiają smak, trwałość i wartość odżywczą tych produktów, a także mogą mieć pozytywny wpływ na zdrowie człowieka. Zastosowanie ich w produkcji mleczarskiej pozwala nie tylko biologicznie utrwalić produkty (gdyż posiadają zdolność tworzenia metabolitów o działaniu fungistatycznym oraz antybakteryjnym) lub korzystnie zmodyfikować ich cechy sensoryczne, ale także zwiększyć ich wartość odżywczą poprzez naturalną biosyntezę witaminy B12 i folacyny. Niektóre szczepy bakterii z rodzaju Propionibacterium dodawane do serów typu szwajcarskiego 
zapobiegają rozwojowi mikroflory zanieczyszczającej, w tym patogennych (np. z rodzaju Clostridium), niestarterowych bakterii fermentacji mlekowej (NSLAB), a także pleśni i drożdży. Firmy biotechnologiczne zajmujące się opracowywaniem i dystrybucją komercyjnych kultur starterowych dla mleczarstwa posiadają w swojej ofercie tzw. kultury ochronne, w skład których bardzo często wchodzi gatunek P. freudenreichii subsp. shermanii o wymienionych powyżej właściwościach.

Warto zwrócić uwagę, że niektóre gatunki z rodzaju Propionibacterium wykorzystywane w przemyśle spożywczym uważane są również za bakterie o właściwościach probiotycznych. Dane literaturowe donoszą, że bakterie z gatunku P. freudenreichii subsp. shermanii są zdolne do wytwarzania czynnika bifidogennego, który wzmaga rozwój bifidobakterii w układzie pokarmowym człowieka. Co ważne, bakterie te mogą przeżyć warunki panujące w ludzkim układzie pokarmowym – kwas żołądkowy i sole żółciowe. Wykazano to m.in. dla szczepu P. freudenreichii subsp. shermanii SI41. 

Pleśnie

Głównym kierunkiem wykorzystywania pleśni w mleczarstwie jest produkcja serów podpuszczkowych dojrzewających. Pleśnie znajdują zastosowanie tam, gdzie wymagany jest szybki proces dojrzewania serów, a jednocześnie panują warunki tlenowe, umożliwiające ich rozwój. Zatem pleśnie są stosowane w produkcji serów z porostem pleśni, przerostem pleśni i maziowych.

Dominującymi pleśniami stosowanymi w serach są: Penicillium roqueforti (w serach pleśniowych, np. stilton, roquefort, gorgonzola) oraz Penicillium camemberti (w serach dojrzewających pleśnią powierzchniowo, np. camembert, brie). Nadają one produktom mleczarskim charakterystyczny smak, aromat i wygląd. 

Ponadto pleśnie produkują enzymy, które mogą wpływać na właściwości sensoryczne produktów mleczarskich. Hydroliza tłuszczu do mono- i diacylogliceroli oraz uwalnianie kwasów tłuszczowych, a następnie produkcja ketonów metylowych poprzez utlenianie kwasów tłuszczowych to główne działania biochemiczne pleśni w serach pleśniowych. Kwas masłowy (C4) i kapronowy (C6) oraz 2-heptanon to główne związki odpowiedzialne za mocny, pikantny smak serów pleśniowych. P. roqueforti i P. camemberti wytwarzają również proteinazy, a proteoliza, prowadzona zwłaszcza przez P. camemberti, jest dominującą aktywnością w serach typu camembert i brie. Sery te miękną od zewnątrz w kierunku do wewnątrz i pierwotnie sądzono, że jest to spowodowane głównie aktywnością proteolityczną P. camemberti. Obecnie uważa się, że wynika to głównie ze wzrostu pH na powierzchni na początku dojrzewania, co powoduje rozpuszczanie i mięknięcie skrzepu serowego. Przy pH sera pleśnie rozwijają się znacznie lepiej niż bakterie i dlatego są pierwszymi mikroorganizmami, które pojawiają się na powierzchni produktu. Niskie pH świeżo wyprodukowanego sera jest zatem częściowo selektywne dla wzrostu pleśni.

P. roqueforti rosną w przestrzeniach powietrznych pomiędzy niecałkowicie stopionymi cząstkami skrzepu serowego i są odpowiedzialne za powstawanie niebieskich żyłek występujących w całej objętości sera pleśniowego, podczas gdy P. camemberti rosną w postaci zwartej, puszystej masy na powierzchni sera. Pleśnie są bezwzględnymi tlenowcami – do wzrostu potrzebują tlenu. P. roqueforti dobrze rosną przy znacznie niższych poziomach O2 niż te wymagane przez inne pleśnie i z tego powodu sery pleśniowe zazwyczaj nakłuwa się, aby chociaż niewielka ilość tlenu przedostała się do środka, co sprzyja rozwojowi pleśni.

Drożdże

Drożdże są jednokomórkowymi mikroorganizmami grzybopodobnymi, które występują naturalnie w środowisku. Są dobrze znane ze swojej niezwykłej różnorodności biologicznej i szerokich zastosowań przemysłowych. Odgrywają istotną rolę w biotechnologii żywności, ponieważ są w stanie rosnąć w szerokim zakresie pH. Ich wzrost jest w większości niepożądany w mleku i produktach mlecznych, ponieważ wiąże się z wysokim ryzykiem zepsucia. Dostają się do mleka jako zanieczyszczenia podczas procesu doju lub jako ponowne zanieczyszczenia po obróbce cieplnej. Oprócz tego są również wykorzystywane do produkcji niektórych wyrobów mleczarskich, takich jak wybrane mleczne napoje fermentowane (np. kefir, kumys) czy sery pleśniowe miękkie i półtwarde dojrzewające powierzchniowo.

Kefir i kumys to tradycyjne fermentowane napoje mleczne, które powstają w wyniku mieszanej fermentacji mlekowej i alkoholowej (pierwszą prowadzą bakterie mlekowe, a drugą drożdże). W kefirze występują głównie drożdże z rodzajów Kluyveromyces, Candida i Torulopsis, zaś w kumysie – z rodzaju Torulopsis. Drożdże prowadzą fermentację alkoholową, wykorzystując laktozę jako źródło węgla dla tego procesu, co odpowiada za powstawanie specyficznego smaku i aromatu, a także musowania (gazowania) napojów. Leben, sfermentowany produkt mleczny pochodzący z krajów arabskich, jest podobny do kefiru. Produkuje się go ze świeżego mleka przy użyciu mezofilnej kultury bakterii mlekowych, termofilnej kultury jogurtowej oraz drożdży. Dzięki takiej mieszance mikroorganizmów w produkcie końcowym znajdują się etanol, acetoina i diacetyl. Leben najczęściej jest wytwarzany w warunkach domowych, dlatego jego mikroflora nie jest jednorodna, ale zazwyczaj spośród drożdży dominuje gatunek Kluyveromyces marxianus. Podobne produkty zawierające drożdże otrzymywane są na całym świecie: dahi i misti dahi (Indie); busa, kuban, kurunga, prohlada i salomat (Rosja); rob (Egipt); omaere (Afryka); airan i arsa (Azja); aker (Tybet); airag, khoormog, tschigan i umdaa (Mongolia); matzoon (Armenia); brano milk (Bułgaria); felisówka (Polska); galazyme (Francja); cellarmilk (Norwegia); hooslanka, urda i zhentitsa (Karpaty). Podobnymi produktami są również norweski tettemelk i szwedzki långfil. Warto jeszcze wspomnieć o japońskim napoju łączącym fermentację mleka za pomocą bakterii z gatunku Bifidobacterium longum i drożdży – wzrost drożdży ułatwia rozwój bifidobakterii w środowisku mleka.

Zastosowanie w produkcji mleczarskiej znajdują nie tylko drożdże fermentujące laktozę, ale również niewykazujące zdolności do jej fermentacji. Wpływają one na charakterystyczne dla siebie związki aromatyczne, które nadają produktom mleczarskim specyficzny smak i aromat, bez efektu musowania. Drożdże odgrywają ważną rolę w rozwoju mikroflory miękkich serów dojrzewających powierzchniowo lub w całej objętości. Powszechnie wiadomo, że istnieje efekt synergiczny między drożdżami i bakteriami fermentacji mlekowej. Niektóre gatunki drożdży lub pojedyncze szczepy hydrolizują określone frakcje kazeiny, co ma pozytywny wpływ na wzrost bakterii mlekowych oraz pleśni z gatunku P. roqueforti w serach z przerostem pleśni. Drożdże wykazują zdolność do transformacji nie tylko cukru mlecznego, ale także białek i lipidów (składniki aromatyczne serów miękkich dojrzewających powstają głównie w wyniku lipolizy i proteolizy, a sensorycznie ważne są alkohole i aldehydy powstające w wyniku wykorzystania aminokwasów i węglowodanów). Drożdżowe aminopeptydazy i karboksypeptydazy są odpowiedzialne za rozkład gorzkich peptydów, a także amin biogennych (takich jak kadaweryna, histamina, putrescyna i tyramina). Ciekawym przykładem jest viili, produkowany w Finlandii twarogowy produkt mleczny, spożywany w postaci czystej, słodzonej dżemem i rodzynkami lub ze zbożami. Mleko zaszczepia się mezofilną kulturą bakterii mlekowych i drożdżopodobnymi Galactomyces geotrichum wpływającymi na rozwój smaku (orzechowy), a jednocześnie hamującymi rozwój dzikich pleśni na powierzchni produktu. Ze względu na wzrost drożdży jako białego nalotu na powierzchni produktu viili charakteryzuje się matową, aksamitną powierzchnią o barwie białej do jasnożółtej.

Należy jednocześnie zaznaczyć, że drożdże mogą również występować w produktach mleczarskich jako zanieczyszczenia, powodując ich wady, takie jak kwaśnienie i niekorzystne zmiany smaku, zapachu i konsystencji produktu.

Probiotyki

Probiotykami są żywe mikroorganizmy, które mają pozytywny wpływ na zdrowie człowieka. W 2013 r. Międzynarodowe Stowarzyszenie Naukowe ds. Probiotyków i Prebiotyków (ISAPP, International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics) zwołało panel światowej rangi ekspertów w celu przedyskutowania i podtrzymania obowiązującej definicji probiotyków opracowanej przez Organizację Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO/WHO): „żywe mikroorganizmy, które podawane w odpowiednich ilościach przynoszą korzyści zdrowotne gospodarzowi”. Probiotyki mogą zapobiegać niektórym chorobom lub pomagać w leczeniu m.in. biegunek różnego pochodzenia czy infekcji poprzez regulację mikrobioty jelitowej. Ogólne korzyści płynące ze stosowania probiotyków wynikają z tworzenia korzystniejszego środowiska jelitowego dzięki mechanizmom wspólnym dla większości probiotyków. W wielu przypadkach dany probiotyk może wywierać szereg efektów prozdrowotnych. Niektóre mechanizmy prozdrowotne mogą być szeroko rozpowszechnione wśród znanych probiotyków, inne można zaobserwować wśród większości szczepów probiotycznych, ale niektóre właściwości prozdrowotne mogą być rzadkie i obecne tylko w kilku szczepach probiotycznych.

W produkcji mleczarskiej probiotyki są najczęściej dodawane do mlecznych napojów fermentowanych, takich jak jogurty i kefiry, chociaż tak naprawdę mogą znaleźć zastosowanie w każdego rodzaju produktach mleczarskich, również niefermentowanych. Wynika to z tego, że wśród probiotyków obecnie możliwych do zastosowania znajduje się bardzo wiele mikroorganizmów niefermentujących laktozy, w tym bakterie przetrwalnikujące, pleśnie i drożdże. Niemniej jednak nadal królują probiotyczne szczepy bakterii fermentacji mlekowej i bifidobakterii. Warto zauważyć, że od kilku lat nazewnictwo bakterii kwasu mlekowego ulega zmianie, co odnosi się również do nazewnictwa szczepów probiotycznych tych bakterii. Poniższa tabela zawiera nowe nazwy rodzajowe niektórych znanych gatunków pałeczek mlekowych. Warto zwrócić uwagę na fakt, że wszystkie nowe rodzaje zaproponowane dla tej grupy bakterii zaczynają się na literę „L.”, więc skrócone nazwy rodzajów/gatunków – takie jak L. rhamnosus – pozostają niezmienione.

Literatura: materiały dostępne w redakcji.