KULTURY STARTEROWE i KULTURY OCHRONNE

Kultury starterowe to czyste hodowle bakterii, pleśni lub drożdży stosowane do wyrobu fermentowanych artykułów mleczarskich (śmietany, masła, serów, napojów fermentowanych).

Wymagania:

• stabilne cechy technologiczne,

• maksymalna liczba żywych bakterii,

• właściwa aktywność w warunkach stosowanych podczas produkcji (temp., kwasowość, ciśnienie, stopień natlenienia, dostępność składników odżywczych),

• wysoka odporność na bakteriofagi.

KULTURY STARTEROWE
bakterie kwasu mlekowego	drożdże (produkcja kefiru)	pleśnie (sery pleśniowe)
	biorą udział w dojrzewaniu produktów dzięki aktywnemu systemowi lipolitycznemu i proteolitycznemu hamują rozwój niepożądanych gatunków pleśni i/lub drożdży

KULTURY STARTEROWE
mikroflora techniczna (mezofilna lub termofilna)	mikroflora dodatkowa
umożliwia produkcję poprzez: fermentację laktozy (LAB, drożdże) wytwarzanie substancji smakowo-zapachowych przyczynianie się do przemian proteolitycznych i lipolitycznych białek i lipidów mleka (LAB, pleśnie, drożdże)	umożliwia osiągnięcie specyficznego efektu podwyższenie wartości odżywczej produktu, wywarcie korzystnego wpływu na organizm człowieka (szczepy probiotyczne) wydłużenie przydatności do spożycia, ochronna przed rozwojem mikroflory patogennej (mikroflora ochronna).

Bakterie fermentacji mlekowej: bakterie Gram-dodatnie, nieruchliwe, nieprzetrwalnikujące, katalazoujemne, nieredukujące azotanów.

Bakterie kwasu mlekowego
homofermentatywne		heterofermentatywne
produkują głównie kwas mlekowy	oprócz kwasu mlekowego produkują inne kwasy i substancje smakowo-zapachowe (np. acetoinę i diacetyl)

W przemyśle mleczarskim znajdują zastosowanie różne gatunki bakterii fermentacji mlekowej (z ang. LAB- lactic acid bacteria), głównie z rodzaju:

• Lactobacillus,

• Lactococcus,

• Leuconostoc.

Czasami stosowane są bakterie:

• Streptococcus (jedynie Streptococcus salivarius subsp. thermophilus, jako mikroflora kwasząca),

• Enterococcus,

• Pediococcus,

• Brevibacterium,

• Staphylococcus (wyłącznie Staphylococcus xylosus jako mikroflora uczestnicząca w procesie dojrzewania serów).

RODZAJE KULTUR STARTEROWYCH
JEDNOSZCZEPOWE (single-strain starter cultures) zawierają jeden szczep mikroorganizmów stosowane najczęściej jako mikroflora dodatkowa np. pojedyncze szczepy probiotyczne: Lb. casei subsp. paracasei, Lb. acidophilus, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium longum	JEDNOGATUNKOWE (single-species starter cultures) zawierają dwa lub więcej szczepów danego gatunku, dobranych m.in. pod względem optymalnej temperatury wzrostu I wzajemnej stymulacji wzrostu np. mezofilne kultury bakteryjne typu O (mieszanka szczepów Lc. lactis subsp. cremoris), pomocnicze kultury stosowane w serowarstwie (Brevibacterium linens, B. casei, Lb. rhamnosus, Lb. helveticus, Staphylococcus xylosus) kultury pleśni lub drożdży (Penicillium roqueforti, Penicillium candidum, Geotrichum candidum)	WIELOGATUNKOWE (multiple-species starter cultures) zawierają dwa lub więcej szczepów należących do różnych gatunków np. startery jogurtowe zawierające: Lb. delbrueckii subsp. bulgaricus Streptococcus salivarius subsp. thermophilus zapewniają wyższą oporność na fagi i szerszy zakres temperatury fermentacji

MEZOFILNE KULTURY STARTEROWE BAKTERII MLEKOWYCH Mogą to być hodowle jednoszczepowe, jednogatunkowe lub wielogatunkowe.

Optimum temperaturowe: od 18⁰C do 37⁰C,

Wyróżnia się 4 typy:

O - dawniej określany jako typ N, są to wyłącznie kwaszące paciorkowce mlekowe

Lc. lactis subsp. lactis,

Lc. lactis subsp. cremoris,

nie posiadają zdolności fermentowania cytrynianów, nie wytwarzają zatem substancji aromatycznych i CO₂, wykorzystywane są w produkcji: twarogów, serów wiejskich typu cottage cheese, serów podpuszczkowych

L - dawniej zwany typem N, powodują powolną fermentację cytrynianów z wytworzeniem niewielkich ilości substancji aromatycznych,

Lc. lactis subsp. lactis, Lc. lactis subsp. cremoris

oraz szczepy z rodzaju Leuconostoc tj.

Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris,

Leuconostoc lactis,

Leuconostoc mesenteroides subsp. dextranicum,

Leuconostoc mesenteroides subsp. mesenteroides

D - powoduje szybką fermentację mleka z wytworzeniem intensywnego aromatu i dużej ilości gazu dlatego stosowane są głównie do produkcji śmietany przeznaczonej na wyrób masła,

Lc. lactis subsp. lactis,

Lc. lactis subsp. cremoris,

Lc. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis,

DL - dawniej BD, szybko fermentują mleko z wytworzeniem aromatu i gazu, stosowane do otrzymywania większości fermentowanych produktów mleczarskich: masła, serów twarogowych, serów półtwardych typu holenderskiego,

Lc. lactis subsp. lactis,

Lc. lactis subsp. cremoris,

Lc. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis,

Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris,

Leuconostoc lactis,

Leuconostoc mesenteroides subsp. dextranicum,

Leuconostoc mesenteroides subsp. mesenteroides

W produkcji niektórych serów stosowane są startery jednoszczepowe lub jednogatunkowe wspomagające proces dojrzewania produktu np.

Brevibacterium lines	sery pielęgnowane na maź
Brevibacterium casei
Propionibacterium freudenreichii	tworzy oczka, sery typu szwajcarskiego

TERMOFILNE KULTURY STARTEROWE BAKTERII MLEKOWYCH

Zakres temperaturowy: do 30⁰C do 45⁰C,

Mogą to być hodowle jednogatunkowe np. monokultury

Lb. acidophilus

Lb. helveticus,

Bif. longum,

Bif. bifidum,

Bif. infantis

lub wielogatunkowe np. startery stosowane do produkcji jogurtów. Do termofilnych zalicza się także kultury zawierające

Ent. faecium,

Lb. delbrueckii subsp. lactis,

Lb. fermentum,

Lb. gasseri,

Lb. reuteri,

Lb. rhamnosus

Stanowią one mikroflorę wspomagającą dojrzewanie niektórych serów podpuszczkowych albo pełnią funkcję ochronną mlecznych napojów fermentowanych. Termofilne są także startery zawierające probiotyczne szczepy bakterii fermentacji mlekowej.

KULTURY KEFIROWE I KULTURY STARTEROWE DROŻDŻE

Kefir należy do napojów mlecznych fermentowanych wytwarzanych w wyniku mieszanej fermentacji mlekowo-alkoholowej, która zachodzi dzięki ziarnom kefirowym lub kulturom starterowym zawierającym mikroflorę zbliżoną w składzie do mikroflory ziaren kefirowych. Klasyczne grzybki kefirowe są coraz rzadziej stosowane w przemysłowej produkcji kefiru. Ziarna kefirowe są to konglomeraty (tzw. zlepieńce) wielkości 2-5cm. Tworzą je komórki drobnoustrojów, produkty ich autolizy, białko mleka i produkty jego proteolizy, węglowodany oraz polisacharydy wytwarzane przez obecne bakterie. W ich skład wchodzą

• homofermentatywne lub heterofermentatywne pałeczki rodzaju Lactobacillus

Lb. caucasicus,

Lb. desidosus,

Lb. brevis,

Lb. celebiosus,

Lb. casei,

Lb. casei subsp. alactosus,

• paciorkowce mlekowe Lactococcus i Leuconostoc

Lc. lactis subsp. lactis

Lc. lactis subsp. lactis biovar diacetylactis,

• oraz drożdże fermentujące laktozę

Candida kefir

C. pseudotropicalis

Bretanomyces anomalus

• i niefermentujące laktozy

Saccharomyces uvarum

S. carlsbergensis,

S. unisporus,

S. delbrueckii,

S. globosus,

Kluyveromyces lactis.

• bakterie fermentacji octowej Acetobacter.

Komercyjne kefirowe kultury starterowe zawierają

• pałeczki mlekowe:

Lb. brevis,

Lb. casei subsp. rhamnosus,

Lb. delbrueckii subsp. bulgaricus,

Lb. helveticus

• drożdże

Kluyveromyces marxianus subsp. marxianus,

Torulaspora delbrueckii,

Saccharomyces cerevisiae,

Candida kefir

• bakterie fermentacji octowej

Acetobacter aceti

Acetobacter rasens

Najczęściej są to hodowle wielogatunkowe. Niektóre startery serowarskie mogą zawierać drożdże gatunków

Geotrichum candidum,

Saccharomyces cerevisiae,

Debaryomyces Hansenie (Candida fermata),

Candida lipolytica (Yarrovia lipolytica)

Hodowle takie służą przyspieszeniu dojrzewania serów pleśniowych lub pielęgnowanych na maź albo pełnią funkcję ochronną serów przed rozwojem mikroflory niepożądanej.

KULTURY PLEŚNI

W produkcji serów z porostem lub przerostem pleśni wykorzystywane są przede wszystkim hodowle zawierające zarodniki pleśni szlachetnych rodzaju Penicillium

P. roqueforti,

P. candidum,

P. camamberti,

P. glaucum

Są one stosowane głównie w procesie dojrzewania serów, bowiem dzięki wysokiej aktywności proteolitycznej i lipolitycznej, nadają produktom charakterystyczny aromat, smak i konsystencję.

FORMA KULTUR STARTEROWYCH

• skoncentrowane liofilizowane

• skoncentrowane głęboko mrożone

• płynne

Skoncentrowane hodowle starterowe winny zawierać co najmniej 5×10⁹ komórek mikroorganizmów w 1g, zaś nieskoncentrowane kultury starterowe co najmniej 1×10⁸ j.t.k./g. Z praktyki wiadomo, że skoncentrowane hodowle zawierają co najmniej 10¹⁰-10¹² j.t.k./g. Silne skoncentrowane liofilizowane lub głęboko mrożone kultury starterowe przechowuje się w zamrażarce w temp. Poniżej -18⁰C (liofilizowane) lub poniżej -45⁰C (głęboko mrożone). Natomiast hodowle płynne przechowuje się w temp. Nie niższej niż 0⁰C i nie wyższej niż 10⁰C. Hodowle starterowe mogą służyć do bezpośredniego zaszczepiania mleka(tzw. DVS-direct VAT set) lub otrzymywania zakwasu (roboczego lub macierzystego), którym zaszczepia się mleko przerobowe.

Przyczyny stosowania kultur starterowych:

• pasteryzacja mleka przerobowego,

• zapoczątkowanie i przeprowadzenie prawidłowej fermentacji mlekowej,

• dążenie do poprawy higieny produkcji,

• ujednolicenie cech jakościowych produktów.

Obecne możliwe jest nawet sterowanie procesem fermentacji dzięki czemu uzyskujemy produkty o ściśle określonych cechach jakościowych np. produkty typu „mild” o łagodnym smaku. Zastosowanie starterów pozwala na tworzenie charakterystycznego smaku, zapachu i oczkowania oraz przeciwdziałanie wzrostowi na powierzchni serów obcej mikroflory, głównie pleśni.

Bakterie fermentacji mlekowej nie należą do typowych mikroorganizmów proteolitycznych, gdyż nie wytwarzają zewnątrzkomórkowych enzymów proteolitycznych. Wykorzystanie kazeiny przez LAB odbywa się przy udziale proteinaz zlokalizowanych w zewnętrznych warstwach ściany komórkowej bakterii. Dalszy rozkład (do peptydów) zachodzi przy udziale innych proteinaz umiejscowionych w błonie cytoplazmatycznej oraz cytoplazmie. Największą aktywność w tym zakresie wykazują

S. thermophilus,

Lc. lactis,

Lb. casei,

Lb. bulgaricus,

Lb. helveticus, a także

Lb. acidophilus.

Niewielkimi uzdolnieniami proteolitycznymi charakteryzują się bifidobakterie, pałeczki Lb. planterum oraz paciorkowce Lc. lactis.

Także zmiany lipolityczne zdeterminowane są rodzajem mikroflory kultur starterowych. Do syntezy tej grupy enzymów zdolne są pałeczki Lb. bulgaricus, Lb. helveticus, Lb. acidophilus, Lb. lactis, a także paciorkowce S. thermophilus. Wiadomo jednak, że pałeczki mlekowe wykazują słabą aktywność lipolityczną, natomiast paciorkowce (szczególnie S. thermophilus) charakteryzują się nieco silniejszą aktywnością rozkładu tłuszczu obecnego w mleku. Znacznie większą aktywność proteolityczną i lipolityczną wykazują pleśnie i drożdże. Zatem umiejętnie dobierając właściwe kultury starterowe można także wpływać na konsystencję mlecznych napojów fermentowanych. W tym celu wykorzystuje się zdolność niektórych LAB do wytwarzania polisacharydów otoczkowych (egzopolisacharydów, EPS).

OCHRONNE KULTURY STARTEROWE

Równocześnie z hodowlami tradycyjnymi istnieje możliwość stosowania starterów, które ułatwiają produkcję i wpływają korzystnie na trwałość otrzymanych fermentowanych produktów mleczarskich, zapobiegając rozwojowi mikroflory technicznie szkodliwej i/lub chorobotwórczej. W niektórych przypadkach mogą one pełnić funkcję kultur starterowych i ochronnych. Kultury ochronne dodaje się do mleka przerobowego jednocześnie wraz z kulturami starterowymi lub do gotowego produktu, w którym panują dobre warunki do wytwarzania substancji przeciwdrobnoustrojowych. Jako składniki w/w kultur wykorzystuje się LAB, spośród których wiele szczepów zdolnych jest do wytwarzania bakteriocyn oraz innych substancji antydrobnoustrojowych (kwasów organicznych, niskocząsteczkowych metabolitów, tj. nadtlenek wodoru, CO₂, diacetyl, acetoina, KT, alkohol, lizozym, laktoperkosydaza, reuteryna).

BAKTERIOCYNY - peptydy lub białka o właściwościach bakteriobójczych oraz bakteriostatycznych. Dzięki swej białkowej naturze są łatwo degradowane w układzie pokarmowym człowieka, w czym upatruje się ich bezpieczeństwo w stosowaniu. Bakteriocyny bakterii Gram (+) dzieli się na 4 klasy:

1. antybiotyki - peptydy o masie cząsteczkowej poniżej 5 kDa, zawierające w swojej cząsteczce tioeterowy aminokwas lantioninę, a czasem także 3-metylolantioninę. Są to substancje ciepło stabilne, o średnim i szerokim spektrum działania np. nizyna, laktycyny.

2. peptydowe bakteriocyny - małe, nielantybiotykowe peptydy, o masie cząsteczkowej poniżej 10kDa, ciepło stabilne, o średnim lub szerokim spektrum działania np. pediocyna AcH, sakacyna A, laktokokcyny,

3. białkowe bakteriocyny - nielantybiotykowe białka, ciepłolabilne, o masie cząsteczkowej ponad 10kDa, o wąskim spektrum działania, np. helwety cyna J, helwecyna J., kaseicyna 80.

4. Kompleksy białkowe, zawierające cząsteczkę cukru lub lipidu niezbędną do ich aktywności, ciepło stabilne, o średnim spektrum działania, np. leukonocyna S, pediocyna SJ-I.

Bakteriocyny różnią się pod względem:

• spektrum działania,

• masy cząsteczkowej,

• pochodzenia genetycznego,

• właściwości biochemicznych.

Zalety bakteriocyn:

• Dla przetwórstwa najważniejsze jest to, że większość bakteriocyn wykazuje dobrą termostabilność i może przetrzymać obróbkę cieplną.

• Niektóre z nich mogą działać w niskim pH i w niskiej temperaturze, więc mogą być użyteczne do bioochrony żywności fermentowanej, chłodniczo przechowywanej.

• Większość bakteriocyn wytwarzanych przez bakterie kwasu mlekowego wykazuje aktywność przeciw bakteriom Gram (+) innym niż ich producent. Związane jest to z tym, że większość bakteriocyn „rozpoznaje” anionowe receptory w błonie cytoplazmatycznej zwane cząsteczkami kotwiczącymi (ang. docking molecules)

Mechanizm działania bakteriocyn:

Zasada działania nie jest do końca poznana, wiadomo jednak, że bakteriocyny klasy I i II tworzą w błonie cytoplazmatycznej pory, przez które następuje szybki wypływ jonów i aminokwasów z wnętrza zaatakowanej komórki, w tym cząstek ATP, co dla tego mikroorganizmu oznacza śmierć. O efektywności działania bakteriocyn decyduje skład fosfolipidowy błony cytoplazmatycznej komórek. Bakterie Gram (+) posiadają kwasy lipotejchojowych, które mogą łączyć się z wybranymi bakteriocynami, co ułatwia działanie tych substancji na bakterie. Bakterie Gram (-) posiadają dodatkową błonę zewnętrzną błony cytoplazmatycznej, przez którą hydrofobowe bakteriocyny nie są w stanie przenikać. Błona zewnętrzna zbudowana jest z białek , fosfolipidów i lipo polisacharydu. Dlatego większość bakterii Gram (-) jest niewrażliwa na bakteriocyny bakterii mlekowych, chyba że wcześniej zostanie uszkodzona ich zewnętrzna błona chroniąca przed adsorpcją bakteriocyn. Służą do tego rozpuszczalniki tj. kwas etylenodiaminotetraoctowy (EDTA), kwas cytrynowy lub mlekowy.

Nie tylko bakterie mlekowe wytwarzają bakteriocyny. Jednak zdolność do produkcji tych substancji jest najczęściej spotykana właśnie u mikroorganizmów izolowanych z żywności fermentowanej, a wiadomo, że dominującą mikroflorą w takiej żywności są bakterie mlekowe. Zainteresowanie bakteriocynami wytwarzanymi przez bakterie mlekowe wynika właśnie z ich naturalnego występowania i aktywności przeciw niektórym istotnym bakteriom Gram (+) zanieczyszczającym i/lub patogennym występującym w żywności, takim jak Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus i Clostridium butyricum.

DIACETYL - wytwarzany jest podczas metabolizmu cytrynianów przez niektóre bakterie z rodzaju Lactoccocus, Leuconostoc i Pediococcus. Razem z acetaldehydem przyczynia się do wytworzenia właściwego smaku i zapachu produktów fermentowanych, ale również posiada niewielkie właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Acetaldehyd może hamować rozwój Escherichia coli, zaś diacetyl hamować wzrost drożdży oraz bakterii Gram (-) i Gram (+).

REUTERYNA - powstaje w warunkach beztlenowych w obecności gliceryny w wyniku działalności bezwzględnie homofermentatywnych bakterii mlekowych, tj. Lactobacillus reuterii. Wytwarzanie reuteryny zaobserwowano także u

Lb. brevis,

Lb. buchneri.

Lb. collinoides

Lb. corniformis.

Jej aktywność polega na hamowaniu reduktazy rybonukleotydowej, enzymu bardzo istotnego w syntezie bakteryjnego DNA. Tym samym hamująco działa na wzrost szerokiej gamy bakterii Gram (-) i Gram (+), drożdży i pleśni takich rodzajów jak:

Salmonella,

Shigella,

Clostridium,

Staphylococcus,

Listeria,

Candida,

Torulopsis,

Saccharomyces,

Saccharomycodes,

Aspergillus

Fusarium

Innym rodzajem niskocząsteczkowych substancji przeciwdrobnoustrojowych wytwarzanym przez bakterie mlekowe są małe hydrofobowe, heterocykliczne lub aromatyczne cząsteczki podobne dod względem struktury lub działania do kwasu benzoesowego. Są one aktywne w niskim pH i stabilne termicznie. Przykładem jest PCA (kwas piroglutaminowy), wytwarzany przez Lactobacillus rhamnosus GG, LC-705 i Shirota oraz Lb .reuterii.

Kultury starterowe umożliwiają

• kontrolę rozwoju n/w patogenów:

gram-dodatniej Listerii

drożdży,

pleśni,

heterofermentatywnych bakterii mlekowych rodzaju Leuconostoc,

enterokoków.

• ograniczenie stosowania chemicznych konserwantów

• zapobieganie powstawaniu mykotoksyn.

Lactobacillus	spowalnia rozwój wielu szczepów drożdży i pleśni hamuje wytwarzanie aflatoksyn przez A. flavus
Lb. casei subsp. rhamnosus + Propionibacterium freudenreichii subs. shermanie JS	hamuje rozwój drożdży w twarogach i jogurtach
Lb. paracasei subsp. paracasei + Propionibacterium jenseni	hamuje rozwój pleśni i drożdży na powierzchni produktów mleczarskich nawet podczas chłodniczego przechowywania
Lactococcus	wytwarza substancje przeciwbakteryjne i przeciwgrzybiczne

---