Zastosowanie bakterii, pleśni i drożdży w przemyśle spożywczym

Mikroorganizmy stosowane w przemyśle spożywczym

• Bakterie fermentacji mlekowej

• Rodzaj Bacillus

• Grzyby pleśniotwórcze

• Drożdże

• Mikroorganizmy produkujące antybiotyki

• Mikroorganizmy fermentacji etanolowej

• Drobnoustroje fermentacji octowej

Leuconostoc sp.

• Występują głównie na roślinach

• Rzadko izolowane z ukwaszonego spontanicznie mleka

• Kształt okrągły lub lekko wydłużony (0,5-0,7x0,6-1,2 μm)

• Najczęściej zgrupowane w dwoinkach lub krótkich łańcuszkach

• Optymalna temperatura wzrostu 20-30°C

• Hererofermentatywne (produkują kwas mlekowy i etanol lub kwas octowy)

• W mleku rosną powoli, rzadko tworzą zwarty skrzep

• Wytwarzają CO₂, (sery typu holenderskiego- edam, gouda)

• Należą do mikroflory odpowiedzialnej za pierwsze etapy fermentacji kiszonek roślinnych

Rodzaj Lactococcus

Gatunki

• Lactococcus garvieae

• Lactococcus lactis (w tym L. lactis subsp. lactis, L. lactis subsp. cremoris, L. lactis subsp. hordniae)

• Lactococcus piscium

• Lactococcus plantarum

• Lactococcus raffinolactis

Rodzaj Lactococcus

• Gram-dodatnie

• Kuliste lub owalne o średnicy 0,5-1,5 μm

• Optymalna temperatura wzrostu 30°C

(zakres od 10 do 45 °C)

• Homofermentatywne

(duże ilości kwasu L(+)-mlekowego

• Zdolność wzrostu w obecności 4% chlorku sodu

• Po 12-24 godz. inkubacji w temperaturze pokojowej ścinają mleko (do kwasowości miareczkowej 27-28 °SH)

• Po ukwaszeniu ich rozwój zostaje zahamowany

Rodzaj Lactococcus
Obecność w surowcu i środowisku jego pozyskiwania

• Stanowią mikroflorę dominującą

• w mleku z udoju ręcznego

• mleku przetrzymywanym w temperaturze pokojowej bez schłodzenia (10² jtk)

• Izoluje się również:

• ze ściółki obory

• z powierzchni wymion krowy (10³ jtk na całej powierzchni)

• z dojarki do mleka

• W mleku naturalnie ukwaszonym liczba Lactococcus może dochodzić do 10⁹ jtk

• Łagodna pasteryzacja surowca mleczarskiego całkowicie niszczy rodzaj Lactococcus

Wykorzystanie i występowanie w artykułach mleczarskich rodzaju Lactococcus

W mleczarstwie stosuje się tylko gatunek L. lactis i tylko dwa jego podgatunki:

• L. lactis subsp. lactis

• L. lactis subsp. cremoris

Podgatunki te stanowią podstawowy składnik mleczarskich starterów mezofilnych.

Korzyści z obecności Lactococcus w artykułach mleczarskich

• Szybkie prowadzenie procesu fermentacji

• podstawowym substratem fermentacji jest laktoza

• wytwarzanie kwasu mlekowego skutkuje obniżeniem pH środowiska co gwarantuje hamowanie rozwoju mikroflory niepożądanej w produktach

• dodatek soli może zahamować proces metabolizowania laktozy

• Zdolność proteolityczne (duża w porównaniu z innymi bakteriami fermentacji mlekowej, małe w stosunku do innych rodzajów bakterii)

• Zdolności lipolityczne (niewielka aktywność, choć znacząca ze względu na tworzenie się w tym procesie substancji aromatycznych i smakowych)

• Tworzenie związków aromatyzujących

diacetyl, acetoina, aldehyd octowy (kilkanaście mg/dm3) - z którego po redukcji powstaje etanol

Enzymy proteolityczne i lipolityczne znajdują się wewnątrz komórki bakterii.

• Produkcja bakteriocyn i egzopolisacharydów

• Znoszą zakwaszenie środowiska do 4,0-4,2 i dobrze przeżywają w środowisku kwaśnym

• mała wrażliwość na niską temperaturę (co sprzyja powstawaniu serów podpuszczkowych o bardzo zwartej i twardej konsystencji np. cheddar)

• Odporność niektórych szczepów na bakteriofagi (liza i śmierć komórki)

• inhibicja adsorbcji bakteriofagów do komórek bakteryjnych,

• blokowanie penetracji DNA faga

• infekcja abortywna

• system R?M (restrykcja-modyfikacja)

Korzyści z obecności Lactococcus w artykułach mleczarskich

• Właściwości prozdrowotne rodzaju Lactococcus

• zaliczane do probiotyków

• zdolność produkcji witamin z grupy B

• obniżają niektóre reakcje alergiczne na białka mleka

• zdolne do regulacji mikroflory układu pokarmowego

• ułatwiają przyswajanie składników odżywczych (lipidów, aminokwasów) i pierwiastków (P, Fe i Ca)

• redukują poziom cholesterolu we krwi

Negatywne znaczenie obecności Lactococcus w artykułach mleczarskich

• możliwość przekwaszenia

• synteza znacznych ilości aldehydu octowego, nadającego ostry zapach produktom

• nadmierny rozwój może spowodować brak oczekiwanych cech produktu np. serów

• brak stabilności cech biochemicznych - mogą tracić plazmidy pod wpływem niekorzystnych warunków środowiskowych (np. wysoka temperatura), co prowadzi do poważnych problemów technologicznych

Lactobacillus sp.

• 106 gatunków

• Występują w środowiskach o małym stężeniu tlenu i bogatym składzie chemicznym (sacharydy, witaminy, produkty hydrolizy białek)

• Na roślinach w kiszonkach oraz na błonach śluzowych jamy ustnej, dróg rodnych, przewodu pokarmowego zwierząt i człowieka

• Stanowią zanieczyszczenia produktów fermentacji alkoholowej, mleczarskich, przetworów mięsnych oraz ryb

• Kształt regularnych pałeczek (0,5-1,2x1,0-10,0 μm)

• Często tworzą krótkie łańcuszki

• Mezofilne lub termofilne

• Homo- lub heterofermentatywne

Bifidobacterium sp.

• 28 gatunków i 4 podgatunki

• Izolowane z przewodu pokarmowego człowieka (u niemowląt karmionych mlekiem matki stanowią mikroflorę dominującą)

• Pałeczki, często zagięte lub rozgałęzione (0,5-1,3x1,5-8 μm)

• Występują pojedynczo, czasem tworzą dwoinki, łańcuszki lub palisady

• Optymalna temperatura wzrostu 36-43°C

• Fermentują sacharydy w tzw. szlaku bifidus.

• Produkują kwas octowy i mlekowy w proporcji 3:2 (czasem etanol i kwas mrówkowy)

• Mają działanie probiotyczne

Typy szczepionek starterowych

Nazwa	Gatunki bakterii	Charakterystyka
Typ O	L. lactis subsp. lactis i L. lactis subsp. cremoris	nie wytwarzają substancji aromatyzujących i CO2
Typ L	L. lactis subsp. lactis i L. lactis subsp. cremoris oraz szczepy z rodzaju Leuconostoc sp. (Leuc. mesteteroides subsp. cremoris, Leuc. lactis, Leuc, mesenteroides subsp. dextranicum, Leuc. mesenteroides subsp. mesenteroides)	wytwarzające niewielkie ilości substancji aromatyzujących.
Typ D	L. lactis subsp. lactis i L. lactis subsp. cremoris L. lactis subsp. lactis biowar diacetylactis	powodujące szybką fermentację mleka z wytworzeniem intensywnego aromatu i gazu
Typ DL	L. lactis subsp. lactis i L. lactis subsp. cremoris L. lactis subsp. lactis biowar diacetylactis, oraz Leuconostoc sp. (Leuc. mesteteroides subsp. cremoris, Leuc. lactis, Leuc, mesenteroides subsp. dextranicum, Leuc. mesenteroides subsp. mesenteroides)	wytwarzające duże ilości substancji aromatyzujących i gazu i najczęściej stosowane w przemyśle mleczarskim

Wykorzystanie rodzaju Lactococcus w przemyśle mleczarskim

Produkt	Gatunki
Zsiadłe mleko	Przemysłowo - starter typu O W warunkach domowych - dominuje L. lactis subsp. lactis
Jogurt naturalny	Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii spp. Bulgaricus
Kefir	L. Lactis subsp. lactis (80% kultury starterowej), Leuc. mesenteroides, Lb. Casei, Lb. Brevis, Lb. Kefir, Lb. Acidophilus oraz drożdże fermentujące i nie fermentujące laktozę Kluyveromyces, Candida, Saccharomyces
Śmietana	Starter typu DL
Masło	Starter typu D
Sery twarogowe - ser typu cottage	Starter typ DL - W serach typu cottage - starter typ O
Sery podpuszczkowe dojrzewające ( z wyj. Serów szwajcarskich i włoskich)	Starter typu DL wzbogacony w zależności od rodzaju sera innymi drobnoustrojami: Ser edamski, gouda, grojer, emetalski: Streptococcus thermophilus, Lb. Helveticus, Lb. Bulgaricus, Lb. Lactis oraz Propionibacterium sp. Ser roquefort - Penicillium roqueforti Ser camembert i brie - Penicillium candidium, Ser tylżycki, limburski, romadura - Brevibacterium linens Sery cheddar i cheshire - starter typu O

Fermentacja mięsa

Grupa	Gatunek	Właściwości	Korzyści
Bakterie fermentacji mlekowej	Lactobacillus plantarum Lactobacillus sakei Lactobacillus curvatus Pediococcus acidilactici Pediococcus pentosaceus	produkcja kwasu mlekowego	Hamowanie rozwoju mikroflory chorobotwórczej i technologicznie szkodliwej Wydłużenie okresu trwałości, Przyśpieszenie formowania barwy, Przyśpieszenie suszenia, Tworzenie aromatu i smaku
Katalazo-dodatnie ziarniaki	Staphylococcus carnosus Staphylococcus xylosus Micrococcus varians	redukcja azotanów (V), redukcja azotanów (III) wykorzystanie O2	Tworzenie i stabilizacja barwy, Usunięcie nadmiaru azotanów(III) Opóźnienie jełczenia, Stabilizacja koloru, Tworzenie aromatu i smaku
Drożdże	Debaromyces hansenii Candida farnata	wykorzystanie O2	Opóźnienie jełczenia, Stabilizacja koloru, Tworzenie aromatu i smaku
Pleśnie	Penicillium nalgiovense Penicillium chrysogenum	porost powierzchniowy, wykorzystanie O2, utlenianie mleczanu, rozkład białek i aminokwasów	Hamowanie rozwoju niepożądanej mikroflory na powierzchni batonu, Jednolite osuszanie batonów, Opóźnienie jełczenia Stabilizacja koloru, Tworzenie aromatu i smaku

Produkty	Bakterie
Fermentowane napoje mleczne oraz sery	Streptococcus: S. lactis, S. diacetilactis, S. cremoris, S. thermophilus Leuconostoc: L. cremoris, L. mesenteroides, L. citrovorum Lactobacillus: L. acidophilus, L. bulgaricus, L. brevis, L. caucasicus, L. helveticus, L. plantarum
Fermentowane produkty roślinne:	Różne gatunki paciorkowców i pałeczek w tym: Leuc. mesenteroides, Lb. brevis, Lb. fermentum, Lb. plantarum, Pedicoccus damnosus ( syn. P. cervisiae)
Fermentowane produkty mięsne	Rodzaje: Lactobacillus, Micrococcus, Pedicoccus, Streptococcus ( a także liczne bakterie, m.in. z rodzajów: Aerobacter, Bacillus, Staphylococcus, Vibrio oraz grzybów: Debaryomyces i Penicilium
Kwas mlekowy	Lactobacillus: L. delbrueckii, L. bulgaricus, L. leichmanii
Dekstran	Leuconostoc mesenteroides
Nizyna	Streptococcus lactis
Preparaty lecznicze	Lactobacillus: L. acidophilus, L. bifidus

Bacillus sp.

• Wszechobecne w środowisku

• Laseczki wytwarzające przetrwalniki

• Różnorodne gatunkowo

• Wytwarzają wiele enzymów, antybiotyków oraz wiele wartościowych produktów biotechnologicznych

Zalety Bacillus sp.:

• duża szybkość wzrostu

• zdolność do wydzielania białek na zewnątrz komórki

• najważniejsze szczepy przemysłowe są bezpieczne dla zdrowia człowieka

Najważniejsze gatunki:

Bacillus subtilis

Bacillus amyloloquefaciens

Bacillus licheniformis

Ważniejsze produkty metabolizmu wytwarzane przez bakterie z rodzaju Bacillus

Produkty	Bakterie	Zastosowanie produktów
Antybiotyki: bacytracyna butyrozyna gramicydyny polimyksyny	B. subtilis, B. licheniformis B. circulans B. brevis B. polymyxa, B. colistinus	Przeciwko G+ i G- Przeciwko G+ i G- Przeciwko G+ Przeciwko G-
Enzymy : acylaza penicylinowa α-amylaza β-amylaza Izoamylaza β-galaktozydaza α-glukanaza	B. megaterium, B. licheniformis B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. licheniformis, B. megaterium Bacillus sp. B. cereus Bacillus sp. B. amyloliquefaciens, B. licheniformis	Produkcja kwasu 6-AP Hydroliza skrobi Hydroliza skrobi Hydroliza skrobi Hydroliza laktozy Hydroliza polisacharydów
Enzymy : β-glukanaza izomeraza glukozowa penicylinaza proteazy alkaliczne proteazy neutralne	B. circulans, B. subtilis B. coagulans, B. cereus, B. licheniformis, B. licheniformis, B. subtilis B. subtilis	Hydroliza polisacharydów Konwersja glukozy do fruktozy Inaktywacja penicyliny Detergenty i inne zastosowania w przemyśle fermentacyjnym
pululanaza termolizyna	B.cereus, B. acidopullulyticus B. proteolyticus	Hydroliza amylopektyny Produkcja aspartamu
Bioinsektycydy: endotoksyna	B. thuringensis	Ochrona roślin

Promieniowce:

• Organizmy prokariotyczne o morfologii i cyklu rozwojowym przypominającym eukariotyczne grzyby

• W hodowli rosną w postaci nitkowatej grzybni (strzępki średnicy ok. 1μm)

• Wytwarzają artrospory

• Produkują szereg antybiotyków wykorzystywanych w dzisiejszej medycynie, a także enzymy, witaminy oraz substancje powierzchniowo czynne

Wybrane produkty metabolizmu promieniowców

Produkty	Drobnoustroje
Antybiotyki: aktynomycyna amfoterycyna B blastomycyna bleomycyna chlorotetracyklina cykloheksimid erytromycyna kanamycyna kasugamycyna linkomycyna mitomycyna monenzyna neomycyna nowobiocyna nystatyna oksytetracyklina polifungina	rodzaj Streptomyces: S. antibioticus S. nodosus S. griseochromogenes S. verticillus S. aureofaciens S. griseus, S. noursei S. erythreus S. canamyceticus S. kasugaensis S. lincolnensis S. caespitosus S. cinnamonensis S. fradiae S. niveus S. noursei S. rimosus, S. varsoviensis S. noursei var. polifingini
oleandomycyna spektynomycyna streptomycyna tetracyklina tobramycyna tylozyna wankomycyna wiomycyna gentamycyna ryfamycyna	S. antibioticus S. spectabilis S. griseus S. aureofaciens S. tenebrarius S. fradiae S. orientalis S. floridae Inne rodzaje: Micromonospora purpurea, M. echinospora Nocardia mediterranea
Enzymy: proteaza izomeraza glukozowa	Streptomyces griseus Streptomyces sp., Actinoplanes missouriensis
Inhibitory enzymów (w nawiasie nazwa enzymu): bestatyna (aminopeptydaza B) forfenicyna (alkaliczna fosfataza) pepstatyna (pepsyna) reticulol (fosfodiesteraza cAMP)	Streptomyces olivoreticuli Streptomyces flurovirialis Streptomyces testaceus Streptomyces moberensis
Witaminy: kobalamina (B12)	Streptomyces olivaceus
Substancje powierzchniowo czynne: kwasy karboksylowe pochodne trehalozy (dimykolowe, diacylowe)	Nocardia sp. Nocardia sp.

Ważniejsze drobnoustroje fermentacji etanolowej

Drobnoustroje	Źródła węgla
Drożdże: Rodzaj Saccharomyes: S. cerevisiae, S. uvarum (syn. S. carlsbergensis lub S.pastorianus) S. diastaticus S. rouxii (osmofilne) Inne rodzaje: Kluyveromyces fragilis i Kluyveromyces lactis Candida tropicalis Candida pseudotropicalis Schizosaccharomyces pombe Schwanniomyces alluvis i S. castelli Endomycopsis fibuliger	glukoza, fruktoza, galaktoza, sacharoza, maltoza, maltotrioza glukoza, maltoza, skrobia glukoza, fruktoza, maltoza, sacharoza glukoza, galaktoza, laktoza glukoza, ksyloza, ksyluloza glukoza, galaktoza, laktoza cukry proste, maltoza, małocząsteczkowe dekstryny, kwas jabłkowy dekstryny, skrobia dekstryny, skrobia
Bakterie: Zymomonas mobilis Clostridium thermocellum C. thermohydrosulfuricum Thermoanaerobium brockii Thermobacterioides acetoethylicus	glukoza, fruktoza, sacharoza glukoza, celobioza, celuloza glukoza, ksyloza, celobioza, sacharoza, skrobia glukoza, sacharoza, celobioza, skrobia glukoza, sacharoza, celuloza

Fermentacja octowa

Acetobacteriaceae:

• Acetobacter (15 gat.)

• Gluconobacter (4 gat.)

• Gluconacetobacter (10 gat.)

• Wytwarzają kwas octowy na drodze niecałkowitego utlenienia alkoholu etylowego

• Charakteryzują się wysoką tolerancją na stężenie tego kwasu

• Mogą wykorzystywać do syntezy kwasu octowego także sacharydy oraz ich pochodne

• Gramujemne ruchliwe pałeczki występujące pojedynczo, parami lub w krótkich łańcuszkach

• Optymalna temperatura wzrostu 25-30C (od 4-43C)

• pH 5,4 do 6,2 (3,6-4,5)

• W pożywkach płynnych tworzą charakterystyczną błonkę

• Na pożywkach stałych rosną w postaci bezbarwnych kolonii przypominających kroplę glicerolu

Ocet balsamiczny:

Drożdże z rodzaju Zygosaccharomyces

Bakterie z rodzaju Gluconobacter

oraz Gluconacetobacter

Leuconostoc sp.

Lactobacillus brevis

Lactobacillus fermentum

Lactococcus lactis

Lactobacillus delbrueckii

Lactobacillus plantarum

Lactobacillus acidofiphilus

Glukoza => Kwas mlekowy

Kwas mlekowy

Alkohol etylowy

Glukoza => Kwas mlekowy

Heterofermentatywne

Homofermentatywne

Bakterie kwasu mlekowego

---