Zepsucia a marnowanie: Zepsucia produktów mlecznych a marnotrawstwo żywności

Na całym świecie coraz większą uwagę zwraca się na problem marnowania żywności, w tym produktów mlecznych. Szacuje się, że co roku marnuje się ponad 30% dostępnej na świecie żywności, a produkty mleczne należą do kategorii najbardziej narażonych na zepsucie. Psucie mikrobiologiczne, czyli proces rozkładu żywności przez bakterie, drożdże i pleśnie, jest jednym z głównych czynników przyczyniających się do marnowania mleka. Chociaż dokładne dane dotyczące skali tego problemu nie są dostępne, szacuje się, że w Wielkiej Brytanii około dwie trzecie odpadów żywności domowych stanowią zepsute produkty mleczne.

Psucie się mleka powoduje nie tylko straty ekonomiczne dla producentów i konsumentów, ale również negatywnie wpływa na bezpieczeństwo żywności i środowisko naturalne. Do zakażenia mikrobiologicznego może dojść na dowolnym etapie produkcji i przetwórstwa. Wśród drobnoustrojów odpowiedzialnych znajdują się bakterie Gram-ujemne (np. Pseudomonas), Gram-dodatnie (np. Bacillus i Paenibacillus) i grzyby. Rozwijają się one w niskich temperaturach, często błyskawicznie, wydzielając enzymy powodujące nieprzyjemne zapachy, smaki i zmiany tekstury (np. koagulację), czyniąc produkty niejadalnymi. Zmniejszenie skali przedwczesnego psucia się mleka automatycznie ograniczy ilość odpadów generowanych w przemyśle mleczarskim.

Ograniczenie strat żywności mlecznej wiąże się z wdrożeniem strategii ukierunkowanych na zwalczanie przedwczesnego psucia. Do kluczowych działań należą (wykres).

Zepsucia produktów mleczarskich 

Zapobieganie psuciu produktów mlecznych poprzez zwalczanie zanieczyszczeń mikrobiologicznych jest kluczowe dla zmniejszenia strat żywności w tym sektorze. Wdrożenie przedstawionych strategii może znacząco przyczynić się do zrównoważonego rozwoju łańcucha dostaw żywności mlecznej i ograniczenia negatywnego wpływu na środowisko.

Zepsucia mleka spożywczego

Płynne mleko przetwarzane metodą pasteryzacji HTST jest produktem nietrwałym o średnim okresie przydatności do spożycia 14–21 dni. Psuje się ono z dwóch głównych powodów: wtórnego zanieczyszczenia po procesie pasteryzacji oraz rozwoju komórek Gram-dodatnich bakterii tworzących przetrwalniki (np. Bacillus, Paenibacillus). Bakterie dostające się do mleka jako wtórne zanieczyszczenie po procesie pasteryzacji to głównie bakterie Gram-ujemne (np. Pseudomonas), powszechne w środowisku przetwórstwa żywności i mogące powodować zepsucie mleka w ciągu 4–7 dni, nawet jeśli jest ono przetrzymywane w warunkach chłodniczych. Szacuje się, że to wtórne zanieczyszczenia po procesie pasteryzacji odpowiadają za ok. 50–60% ilości zepsutego mleka. Z kolei bakterie tworzące przetrwalniki dostają się do mleka jeszcze w gospodarstwie rolnym i charakteryzują się zdolnością do przetrwania pasteryzacji w formie przetrwalników. Po procesie pasteryzacji przetrwalniki kiełkują do form wegetatywnych komórek i psują mleko w ciągu 14–21 dni, nawet jeśli jest ono przetrzymywane w warunkach chłodniczych. Szacuje się, że tego rodzaju zepsucia odpowiadają za ok. 40–50% strat mleka. Oczywiście na psucie się mleka wpływają również inne czynniki, w tym rodzaj i poziom początkowego skażenia mleka surowego zanieczyszczeniami mikrobiologicznymi czy temperatura i czas przechowywania mleka przed i po procesie pasteryzacji. 

Zepsucia serów

Na całym świecie sery ulegają zepsuciu z powodu różnych czynników mikrobiologicznych. Proces ten zachodzi zarówno w serach miękkich, jak i twardych. Może być wywołany przez grzyby oraz bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie. Najczęstsze są zepsucia powodowane przez grzyby, szczególnie te z rodzajów Penicillium i Aspergillus. Powodują one nieprzyjemne zapachy i posmaki, a także wizualny wzrost pleśni. Źródłami skażenia serów grzybami są powietrze, solanka, sprzęt i składniki recepturowe. Zepsucia powodowane przez bakterie Gram-ujemne to głównie wczesne wzdęcia serów powodowane przez bakterie z grupy coli (np. Enterobacter aerogenes, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae) i cechujące się obecnością małych, ale bardzo licznych pęcherzyków gazu w przekroju sera. Również inne bakterie Gram-ujemne, takie jak Pseudomonas, mogą powodować zepsucia za sprawą produkcji enzymów proteolitycznych i lipolitycznych. Zepsucia powodowane przez bakterie Gram-dodatnie to przede wszystkim późne wzdęcia serów. Odpowiadają za nie bakterie beztlenowe Gram-dodatnie z rodzaju Clostridium. Zepsucie to prowadzi do powstawania dużych i licznych pęcherzyków gazu, pęknięć i nieregularnych oczek w serze, a jest efektem fermentacji masłowej resztkowej laktozy lub galaktozy. Wiele czynników determinuje proces psucia serów. Należy tu przede wszystkim wymienić wartość pH i aktywność wody (aw) sera. Niższa wartość pH i aw powstrzymują rozwój wielu szkodliwych mikroorganizmów. Nie mniej ważna jest higiena produkcji, bowiem o ile pasteryzacja mleka przeznaczonego do produkcji serów skutecznie zabija drobnoustroje pochodzące z mleka surowego, to zanieczyszczenie grzybami może nastąpić po procesie obróbki termicznej. Ponadto ważne są warunki przechowywania – wysoka temperatura i wilgotność sprzyjają rozwojowi mikroorganizmów w masie serów.

Zepsucia mlecznych napojów fermentowanych

Grzyby stanowią najważniejszą grupę mikroorganizmów psujących mleczne napoje fermentowane ze względu na niskie pH tych produktów, które nie hamuje ich rozwoju. Grzyby występują w szerokiej różnorodności, obejmując drożdże (np. Torulaspora delbrueckii) i pleśnie (np. Penicillium spp.). Rzadziej zepsucia mlecznych napojów fermentowanych powodują bakterie – Gram-ujemne (np. Pseudomonas) i psychrotolerancyjne (tj. tolerujące chłodnicze warunki przechowywania) z grupy coli. Zanieczyszczenie mikroflorą powodującą zepsucia może nastąpić podczas produkcji, pakowania lub przechowywania produktu.

Strategie ograniczania marnowania produktów mlecznych

Istnieje szereg strategii, które mogą być zastosowane na całym świecie w celu ograniczenia psucia się produktów mlecznych i odpadów. Strategie te można podzielić według kategorii produktów (tabela).

Powyższe strategie mogą być modyfikowane i dostosowywane do specyfiki danego produktu mlecznego i lokalnych warunków. Należy również edukować konsumentów na temat prawidłowego przechowywania i spożywania produktów mlecznych, aby zminimalizować marnotrawstwo żywności.

Wpływ jakości surowego mleka na zepsucia produktów mlecznych

Jakość surowego mleka ma istotny wpływ na trwałość i podatność produktów mlecznych na zepsucia. Przetrwalniki bakterii, które dostają się do mleka podczas dojenia, stanowią główne wyzwanie, bowiem są w stanie przetrwać proces obróbki termicznej takiej jak pasteryzacja, a następnie mogą powodować zepsucie mleka. Badania dowodzą, że dość proste i niedrogie interwencje w gospodarstwie mogą znacząco zmniejszyć poziom przetrwalników bakteryjnych w mleku surowym. Są to m.in.: dokładne czyszczenie strzyków przed dojeniem, stosowanie standardowych protokołów, szkolenie personelu hali udojowej w zakresie higieny, a także ograniczenie zanieczyszczenia mikrobiologicznego mleka podczas transportu do zakładu przetwórczego. 

Powyższe strategie interwencji mają zastosowanie do produkcji mleka na całym świecie. Niezależnie od lokalnych warunków i praktyk dążenie do zmniejszenia mikrobiologicznego zanieczy-szczenia mleka surowego przetrwalnikami jest kluczowe dla zapewnienia wysokiej jakości i bezpieczeństwa przetworzonych produktów mlecznych.

Technologie przetwarzania mleka

Przemysł mleczarski stosuje różne technologie i praktyki przetwarzania mleka surowego w celu wydłużenia okresu przydatności do spożycia i ograniczenia psucia produktów. Te strategie obejmują usuwanie zanieczyszczeń bakteryjnych, w tym przetrwalników, a także optymalizację procesów w celu kontroli wzrostu mikroorganizmów. Do najważniejszych metod usuwania bakterii należą baktofugacja i mikrofiltracja. Baktofugacja jest procesem mechanicznym rozdzielania składników o różnej gęstości za pomocą siły odśrodkowej (wirowania), co pozwala usunąć od 90% do 98% przetrwalników bakteryjnych. Stosowana jest głównie przed pasteryzacją HTST w celu zmniejszenia liczby przetrwalników bakteryjnych w mleku surowym kierowanym na produkcję serów podpuszczkowych dojrzewających. Mikrofiltracja z kolei polega na wykorzystaniu membran o określonych wielkościach porów do wydzielenia komórek bakterii od składników mleka na podstawie różnicy wielkości. Zapewnia większą skuteczność usuwania komórek bakterii (od 99,1% do 99,99%) niż baktofugacja. Stosowana jest głównie w połączeniu z pasteryzacją HTST w produkcji płynnych produktów mlecznych, w tym mleka spożywczego. Oprócz wyżej wymienionych metod obiecujące nowe technologie mogą w przyszłości przyczynić się do zmniejszenia psucia się mleka. Należy wymienić tu przetwarzanie mleka surowego pod wysokim ciśnieniem (technologia HHP), co skutecznie eliminuje patogeny i bakterie powodujące psucie, zachowując jednocześnie cenne składniki odżywcze. Nie mniej ważne są innowacyjne technologie nietermiczne, takie jak pulsujące pola elektryczne (PEF), ultradźwięki, ozonowanie, napromieniowanie UV (tzw. raslyzacja) stosowane do inaktywacji żywych komórek mikroorganizmów i ich form przetrwalnych bez znaczącego wpływu na smak i właściwości produktu. Tymczasem optymalizacja procesu może polegać na kontroli temperatury pasteryzacji oraz na zastosowaniu odpowiedniej temperatury przechowywania. Warto podkreślić, że obniżenie temperatury pasteryzacji (np. z 79,4°C do 76,1°C) może opóźnić i spowolnić kiełkowanie przetrwalników i wzrost wegetatywnych komórek mikroorganizmów przetrwalnikujących powodujących psucie się podczas przechowywania produktów w warunkach chłodniczych. A jeśli chodzi o stosowanie odpowiednich temperatur przechowywania, to oczywistym jest, że niskie temperatury spowalniają rozwój mikroorganizmów – zarówno mezofilnych, jak i psychrotrofowych. Połączenie różnych technologii przetwarzania, optymalizacja procesów i wdrażanie nowych rozwiązań mogą znacząco zmniejszyć psucie się produktów mlecznych i marnotrawstwo żywności na skalę globalną.

Modyfikacja receptur produktów

W przetwórstwie mleka od dawna stosowano modyfikację receptur w celu wydłużenia okresu przydatności do spożycia i zapobiegania zepsuciom. Początkowo dominowały chemiczne środki konserwujące, m.in. kwasy organiczne (np. sorbinian potasu), skutecznie hamujące rozwój bakterii i grzybów w produktach takich jak sery czy jogurty. Jednak rosnący od lat 70. XX w. popyt na produkty bez konserwantów lub z „czystą etykietą” wymusił zmianę podejścia. Zamiast chemicznych konserwantów producenci żywności sięgnęli po tzw. kultury ochronne (bioprotekcyjne). Są to żywe mikroorganizmy celowo dodawane do żywności kontrolujące rozwój drobnoustrojów szkodliwych (chorobotwórczych lub powodujących zepsucia) bez wpływu na właściwości produktu. 

Kultury ochronne działają na trzy sposoby. Przede wszystkim zajmują niszę ekologiczną, uniemożliwiając rozwój drobnoustrojów szkodliwych. Konkurują z nimi o składniki odżywcze, tym samym ograniczając im dostępność substancji niezbędnych dla rozwoju. Ponadto kultury ochronne wydzielają związki hamujące wzrost drobnoustrojów szkodliwych (np. kwasy organiczne, tłuszczowe, bakteriocyny, cyklopeptydy, nadtlenek wodoru czy związki lotne). Najczęściej stosowanymi kulturami bioprotekcyjnymi są bakterie kwasu mlekowego, uznane za bezpieczne (GRAS) w USA i UE. Wykazują działanie przeciwgrzybicze w jogurcie, hamując rozwój pleśni. Istnieją również kultury bioprotekcyjne ukierunkowane na zwalczanie heterofermentatywnych bakterii mlekowych (tzw. dzikich bakterii mlekowych) powodujących kwaśnienie żywności, oraz bakterii Clostridium, odpowiadających za późne wzdęcia serów. 

Stosowanie kultur ochronnych staje się coraz popularniejszą metodą konserwacji żywności, oferując naturalną alternatywę dla chemicznych konserwantów i odpowiadając na oczekiwania konsumentów.

Monitorowanie środowiska, surowców i źródeł skażeń przy użyciu metod molekularnych

Metody molekularne stają się coraz bardziej popularne w mikrobiologii żywności wykazując szereg zalet w zakresie identyfikacji, typowania i śledzenia źródeł mikroorganizmów. Do niedawna techniki te skupiały się głównie na patogenach bakteryjnych, jednak obecnie znajdują zastosowanie również w walce z mikroorganiz-mami powodującymi psucie się żywności. Jedną z obiecujących strategii jest sekwencjonowanie pojedynczego genu. Przykładem jest gen rpoB, kodujący podjednostkę  polimerazy RNA, wykorzystywany do identyfikacji i śledzenia bakterii tworzących przetrwalniki w produktach mlecznych. Inną wschodzącą technologią jest metagenomika umożliwiająca sekwencjonowanie całych genomów lub fragmentów DNA (np. 16S) zróżnicowanych społeczności mikrobiologicznych. Może ona służyć do monitorowania surowców. Narzędzia metagenomiczne są również wykorzystywane do monitorowania zanieczyszczeń w środowiskach przetwórstwa mleczarskiego oraz do identyfikacji źródeł i dróg transmisji mikroorganizmów pogarszających jakość żywności. Chociaż metagenomika nie jest jeszcze powszechnie stosowana w przemyśle mleczarskim, ma potencjał zrewolucjonizowania naszego rozumienia mikrobiomów w produktach mlecznych i wpływu tych mikrobiomów na jakość i psucie się żywności.

Modelowanie matematyczne

Wraz ze wzrostem różnorodności strategii dostępnych w przemyśle spożywczym w celu poprawy jakości produktu i ograniczania zepsucia wdrożenie predykcyjnych narzędzi matematycznych staje się coraz ważniejsze. Narzędzia te umożliwiają podejmowanie decyzji opartych na danych w całym łańcuchu dostaw żywności. Ważne w tym zakresie są modele predykcyjne, pozwalające użytkownikom modelować złożone systemy, takie jak psucie produktu, poprzez uwzględnienie normalnej zmienności w czynnikach ważnych dla wzrostu mikroorganizmów. Modele te nie tylko pozwalają przewidywać okres przydatności do spożycia i psucie produktu, ale – co ważne – pozwalają przewidywać, w jaki sposób wdrożenie strategii interwencyjnych wpłynie na te wyniki. Wykorzystanie modeli predykcyjnych w celu optymalizacji zarządzania zasobami w przemyśle spożywczym ma wiele potencjalnych korzyści, w tym zapewnienie zmniejszenia strat żywności i poprawy jej bezpieczeństwa, a także zwiększenie wydajności łańcucha dostaw a skalę globalną. 

Podsumowanie

W kontekście globalnych dążeń przemysłu spożywczego do minimalizacji strat kluczowym wyzwaniem staje się zapobieganie psuciu produktów mleczarskich przez mikroorganizmy. Zaprezentowane powyżej strategie mogą posłużyć jako inspiracja do wdrażania zintegrowanych rozwiązań kontrolnych ukierunkowanych na ograniczenie psucia produktów przez kluczowe grupy mikroorganizmów w łańcuchu dostaw „od farmy do stołu”. Istotne jest, aby strategie te uwzględniały nie tylko minimalizację strat żywności, ale również kwestie oszczędności zasobów ekonomicznych, pracowniczych i środowiskowych, zapewniając zrównoważony rozwój branży spożywczej w perspektywie długoterminowej.