Fermentacja mlekowa



Pobieranie 47.63 Kb.
Data07.05.2016
Rozmiar47.63 Kb.

Mikrobiologia żywności

Ćwiczenie 10 WTŻ II rok

___________________________________________________________________________

Fermentacja mlekowa

Bakterie fermentacji mlekowej (LAB z ang. lactic acid bacteria, inaczej bakterie kwasu mlekowego) stanowią niejednorodną grupę mikroorganizmów przeprowadzających beztlenową fermentację mlekową. Substratami tej fermentacji mogą być cukry proste, disacharydy oraz niektóre tri- lub polisacharydy. Zaliczamy tutaj gramdodatnie:

ziarniaki: Streptococcus, Lactococcus, Leuconostoc, Oenococcus, Pediococcus,

regularne, nie przetrwalnikujące laseczki (zwane też pałeczkami mlekowymi): Lactobacillus.

Ze względu na podobne wykorzystanie i podobieństwo prowadzonych procesów również nieregularne, nie przetrwalnikujące pałeczki Bifidobacterium są coraz częściej zaliczane do bakterii fermentacji mlekowej (choć nie należą do rodziny Lactobacillaceae).

Cechy charakterystyczne


    • grupa silnie zróżnicowana morfologicznie (pałeczki, laseczki, formy kuliste),

    • nie wytwarzają przetrwalników,

    • są to bakterie gramdodatnie,

    • beztlenowcami (zwykle względnymi),

    • mają zdolność rozkładu laktozy do kwasu mlekowego (który wykazuje właściwości konserwujące),

    • nie wytwarzają katalazy,

    • nie redukują azotanów,

    • do swojego wzrostu wymagają adeniny, tyminy i hipoksantyny.

Bakterie fermentacji mlekowej są względnymi beztlenowcami (przy czym Bifidobacterium jest bardzo wrażliwe na tlen). Różnią się kształtem, tolerancją na pH, optymalną temperaturą, środowiskiem bytowania i sposobem metabolizowania cukrów. Zależnie od gatunku bakterie fermentacji mlekowej produkują od 0,6 do 3% kwasu mlekowego.


Bakterie fermentacji mlekowej często dzieli się ze względu na optimum temperaturowe i intensywność kwaszenia:



  • g
    Streptococcus thermophilus
    atunki mezofilne
    (20-28C) produkują do ok. 1,5% kwasu mlekowego, przedstawicielami są: Lactococcus lactis, Lactobacillus casei, Lactobacillus plantarum, rodzaj Leuconostoc,

  • gatunki termofilne (40-45C) wytwarzają do 3% kwasu mlekowego, np. Lactobacillus delbrueckii, Streptococcus thermophilus.



Lactobacillus casei

Fermentacja mlekowa jest procesem przemiany cukrów do produktów końcowych, wśród których dominuje kwas mlekowy. Pozostałe produkty to: kwas octowy, aldehyd octowy, etanol, CO2, acetoina, diacetyl, butanodiol. Ze względu na szlaki przemian cukrów klasyfikuje bakterie mlekowe na:

homofermentatywne,

heterofermentatywne.

Lactobacillus paracasei

Homofermentacja mlekowa

Jest to proces przemiany glukozy w szlaku EMP (rys. 1.), w wyniku którego tworzone są 2 cząsteczki pirogronianu. Powstały kwas pirogronowy pod wpływem dehydrogenazy mleczanowej i w obecności NADH podlega redukcji do kwasu mlekowego. Niewielka część pirogronianu ulega dekarboksylacji i powstają uboczne metabolity węglowe i CO2.

Typowymi przedstawicielami są: Lactococcus lactis, Lactobacillus delbrueckii Lactobacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus.


Lactobacillus plantarum


Lactobacillus delbrueckii

Rys. 1. Homofermentacja glukozy


Podczas hodowli bakterii mlekowych w mleku podstawowym substratem fermentacji jest laktoza.

  • Wolna laktoza (u bakterii termofilnych) hydrolizowana jest wewnątrz komórki do glukozy i galaktozy (-galaktozydaza); glukoza wchodzi w szlak glikolityczny (EMP) bezpośrednio, galaktoza jest przekształcana w ufosforylowaną glukozę w szlaku Leloira. Laktoza do komórki jest transportowana przez zależną od ATP permeazę laktozową zlokalizowaną w błonie cytoplazmatycznej.

  • Transport laktozy do wnętrza bakterii mezofilnych odbywa się z jednoczesną jej fosforylacją przez fosfotransferazę (PTS), z udziałem fosfoenolopirogronianu (PEP). Ufosforylowana laktoza jest hydrolizowana przez fosfo--galaktozydazę do glukozy i galaktozo-6-fosforanu, który następnie jest przekształcany do fosfodihydroksyacetonu i aldehydu trifosfoglicerynowego (szlak tagatozowy) i w takiej postaci są włączane do szlaku EMP (rys. 2.).



Rys. 2. Homofermentatywna przemiana laktozy przez bakterie fermentacji mlekowej
Heterofermentacja mlekowa

Jest procesem przemiany glukozy w szlaku fosfoketolazy pentozowej, który jest odgałęzieniem cyklu heksozomonofosforanowego (HMP). W wyniku tych przemian z 1 mola glukozy powstaje 1 mol kwasu mlekowego, 1 mol kwasu octowego (warunki tlenowe) lub etanolu (warunki beztlenowe) oraz 1 mol CO2 (rys. 3.). Heterofermentatywne bakterie pobierają laktozę ze środowiska za pomocą systemu PEP/PTS z jednoczesną jej fosforylacją.

 Typowymi przedstawicielami są: Lactobacillus brevis, Lactobacillus fermentum oraz bakterie z rodzaju Leuconostoc.

Rys. 3. Heterofermentacja glukozy (szlak fosfoketolazy pentozowej)




Rys. 4. Heterofermentatywna przemiana laktozy przez bakterie fermentacji mlekowej




Lotne metabolity fermentacji mlekowej
Bakterie mlekowe oprócz kwasu mlekowego produkują wiele związków nadających wyrobom fermentowanym specyficzny aromat. Do najważniejszych lotnych związków tworzonych przez bakterie fermentacji mlekowej należą:

diacetyl,

aldehyd octowy,

kwas octowy,

alkohol etylowy,

• w mniejszych ilościach kwasy lotne (propionowy, mrówkowy), lotne kwasy tłuszczowe, alkohole, aceton i estry.


Diacetyl
Jest to diketon (CH3COCOCH3), o temperaturze wrzenia 88°C, daje orzechowy aromat. W wyrobach fermentowanych typu wino, piwo czy fermentowane wędliny uważa się go za składnik niekorzystny, natomiast jest podstawowym i pożądanym składnikiem aromatu masła, śmietany, mlecznych napojów fermentowanych i serów twarogowych. W produktach mlecznych jest tworzony przez Lactococcus lactis ssp. lactis var. diacetylactis (do 10 mg/dm3) oraz Leuconostoc mesenteroides ssp. cremoris (do 5 mg/dm3). Diacetyl jest produkowany z pirogronianu powstającego w wyniku fermentacji cytrynianów (rys. 5.), stąd poziom diacetylu zależy od zawartości cytrynianów w mleku. Mleko zawiera średnio 0,2% cytrynianu. Przy pH poniżej 5,0 wykorzystanie cytrynianu jest niskie.

Rys. 5. Biosynteza diacetylu przez bakterie fermentacji mlekowej
Aldehyd octowy
Bardzo lotny związek, o temperaturze wrzenia 20°C, wyczuwalny już w stężeniu 0,4 mg/dm3. Istotny składnik aromatu produktów mleczarskich, niepożądany w maśle, śmietanie i serach (posmak trawiasty), niezbędny w jogurtach (typowy aromat to 10-15 mg aldehydu/kg).

Aldehyd octowy powstaje w wyniku metabolizmu glukozy, laktozy, kwasów nukleinowych


i treoniny. Gatunki: Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus.


Lactobacillus delbrueckii

ssp. bulgaricus



Etanol
Charakterystyczny składnik napojów mlecznych typu kefir czy kumys, jednak powstaje w nich głównie w wyniku fermentacji laktozy przez drożdże.

Przemysłowe wykorzystanie bakterii fermentacji mlekowej

Przemysł spożywczy

  • fermentacja mleka (kefir, jogurt, kumys, sery, masło),

  • fermentacja surowców roślinnych (kapusta, ogórki i inne warzywa na kiszonki, kiszone pasze, produkty regionalne, sos sojowy),

  • fermentacja pieczywa (Lactobacillus plantarum, Lactobacilus brevis, Lactobacillus fermentum, Lactobacillus leichmannii, Lactobacillus sanfranciscensis (rozkłada maltozę) oraz drożdże Saccharomyces cerevisiae (dodawane w celu odpowiedniego spulchnienia pieczywa, w stosunku do bakterii kwasu mlekowego 1: 100),




  • fermentacja mięsa (Pediococcus acidilactici, Pediococcus pentosaceus, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus curvatus, Lactobacillus sake, Micrococcus varians, Staphylococcus xylosus, Staphylococcus carnosus, Staphylococcus griseus oraz bakterie z rodzajów: Aerobacter, Bacillus, Vibrio i grzyby: Penicillium, Debaromyces)


,



  • napoje typu „bio” (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium sp., Lactobacillus casei, Lactobacillus paracasei),

  • szczepionki (startery dla przemysłu).


Przemysł farmaceutyczny

  • dekstran (Leuconostoc mesenteroides ssp. dextranicum),

  • nizyna (Lactococcus lactis ssp. lactis),

  • kwas mlekowy (Lactobacillus delbrueckii ssp. delbrueckii),

  • preparaty probiotyczne (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium).

W żywności fermentowanej główna rola bakterii mlekowych polega na nadaniu produktom specyficznych cech organoleptycznych (smak, aromat, konsystencja), zwiększeniu ich wartości odżywczej i zwiększeniu przyswajalności składników mineralnych. Ważną funkcją jest także stabilizacja (konserwacja) biologiczna produktów, czyli ograniczenie rozwoju mikroorganizmów zanieczyszczających surowce, w tym chorobotwórczych. Utrwalanie żywności przez fermentację mlekową wynika z tzw. antagonistycznych właściwości bakterii mlekowych. Do głównych metabolitów antagonistycznych produkowanych przez te bakterie zaliczamy:



  • kwasy organiczne (gł. mlekowy i octowy),

  • bakteriocyny,

  • enzymy bakteryjne (np. lizozym),

  • niskocząsteczkowe produkty przemiany materii (diacetyl, reuteryna, aldehyd octowy, kwasy tłuszczowe),

  • nadtlenek wodoru (gł. przez L. delbrueckii i L. acidophilus).



  • Mleko surowe („od krowy”)

Zakład przerabia na mleko spożywcze (wolne od zanieczyszczeń mechanicznych, o zawartości tłuszczu doprowadzonej do wymagań normatywnych, pasteryzowane w celu zabicia drobnoustrojów). Mleko spożywcze jest następnie wykorzystywane do produkcji fermentowanych napojów mlecznych, masła, serów.


  • Zsiadłe mleko

Powstaje w wyniku samorzutnej fermentacji wywołanej przez paciorkowce Streptococcus lactis, w temperaturze pokojowej (18-20°C). W zbyt wysokiej temperaturze, w mleku nie zabezpieczonym przez zakażeniem z powietrza, rozwija się grzyb Oospora lactis zakwaszający mleko i utrudniający właściwe ukwaszenie. W zbyt niskiej temperaturze przewagę uzyskują z kolei bakterie gnilne – zepsucie się mleka. Napoje mleczne regionalne z fermentacją w temp. do 35°C to tatrzańska „żentyca”, oraz z dodatkiem podpuszczki bawarski „boasmilch” i siedmiogrodzki „sostej”.


  • Jogurt

To napój pochodzenia bułgarskiego, wytwarzany z mleka krowiego, fermentowanego przez bakterie Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus i Streptococcus thermophilus, niekiedy z dodatkiem drożdży Saccharomyces. Zawiera 0,7-1% kwasu mlekowego. W obrazie mikroskopowym na 100 form cylindrycznych powinno przypadać 120-200 paciorkowców. Miano coli nie może być mniejsze niż 0,1.


  • Kumys

Napój pochodzący z Kaukazu oraz stepów nadwołżańskich, wytwarzany z mleka kobylego lub wielbłądziego, w którym obok fermentacji mlekowej zachodzi także fermentacja alkoholowa (do 3% alkoholu) powodująca typowe musowanie produktu (do 0,8% dwutlenku węgla). Mikroflora jest niejednolita: Bacterium orenburgii, Lactobacilus delbrueckii ssp. bulgaricus, Streptococcus lactis, Bacterium acidophilum, Torula kumys


i Saccharomyces.



  • Kefir

Pochodzi z Kaukazu, jest sporządzany z mleka krowiego lub koziego, fermentację powodują drobnoustroje w postaci ziaren kefirowych (grzybki kefirowe – na zdjęciu obok) złożonych z paciorkowców mlekowych Streptococcus lactis (75%) oraz Betabacterium caucasicum (25%) żyjących w symbiozie z drożdżami Candida kefir. Symbioza polega na zakwaszaniu środowiska przez bakterie, hydrolizie laktozy do m.in. glukozy, która jest wykorzystywana przez drożdże, dostarczające w zamian witaminy z grupy B. Kefir zawiera 0,8% kwasu mlekowego, 0,3-0,8% etanolu i znaczną ilość CO2. Miano coli nie może być mniejsze niż 0,1.


  • Masło

Wyrób jest oparty o ukwaszanie spasteryzowanej śmietanki czystymi kulturami bakterii, które mają za zadanie nadać produktowi końcowemu odpowiedni smak i aromat. Stosowane są szczepionki płynne lub sproszkowane zawierające bakterie Streptococcus lactis, Streptococcus cremoris, Streptococcus paracitrovorus, Streptococcus citrovorus, Streptococcus diacetalis. Obok kwasu mlekowego powstają acetoina i diacetyl nadające masłu charakterystyczny aromat.


  • Sery

Produkcja serów polega na wytrąceniu kazeiny z mleka, oddzieleniu serwatki
i dojrzewaniu masy serowej pod wpływem działania enzymów drobnoustrojów. Wyróżniamy sery podpuszczkowe twarde, czyli prasowane (holenderski, szwajcarski) i miękkie, nie prasowane (camembert, limburger, brie, bryndza) oraz sery twarogowe, topione, serwatkowe, wysuszone (np. ziołowe).
Mikroorganizmy wykorzystywane przy produkcji serów dojrzewających twardych typu holenderskiego: Lactococcus lactis ssp. lactis, Lactococcus lactis ssp. cremoris, Lactobacillus casei ssp. casei, Leuconostoc mesenteroides ssp. cremoris, Leuconostoc mesenteroides ssp. dextranicum, Streptococcus cremoris i Streptococcus durans
Mikroorganizmy wykorzystywane przy produkcji serów dojrzewających twardych typu szwajcarskiego: Lactococcus delbrueckii spp. lactis, Lactococcus delbrueckii ssp. bulgaricus

, Lactobacillus helveticus, Streptococcus thermophilus, bakterie propionowe: Propionibacterium sheranii lub Lactobacillus bulgaricus i Propionibacterium freudenreichii oraz drożdże Candida.


Sery miękkie i pleśniowe (np. Limburger, Camembert, Brie, Roquefort

): Lactococcus lactis ssp. lactis,



Brevibacterium linens, Streptococcus cremoris oraz

grzyby: Penicillium candidium, Penicillium camemberti, Penicillium roqueforti, Penicillium glaucum.

Fermentowane surowce roślinne

Zakwaszenie środowiska jest jedną z metod utrwalania żywności i pasz polegającą na zahamowaniu rozwoju drobnoustrojów przy niskich wartościach pH. Wysoką kwasowość (niskie pH) produktu można osiągnąć poprzez dodanie kwasu (octowego, mlekowego, cytrynowego) jak to ma miejsce przy produkcji marynat albo poprzez naturalne zakwaszenie drogą fermentacji mlekowej – przy produkcji kiszonek. W przemyśle spożywczym kiszenie stosuje się głównie do utrwalania kapusty, ogórków i oliwek. W mniejszym stopniu kisi się buraki, kalafiory, marchew, seler, cebulę, paprykę, zielone pomidory oraz soki warzywne.
Przyjmuje się że spadek pH do wartości poniżej 4,2 zapewnia trwałe zakonserwowanie surowca roślinnego.
Kiszenie polega na fermentacyjnej przemianie cukrów na kwas mlekowy, który obniża pH środowiska i jednocześnie sam (w postaci niezdysocjowanej) jest inhibitorem wzrostu wielu drobnoustrojów. W wyniku fermentacji i nagromadzenia kwasu, pH spada poniżej 4,2, zwykle do 3,5. Trwałe produkty uzyskuje się tylko w przypadku kiszenia surowców zawierających wystarczającą ilość cukru – z czym wiąże się pojęcie minimum cukrowego.

Minimum cukrowenajmniejsza zawartość cukru w suchej masie surowca (w kiszonym materiale), pozwalająca na otrzymanie w wyniku fermentacji mlekowej takiej ilości kwasu mlekowego, aby pH całej zakiszanej masy spadło do co najmniej 4,2.

Takie pH zabezpiecza kiszonki przed rozwojem bakterii gnilnych i masłowych, które jako beztlenowce zużywające mleczany znalazłyby w słabo zakwaszonym środowisku doskonałe warunki rozwoju. Surowce zawierające za mało cukru (rośliny motylkowe) kisi się łącznie z zielonkami z nadmiarem cukru w suchej masie, np. z kukurydzą lub burakami.




  • Kiszona kapusta

Powstaje w wyniku fermentacji pociętych na paski liści kapusty, które się ubija z solą (2,25-2,5%). Ubijanie ma na celu zwiększenie wycieku soku, w którym znajdują się cukry
i pozbycie się powietrza. Na początku (burzliwa fermentacja, 2-3 dni) rozwijają się bakterie z grupy coli, drożdże i heterofermentatywne bakterie mlekowe Leuconostoc mesenteroides. Towarzyszy temu silne gazowanie i pienienie oraz spadek pH. Powstają kwasy organiczne, duże ilości CO2 i H2, wypierany jest tlen, ograniczona zostaje aktywność enzymów z kapusty. Przy pH 4,0 zostaje zahamowany wzrost bakterii gnilnych i z grupy coli. W drugim etapie (10-16 dni) szybki rozwój heterofermentatywnych baterii Lactobacillus brevis oraz homofermentatywnych Lactobacillus plantarum i Pediococcus damnosus. Drobnoustroje te wytwarzają substancję zapachową – acetylocholinę.

Właściwą kolejność rozwijającej się mikroflory zapewnia odpowiednie zasolenie (najlepiej 2,25%) i temperatura 18C. Po 2 tygodniach kwasowość produktu powinna osiągnąć poziom 1,4-1,8% (pH 3,5-4,0), a stosunek lotnych kwasów do kwasu mlekowego powinien wynosić 1:4.

Zbyt wysoka temperatura powoduje za słaby rozwój Leuconostoc mesenteroides, nadmierną kwasowość, wady aromatu i smaku oraz ciemnienie kiszonki. Większość wad jest wywołana jednak przez rozwój niepożądanej mikroflory tlenowej: Candida mycoderma oraz Geotrichum candidum.


  • Kiszone ogórki

Proces fermentacji przy produkcji kiszonych ogórków przebiega podobnie jak w przypadku kapusty, ale ze względu na brak rozdrobnienia znacznie wolniej. Optymalne stężenie soli wynosi 4-8%, a temperatura 20-26C. Główne bakterie to homofermentatywne Lactobacillus plantarum biorące udział w zakwaszaniu, również Lactobacillus brevis
i z rodzaju Pediococcus. Bakterie Leuconostoc słabo lub wcale (przy wysokim zasoleniu) nie uczestniczą w fermentacji. Kwasowość ukiszonych ogórków powinna wynosić 0,8-1,2% w przeliczeniu na kwas mlekowy przy pH 3,3-3,5.



  • Kiszonki paszowe

Najczęściej zakiszaniu poddaje się liście buraków cukrowych, kukurydzy, ziemniaki, trawę. Drobnoustroje prowadzące ten proces to najpierw bakterie coli, Bacillus i gnilne z rodzaju Pseudomonas, potem Lactobacillus plantarum, Lactobacillus curvatus, Lactobacillus brevis i Lactobacillus buchneri. Oprócz nich często w kiszonej paszy rozwijają się bakterie propionowe i drożdże, pierwsze wytwarzają kwas propionowy chroniący przed pleśnieniem, drugie witaminy z grupy B (dodatkowa wartość żywieniowa).
Probiotyki

Probiotyki to pojedyncze lub mieszane kultury żywych mikroorganizmów, które podawane człowiekowi lub zwierzętom wywierają na ich organizmy korzystny wpływ. Ich działanie polega na utrzymywaniu właściwej równowagi mikroflory zasiedlającej organizm człowieka. Przy rozpatrywaniu potencjalnie prozdrowotnych właściwości preparatów probiotycznych i produktów fermentowanych z udziałem mikroflory jelitowej należy uwzględnić, że produkt musi zawierać dostateczną liczbę żywych i aktywnych komórek w chwili spożycia, minimalnie 106 komórek/ml produktu.

W przypadku autochtonicznej mikroflory jelitowej dominującym ilościowo jest rodzaj Bacteroides oraz Bifidobacterium i Lactobacillus. Mikroflora allochtoniczna, czyli przejściowa, w tym także chorobotwórcza, rywalizuje o miejsce bytowania i w niektórych sytuacjach (np. po kuracji antybiotykowej) wypiera prawidłowe mikroorganizmy. Podawanie preparatów probiotycznych pozwala przywrócić naturalną mikroflorę. Bakterie probiotyczne muszą być

odporne m.in. na niskie pH soku żołądkowego i na sole żółci.



Do drobnoustrojów o udokumentowanych cechach probiotycznych zalicza się głównie bakterie kwasu mlekowego, np. Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus paracasei, bakterie z rodzaju Bifidobacterium. Jako preparaty farmaceutyczne bądź suplementy do pasz dla zwierząt na rynku są dostępne także liczne „niemlekowe” szczepy np. Bacillus cereus (“toyoi”), B. clausii, B. pumilis, Escherichia coli (Nissle), Propionibacterium freudenreichii, P. jensenii, P. acidopropionici, P. thoenii oraz Saccharomyces cerevisiae (“boulardii”).

Z wykorzystaniem tych szczepów produkuje się napoje fermentowane typu „bio”. Popularnym napojem jest tzw. mleko acidofilne czy słodkie mleko bifidusowe. Wytwarza się je poprzez schłodzenie mleka (do 4C lub niżej), zaszczepienie kulturami bakterii Lactobacillus acidophilus i/lub Bifidobacterium bifidum, opakowanie i przechowywanie w temperaturze 4C aż do spożycia. Zapobiega to fermentacji i mleko zachowuje swój słodki smak.



http://www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/







©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna