Przegląd Mleczarski 2/2025 – Rola mikroorganizmów w produkcji wyrobów mleczarskich
Znakomita większość produktów mlecznych jest wytwarzana z wykorzystaniem procesu fermentacji. W celu ukwaszenia mleka wykorzystuje się głównie dwie kategorie mikroorganizmów – bakterie oraz drożdże, zdolne do fermentacji laktozy. Niewłaściwie prowadzony proces fermentacji prowadzi do powstania niekorzystnych związków chemicznych lub gazów – pojawia się nieprzyjemny smak i niepożądana konsystencja, a wygląd i smak produktu ulegają pogorszeniu.
Proces fermentacji mlekowej wymaga czasu i zapewnienia optymalnych warunków dla rozwoju mikroorganizmów. Produkcja kwasu mlekowego i tym samym zakwaszenie środowiska początkuje proces hydrolizy białek i tłuszczów poprawiając w ten sposób biodostępność składników odżywczych. Fermentacja zwiększa zdolność do żelowania białek, w konsekwencji prowadząc do powstania skrzepu [4, 5].Proces fermentacji zdefiniowany jest jako chemiczna transformacja substancji organicznych (węglowodanów, głównie laktozy) w prostsze związki (alkohole, kwasy organiczne), poprzez działanie enzymów, wytwarzanych przez mikroorganizmy, takie jak bakterie, drożdże i niekiedy pleśnie, przebiegający w warunkach beztlenowych [11].
Fermentowane produkty mleczne dzieli się na trzy grupy:
- produkty fermentacji mlekowej, gdzie stosowane są szczepy mezofilne lub termofilne BFM,
- produkty otrzymane w wyniku fermentacji mlekowej z udziałem drożdży i BFM
- oraz
- produkty, w których oprócz fermentacji typu 1. lub 2. występuje wzrost pleśni (rys. 1) [8].
Gdzie:
ABT – produkt ze szczepami Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium bifidum i Streptococcus thermophilus;
BRA – produkt ze szczepami Bifidobacterium infantis, Limosilactobacillus reuteri i Lactobacillus acidophilus)
Źródło: [11]
W produkcji wyrobów mleczarskich dominującą rolę odgrywa fermentacja mlekowa (w przypadku jogurtów, kefiru, mlek fermentowanych i serów), ale wykorzystywana jest również fermentacja alkoholowa (w produkcji kefiru) oraz propionowa (w produkcji serów typu szwajcarskiego) [8, 11].
Fermentację laktozy dzieli się na homolaktyczną, gdy głównym powstałym produktem jest kwas mlekowy i heterolaktyczną, gdy podczas procesu oprócz kwasu mlekowego powstają inne produkty, np. etanol czy dwutlenek węgla. Produkowany kwas mlekowy pomaga destabilizować micele kazeinowe, co w konsekwencji prowadzi do koagulacji kazeiny przy pH 4,6-4,7 i tworzenia żelu. Kwas mlekowy nadaje produktom mleczarskim charakterystyczny smak i aromat (tj. ostry i kwaśny) [8, 11].
Fermentacja alkoholowa to proces w którym drożdże (głównie Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces bulgaricus, Debaryomyces hansenii, Saccharomyces unisporus, Saccharomyces turicensis, Saccharomyces cerevisiae oraz Saccharomyces exiguus) przekształcają cukry w alkohol i dwutlenek węgla. Fermentacja alkoholowa obok fermentacji mlekowej jest wykorzystywana w produkcji kefiru [11].
Fermentacja propionowa, w której bakterie Propionibacterium sp. przekształcają kwas mlekowy w kwas propionowy, jest wykorzystywana w produkcji niektórych rodzajów sera (np. emmental, gruyère). Kwas propionowy jest odpowiedzialny za charakterystyczny kwaśny i owocowy aromat [11].
Bakterie fermentacji mlekowej
W produkcji fermentowanych produktów mlecznych część mikroflory odpowiedzialnej za procesy transformacji i konwersji substratów może stanowić rodzimą mikroflorę mleka. Jednak to kultury starterowe, dodawane na etapie produkcji zapewniają prowadzenie procesów w sposób wystandaryzowany i przewidywalny. Bakterie fermentacji mlekowej stanowią najważniejszą grupą mikroorganizmów, wchodzących w skład kultur starterowych, wykorzystywanych w produkcji mleczarskiej. Aby kultury BFM mogły być stosowane jako komercyjne startery, muszą spełniać określone wymagania technologiczne dotyczące ich aktywności metabolicznej. Czas wzrostu i ukwaszenia, zdolność do produkcji gazów, aktywność proteaz i peptydaz, to niektóre z kontrolowanych właściwości [4, 5].
Kultury startowe BFM można podzielić na mezofilne i termofilne, w zależności od temperatury inkubacji i produkcji. Mezofilne kultury startowe charakteryzują się optymalną temperaturą wzrostu wynoszącą ok. 30°C, podczas gdy termofilne kultury startowe mają swoje optimum wzrostu w temperaturze od 40 do 45°C [2].
BFM stanowią heterogeniczną grupę, w której posiadają wspólne właściwości fizjologiczne, takie jak zdolność do fermentacji węglowodanów (głównie laktozy) do kwasu mlekowego poprzez metabolizm homo- lub heterofermentatywny. BFM są charakteryzowane jako gram-dodatnie, nieprzetrwalnikujące, katalazo-ujemne, pozbawione cytochromu i tolerancyjne bakterie beztlenowe. Są oksydazo- i benzydyno-ujemne, nie redukują azotanów do azotynów, są żelatynazo-ujemne, nie mogą wykorzystywać mleczanu, a ich wzrost możliwy jest tylko na złożonych podłożach. Heterogeniczność tej grupy jest wyrażona przez ich cechy morfologiczne, pałeczki lub ziarniaki mogą występować jako pojedyncze lub zgrupowane komórki [2].
Ze względu na ograniczone możliwości biosyntezy i wysokie zapotrzebowanie na źródła węgla i azotu, naturalne siedliska bakterii fermentacji mlekowej to środowiska bogate w składniki odżywcze. Dlatego bakterie fermentacji mlekowej są zwykle związane z mlekiem i jego pochodnymi, mięsem i jego pochodnymi, warzywami, napojami, glebą i ściekami, a także stanowią część mikrobioty układu oddechowego, jelitowego i płciowego ludzi i zwierząt [2, 4].
BFM powodują szybkie ukwaszenie mleka poprzez produkcję kwasów organicznych, głównie kwasu mlekowego. Metabolity wytwarzane na drodze fermentacji, z wyjątkiem substancji lotnych, pozostają w żywności, co pomaga hamować wzrost niepożądanych bakterii, podczas całego terminu przydatności do spożycia wyrobu [4, 9].
Najczęściej stosowane mikroorganizmy w przemyśle mleczarskim to Lactococcus sp., Lactobacillus sp., Streptococcus sp., Leuconostoc sp. i Enterococcus sp. (tab. 1). Ze względu na ich szerokie zastosowanie i długą historię bezpiecznego spożycia przez ludzi, większość BFM (Lactococcus sp., Oenococcus sp., Lactobacillus sp., Leuconostoc sp., Pedicoccus sp.) i niektóre z gatunków Streptococcus posiadają status GRAS, co oznacza, że są one ogólnie uważane za bezpieczne. Gatunki Enterococcus i niektóre Streptococcus mogą być patogenne i dlatego nie kwalifikują się do statusu GRAS. Obawy związane z tymi bakteriami wynikają z ich czynników wirulencji i oporności na różne antybiotyki [2].
Poszczególne szczepy są używane jako kultury starterowe, współkultury lub kultury ochronne w przemyśle mleczarskim. Mikroorganizmy są dobierane na podstawie ich wpływu na fermentację i pożądane właściwości produktu. Kryteria wyboru są różne (zdolność do syntezy substancji aromatycznych i CO2, aktywność proteolityczna i lipolityczna, zdolność do hamowania wzrostu niepożądanej mikroflory), ale dominującym kryterium jest zwykle szybkość zakwaszania w danej temperaturze i odporność na fagi. Ponadto ważna jest także specyfika obsługi i stabilność podczas produkcji. Właściwy dobór kultur starterowych i charakterystyka każdego szczepu jest bardzo ważna dla uzyskania produktów o powtarzalnych właściwościach organoleptycznych i teksturalnych w gotowym produkcie [8, 12].
Tabela 1. Najważniejsze mikroorganizmy w przemyśle mleczarskimŹródło: [4]
Źródło: [4]
Symbioza i wzrost asocjacyjny
W naturze występują liczne przypadki asocjacyjnych współzależności między mikroorganizmami. Bakterie kwasu mlekowego w szczególności mają zdolność do wchodzenia w interakcje z innymi mikrobami [13].
Specyficzne powiązanie mikroorganizmów – bakterii fermentacji mlekowej i drożdży – w produkcji kefiru jest określane jako symbiotyczne lub protokooperacyjne. Ziarna kefiru to złożone społeczności mikroorganizmów, które powstały w wyniku fizycznego powiązania około 30 gatunków bakterii i drożdży. Stosunek liczby drożdży i BFM jest stosunkowo stały. Proporcja między gatunkami hetero- i homofermentatywnymi oraz mezofilnymi i termofilnymi, również jest stała.
W kefirze dominują homofermentatywne pałeczki kwasu mlekowego Lactobacillus sp., podczas gdy termofilne BFM stanowią tylko 1% całkowitej liczby bakterii. Drożdże fermentujące laktozę mają tendencję do dominacji nad gatunkami niefermentującymi. Symbioza bakterii i drożdży w ziarnach kefirowych, opiera się na współdziałaniu – BFM rosną szybciej, hydrolizują laktozę do cukrów prostych, a na drodze fermentacji przekształcają ją do kwasu mlekowego, stwarzając idealne warunki do wzrostu drożdży. Ponadto drożdże produkują witaminy z grupy B – wspomagające wzrost BFM [1, 8, 13].
W produkcji jogurtu oraz serów typu szwajcarskiego i serów twardych od dawna wykorzystywany jest symbiotyczny związek między Streptococcus thermophilus i Lactobacillus bulgaricus. Utrzymanie właściwej równowagi między tymi organizmami jest ważne, zwłaszcza w produkcji jogurtu. Ogólnie przyjmuje się, że stosunek L. bulgaricus do S. thermophilus podczas produkcji jogurtu o pożądanym smaku i konsystencji powinien wynosić około 1 : 1. Ze względu na asocjacyjny wzrost S. thermophilus i L. bulgaricus, tempo produkcji kwasu mlekowego jest większe niż w przypadku kultur pojedynczego szczepu [1, 7, 8]. Naukowcy wykazali spadek produkcji aldehydu octowego, głównego lotnego składnika smakowego jogurtu produkowanego przez L. bulgaricus, gdy bakteria ta jest hodowana w obecności S. thermophilus [7].
Zrozumienie zjawisk symbiotycznych i hamujących między szczepami ma pierwszorzędne znaczenie dla kontroli kultur stosowanych w fermentowanych produktach.
Rola mikroorganizmów w kształtowaniu cech organoleptycznych produktów mleczarskich
Mikroorganizmy odgrywają niezwykle ważną rolę w produkcji wyrobów mleczarskich – produkują kwas mlekowy, wspomagają tworzenie skrzepu, ułatwiają synerezę, hamują wzrost niepożądanej mikroflory, wpływają na proteolizę białek i lipolizę związków tłuszczowych, produkują związki aromatyczne, a także uczestniczą w procesie powstawania oczek w serze – kształtując w ten sposób smak, konsystencję i aromat. Ponadto pozwalają na utrzymanie lub nawet zwiększenie wartości odżywczej wyprodukowanych wyrobów [4, 5].
Zdolność BFM do szybkiej produkcji kwasu jest jedną z ich najważniejszych cech technologicznych. Bakterie starterowe muszą wyprodukować wystarczającą ilość kwasu, aby obniżyć pH mleka poniżej 5,3 w ciągu 6 godzin w temperaturze 30-37°C, w zależności od rodzaju produkowanego wyrobu. Produkcja kwasu w odpowiedniej ilości i we właściwym czasie jest kluczowym czynnikiem dla uzyskania wysokiej jakości produktu. Podczas procesu należy kontrolować temperaturę, poziom soli i wilgotność, aby zapewnić ich optymalną aktywność do szybkiego osiągnięcia docelowego pH [4, 8].
BFM odgrywają zasadniczą rolę w technologii serowarskiej jako kultury starterowe powodujące ukwaszenie mleka lub jako wtórna mikrobiota, która odgrywa ważną rolę w procesie dojrzewania sera. Laktoza w świeżym skrzepie powinna być szybko i całkowicie zmetabolizowana przez BFM, w przeciwnym razie katabolizm przez bakterie nie należące do BFM (np. Clostridium butyricum) może prowadzić do wystąpienia wad smaku (obcy posmak) i tekstury (wczesne wzdęcia serów) [4, 8].
Kultury startowe stosowane w produkcji twardych i średniomiękkich rodzajów sera nie tylko powodują fermentację laktozy, ale także mają zdolność jednoczesnego rozkładu cytrynianów. W wyniku metabolizmu cytrynianów przez BFM powstają związki, takie jak diacetyl, acetoina i 2,3-butanodiol, a także szeroka gama lotnych związków i bioaktywnych peptydów jako rezultat katabolizmu aminokwasów, które wpływają na aromat i smak produktów mleczarskich. Homofermentatywny Lactococcus lactis ssp. lactis biovar diacetylactis i heterofermentatywne Leuconostoc sp., zwłaszcza szczepy Leuconostoc mesenteroides ssp. cremoris, są zdolne do metabolizmu cytrynianów [2, 4, 9, 14].
Kwas mlekowy jest obecny w gotowym serze w postaci mleczanów. Na późniejszym etapie mleczany zapewniają odpowiedni substrat dla bakterii produkujących kwas propionowy (m.in. Propionibacterium freudenreichii), które są ważną częścią mikrobiologicznej flory emmentalera, gruyère i podobnych rodzajów sera. Mleczany mogą być również rozkładane przez bakterie kwasu masłowego (np. Clostridium butyricum), jeśli warunki są korzystne dla tej fermentacji, w takim przypadku oprócz niektórych lotnych kwasów tłuszczowych i dwutlenku węgla wydziela się wodór. Ta wadliwa fermentacja następuje na późnym etapie, a wodór może faktycznie spowodować wady, takie jak – późne wzdęcia serów [14].
Zanieczyszczenia mikroorganizmami w przemyśle mleczarskim
Powszechnie występujące w środowisku bakterie patogenne mogą bardzo łatwo zanieczyścić mleko i wyroby mleczarskie. Wiele gatunków bakterii proteolitycznych, lipolitycznych oraz bakterii mających zdolność do rozkładania mocznika, ma zdolność kolonizacji mleka i przetrwania w różnych środowiskach, co powoduje poważne problemy podczas przetwarzania surowca. Do najczęściej występujących mikroorganizmów patogennych należą: Bacillus cereus, Bacillus subtilis, Clostridium butyricum, Clostridium sporogenes, Clostridium tyrobutyricum, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Pseudomonas fluorescens, Salmonella sp. oraz Yersinia enterocolitica. Mleko zachowuje niektóre naturalnie występujące w nim układy przeciwbakteryjne i przeciwpatogenne. Dlatego kontrola przeżywalności i aktywności różnych grup mikroorganizmów, które kolonizują mleko, jest ważnym aspektem w przemyśle mleczarskim [5, 6, 10].
Bakteryjne zanieczyszczenie powierzchni, zwane biofilmem, występuje na wszystkich etapach produkcji wyrobów mleczarskich, od odbioru surowego mleka aż do przetwarzania i utylizacji odpadów. Biofilmy są uważane za główne źródło zanieczyszczenia produktów poprzez uwalnianie mikroorganizmów i enzymów w procesach produkcyjnych. Nadal jednak mamy ograniczone zrozumienie roli, jaką różne składniki matrycy biofilmu odgrywają w środowisku mleczarskim w ułatwianiu przylegania, wzrostu i przeżywalności komórek. Szczególnie interesujący jest resztkowy materiał biochemiczny pozostający po usunięciu dużej części biofilmu i jego rola w rozwoju późniejszego biofilmu [3, 10].
Tabela 2. Główne grupy organizmów powodujących psucie się określonych produktów mleczarskich oraz ogólne strategie i narzędzia ograniczające ich wzrostŹródło: [6]
Źródło: [6]
Mikroorganizmy ochronne
BFM mogą być stosowane jako kultury ochronne w celu kontrolowania liczby zanieczyszczających lub patogennych mikroorganizmów. Wykorzystanie mikroorganizmów w walce z patogenami może przynieść szereg korzyści przemysłowi mleczarskiemu. Warto jednak pamiętać, że mogą występować potencjalne negatywne skutki. Ostrożna izolacja i selekcja mikroorganizmów, a także ich wykorzystanie na skalę przemysłową może prowadzić do lepszego zrozumienia odpowiedzialnych zastosowań przemysłowych [4, 5].
Niektóre BFM są zdolne do produkcji metabolitów o specyficznych właściwościach antagonistycznych i przeciwbakteryjnych, takich jak związki przeciwgrzybicze i bakteriocyny, mające ogromny potencjał hamowania różnych typów mikroorganizmów. Właściwości hamujące bakterii fermentacji mlekowej zależą od gatunku, ich liczby w żywności, obciążenia bakteriami patogennymi oraz rodzaju stosowanych procesów higienicznych. Dlatego BFM mogą być stosowane jako kultura bioochronna w celu zwiększenia bezpieczeństwa mikrobiologicznego, wydłużenia okresu przydatności do spożycia, poprawy tekstury i profilu sensorycznego produktu końcowego. Stosowanie BFM jako środków bioochronnych może zapewnić jakość i bezpieczeństwo żywności bez konieczności stosowania chemicznych środków konserwujących [4, 5].
Mikroorganizmy a odpady przemysłu mleczarskiego
Odpady i produkty uboczne przemysłu mleczarskiego są definiowane jako jedne z najbardziej obciążających zanieczyszczeń środowiska, ze względu na wysoką zawartość laktozy, białka i tłuszcz. Odpady mleczarskie i produkty uboczne można oczyścić i wykorzystać w innych gałęziach przemysłu, między innymi poprzez odwróconą osmozę (RO), suszenie, hydrolizę, wymianę jonową, nanofiltrację (NF), ultrafiltrację (UF) i elektrodializę. Bardzo duży potencjał w zagospodarowaniu odpadów i produktów ubocznych wykazują metody biologiczne, takie jak fermentacja tlenowa i beztlenowa, ponieważ są one uważane za bardziej zrównoważone, a powstałe produkty są bardziej wartościowe dla człowieka. Biokonwersja mleka, serwatki i innych produktów mlecznych w produkty o wartości dodanej, jest niezbędnym rozwiązaniem w obecnych czasach. Produkty uboczne przemysłu mleczarskiego, pomimo ich zanieczyszczającej natury, są doskonałym źródłem laktozy i składników odżywczych, wspierających wzrost mikroorganizmów w celu wytwarzania bioproduktów, takich jak biomasa, witaminy, bioaktywne komponenty, kwasy organiczne, surfaktanty, enzymy, hormony, biopaliwa, rozpuszczalniki (tab. 3) [10].
Tabela 3. Lista wybranych bioproduktów produkowanych z serwatki, w drodze fermentacji
Źródło: [10]
Bakterie fermentacji mlekowej mają działanie konserwujące, wynikające ze zdolności do wytwarzania metabolitów, takich jak kwas mlekowy i octowy, nadtlenek wodoru i bakteriocyny. Coraz większym zainteresowaniem naukowców cieszą się rodzime BFM występujące w mleku, wytwarzające bakteriocyny, które mogą być alternatywą dla konserwacji żywności minimalnie przetworzonej, wolnej od dodatków konserwujących.
mgr inż. Monika Małkowska-Kowalczyk
Katedra Mleczarstwa i Zarządzania Jakością
Wydział Nauki o Żywności
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
dr hab. inż. Justyna Żulewska, prof. UWM
Katedra Mleczarstwa i Zarządzania Jakością
Wydział Nauki o Żywności
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Literatura
- Carrasco M.S., Scarinci H.E. & Simonetta A. C. (2005). Associative growth of lactic acid bacteria for cheese starters: acidifying and proteolytic activities and redox potential development. Journal of Food Agriculture and Environment, 3(2), 116-119.
- Coelho M.C., Malcata F.X. & Silva C.C. (2022). Lactic acid bacteria in raw-milk cheeses: From starter cultures to probiotic functions. Foods, 11(15), 2276.
- Flint S., Bremer P., Brooks J., Palmer J., Sadiq F.A., Seale B. & Zain S.N.M. (2020). Bacterial fouling in dairy processing. International Dairy Journal, 101, 104593.
- Fox P.F., Guinee T.P. 2013. Cheese Science and Technology In: Milk and Dairy Products in Human Nutrition: Production, Composition and Health. Ed. Park Y.W. Haenlein G.F.W. D Sci. Ag. John Wiley&Sons.
- Hamid R.A., Al-Hamadany A.Y.M, Saadi A.M., Qasim R.Y., Sadullahm Y.Q (2024). Use of Microorganisms in the Dairy Industry: A Review.
- Martin N.H., Torres-Frenzel P. & Wiedmann M. (2021). Invited review: Controlling dairy product spoilage to reduce food loss and waste. Journal of Dairy Science, 104(2), 1251-1261.
- Radke-Mitchell L.Y.N. & Sandine W.E. (1984). Associative growth and differential enumeration of Streptococcus thermophilus and Lactobacillus bulgaricus: a review. Journal of food protection, 47(3), 245-248.
- Roginski H., Fuquay J.W. & Fox P.F. (2002). Encyclopedia of dairy sciences. Volumes 1-4 (pp. 275-314; 1023-1063).
- Rymaszewski J., Śmietana Z. 1997. Sery dojrzewające i sery twarogowe. Pages 151-211 in Mleczarstwo Zagadnienia Wybrane. Ed. S.Ziajka. ART Olsztyn, Poland.
- Sar T., Harirchi S., Ramezani M., Bulkan G., Akbas M.Y., Pandey A. & Taherzadeh M.J. (2022). Potential utilization of dairy industries by-products and wastes through microbial processes: A critical review. Science of the Total Environment, 810, 152253.
- Tamime A.Y. & Robinson R.K. (1999). Yoghurt: science and technology.
- TetraPak. 2013. Dairy Technology and Technology. TetraPak Sp. z o.o. Warsaw, 2013. 301-334.
- Vijayendra S.V.N. & Gupta R.C. (2013). Associative growth behavior of dahi and yoghurt starter cultures with Bifidobacterium bifidum and Lactobacillus acidophilus in buffalo skim milk. Annals of microbiology, 63, 461-469.
- Walstr, P., Walstra P., Wouters J.T. & Geurts T.J. (2005). Dairy science and technology. CRC press.
