ZASTOSOWANIE LAB

W PRZEMYŚLE

MLECZARSKIM

dr inż. Anna Berthold-Pluta

KULTURA STARTEROWA -

DEFINICJA

Wyselekcjonowane, zdefiniowane i zdolne

do namnażania się mikroorganizmy w
postaci czystych kultur lub
kontrolowanych kultur mieszanych o
specyficznych właściwościach.

Historia wykorzystywania

bakterii w przemyśle

spożywczym

• Pasteur (1857 r.) – odkrył, że za fermentacje

odpowiedzialne są drobnoustroje,

• Lister (1878 r.) – wyizolował pierwsze LAB z

mleka fermentowanego,

• 80-te lata XIX w. – równolegle w USA, Danii i w

Niemczech zastosowano czyste kultury LAB do

otrzymywania śmietany przeznaczonej do

wyrobu masła,

• Początek XX w. Gwałtowny rozwój produkcji

czystych kultur i zastosowania w mleczarstwie.

Wymagania ogólne dla szczepów

stosowanych jako kultury

starterowe

• Brak patogenności lub aktywności toksycznej

(np. wytwarzania amin biogennych),

• Zdolność do wywoływania pożądanych zmian,
• Zdolność do dominowania nad drobnoustrojami

występującymi w tym samym środowisku,

• Łatwość namnażania,
• Łatwość utrwalania,
• Stabilność pożądanych cech w czasie hodowli i

przechowywania,

• Oporność na fagi.

Postacie handlowe kultur

starterowych (1)

Mrożone kultury skoncentrowane

(zawierają 10

10

-10

11

jtk/g, służą do zaszczepiania

mleka i uzyskania zakwasu lub jako DVS)

Otrzymywanie:
• hodowla kultury w optymalnych, kontrolowanych warunkach pH,
• zagęszczenie komórek metodą wirowania lub ultrafiltracji,
• standaryzowanie zawiesiny komórek,
• dodatek czynnika ochronnego dla komórek w czasie mrożenia
(krioprotektant) np. gliceryna, sacharoza, laktoza,
• pakowanie,
• szybkie mrożenie w ciekłym azocie.

• Przechowywanie w ciekłym azocie (-196

0

C) lub

–40

0

C,

• rozmrażać trzeba bardzo szybko, tak aby w minimalny sposób wpłynąć na stan komórek,
• kartony wielowarstwowe z wkładką Alu lub kubki z tworzywa sztucznego

Postacie handlowe kultur

starterowych (2)

Kultury liofilizowane, służą do zaszczepiania

mleka i uzyskania zakwasu (dłuższy czas

„ruszania” ok. 30-60 minut)

Otrzymywanie:
• tj. przy kulturach głęboko mrożonych, ale po etapie mrożenia
kulturę umieszcza się w komorze z mocno obniżonym ciśnieniem i
odwadnia na drodze sublimacji,
• zwykle 60-70% komórek przeżywa proces liofilizacji spośród tych,
które przeżyły mrożenie,
• pakuje się w warunkach aseptycznych, przy ograniczeniu dostępu
tlenu.

• Przechowywanie w –18

0

C,

• torebki z laminowanej folii trójwarstwowej lub w puszki aluminiowe

Postacie handlowe kultur

starterowych (3)

Kultury suszone rozpyłowo

LAB znoszą warunki suszenia rozpyłowego

bardzo źle, rzadko stosowane

Postacie handlowe kultur

starterowych (4)

np. Chr. Hansen

[G.Bylund (1995): Dairy Processing Handbook]

Sposoby dozowania kultur

starterowych

• DVS (direct vat set), kultura dodawana bezpośrednio

do mleka, z którego otrzymujemy produkt, sposób
najbardziej kosztowny, ale zapobiega ewentualnym

zanieczyszczeniom w czasie produkcji zakwasów,

• Sporządzanie zakwasów o coraz większej objętości

(kultura



zakwas macierzysty



zakwas roboczy



mleko

przerobowe) przygotowuje się na mleku

wysoko-pasteryzowanym z wykorzystaniem
handlowych kultur starterowych), mniej kosztowne, ale

możliwości zanieczyszczeń i zakażeń fagowych,

• Sporządzanie zakwasów, ale na bazie specjalnych

płynnych pożywek namnażających.

Cel stosowania kultur

starterowych w mleczarstwie

• Szybkie tworzenie kwasu mlekowego,
• Modyfikowanie tekstury i cech

organoleptycznych produktów
fermentowanych,

• Utrwalenie produktu,
• Wytwarzanie gazowych produktów przemiany

materii



powstawanie oczek w serach,

• Prowadzenie procesu dojrzewania serów

(działalność żywych drobnoustrojów a także

zespołu ich enzymów po lizie komórek).

Podział kultur starterowych (1)

• pojedynczy szczep,
• mieszanka kilku szczepów tego samego gatunku

lub różnych gatunków.

Podział na podstawie zdolności tworzenia aromatu i/lub gazu



O (lub N) -

kultury składające się z ziarniaków mlekowych nie

fermentujących cytrynianów (Lc. lactis subsp. lactis lub cremoris)



B (lub L) -

kultury zawierające Leuconostoc (fermentacja

cytrynianów),



D -

kultury zawierające ziarniaki mlekowe fermentujące cytryniany

(Lc. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis),



BD (lub DL)

– kultury zawierające drobnoustroje wymienione w D

oraz B.

Fermentacja cytrynianów



kultury aromatotwórcze

Podział kultur starterowych (2)



Mezofilne (optimum 22-26

0

C), do produkcji

śmietany, masła ze śmietany ukwaszonej,

maślanki, mleka zsiadłego, sery Cheddar, typu
holenderskiego (Gouda, Edam, Camembert



Termofilne (optimum 42

0

C), do produkcji jogurtu

(Str. thermophilus i Lb. bulgaricus), mleka
acidofilnego (albo w kulturze czystej
Lb.acidophilus albo w napojach
fermentowanych probiotycznych

– kultury

jogurtowe + Lb. acidophilus + Bifidobacterium),

serów wysoko-dogrzewanych (typu

szwajcarskiego lub włoskiego).

Charakterystyka wybranych ziarniaków mlekowych

stosowanych w serowarstwie

i do produkcji napojów fermentowanych

cecha

Lc.lactis subsp.

Leuconostoc

mesenteroides subsp.

Str.thermophilus

lactis

lactis biovar

diacetylactis

cremoris

mesente-

roides

cremoris

Izomer kw.
mlekowego

L(+)

L(+)

L(+)

D(-)

D(-)

L(+)

Wzrost w
10/45

0

C

+/-

+/-

+/-

+/-

+/-

-/+

Laktoza

+

+

+

+/-

+

+

galaktoza

+

b.d.

+

+

+

+/-

Charakterystyka wybranych pałeczek mlekowych

stosowanych w serowarstwie

i do produkcji napojów fermentowanych

cecha

Lb.

acidophilus

Lb.

bulgaricus

Lb.

helveticus

Lb.

rhamnosus

Lb.paracasei

subsp.paracasei

Lb.kefir

Izomer kw.
mlekowego

DL

D(-)

DL

L(+)

L/DL

DL

Wzrost
w 15/45

0

C

-/+

-/+

-/+

+/+

+

/

+/-

+/-

laktoza

+

+

+

+

+/-

+

galaktoza

+

-

+

+

+

-

Funkcje bakterii starterowych

w serowarstwie

•

Metabolizm laktozy, wytworzenie kwasu mlekowego, który minimalizuje

wzrost drobnoustrojów niepożądanych obniżających jakość gotowego

produktu a także chorobotwórczych,

•

Wytworzenie związków aromatotwórczych biorących tworzących pożądane

cechy sensoryczne serów,

•

Wytworzenie innych substancji o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, które

hamują rozwój przeżycia i namnażania patogenów,

•

Wytworzenie szerokiej gamy enzymów głównie proteolitycznych i

peptydolitycznych, które biorą udział w dojrzewaniu serów i powstaniu ich

właściwego profilu sensorycznego,

•

Zwiększenie właściwości prozdrowotnych serów.

Czynniki hamujące rozwój bakterii

starterowych w serach (1)

•

Związki naturalnie występujące w mleku serowarskim (system
laktoperoksydaza/tiocjaniany/H

2

0

2,

wrażliwość starterów na system LPS

zależy od:

-

wrażliwości szczepu,

-

zdolności szczepu do wytwarzania H

2

0

2

, który aktywuje system LPS,

-

obecności w mleku enzymów np. oksydazy ksantynowej, które

zwiększają ilość H

2

0

2

w mleku.

•

pozostałości antybiotyków (leki weterynaryjne: streptomycyna,

chloramfenikol, oksytetracyklina, tetracyklina), wrażliwość LAB zależna od
grupy antybiotyku i szczepu,

•

Obecności bakteriofagów (zapobieganie: propagacja starterów
przeprowadzana w oddzielnych pomieszczeniach, przez wyszkolony personel,

bez wstępu dla osób postronnych, filtracja powietrza w pomieszczeniach,

namnażanie starterów w mediach hamujących bakteriofagi, rotacja starterów,

stosowanie starterów fagoopornych) .

Czynniki hamujące rozwój bakterii

starterowych w serach (2)

• Pozostałości środków dezynfekcyjnych,
• Bakteriocyny,
• Różne substancje hamujące obecne w mleku (mleko mastitisowe,

komórki somatyczne, które mają zdolność fagocytozy wobec
komórek drobnoustrojów, obecność >400 000 komórek
somatycznych/ml hamuje startery jogurtowe),

• Obecność środków owadobójczych, pestycydów.

Główne etapy produkcji serów

dojrzewających

ukwaszanie mleka



krojenie skrzepu



obróbka mechaniczno-termiczna skrzepu



solenie



prasowanie



dojrzewanie

Czynniki fizjologiczne wpływające

na aktywność starterów w czasie wytwarzania

serów (1)

Poznanie i zrozumienie aktywności metabolicznej bakterii

starterowych, a także wpływu różnych czynników
technologicznych (surowiec, temp., czas, pH, sól) na tę
aktywność, podstawa kontrolowania procesu otrzymywania
produktu fermentowanego,

• Temperatura ukwaszania mleka (pokrywa się z optymalną

temperaturą wzrostu danej grupy LAB, tak aby zapewnić
optymalne warunki do maksymalnie szybkiego osiągnięcia
logarytmicznej fazy wzrostu), w serach typu holenderskiego,
stosuje się startery mezofilne



temp. ukwaszania ok. 32

0

C, w

serach typu szwajcarskiego

– startery termofilne



temp.

ukwaszania ok. 37

0

C,

Czynniki fizjologiczne wpływające

na aktywność starterów w czasie wytwarzania

serów (2)

• Temperatura dogrzewania gęstwy serowej (ważne w przypadku

serów wysoko-dogrzewanych ~ 54

0

C/30-60 minut, bakterie

termofilne nie namnażają się wtedy aktywnie, ale muszą przetrwać
ten proces),

• Metabolizm laktozy – wpływ na synerezę skrzepu, zawartość wody

w skrzepie, zawartość pozostałej laktozy w serach po prasowaniu,
wpływ na pH skrzepu



pałeczki tolerują pH 3,4, laktokoki –pH 4,5.

Czynniki fizjologiczne wpływające

na aktywność starterów w czasie wytwarzania

serów (3)

• Wpływ obecności soli – większość LAB jest hamowanych

częściowo lub całkowicie przez >5% NaCl, ale różne szczepy i
gatunki mają różną tolerancję, tolerancja wobec soli jest jednym z
kryteriów doboru szczepów do zastosowania w serowarstwie,
odmienne warunki w przypadku serów solonych na sucho (sól
wprowadzana do masy serowej w postaci suchej np. Cheddar)



gwałtowne hamowanie wzrostu drobnoustrojów i tworzenia kwasu
mlekowego, w przypadku serów solonych w solance



czas

działania hamującego soli jest wydłużony, istotna wielkość bloku
sera,

Czynniki fizjologiczne wpływające

na aktywność starterów w czasie wytwarzania

serów (4)

• Wpływ azotanów (na LAB brak wpływu, ale wpływ hamujący na

bakterie propionowe !) ,

• Wpływ zmiany potencjału redox (w mleku +150mV,

w serze -250mV),

• Temperatura dojrzewania serów (sery typu szwajcarskiego I etap

dojrzewania 12st.C/2-3 tygodnie, II etap 22st.C/2-4 tygodnie



promowanie rozwoju propionowych, IIIetap - 10stC).

Pożądane cechy kultur starterowych LAB

przeznaczonych do produkcji wybranych

produktów mlecznych

• Sery Cheddar,
• Sery typu „szwajcarskiego”,
• Śmietana,
• Jogurt,
• Kefir.

Pożądane cechy kultur starterowych LAB

przeznaczonych do produkcji

serów typu „Cheddar”

• Szybkie wytwarzanie kwasu mlekowego w czasie tworzenia

skrzepu, ale ze stałą szybkością,

• Oporność na fagi,
• Wrażliwość na sól (NaCl dodaje się dopiero po zakończeniu

fermentacji przez LAB, jednakże pewna aktywność jest

wymagana także potem, aby odfermentować resztki laktozy,

które mogłyby być pożywkę dla rozwoju NSLAB gazujących i
powstania wad struktury sera,

• Aktywność w czasie dojrzewania (wytwarzanie proteaz i

peptydaz, aktywność peptydaz > aktywność proteaz, aby

rozkładać gorzkie peptydy),

Stosuje się homofermentatywne ziarniaki Lactococcus lactis

subsp. lactis i subsp. cremoris

Pożądane cechy kultur starterowych LAB

przeznaczonych do produkcji

serów typu „szwajcarskiego”

• Szybkie odfermentowanie laktozy w czasie pierwszych 24 h, ale

przy niezbyt silnym zakwaszeniu



obniżenie zawartości wody w

serze (homofermentatywne ziarniaki Lactococcus lactis subsp.
lactis i subsp. cremoris oraz Streptococcus thermophilus),

• Kultury, które odpowiedzialne są za dalsze zmiany w serach i

dojrzewanie muszą być odporne na temperaturę stosowaną w

czasie dogrzewania gęstwy serowej (50-54

0

C) (Streptococcus

thermophilus, Lb.helveticus),

• Streptococcus thermophilus powoduje gromadzenie się galaktozy

w środowisku, która jest pożywką dla wzrostu pałeczek
mlekowych,

• W czasie dojrzewania rozwój Propionibacterium, które zużywają

mleczany wytwarzając duże ilości CO

2

, kwas propionowy, kwas

octowy,

• Dojrzewanie trzy-etapowe.

Pożądane cechy kultur starterowych LAB

przeznaczonych do produkcji

śmietany (maślanki)

• Zdolność do tworzenia kwasu mlekowego i

równocześnie zdolności aromatyzujące, czyli tworzenie
diacetylu

(metabolizm cytrynianów)

• Zastosowanie znajdują bakterie mlekowe zakwaszające

- Lactococcus lactis subsp. lactis i subsp. cremoris oraz

fermentujące cytryniany Lactococcus lactis subsp.
lactis var. diacetylactis oraz Leuconostoc
mesenteroides subsp. cremoris,

• Diacetyl może być redukowany do acetoiny przy udziale

reduktazy diacetylu

(powstawanie wady „zielonego”

„jogurtowego”aromatu śmietany)



dobór szczepów

nie posiadających aktywności reduktazy diacetylu lub o

niskiej jej aktywności.

Metabolizm cytrynianów przez LAB



w niektórych produktach mleczarskich cytryniany obecne w

mleku są wykorzystywane przez LAB aromatyzujące,


produktami metabolizmu cytrynianów są substancje bezpośrednio

wpływające na cechy organoleptyczne produktu: diacetyl,
acetaldehyd, octany, pośrednio wpływające: acetoina lub
wpływające na teksturę: CO

2

,



mleko surowe krowie zawiera ok. 1700 mg cytrynianów w 1litrze

(od 900 do 2900 mg/l) w zależności od pory roku, okresu laktacji,
żywienia,
 w produktach mlecznych fermentowanych tj. sery typu Gouda,
Cheddar, śmietana, maślanka (kultury mezofilne) cytryniany są
wykorzystane i nie są obecne w produkcie,


w produktach, w których zastosowanie mają kultury termofilne

(jogurt, ser szwajcarskie) cytryniany są obecne w produkcie, bo nie
zostały zmetabolizowane przez LAB,


LAB metabolizujące cytryniany:

Lactococcus lactis subsp.

lactis var. diacetylactis oraz Leuconostoc mesenteroides
subsp. cremoris

.

Metabolizm cytrynianów u

Lc. lactis

cytrynian

Permeaza cytrynianowa

Liaza cytrynianowa

oksoctan

CO

2

pirogronian

Dekarboksylaza
oksooctanowa

octan



-acetomleczan

Syntaza acetomleczanu

acetoina

diacetyl

Dekarboksylaza



-

acetomleczanu

Reduktaza
diacetylu

Pożądane cechy kultur starterowych LAB

przeznaczonych do produkcji

jogurtu

• Szybkie ukwaszanie,
• Wytwarzanie charakterystycznego zbilansowanego

aromatu (acetaldehyd = aldehyd octowy, diacetyl,
acetoina, aceton, etanol, 2-butanon, lotne kwasy
tłuszczowe np. octowy, masłowy, kaprynowy),

• Zdolność wytwarzania pożądanej struktury (EPS),
• Zastosowanie szczepów z gatunków Streptococcus

thermophilus i Lactobacillus delbrueckii subsp.
bulgaricus



kooperacja,

• Najpierw wzrost Streptococcus, potem pałeczek.

Kooperacja

Streptococcus thermophilus

i

Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

Str. thermophilus

Lb.bulgaricus

Kwas mlekowy

laktoza

Małe peptydy, aminokwasy

CO

2

Kwas mrówkowy

hamowanie

hamowanie

stymulacja

stymulacja

stymulacja

stymulacja

stymulacja

Usuwa nadmiar tlenu
Obniża pH
Wytwarza kwas mrówkowy

wytwarza aminokwasy

Wpływ temperatury inkubacji na proporcje między

Str. thermophilus

i

Lb. bulgaricus

przy stałej dawce

szczepionki i stałym czasie inkubacji

[G.Bylund (1995): Dairy Processing Handbook]

Rozwój

Str. thermophilus

i

Lb. bulgaricus

oraz tworzenie

aldehydu octowego przy 2,5% dodatku szczepionki

[G.Bylund (1995): Dairy Processing Handbook]

Rozwój pojedynczej kultury

Str. thermophilus, Lb. bulgaricus

oraz

mieszanki tych kultur w tych samych warunkach inkubacji

Pożądane cechy kultur starterowych LAB

przeznaczonych do produkcji kefiru

• Kefir to produkt mieszanej fermentacji mlekowej, octowej i

alkoholowej,

• Unikalne cechy zawdzięcza zastosowaniu „ziaren kefirowych”

(zooglea

, biało-kremowe ziarna o nieregularnym kształcie o

wielkości ziarna pszenicy do ziarna orzecha włoskiego,

nierozpuszczalne w wodzie; na mikroflorę ziarna kefirowego

składają się: drożdże (Saccharomyces cerevisiae, Candida kefir),

pałeczki mlekowe (Lb. Kefir, Lb.lactis, Lb.bulgaricus,
Lb.helveticus), ziarniaki (Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus
lactis subsp. lactis i subsp. cremoris), bakterie octowe
(Acetobacter aceti),

• Lactococcus – namnażają się najszybciej i mają obniżyć pH,
• Leuconostoc – tworzenie aromatu i smaku, wytwarzają EPS

tworzące ciągliwą strukturę, właściwości gazujące,

• Drożdże – utrzymywanie symbiozy pomiędzy poszczególnymi

grupami, tworzenie CO

2

, alkoholu,

• Bakterie octowe – podnoszą lepkość kefiru, utrzymywanie

symbiozy pomiędzy poszczególnymi grupami.