Mikrobiota kefiru: Przeciwdrobnoustrojowe działanie kefiru
Liczne wzmianki archeologiczne potwierdzają, że żywność fermentowaną w wyniku przypadkowych i spontanicznych przemian odkryto przed kilkoma tysiącami lat. Spontaniczna fermentacja zapewniała wydłużenie okresu przechowywania i wzbogacała produkt w składniki odżywcze. W konsekwencji fermentacja stała się popularną metodą przetwarzania i utrwalania żywności.
Kefir pochodzi z Dalekiego Wschodu. Według niektórych źródeł terytorialne pochodzenie kefiru przypisuje się terenom Kaukazu, a według innych – Tybetu. Etymologicznie słowo „kefir” pochodzi od tureckiego słowa „keyif” lub słowiańskiego „keif” oznaczającego „dobre samopoczucie”, jakie odczuwano po spożyciu tego napoju. W zależności od rejonu świata kefir nazywany jest różnie: kephir, keter, kiaphur, kepi, kippi. Według legendy kaukaskiej Mahomet miał podarować „grzybki kefirowe” do produkcji napoju życia, rozkoszy i szczęścia. Grzybki kefirowe (ziarna kefirowe) to zooglea, czyli zlepieniec peptydowo-polisacharydowy syntetyzowany i zasiedlony przez trzy grupy mikroorganizmów żyjących w symbiozie.
Tradycyjna produkcja kefiru opiera się na ziarnach kefirowych (grzybkach kefirowych). Mają one kształt różyczek kalafiora i są nieregularną, kremową strukturą o elastycznej, śluzowatej konsystencji i kremowej barwie. Są tworem złożonego symbiotycznie ekosystemu drobnoustrojów bakterii fermentacji mlekowej, bakterii kwasu octowego oraz drożdży. Strukturę ziarna kefirowego tworzą egzopolisacharydy syntetyzowane przez mikroorganizmy wchodzące w jego skład. Egzopolisacharydy stanowią do 25% suchej masy ziarna kefiru i są polimerowym połączeniem glukogalaktanu, czyli połączeń D-glukozy i D-galaktozy. Sieć egzopolisacharydowa grzybka kefirowego tworzy warstwę ochronną dla mikroflory ziarna. Synteza ziaren kefiru rozpoczyna się od samoagregacji Lactobacillus kefiranofaciens i Saccharomyces spp., tworząc małe granulki, do których przyczepia się w formie biofilmu Lentilactobacillus kefiri i tworzy powierzchnię sprzyjającą koagregacji innych mikroorganizmów i składników mleka.
Wytworzone naturalnie grzybki kefirowe można odzyskiwać i ponownie wykorzystywać w rzemieślniczej produkcji kefiru. Ziarna kefirowe dodawane są do mleka w ilości na poziomie 5–10%. Bazą do produkcji kefiru może być mleko pełne, półtłuste lub odtłuszczone pozyskiwane od krów lub innych ssaków (kóz, owiec, wielbłądów lub bawołów).
W porównaniu do ekosystemu grzybka kefirowego kultury starterowe mają zubożony skład, co oznacza, że udział składników o właściwościach funkcjonalnych jest w nich mniejszy. Tradycyjny kefir ze względu na różnorodność mikrobiologiczną ziaren kefirowych posiada więcej cech prozdrowotnych.
Proces fermentacji kefiru odbywa się w temperaturze 20–25°C przez około 24–72 godziny. W tym czasie cukier mleczny – laktoza – rozkładany jest za pośrednictwem enzymu bakteryjnego β-galaktozydazy (laktazy) do kwasu mlekowego. Wzrost zawartości kwasu mlekowego powoduje obniżenie wartości pH do poziomu 4,0–4,6. Ze względu na różnorodność mikrobiologiczną ziaren kefirowych w produkcie końcowym znajduje się szereg związków tworzących smak, zapach i konsystencję. Do najważniejszych należą dwutlenek węgla, etanol, aldehyd octowy, diacetyl, kwas octowy i kwas propionowy. W celu zwiększenia powtarzalności produkcji w warunkach przemysłowych wykorzystywane są komercyjne liofilizowane kefirowe kultury starterowe. Alternatywną metodą jest zaszczepianie nowego nastawu mleka porcją mleka sfermentowanego przy udziale grzybka kefirowego. Produkcja kefiru z komercyjnych kultur starterowych pozwala na standaryzację procesu. Skład kultury starterowej ma istotny wpływ na proces fermentacji i ostateczny skład produktu gotowego.
Skład chemiczny kefiru może się różnić w zależności od źródła mleka, rodzaju rasy, warunków żywienia oraz warunków fermentacji i pochodzenia ziarna kefirowego. Codex Alimentarius precyzuje, że kefir z mleka fermentowanego przez mikroflorę ziarna kefirowego powinien zawierać co najmniej 2,7% białka, 0,6% kwasu mlekowego i mniej niż 10% tłuszczu, a całkowita liczba mikroorganizmów w produkcie powinna wynosić co najmniej 107 jtk/ml, zaś drożdży – nie mniej niż 104 jtk/ml. Jednak rodzajowy lub gatunkowy skład mikroflory obecnej w kefirze nie jest regulowany.
Monika Namysłowska
Kierownik Działu Handlu Jarocin (OSM)
Latem dużą popularnością cieszą się napoje fermentowane, w tym kefiry – z uwagi na swoje właściwości orzeźwiające oraz prozdrowotne. Serdecznie polecam kefir naturalny 1,5% z Okręgowej Spółdzielni Mleczarskiej w Jarocinie. Tradycyjna, naturalna receptura produkcji, pozbawiona wszelkich środków konserwujących, sprawia, że kefir z OSM Jarocin nie ma sobie równych pod względem walorów smakowo-jakościowych. Naszym priorytetem są produkty o jak najmniejszym stopniu przetworzenia, z czystymi etykietami. Kefir to produkt mleczny otrzymywany metodą termostatową przez fermentację mleka dzięki działaniu charakterystycznej mikroflory, która powinna być żywa, aktywna i odpowiednio liczna w produkcie do końca terminu przydatności do spożycia. Dojrzewanie termostatowe powoduje, że procesy, w tym koagulacja białka mleka, zachodzi w opakowaniu jednostkowym – tam tworzy się skrzep, którego struktura nie jest naruszona mieszaniem, co sprawia, że kefir z OSM w Jarocinie jest gęsty, a konsystencja jednolita i zawiesista. Konsystencja jarocińskiego kefiru doskonale sprawdza się jako baza do koktajli, smoothies czy chłodników. Naturalna kwasowość kefiru świetnie komponuje się z sezonowymi owocami. W asortymencie OSM w Jarocinie znajdują się kefiry w opakowaniach jednostkowych 420 g oraz 1 kg. Natomiast dla kanału HoReCa oferujemy kefiry o pojemnościach 5 l oraz 10 l.
Jarociński kefir dzięki swoim właściwościom został doceniony i uzyskał tytuł „Super Produkt 2023”. Kefiry z uwagi na zawartość cennych kultur bakterii są doskonałym probiotykiem, ponadto zawierają witaminy z grupy B (B1, B12), a także witaminę K i biotynę. Dodatkowym atutem tego orzeźwiającego napoju jest zawartość wapnia i magnezu, a także niezbędnych aminokwasów. Kefir jest napojem niskoenergetycznym, a dzięki zawartości białka – niezwykle sycącym. Jest bezpieczny również dla osób z nietolerancją laktozy, gdyż bakterie w nim zawarte częściowo rozkładają cukier mleczny.
Wzrost świadomości społeczeństwa dotyczącej zdrowego odżywiania, probiotyków i korzyści zdrowotnych wynikających z konsumpcji kefirów powoduje zwiększone zainteresowanie tym produktem, co przekłada się na wzrost poziomu sprzedaży. Na rynku obserwuje się coraz większą różnorodność produktów kefirowych, takich jak kefiry smakowe, bez laktozy czy o obniżonej zawartości tłuszczu, co przyciąga różne grupy konsumentów. Produkcja kefirów wydaje się perspektywiczną gałęzią rynku. Prognozy wskazują na dalszy wzrost popytu, zwłaszcza po uwzględnieniu globalnego trendu na zdrowe odżywianie.
Najbogatszym źródłem mikrobiomu kefirowego – a co za tym idzie związków bioaktywnych – jest kefir otrzymywany na bazie grzybków kefirowych. Ziarna kefirowe w 65–90% składają się z bakterii z rodziny Lactobacilaceae, do których należą m.in. pałeczki mlekowe, Lactococcus, Streptococcus, Leuconostoc i Acetobacter. Pozostałą część stanowią drożdże. Wśród gatunków drobnoustrojów dominujących w ziarnie kefirowym w zmiennej proporcji w zależności od regionu geograficznego wymienić należy Lacticaseibacillus paracasei, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Lactiplantibacillus plantarum, Lactobacillus helveticus, Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus lactis, Lentilactobacillus kefiri, Lentilactobacillus parakefiri, Lactobacillus kefiranofaciens.
Profil mikrobiologiczny napoju zmienia się w trakcie fermentacji. Wymienione gatunki to typowy skład ziarna kefirowego, ale pod koniec fermentacji stanowią one tylko 20% mikroflory napoju. Pozostałą część (80%) stanowi Lentilactobacillus kefiri. Wśród populacji drożdży identyfikowanych w ziarnach kefirowych wymieniane są Candida, Debaryomyces, Kazachstania, Kluyveromyces, Pichia, Saccharomyces, Torulaspora.
Należy podkreślić, że ostateczny skład mikroflory ziaren kefirowych, a co za tym idzie napoju, zależy od obszaru geograficznego, warunków fermentacji i źródła mleka. Mechanizmy przeciwdrobnoustrojowego działania mikroflory napojów kefirowych polegają na stymulacji układu odpornościowego, konkurencji o składniki odżywcze i miejsce adhezji do nabłonka jelit i w konsekwencji stymulacji bariery jelitowej, inaktywacji toksyn oraz wydzielaniu substancji bioaktywnych przeciwdrobnoustrojowych. Adhezja (przyczepianie) komórek bakteryjnych do nabłonka jelit wywołuje mechanizm antagonistyczny wobec komórek patogennych, działając bezpośrednio lub pośrednio. Antagonizm bezpośredni zachodzi poprzez konkurencyjność co do miejsca w nabłonku jelita, wykluczając kolonizację poprzez produkcję związków bakteriobójczych i bakteriostatycznych, takich jak kwasy organiczne, bakteriocyny lub peptydy bioaktywne. Z kolei pośredni antagonizm aktywuje układ odpornościowy, który indukuje szlaki sygnałowe prozapalne i przeciwzapalne. Innym mechanizmem może być mikrobiologiczna produkcja czynników wywołujących koagregację komórek bakteryjnych, w tym patogennych, limitując ich wzrost i przeciwdziałając tworzeniu biofilmów. Podstawą kolonizacji błony śluzowej jelit przez pożądane komórki bakterii probiotycznych lub potencjalnie probiotycznych jest zdolność do syntezy białek wiążących śluz (mucynę). Mucyna jest wytwarzana w nabłonku jelita i stanowi ważny element bariery jelitowej. Zdolność tę potwierdzono u kilku szczepów wyizolowanych z ziaren kefirowych, m.in.: Lactiplantibacillus plantarum Lp27, Lacticaseibacillus paracasei CIDCA83123 i 83124, Lentilactobacillus kefiri LKF01. Mucyna, czyli śluz wytwarzany w nabłonku jelit, chroni jelita przed uszkodzeniami mechanicznymi. Stanowi ona pierwszą linię obrony przed kolonizacją patogenów. Mechanizm adhezji mikroflory pozytywnej do warstwy śluzowej (mucyny) jelit wraz z syntetyzowanymi przez tę mikroflorę substancjami przeciwdrobnoustrojowymi jest pierwszą linią obrony przed kolonizacją patogenów. W drugiej kolejności aktywuje się układ immunologiczny. Narażenie na kolonizację patogennych drobnoustrojów uruchamia kaskadę reakcji i sygnałów regulujących ekspresję cytokin, chemokin o działaniu prozapalnym i przeciwzapalnym (np. interleukiny – IL). Celem tych reakcji jest przeciwdziałanie kolonizacji i infekcji. Obecność w nabłonku komórek potencjalnie probiotycznych wywołuje pozytywną immunomodulację i równowagę w produkcji cytokin. Przykładowo wykazano, że Lactobacillus kefiranofaciens M1 może wzmacniać funkcję bariery nabłonka poprzez zwiększenie poziomu chemokiny zaangażowanej w naprawę nabłonka i zmniejszać stan zapalny poprzez obniżenie wydzielania cytokin prozapalnych z jednoczesnym zwiększeniem wydzielania cytokin przeciwzapalnej IL-10.
Poza bezpośrednim działaniem immunomodulacyjnym mikroflory jelit pochodzącej z ziaren kefirowych wykazano wpływ immunomodulujący i przeciwbakteryjny peptydów powstałych w procesie mikrobiologicznego katabolizmu składników mleka. Przykładowo w wyniku aktywności proteolitycznych Lactobacillus acidophilus i Lactobacillus helveticus zidentyfikowano 25 peptydów o działaniu przeciwdrobnoustrojowym i immunomodulacyjnym.
Kefir ze względu na swój bogaty skład posiada wiele właściwości prozdrowotnych. Rosnąca popularność tego napoju związana jest również z niską zawartością laktozy oraz właściwościami hipocholesterolemicznymi, przeciwcukrzycowymi, przeciwnowotworowymi, przeciwzapalnymi, antyoksydacyjnymi, przeciwalergicznymi, immunostymulacyjnymi, przeciwwirusowymi i bakteriostatycznymi. Za poszczególne działania odpowiadają różnorodne związki bioaktywne wytwarzane w procesie powstawania kefiru w fermentacji mezofilnej. Wśród związków tych wymienić należy kwasy organiczne, bioaktywne peptydy, bakteriocyny, egzopolisacharydy, a także specyficzną dla tego produktu mikroflorę, działającą niezależnie lub w symbiozie.
Oprócz bioaktywnych peptydów również inne związki produkowane podczas fermentacyjnego metabolizmu składników mleka wykazują aktywność przeciwdrobnoustrojową. Do najważniejszych zaliczyć należy enzymy proteolityczne, kwasy organiczne, egzopolisacharydy, ditlenek węgla, bakteriocyny, nadtlenek wodoru itp. Bezpośrednie działanie przeciwdrobnoustrojowe kwasów organicznych polega na obniżeniu wartości pH, co powoduje zahamowanie wzrostu i aktywności bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych. Wysoka kwasowość środowiska wpływa bezpośrednio na zmiany metaboliczne komórek i hamuje rozwój niepożądanej mikroflory. Należy podkreślić, że właściwości przeciwdrobnoustrojowe mają przede wszystkim cząsteczki kwasów niezdysocjowanych. W takiej formie wnikają one do komórek bakteryjnych i obniżają pH w przestrzeni wewnątrzkomórkowej, ograniczając zdolności metaboliczne komórek. Głównym metabolitem bakterii fermentacji mlekowej jest kwas mlekowy. Jednak ze względu na stopień dysocjacji, wyższy potencjał antybakteryjny wykazuje kwas octowy. Niektóre gatunki bakterii mlekowych, takie jak Lacticaseibacillus casei i Streptococcus thermophilus, wykazują zdolność do syntezy kwasu benzoesowego, który ma działanie bakteriobójcze. Przykładowo kwasy organiczne obecne w ekstrakcie hodowli L. kefiri znacząco zahamowały wzrost Cronobacter sakazakii ATCC 29544. Opisano również działanie przeciwgrzybicze bezkomórkowego wyciągu z kefiru na pleśń Aspergillus flavus AFUNL5. Prawdopodobnie było to synchroniczne działanie kwasów organicznych i niskiego pH.
Bakteriocyny to białkowe substancje wytwarzane przez liczne bakterie w celu hamowania wzrostu organizmów pokrewnych. Przykładem jest bakteriocyna F1 wytwarzana przez Lacticaseibacillus paracasei subsp. tolerans wyizolowany z kefiru tybetańskiego. Wykazano, że posiada ona szerokie spektrum działania przeciwdrobnoustrojowego, obejmujące E. coli, Salmonella enterica, Shigella dysenteriae, Staphylococcus aureus, Bacillus thuringiensis, Aspergillus flavus, Aspergillus niger i Rhizopus nigricans. Należy jednak pamiętać, że bakteriocyny to szeroka gama substancji różniących się spektrum działania. W przetwórstwie spożywczym najlepiej przebadaną i poznaną bakteriocyną jest nizyna, oznaczona jako dodatek do żywności E 234. Jest to peptyd zbudowany z 34 aminokwasów, wytwarzany m.in. przez wybrane szczepy Lactococcus lactis. Nizyna występuje w pięciu podtypach różniących się aktywnością. Wykazuje ona duże możliwości bakteriobójcze i szerokie spektrum zastosowania. Działa głównie przeciwko bakteriom Gram-dodatnim, w tym przeciwko bakteriom przetrwalnikującym z rodzajów Clostridium i Bacillus. Opisane we wstępie egzopolisacharydy EPS (kefiran) obecne w kefirze również były przedmiotem badań, które potwierdziły ich działanie bakteriostatyczne. Przykładowo, egzopolisacharyd EPS_DN1 wytwarzany przez Lactobacillus kefiranofaciens DN1 wykazał bakteriobójcze działanie wobec Listeria monocytogenes i Salmonella enteritidis.
Inne badania wykazały, że kefiran przejawia działanie biologiczne w mechanizmie przeciwdziałania uszkodzeniom ludzkich enterocytów powodowanym przez Bacillus cereus B10502. Z kolei egzopolisacharydy wytwarzane przez Lactiplantibacillus plantarum subsp. plantarum YW32 wyizolowane z ziaren kefiru tybetańskiego wykazywały zależne od stężenia działanie hamujące na tworzenie biofilmów przez E. coli O157, Shigella flexneri CMCC, Staphylococcus aureus AC1 i Salmonella typhimurium S50333. Przeciwbakteryjne działanie egzopolisacharydów prawdopodobnie wiąże się z indukcją układu immunologicznego. Proces fermentacji kefiru prowadzi do syntezy szeregu związków o działaniu bakteriobójczym lub bakteriostatycznym, m.in. diacetylu, acetoiny, aldehydu octowego, etanolu, dwutlenku węgla, nadtlenku wodoru, lizozymu i laktoperoksydazy. Proporcje tych składników zmieniają się podczas przechowywania produktu. Na przykład acetoina ulega przemianie do aldehydu octowego, co powoduje wzrost stężenia aldehydu kosztem acetoiny. Wytwarzany podczas fermentacji dwutlenek węgla ogranicza dostęp tlenu, hamując wzrost bakterii tlenowych i stymulując wzrost beztlenowych. Diacetyl i acetoina, oprócz silnego wpływu na smak i zapach kefiru, hamują rozwój E. coli, drożdży oraz bakterii Gram-ujemnych i Gram-dodatnich. Nadtlenek wodoru wytwarzany przez większość bakterii fermentacji mlekowej w obecności tlenu atmosferycznego hamuje wzrost Staphylococcus aureus i Pseudomonas spp. Aktywuje on również układ laktoperoksydazy, wzmacniając działanie bakteriostatyczne.
Złożoność struktury grzybka kefirowego – zarówno pod względem mikrobiologicznym, jak i chemicznym – pozwala uznać produkty na jego bazie za układy samowystarczalne. Stymulują one wzrost odpowiednich grup mikroorganizmów, jednocześnie selektywnie działając przeciwko komórkom patogennym. Różnorodność rodzajową i gatunkową mikrobiomu napojów kefirowych, a co za tym idzie ich działanie przeciwdrobnoustrojowe, można z powodzeniem przenieść na układ biotyczny jelit. Szerokie spektrum możliwości metabolicznych mikroflory kefiru może być znaczącym sprzymierzeńcem w prewencji chorób, dysfunkcji na poziomie fizjologicznym i psychologicznym potencjalnego konsumenta.
