Fermentacja mlekowa i bakterie fermentacji mlekowej
1. FERMENTACJA MLEKOWA
Fermentacja to rodzaj metabolizmu energetycznego, w którym substrat jest metabolizowany bez udziału egzogennego czynnika utleniającego. Fermentacja mlekowa zachodzi przy ograniczonym dostępie tlenu. Cukry metabolizowane są do kwasu mlekowego.
Zależnie od tego, czy Lactobacteriaceae fermentują glukozę wyłącznie do kwasu mlekowego, czy też do dodatkowych produktów, dzieli się je na homo- i heterofermentatywne.
Homofermentatywne bakterie mlekowe wytwarzają czysty lub prawie czysty kwas mlekowy (wydajność przekracza 90%). Fermentacja mlekowa rozpoczyna się od glikolizy
(szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa). W tym procesie cząsteczka glukozy dostarcza 2 cząsteczek kwasu pirogronowego oraz 2NADH i 2ATP.
NADH oddaje swoją siłę redukującą kwasowi pirogronowemu, który ulega redukcji do kwasu mlekowego.
Kwas pirogronowy + NADH → Kwas mlekowy + NAD
Kwas mlekowy jako produkt końcowy fermentacji zostaje uwolniony przez komórki do środowiska. Jedynie niewielka część pirogronianu ulega dekarboksylacji z wytworzeniem octanu, etanolu, CO2 i acetoiny. Ilość produktów ubocznych zależy od dostępności tlenu.
Heterofermentatywne bakterie mlekowe nie wytwarzają ważnych enzymów szlaku fruktozodwufosforanowego, tj. aldolazy i izomerazy trójfosforanowej. Dlatego też początkowy rozkład glukozy zachodzi wyłącznie w szlaku pentozofosforanowym prowadząc do powstania aldehydu 3-fosfoglicerynowego i acetylofosforanu. Bakterie heterofermentatywne w zależności od gatunku redukują acetylofosforan do etanolu, kwasu octowego. Fosforan aldehydu glicerynowego jest przekształcany do kwasu mlekowego poprzez pirogronian. Heterofermentatywne bakterie fermentują fruktozę z wytworzeniem kwasu mlekowego, kwasu octowego, mannitolu i CO2, a pentozy (rybozę) z udziałem fosfoketolazy do kwasu mlekowego i octowego.
Wybrane bakterie homofermentacji mlekowej:
Lactobacillus: L. lactis, L. plantarum, L. acidophilus, L. delbrueckii, L. helveticus, L. casei, L. alimentaris.
Streptococcus: S. lactis, S. cremoris, Enterococcus faecalis, S. salivarius.
Wybrane bakterie heterofermentacji mlekowej:
Leuconostoc mesenteroides, produkty fermentacji: kwas mlekowy, kwas octowy, CO2, etanol.
Peptostreptococcus, produkty fermentacji: kwas mlekowy i propionowy.
Streptococcus diacetilactis, produkty fermentacji: kwas mlekowy, octowy, etanol, diacetyl.
Lactobacillus brevis, produkty fermentacji: kwas mlekowy, octowy, CO2, etanol, mannitol.
2. CHARAKTERYSTYKA BAKTERII FERMENTACJI MLEKOWEJ
Bakterie mlekowe zostały zaliczone do rodziny Lactobacteriaceae. Wszystkie bakterie z tej grupy są gramdodatnie, nie wytwarzają endospor ( z wyjątkiem Sporolactobacillus inulinus), nie wykazują zdolności ruchu. Lactobacteriaceae rosną w obecności tlenu, mimo że nie zawierają hemin (cytochromy, katalaza); są one tolerancyjnymi beztlenowcami. Różnią się między sobą kształtem komórek, zdolnością kwaszenia, tolerancją na odczyn środowiska oraz stosunkiem do temperatury. Należą do grupy drobnoustrojów osmotolerancyjnych. Wszystkie bakterie fermentacji mlekowej są bardzo wymagające w stosunku do składu chemicznego podłoża. Ich naturalnym środowiskiem są mleko i surowce roślinne, bogate nie tylko w azot organiczny, lecz również w witaminy i substancje biologicznie czynne. W tych warunkach bakterie fermentacji mlekowej stały się auksotrofami. Bakterie z tej grupy nie rosną w podłożu mineralnym zawierającym glukozę i sole amonowe. Większość z nich wymaga witamin (laktoflawiny, tiaminy, kwasu pantotenowego, kwasu nikotynowego, kwasu foliowego, biotyny), aminokwasów, puryn i pirymidyn. Dlatego też bakterie fermentacji mlekowej uważa się za formy metabolicznie “ułomne”, które zatraciły zdolność syntezy wielu metabolitów, prawdopodobnie w wyniku przystosowania do wzrostu w środowiskach bogatych w substancje odżywcze i czynniki wzrostowe. W odróżnieniu od innych bakterii, mają one zdolność wykorzystywania laktozy, która musi ulec hydrolizie przed wejściem w szlak kataboliczny heksoz; powstaje D-glukoza i D-galaktoza przy udziale β-galaktozydazy, która występuje jedynie u nielicznych bakterii (np. u E. coli).
3. WYSTĘPOWANIE BAKTERII FERMENTACJI MLEKOWEJ:
W mleku i jego produktach
Lactobacillus: L. lactis, L. bulgaricus, L. helveticus, L. casei, L. fermentum, L. brevis
Streptococcus: Streptococcus lactis, S. diacetilactis;
materiał roślinny
Lactobacillus: L. plantarum, L. delbrueckii, L. fermentum, L. brevis
Streptococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides;
układ pokarmowy oraz błony śluzowe ludzi i zwierząt
Lactobacillus acidophilus
Bifidobacterium bifidum
Streptococcus: S. salivarius, S. faecalis, S. bovis, S. pyogenes, Enterococcus faecalis.
Prawie nigdy nie występują w wodzie i glebie.
4. MIKROFLORA MLEKA
Mleko jest pełnowartościową pożywką dla drobnoustrojów, znajdują się w nim mikroorganizmy pochodzące z kanałów strzykowych wymienia. W mleku pochodzącym od całkowicie zdrowych krów, dojonym aseptycznie, znajduje się średnio od 500 - 1000 komórek bakterii/cm3. Są to paciorkowce i pałeczki fermentacji mlekowej. Przy stanach zapalnych wymienia masowo rozwijają się Streptcoccus agalactiae (paciorkowiec bezmleczności) oraz Staphylococcus aureus. Ponieważ mleko jest pożywką uniwersalną, stanowi także doskonałe środowisko do rozwoju innych grup bakterii o różnych właściwościach biochemicznych. Wśród nich można wyróżnić 3 grupy:
Bakterie właściwej fermentacji mlekowej i pseudomlekowej.
Bakterie gnilne i alkalizujące.
Bakterie fermentacji masłowej.
W grupie bakterii właściwej fermentacji mlekowej na specjalną uwagę zasługuje S. diacetilactis, który oprócz kwasu mlekowego produkuje niewielkie ilości kwasu octowego i etanolu oraz śladowe ilości diacetylu - związku, który nadaje masłu charakterystyczny, świeży zapach. Obecność bakterii mlekowych nie dyskwalifikuje mleka jako produktu przeznaczonego do bezpośredniego spożycia, ani też jako surowca do wytworzenia produktów mlecznych. Jednak nadmiar bakterii mlekowych w mleku powoduje bardzo szybkie zakwaszenie, a tym samym uniemożliwia pasteryzację oraz utrudnia przebieg procesów stosowanych w przemyśle mleczarskim.
Mikroflorę szkodliwą mleka stanowią bakterie rozkładające białko, które powodują hydrolizę kazeiny, powstawanie nieregularnych skrzepów, a przy dłuższym przechowywaniu mleka objawem obecności tych bakterii są procesy gnilne. Wśród tej grupy bakterii występują m.in. przetrwalnikujące laseczki z rodzaju: Bacillus i Clostridium, które nie są niszczone podczas pasteryzacji.
Obecność bakterii niewłaściwych powoduje następujące zmiany w mleku:
Serratia marcescens nadaje mleku lub jego przetworom kolor czerwony
Bacterium cyanogenes - niebieski
Bacterium synxantum - żółty
Bacterium lactis - mdły smak
Escherichia coli - gorzki smak, smak rzepy.
Clostridium - bakterie fermentacji masłowej, podczas której powstają duże ilości CO2 i H2.
Propionibacterium spp. - bacterie fermentacji propionowej, produkują głównie kwas propionowy oraz inne kwasy, a przede wszystkim kwas octowy. Stanowią one cenny składnik mikroflory czynnej przy dojrzewaniu serów. Nadają one serom ostry smak, a umiarkowane wydzielanie CO2 sprzyja powstawaniu tzw. “oczek”
Odium lactis, tak zwana “biała pleśń”. Jest to grzyb niedoskonały, korzystający z laktozy i z kwasu mlekowego jako źródeł energii. Poprzez utlenianie kwasu mlekowego stwarza warunki odpowiednie dla rozwoju bakterii rozkładających białko. Ponadto rozkłada białko, a nawet tłuszcze.
W mleku występuje zjawisko metabiozy. W świeżym mleku przede wszystkim rozwijają się paciorkowce mleczne (dominuje Streptococcus lactis), które kwaszą mleko wytwarzając do 1% kwasu mlekowego. Nie tolerują one większego stężenia kwasu mlekowego, dlatego pozostawiają w mleku jeszcze dość znaczne ilości cukru, które wykorzystują pałeczki mlekowe (Lactobacillus lactis), przystosowane do życia w środowisku bardziej zakwaszonym. Przy znacznie obniżonym pH (pH≤3) zaczynają namnażać się bakterie kwasu propionowego (Propionibacterium spp.). Na wytworzonych kwasach rozwija się Odium lactis neutralizując środowisko. W tych warunkach zaczynają rozmnażać się różne rodzaje bakterii, wytwarzające enzymy hydrolizujące białko.