Роль микроорганизмов в биотехнологии кисломолочных продуктов и препаратов

Биотехнологический процесс кисломолочных продуктов и препаратов представляет собой сложную цепь химических и энзиматических превращений, состоящую из следующих основных этапов: сбраживание углеводов (в молоке - лактозы) с образованием молочной или других кислот, ферментов, витаминов, ароматических соединений (ацетоина, диацетила), антибиотических веществ и других продуктов метаболизма микроорганизмов. Развитие биотехнологии невозможно без глубокого изучения свойств бактерий и совершенствования методов их использования для получения готовой продукции стабильного качества и безопасной для потребления.

Производство кисломолочных продуктов и препаратов основано на использовании заквасок (традиционных и прямого внесения), бактериальных концентратов и монокультур, включающих в своём составе микроорганизмы различных видов. Превращение исходного и сырья в конечный продукт в биотехнологическом производстве не является результатом действия какого-либо одного штамма бактерий, а есть результат последовательного действия микробиологических популяций, которые за определенный период времени изменяют исходное сырье.

Видовой и штаммовый состав используемой микрофлоры очень разнообразен: мезофильные лактококки, термофильные стрептококки, лактобациллы, бифидобактерии. Вовлечение в производство микроорганизмов различных видов можно объяснить тем, что учёные стремятся стабилизировать протекание технологического процесса получения продуктов с заданными показателями качества и безопасности; усилить пробиотические свойства за счёт биологически активных веществ, синтезируемых специально подобранными штаммами бактерий; улучшить органолептические показатели продуктов; ускорить процесс и повысить их биологическую ценность; расширить ассортимент.

Микроорганизмы в биотехнологических процессах выполняют следующие основные функции: изменяют физико-химические показатели исходного сырья; осуществляют биохимические превращения исходных компонентов в соединения, обуславливающие органолептические показатели кисломолочных продуктов; их пищевую, в том числе и биологическую ценность; пробиотические свойства; ингибирование развития технически вредной и патогенной микрофлоры. Причем каждый вид и штамм бактерий, участвующий в биотехнологическом процессе выполняет определенную функцию.

Следует отметить, что в основе биотехнологических процессов лежит целенаправленное создание наиболее благоприятных условий развития полезных бактерий, вносимых в питательную среду (молоко, сыворотку, комбинированные смеси на молочной основе, питательные среды стандартного состава и т.п.), и продуцирующих продукты метаболизма, что способствует получению готовой продукции с заданным комплексом показателей.

Традиционные кисломолочные продукты, такие как творог, сметана, ряженка, простокваша и др. вырабатываются с применением мезофильных молочнокислых бактерий (Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetilactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris) и термофильных молочнокислых стрептококков. Эти продукты обладают диетическими свойствами и в основном выступают в роли поставшиков питательных веществ, хорошо усвояемых организмом человека. Среди кисломолочных продуктов, выпускаемых с давних пор, наиболее выраженным пробиотическим действием обладают продукты, содержащие термофильные молочнокислые палочки (Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus). В нашей стране имеется большой ассортимент кисломолочных продуктов с использованием ацидофильных бактерий. Это такие продукты как ацидофилин, ацидофильное молоко, ацидофильная паста и др., но в них в процессе хранения очень быстро нарастает титруемая кислотность, изменяются органолептические показатели. Болгарская палочка широко используется для получения продуктов в Болгарии и в других странах, но данный вид бактерий также обладает высоким пределом кислотообразования. Способность к интенсивному кислотообразованию у отечественных штаммов ацидофильных бактерий и культур болгарской палочки является сдерживающим фактором промышленного производства кисломолочных продуктов на основе этих культур. Полезные свойства культур ацидофильных бактерий и болгарской палочки стали стимулом для получения продуктов, в которых используются сочетания лактобацилл с термофильным молочнокислым стрептококком, так называемые симбиотические закваски. Термофильный молочнокислый стрептококк обладает низким пределом кислотообразования и использование его при производстве кисломолочных продуктов не приводит к большому нарастанию кислотности в продукте. Наибольшей популярностью у населения среди этой группы продуктов пользуются простокваша «Мечниковская» и классический йогурт, для производства которых применяют закваски, состоящие из культур болгарской палочки и термофильного стрептококка.

Бифидобактерии являются доминирующими представителями полезной микрофлоры, поэтому всё большее внимание уделяется разработке и производству кисломолочных продуктов с бифидобактериями. Применение бифидобактерий в качестве заквасочных культур в биотехнологии кисломолочных продуктов открыло большие перспективы в повышении биологической ценности молочных продуктов.

В молоке, сквашенном бифидобактериями, на долю незаменимых аминокислот приходится 40%, в большом количестве накапливаются лизин, аргинин, глютаминовая кислота, валин, метионин, лейцин, тирозин.

Однако, использование бифидобактерий в молочной отрасли сопряжено с определенными трудностями, так как они являются строгими анаэробами, плохо развиваются в молоке, обладают довольно низкой протеолитической и фосфатазной активностью. Отсутствие штаммов бифидобактерий, способных более активно развиваться в молоке, а также время на разработку технологических приёмов, способствующих более интенсивному развитию бифидобактерий, замедлили их внедрение в молочную промышленность. Тем не менее, ассортимент бифидосодержаших кисломолочных продуктов с каждым годом стремительно увеличивается и это связано с увеличением заинтересованности потребителей в продуктах, благоприятно влияющих им здоровье человека.

Получение готовых продуктов с заданным комплексом свойств во многом определяется составом и свойствами применяемых микроорганизмов. В этой связи необходимо постоянно выделять новые штаммы и проводить подбор культур микроорганизмов в соответствии с определенными требованиями, характеризирующими их технологичность, а также свойства, обуславливающие их лечебное действие.

К основным свойствам промышленно-ценных штаммов относят: способность хорошо развиваться на питательных средах и накапливать высокое количество клеток, активность сквашивания (способность образовывать сгусток на молоке за определенный период времени), энергию и предел кислотообразования, влагоудерживающую способность сгустка, устойчивость к бактериофагам, способность формировать органолептические свойства.

Одним из важнейших свойств различных видов молочнокислых бактерий является их возможность ферментировать молочный сахар - лактозу с образованием молочной кислоты (гомоферментативное брожение) или молочной кислоты, ароматических веществ, углекислого газа и других ценных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (гетероферментативное брожение). Процессы гомо- и гетероферментативного брожения зависят от вида культур, включаемых в состав заквасок и бактериальных концентратов. При этом молочнокислые бактерии снижают pH, что ведёт к образованию сгустка в молоке; обуславливают органолептические свойства продукта (вкус, запах, аромат и консистенцию) и биологическую ценность продукта. В отличие от молочнокислых бактерий бифидобактерии образуют сгусток в молоке через более длительное время. Некоторые авторы сообщают, что биохимическая активность бифидобактерий в молоке или в других питательных средах зависит от вида и свойств конкретного штамма.

Исследования по использованию бифидобактерий для молочных продуктов продолжаются. Ученые идут различными путями: выделяют новые штаммы бифидобактерий; получают кислородоустойчивые штаммы бифидобактерий; подбирают и разрабатывают специальные стимуляторы роста бифидобактерий в молоке; вносят фермент β-галактозидазу, расщепляющий лактозу; создают бактериальные концентраты, которыми можно обогащать уже готовые кисломолочные продукты. Большое распространение получило направление по использованию бифидобактерий в сочетании с молочнокислыми бактериями.

Другим важным свойством молочнокислых бактерий является их способность продуцировать ароматические вещества, что придает продуктам специфический вкус и аромат. Формирование вкуса и аромата во многом зависит не только от вида применяемых бактерий в составе заквасок, но и от свойств конкретного штамма. В создании вкуса кисломолочных продуктов принимает целый ряд веществ: диацетил, ацетоин, летучие кислоты, диоксид углерода, некоторые эфиры, ацетальдегид и другие продукты метаболизма молочнокислых ароматобразующих бактерий. Основными продуктами брожения, связанными с образованием аромата, продуцируемыми ароматообразующими лактококками является диацетил, ацетоин и 2,3- бутиленгликоль. Они находятся в тесном родстве друг с другом. Диацетил и ацетоин образуются параллельно, при этом преобладает ацетоин. Наличие большей части ацетоина объясняется тем, что фермент (коэнзим А), необходимый для образования диацетила, имеется в ограниченном количестве. Культуры Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetilactis способны образовывать диацетил только при наличии лимонной кислоты. Поэтому одним из важнейших факторов, который влияет на ароматообразование молочнокислых бактерий, является состав молока и, в частности, наличие в нём определённого количества лимоннокислых солей (цитратов).

При производстве кисломолочных продуктов довольно часто наблюдается невыраженность вкуса из-за отсутствия аромата. При создании заквасок для кисломолочных продуктов, органолептические показатели которых формируются при участии молочнокислых ароматообразующих бактерий, следует отбирать штаммы, наиболее стабильно продуцирующие ароматические вещества.

Таким образом, виды и штаммы бактерий, из которых создаются закваски, являются одним из важных факторов, определяющих качество и безопасность кисломолочных продуктов и препаратов с пробиотическими свойствами.