Fermentacja mlekowa i produkty fermentowane

Fermentacja mlekowa jest procesem naturalnym prowadzonym przez bakterie mlekowe, należące do rzędów Lactobacillales, Bacillales oraz Bifidobacteriales. Bakterie przetwarzają cukry w procesach biochemicznych, a głównym produktem ich metabolizmu jest kwas mlekowy. Proces zachodzi w warunkach beztlenowych lub z bardzo niewielkim dostępem tlenu. Fermentacja mlekowa zachodzi również w komórkach mięśniowych zwierząt.

Fermentacja mlekowa jest procesem szeroko wykorzystywanym w produkcji spożywczej. Według definicji fermentacja to pożądany proces biochemicznej modyfikacji podstawowych produktów spożywczych przez mikroorganizmy i ich enzymy. Celem fermentacji jest poprawa smaku, aromatu i tekstury, przedłużenie trwałości, poprawa wartości odżywczej oraz uatrakcyjnienie żywności. Spontaniczna fermentacja żywności pozwala na uzyskanie większej intensywności wrażeń smakowych, akceptacji smaku i aromatu niż proces kontrolowany z zastosowaniem czystych kultur.

Spis treści

1. Bakterie fermentacji mlekowej
2. Typy fermentacji mlekowej
3. Fermentacja mlekowa - zastosowanie technologiczne
4. Produkcja kwasu mlekowego na skalę przemysłową
5. Bakterie fermentacji mlekowej a bakterie probiotyczne
6. Probiotyczne bakterie fermentacji mlekowej

Bakterie fermentacji mlekowej

Bakterie fermentacji mlekowej to zróżnicowana grupa mikroorganizmów wyodrębniona ze względu na produkt, który wytwarzają podczas fermentacji cukrów – ich głównym lub jedynym metabolitem jest kwas mlekowy. Bakterie fermentacji mlekowej należą do rzędów Lactobacillales, Bacillales oraz Bifidobacteriales. Rodzaje bakterii, do których zalicza się bakterie mlekowe to m.in.

• Lactobacillus, Lactococcus
• Streptococcus
• Enterococcus
• Bifidobacterium
• Leuconostoc

Są niejednorodne pod względem cech morfologicznych (wyglądu) oraz materiału genetycznego. Łączy je to, iż wszystkie należą do bakterii Gram-dodatnich (barwią się na fioletowo w barwieniu metodą Grama, nie mają zewnętrznej błony komórkowej, a ich ściana komórkowa jest grubsza niż u bakterii Gram-ujemnych), nie tworzą przetrwalników i są beztlenowe, choć niektóre tolerują tlen w niewielkich ilościach.

Bakterie fermentacji mlekowej mają kształt pałeczek lub ziarniaków. Ze względu na najkorzystniejszą temperaturę wzrostu zalicza się je do mezofili (optymalnie 20-28°C) lub termofili (optymalnie 37-45°C). Przedstawiciele bakterii fermentacji mlekowej należą do probiotyków – bakterii wykazujących korzystny wpływ na organizm człowieka.

Bakterie fermentacji mlekowej występują powszechnie w środowisku. Najczęściej bytują w w miejscach z dostępem do węglowodanów, aminokwasów i pochodnych nukleotydów. Do wzrostu potrzebują także kwasów tłuszczowych i witamin. Mają wysokie wymagania pokarmowe, ale jednocześnie przystosowują się to trudnych warunków otoczenia.

Bakterie kwasu mlekowego bytują w środowiskach z łatwym dostępem do substancji pokarmowych – znajdują się na powierzchni warzyw, owoców, ziaren zbóż i w mleku, a także w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt – w ślinie, jelicie cienkim i jelicie grubym. Łatwo namnażają się w odchodach, ściekach i psującej się żywności.

Przewód pokarmowy człowieka jest zasiedlony przez bardzo wiele gatunków bakterii, a ich różnorodność i ilość zmienia się w czasie zależnie od diety, miejsca pobytu, przebytych chorób, stosowanych leków i innych.

Skład gatunkowy jest indywidualny dla każdego człowieka. Co ciekawe, w przewodzie pokarmowym żyje aż 10 razy więcej komórek bakterii mlekowych niż wynosi liczba komórek ciała.

Bakterie mlekowe najczęściej występujące w organizmie człowieka to:

• Lactobacillus ruminisL. salivarius
• L. gasseri
• L. reuteri
• Bifidobacterium longum
• B. breve

Obecność bakterii fermentacji mlekowej w żywności pozwala na otrzymywanie produktów takich jak kiszonki, wino i przetwory mleczne. Są one bardzo pożądane technologicznie, a także prozdrowotnie. Czasem działają jednak niekorzystnie, powodując np. psucie piwa i sake.

Typy fermentacji mlekowej

Istnieją dwa typy fermentacji mlekowej – homofermentacja oraz heterofermentacja. Bakterie homofermentatywne w wyniku metabolizmu cukrów prostych wytwarzają wyłącznie lub prawie wyłącznie (minimum w 90%) kwas mlekowy. Bakterie heterofermentatywne oprócz kwasu mlekowego wytwarzają także dwutlenek węgla, kwas mrówkowy, kwas octowy oraz etanol.

Pierwszym surowcem fermentacji mlekowej jest glukoza. Jeśli bakterie znajdują w środowisku inne cukry, najpierw zachodzą procesy metaboliczne, prowadzące do otrzymania glukozy.

Homofermentacja mlekowa to proces, w którym metabolizm glukozy odbywa się na drodze glikolizy, gdzie z jednej cząsteczki glukozy powstają 2 cząsteczki pirogronianu, 2 cząsteczki ATP oraz 2 cząsteczki NADH+, które zużywane są następnie do redukcji pirogronianu do kwasu mlekowego.

Enzymem niezbędnym do przeprowadzenia tej przemiany jest dehydrogenaza mleczanowa, dzięki której pirogronian jest przekształcany w kwas mlekowy. Jedynie niewielkie jego ilości w trakcie procesu zamieniane są w dwutlenek węgla, kwas octowy i etanol. W homofermentacji wykorzystywany jest szlak degradacji glukozy EM (Embden-Meyerhof).

Homofermentatywne bakterie kwasu mlekowego to:

• L. delbrueckii,
• L. acidophilus,
• L. plantarum,
• gatunki należące do rodzaju Brochothrix,
• Carnobacterium,
• Enterococcus,
• Lactococcus,
• Pediococcus,
• Streptococcus,
• Tetragenococcus
• oraz Vagococcus.

Homofermentatywne bakterie mlekowe katabolizują jeden mol glukozy do dwóch moli kwasu pirogronowego, który redukuje się do kwasu mlekowego.

Heterofermentacja jest prowadzona przez bakterie, u których nie występują niektóre enzymy glikolizy. Niemożliwe zatem jest przekształcenie glukozy w taki sposób, w jaki odbywa się to w homofermentacji. Rozkład glukozy na pierwszym etapie zachodzi wyłącznie w szlaku pentozofosforanowym – z wykorzystaniem glukozo-6-fosforanu, 6-fosfoglukonianu i rybulozo-5-fosforanu, który jest następnie przekształcany przez epimerazę do ksylulozo-5-fosforanu. Ten z kolei, w reakcji wymagającej pirofosforanu tiaminy, jest rozszczepiany przez fosfoketolazę z wytworzeniem aldehydu 3-fosfoglicerynowego i acetylofosforanu.

Acetylofosforan ulega albo przekształceniu do octanu przez kinazę octanową, z równoczesną fosforylacją ADP, albo redukcji do etanolu poprzez acetylo-CoA i aldehyd octowy. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy jest utleniany w szlaku fruktozobisfosforanowym i przekształcany ostatecznie w kwas mlekowy. W ten sposób fermentację mlekową prowadzą bakterie z rodzaju:

• Leuconostoc,
• Oenococcus i Weissella
• oraz L. fermentum,
• L. brevis
• i L. Kefiri.

Ostatecznie w heterofermentacji z 1 mola glukozy powstają: 1 mol kwasu mlekowego, 1 mol etanolu i 1 mol dwutlenku węgla. Bakterie rodzaju Bifidobacterium prowadzą heterofermentację w nieco inny sposób niż pozostałe heterofermenatywne bakterie mlekowe, wykorzystując szlak fosfoketolazowy. W procesie tym z 2 moli glukozy powstają 2 mole kwasu mlekowego i 3 mole kwasu octowego.

Produkty fermentacji mlekowej interesują człowieka głównie ze względu na ich zdolność poprawiania smaku, właściwości i konserwowania żywności. Jednak pełnią one swoje zadania umożliwiające przeżycie bakterii mlekowych w środowisku. Kwasy mlekowy i octowy odpowiadają za obniżanie pH środowiska do poziomu niekorzystnego dla bakterii chorobotwórczych, a dwutlenek węgla ma działanie bakteriobójcze głównie poprzez wytwarzanie środowiska beztlenowego, w którym większość bakterii nie jest w stanie się rozwijać.

Fermentacja mlekowa - zastosowanie technologiczne

Fermentacja mlekowa jest procesem wykorzystywanym przede wszystkim w przemyśle spożywczym. Na długo przed rozwojem technologii produkcji i mikrobiologii ludzkość obserwowała te procesy, zachodzące spontanicznie w żywności.

Fermentacja mlekowa jest niezbędna do uzyskania jogurtów, kefiru, śmietany, serów żółtych, kiszonych warzyw, oliwek, niektórych wędlin, a nawet wina. Fermentacja jest naturalną metodą konserwacji, a ponadto poprawia wartość odżywczą i walory smakowe żywności.

Produkcja kwasu mlekowego na skalę przemysłową

95% kwasu mlekowego stosowanego w przemyśle wytwarza się poprzez fermentację mlekową surowców roślinnych przez bakterie mlekowe. Najczęściej jako pożywka używana jest kukurydza, ziemniaki, jęczmień, pszenica, żyto, owies, sorgo, ryż, kassawa, ale także melasa, drewno, serwatka, słoma, makulatura, ścieki winiarskie, czy ścieki papiernicze.

W produkcji kwasu mlekowego używa się szczepów bakterii termofilnych, które tolerują temperaturę 40-50ºC, a w której większość innych mikroorganizmów ginie. Ważna jest także czystość produktu, dlatego wykorzystuje się szczepy homofermentatywne, zwykle z rodzaju Streprococcus i Enterococcus.

Do produkcji kwasu mlekowego alternatywnie używane są grzyby strzępkowe z rodzaju Rhizopus. Syntetyzują one wyłącznie izomer L kwasu mlekowego (w przeciwieństwie do bakterii, które często wytwarzają mieszaninę izomerów), a ponadto wykazują aktywność amylolityczną, co stwarza możliwość ich wykorzystania do jednoczesnego scukrzania i fermentacji tanich, odpadowych surowców skrobiowych znacznie obniżających koszty procesu syntezy.

Kwas mlekowy znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a najważniejsze z nich to:

• przemysł spożywczy – regulacja pH, poprawa jakości mikrobiologicznej przetworów mięsnych
• kosmetyczny – w produktach wygładzających i odmładzających
• farmaceutyczny – składnik protez oraz szwów chirurgicznych
• chemiczny – rozpuszczalnik, środek czyszczący, pochłaniacz wilgoci

Mleczne napoje fermentowane

Do mlecznych napojów fermentowanych zaliczamy: jogurt, kefir, mleko ukwaszone (acidofilne i fermentowane) oraz produkty mleczne nowej generacji, np. biojogurty. Fermentowane napoje mleczne dzieli się na cztery grupy:

• fermentowane spontanicznie
• fermentowane przez dodanie kultur bakterii kwasu mlekowego
• fermentowane przez bakterie probiotyczne
• produkty innowacyjne

Mleczne napoje fermentowane zawierają do 2,5% kwasu mlekowego. Jogurt powstaje poprzez dodanie do mleka bakterii Streptococcus thermophilus i Lactobacillus bulgaricus, mleko acidofilne – Lactobacillus acidophilus.

Do produkcji kefiru niezbędne są bakterie: Lactobacillus kefir, Leuconostoc, Lactococcus oraz drożdże: Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces exiguus, Saccharomyces unisporus, Kluyveromyces marxianus.

Mleko fermentowane powstaje z udziałem mezofilnych bakterie fermentacji mlekowej, a kumys – Lactobacillus bulgaricus i Kluyveromyces marxianus.

Zakwas żytni

Od XIX wieku ukwaszanie ciasta za pomocą bakterii mlekowych stosuje się prawie wyłącznie do wypieku pieczywa żytniego. Obecnie w piekarnictwie stosuje się kultury starterowe, które zapoczątkowują wytwarzanie zakwasu. Składają się one najczęściej z bakterii rodzaju Lactobacillus:

• Lb. plantarum,
• Lb. brevis,
• Lb. sanfranciscensis
• oraz drożdży S. cerevisiae.

Zastosowanie samych drożdży, tak jak robi się to w wypiekach pszennych, jest niemożliwe, gdyż gluten żytni jest mniej elastyczny, a dodatkowo śluzy ograniczają pęcznienie glutenu. W obecności kwasu mlekowego śluzy są hydrolizowane i dopiero wtedy ciasto z mąki żytniej nadaje się do wypieku pieczywa.

Wino

Występujące na winogronach bakterie Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc i Oenococcus umożliwiają fermentację moszczu i produkcję wina.

Kiszone warzywa i owoce

Myśląc o kiszonkach, koncentrujemy się najczęściej na kapuście i ogórkach. Tymczasem na całym świecie kisi się bardzo różne produkty. Fermentacja zachodzi po zanurzeniu w roztworze soli, w większości przypadków spontanicznie z wykorzystaniem bakterii mlekowych żyjących na powierzchni warzyw i owoców.

Kiszonki przygotowywane w rożnych rejonach to:

• kapusta – szatkowana lub w całości
• kimchi – koreański odpowiednik kiszonej kapusty, mniej kwaśny, z dodatkiem rzodkwi, czosnku, dymki, imbiru, marchwi, pietruszki i ostrej papryczki
• ogórki, imbir, cebula, pędy bambusa, marchew, kalafior, papryka, oliwki
• niedojrzałe owoce: mango, papaja, ananas, cytryna

Produkty zbożowe

• indyjskie idli oraz dosa na bazie mąki ryżowej
• filipińskie puto (placek ryżowy)
• chleb z sorgo
• nigeryjskie ogi - "owsianka" z fermentowanej kukurydzy, prosa i sorga o słonym, jogurtowym smaku

Inne

• meksykański alkohol pulque z soku z agawy
• mieszanka jogurtu z owczego mleka i gotowanej pszenicy znana w Egipcie jako kishk, w Grecji – trahanas, a w Turcji – tarhanas
• tempe – substytut mięsa robiony z soi powszechny w Indonezji
• chiński sos sojowy
• japońskie miso

Bakterie fermentacji mlekowej a bakterie probiotyczne

W powszechnej wiadomości przyjęło się uproszczenie, że bakterie mlekowe to bakterie probiotyczne. Że jedzenie jogurtu czy kapusty kiszonej dostarcza probiotyków. Może tak być, ale nie musi, gdyż jedynie niewielka liczba gatunków bakterii mlekowych zaliczana jest do bakterii probiotycznych o korzystnym wpływie na zdrowie.

O ile śmiało można powiedzieć, że bakterii kwasu mlekowego jest w środowisku kilkaset gatunków, o tyle bakterii probiotycznych jest maksymalnie kilkadziesiąt. Do gatunków probiotycznych zalicza się także bakterie i grzyby niemlekowe.

Probiotyczne bakterie fermentacji mlekowej

Badania medyczne potwierdziły prozdrowotne działanie bakterii probiotycznych:

• kolonizację przewodu pokarmowego (przez Lb. rhamnosus GG)
• zapobieganie biegunkom po terapii antybiotykowej lub infekcji rotawirusowej (wykazane u Lb. rhamnosus GG i Lb. casei Shirota)
• stymulację układu odpornościowego (przez Lb. casei Shirota, Lb. casei DN 114001 lub Lb. johnsonii)
• obniżenie aktywności enzymów fekalnych (Lb. gasseri i Lb. acidophilus)
• wiązanie cholesterolu (Lb. acidophilus i B. bifidum)
• aktywność antymutagenną i antykancerogenną dzięki wytwarzaniu substancji hamujących aktywność enzymów kałowych takich, jak: β-glukuronidazy, azoreduktazy i nitroreduktazy, które są zaangażowane w aktywację mutagenów i prokancerogenów. (Lb. acidophilus i B. bifidum)

Aleksandra Żyłowska-Mharrab, dietetyk, technolog żywności, edukator