Bakterie fermentacji mlekowej w produktach spożywczych – część I

Bakterie fermentacji mlekowej w produktach spożywczych – część I

Bakterie fermentacji mlekowej (ang. Lactic acid bacteria, LAB) stanowią grupę mikroorganizmów najczęściej wykorzystywanych w produkcji prozdrowotnej żywności funkcjonalnej.

Bakterie fermentacji mlekowej posiadają wiele atrakcyjnych cech decydujących o ich zastosowaniu w przemyśle, a także wiele z nich ma potwierdzone właściwości prozdrowotne. Wszystkie bakterie fermentacji mlekowej to drobnoustroje gram dodatnie, nie wytwarzające przetrwalników. Bakterie fermentacji mlekowej charakteryzują wysokie wymagania pokarmowe. Wykazują one zdolność do fermentacji cukrów w warunkach beztlenowych, w wyniku czego syntetyzują korzystny dla nas kwas mlekowy. Ze względu na rodzaj metabolizmu, bakterie fermentacji mlekowej dzieli się na homo- i heterofermentatywne, natomiast ze względu na optymalną dla ich wzrostu temperaturę na termofile i mezofile.

Mezofile wytwarzają kwas mlekowy w stężeniu 1,5%, a termofile do 3%. Dla bakterii fermentacji mlekowej optymalne pH to zakres od 4.0 do 9.6. Wszystkie bakterie fermentacji mlekowej zaliczane są do obligatoryjnych lub fakultatywnych beztlenowców. Mikroorganizmy w obrębie tej grupy wykazują między sobą istotne różnice, które dotyczą w szczególności bakterii z rodzaju Bifidobacterium. Powszechnym środowiskiem ich występowania, w zależności od gatunku są rośliny i mleko, a część z nich zasiedla również przewód pokarmowy ludzi i zwierząt.

Systematyka

Bakterie fermentacji mlekowej klasyfikowane są w obrębie dwóch różnych typów: typ trzynasty – Firmicutes oraz czternasty – Actinobacteria.

Do typu Actinobacteria spośród wszystkich bakterii fermentacji mlekowej zaliczane są tylko te z rodzaju Bifidobacterium, a pozostałe należą do typu trzynastego.

Rodzaj Bifidobacterium zaliczany jest do rodziny Bifidobacteriaceae, rzędu Bifidobacteriales oraz klasy Actinobacteria. Wśród typu Firmicutes wyróżniamy dwa rzędy, w których sklasyfikowana jest reszta bakterii fermentacji mlekowej.

Rząd pierwszy to Bacillus, który obejmuje tylko jedną rodzinę – Sporolactobacillaceae i jeden rodzaj bakterii fermentacji mlekowej – Sporolactobacillus.

Drugi rząd to Lactobacillales, na który składa się sześć rodzin i trzydzieści trzy rodzaje bakterii mlekowych. Pierwsza rodzina to Lactobacillaceae i należące do niej rodzaje: Lactobacillus, Paralactobacillus i Pediococcus. Druga to Aerococcaceae obejmująca siedem rodzajów bakterii: Aerococcus, Abiotrophia,Dolosicoccus, Eremococcus, Facklamia, Globicatella oraz Ignavigranum. W trzeciej – Carnobacteriaceae zebranych jest dwanaście rodzajów bakterii fermentacji mlekowej: Carnobaterium, Alkalibacterium, Allofustis, Alloiococcus, Atopobacter, Atopostipes, Desemzia, Dolosigranum, Granulicatella, Isobaculum, Marinilacobacillus i Trichococcus. Czwarta rodzina nosi nazwę Enterococcaeae i zawiera rodzaje Enterococcus, Melissococcus, Tetragenococcus, a także Vagococcus.

Leuconostocaceae, czyli rodzina piąta obejmuje tylko trzy rodzaje Leuconostoc, Oecococcus i Weisella.

Ostatnia z nich to Streptococcaceae i składające się na nią rodzaj Streptococcus i Lactococcus. Wszystkie bakterie mlekowe z typu Firmcutes zaliczane są do jednej klasy – Bacilli.

Metabolizm bakterii fermentacji mlekowej

Bakterie fermentacji mlekowej ze względu na sposób wykorzystania składników pokarmowych można podzielić na homo- i heterofermentatywne. Bakterie obligatoryjnie homofermentatywne wytwarzają przede wszystkim kwas mlekowy, ale także niewielkie stężenia innych metabolitów. W przypadku bakterii heterofermentatywnych oprócz kwasu mlekowego syntetyzowany jest także szereg innych substancji jak kwas octowy, etanol, ditlenek węgla, diacetyl.

Szczepozależna jest także syntetyzowana przez bakterie fermentacji mlekowej forma kwasu mlekowego – L(+) lub D(-). Głównym surowcem wykorzystywanym przez bakterie kwasu mlekowego są węglowodany, a dokładniej cukry sześciowęglowe. Oba typy bakterii mają także zdolność do fermentacji cukru mlecznego, czyli laktozy.

Homofermentatywne bakterie fermentacji mlekowej metabolizują glukozę w szlaku Embdena-Meyerhofa-Parnasa (EMP). W końcowym etapie glikolizy powstają dwie cząsteczki pirogronianiu, które w wyniku zachodzących reakcji redoks są redukowane do końcowego produktu fermentacji, czyli kwasu mlekowego.

W przypadku heterofermentacji glukoza fermentowana jest w szlaku pentozofosforanowym. Różnica ta związana jest z faktem, iż heterofermentatywne bakterie fermentacji mlekowej nie posiadają pewnych enzymów niezbędnych do prowadzenia procesu glikolizy. W wyniku zachodzących reakcji powstaje kolejno: glukozo-6-fosforan, kwas 6-fosforo-glukonowy, następnie z niego ditlenek węgla i rybulozo-5-fosforan. Ten ostatni jest przekształcany do ksylulozo-5-fosforanu, z którego otrzymywany jest aldehyd 3-fosfo-glicerynowy i acetylofosforan. Z pierwszego związku powstaje kwas mlekowy, a z drugiego w zależności od warunków środowiskowych kwas octowy bądź etanol. Aby powstał kwas octowy konieczna jest obecność tlenu, natomiast w przypadku jego braku powstaje etanol. Warto zaznaczyć, że bakterie fermentacji mlekowej oprócz metabolizowania cukrów, posiadają także zdolność do fermentacji innych związków jak tłuszcze, co w konsekwencji wpływa na aromat artykułów mleczarskich.

Niedobór aminokwasów koniecznych do wzrostu, mobilizuje bakterie fermentacji mlekowej do degradacji białek obecnych w środowisku. Ten mechanizm ma także pozytywne znaczenie w kontekście przemysłu spożywczego, ponieważ pozwala pozyskać odpowiednie cechy organoleptyczne produktów.

Wykorzystanie bakterii fermentacji mlekowej w przemyśle spożywczym

Bakterie fermentacji mlekowej znajdują zastosowanie w przetwórstwie żywności od setek tysięcy lat. Pierwotnie, ludzie nie zdawali sobie sprawy, że to właśnie drobnoustroje są odpowiedzialne za powstawanie różnego rodzaju produktów. Obecnie mikroorganizmy są szeroko wykorzystywane we wszystkich gałęziach przemysłu spożywczego. Dzięki nim uzyskujemy obszerny asortyment artykułów spożywczych o specyficznych cechach smakowo-zapachowych oraz pozytywnym wpływie na funkcjonowanie organizmu człowieka Bakterie fermentacji mlekowej występują w mlecznych napojach fermentowanych, a także w wędlinach. Najczęściej kultury bakterii fermentacji mlekowej dodawane są do surowca poddawanego obróbce w postaci starterów, zawierających dokładnie wyselekcjonowane szczepy o określonym działaniu. Czasami prowadzona jest fermentacja spontaniczna przy udziale mikroorganizmów naturalnie bytujących w surowcu, jednak w tym przypadku nie ma pełnego nadzoru nad przebiegiem procesu, co z kolei może uniemożliwić uzyskanie serii wyrobów o identycznych właściwościach. Aczkolwiek nierzadko autochtoniczny zespół drobnoustrojów surowca wprowadzany jest do kultur starterowych.

Bakterie fermentacji mlekowej wytwarzają wiele metabolitów, które wykazują działanie konserwujące w stosunku do żywności. Przykładem może być produkowany przez nie kwas mlekowy, który znacznie obniża pH środowiska, co z kolei zapobiega rozwojowi niepożądanych drobnoustrojów. Istotne znaczenie ma także nadtlenek wodoru czy bakteriocyny, a w szczególności nizyna. Ponadto bakterie fermentacji mlekowej zapobiegają degradacji witamin i zwiększają wchłanianie składników odżywczych. Szczególne znaczenie mają bakterie fermentacji mlekowej o charakterze probiotyków, pozwalające na uzyskanie produktów spożywczych o działaniu prozdrowotnym.

Bibliografia:

  • Chabłowska B., Piasecka-Jóźwiak K., Stecka K., 2009. Rola drobnoustrojów w produkcji żywności.
  • Czarnecki Z., Czarnecka M., 2006. Tradycyjne wykorzystanie mikroorganizmów w produkcji żywności, w Gawęcki J., Libudzisz Z.. Mikroorganizmy w żywności i żywieniu, Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. A. Cieszkowskiego w Poznaniu.
  • Gajewska J., Błaszczyk M. K., 2012. Probiotyczne bakterie fermentacji mlekowej (LAB). Postępy Mikrobiologii, tom 51, nr 1, s. 55-65.
  • Górecki R. K., Bardowski R. K., 2011. Molekularne mechanizmy oporności bakterii kwasu mlekowego na bakteriofagi. Postępy Mikrobiologii, tom 50, nr 4, s. 265-273.
  • Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego, Warszawa. (Babuchowski i Wzorek, 2003).
  • Jurkowski M., Błaszczyk M., 2012. Charakterystyka fizjologiczno-biochemiczna bakterii fermentacji mlekowej. Kosmos. Problemy nauk biologicznych, tom 61, nr 3, s. 493-504.
  • Libudzisz Z., 2013. Bakterie fermentacji mlekowej, w Libudzisz Z., Kowal K., Żakowska Z.. Mikrobiologia techniczna. Tom 2. Mikroorganizmy w biotechnologii, ochronie środowiska i produkcji żywności. Wydawnictwo Naukowe PWN.
  • Moneta J., Piątkiewicz A., 2010. Bakterie, w Libudzisz Z., Kowal K., Żakowska Z.. Mikrobiologia techniczna. Tom 1. Mikroorganizmy i środowiska ich występ Wydawnictwo Naukowe PWN.
  • Słońska A., Klimuszko D., 2010. Bakteriocyny probiotycznych pałeczek z rodzaju Lactobacillus. Postępy Mikrobiologii, tom 10, nr 2, s. 87-96.
  • Trojanowska K., Giebel H., Gołębiowska B., 2009. Mikrobiologia żywności. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu.
  • Vos P., Garrity G., Johnem D. i wsp., 2009. Bergey’s Manual Systematic Bacteriology. Wydanie drugie, tom III – The Fimicutes. Wydawnictwo Springer.
  • Zaręba D., Ziarno M., 2011. Alternatywne probiotyczne napoje warzywne i owocowe. Bromatologia i Chemia Toksykologiczna, tom 54, nr 2, s. 160-168.