Dr inż. Jerzy Wajdzik

Wyroby mięsne są nie tylko źródłem składników odżywczych dla człowieka, lecz również doskonałym substratem dla rozwoju większości mikroorganizmów, które z jednej strony mogą stanowić zagrożenie zdrowotne, ale z drugiej wpływać na uzyskanie przez wyroby określonych cech.

Zalicza się do nich odpowiednie wyróżniki jakościowe a często także przedłużenie trwałości wyrobów. Aby drobnoustroje mogły spełniać pożyteczne technologicznie funkcje, ich rozwój powinien przebiegać w sposób w pełni kontrolowany i determinowany, powinien być przewidywanym rezultatem założenia technologicznego. Mikroorganizmy spełniające wymienione uwarunkowania działania określa się mianem kultur startowych, których rozwój prowadzi do wytworzenia przez nie pożądanych produktów swojego metabolizmu. Rola drobnoustrojów będących kulturami startowymi sprowadza się w praktyce do udziału w takim przetwarzaniu surowców, aby prowadziło ono do nadania wyrobom mięsnym odpowiednich cech sensorycznych i zwiększenia bezpieczeństwa oraz wpływu na przedłużenie trwałości. Wynikiem wydłużenia okresu trwałości wyrobów mięsnych jest skuteczne działanie metabolitów wytworzonych przez dodane kultury startowe na obecne w mięsie i jego przetworach drobnoustroje patogenne i niepożądane.
Do metabolitów, będących substancjami biogennymi wytwarzanymi przez mikroorganizmy, zalicza się przede wszystkim: bakteriocyny, kwasy organiczne, aldehydy, kwasy tłuszczowe, nadtlenek wodoru, reuterynę i lizozym. Z wymienionej grupy substancji biogennych najistotniejsze są bakteriocyny, które mogą być wykorzystywane w celu hamowania rozwoju obecnej w wyrobach mięsnych mikroflory patogennej, co poprawia ich bezpieczeństwo. Substancje te są istotnymi produktami metabolizmu bakterii, stanowiących kultury startowe. Należące do związków chemicznych o charakterze peptydowym a wytwarzane przez mikroorganizmy bakteriocyny powodują hamowanie rozwoju różnych szczepów drobnoustrojów. Z analizy mechanizmu powstawania bakteriocyn wynika, że są one syntetyzowane rybosomalnie lub wytwarzanie ich zachodzi pod kontrolą genów zlokalizowanych w DNA plazmidowym. W swoim działaniu substancje te najczęściej hamują wzrost blisko spokrewnionych gatunków drobnoustrojów przez liczne mechanizmy działania. Bakteriocyny, poprzez swój mechanizm działania bakteriobójczego, który jest identyczny jak w przypadku antybiotyków, wykazują skuteczność bójczą patogenów. Pod wieloma względami przewyższają jednak działanie i przydatność antybakteryjną antybiotyków.

Przejawia się to głównie:
– możliwością stosowania do żywności,
– bezpieczeństwem dla człowieka (trawione są przez proteazy w przewodzie pokarmowym),
– brakiem wytworzenia oporności przez patogeny (białkowa natura i mechanizm działania),
– działaniem w szerokim zakresie wartości pH,
– brakiem toksyczności,
– brakiem smaku, zapachu i barwy,
– dużą stabilnością termiczną.

KONSERWUJĄCE DZIAŁANIE PROCESU FERMENTACJI MLEKOWEJ

Wszystkie bakterie fermentacji mlekowej (LAB) produkujące kwas mlekowy wykazują właściwości konserwujące. Powstający w procesie fermentacji kwas mlekowy wpływa bowiem na poprawę efektu trwałościowego wyrobów mięsnych, co jest wynikiem obniżania wartości pH do poziomu, w którym niektóre niepożądane drobnoustroje (m.in. G-dodatnie bakterie psychrotrofowe) mają ograniczoną swoją funkcję życiową. Kwas mlekowy ma ponadto zdolność do samo estryfikacji i polimeryzacji w roztworach, co powoduje obniżenie dostępności wody niezbędnej do rozwoju i wzrostu niepożądanych drobnoustrojów. Wprowadzone do wyrobów laktobacillusy stają się jednak mikroflorą konkurencyjną prowadzącą często do opanowania środowiska, w którym się znajdują. Odbierają w ten sposób innym bakteriom, w tym również tym pożądanym substancje odżywcze i w efekcie hamują ich rozwój. Jednocześnie związane z ich działaniem obniżenie wartości pH a w rezultacie nie zawsze akceptowana zmiana wyróżników sensorycznych produktów ogranicza także szerokie ich zastosowanie, szczególnie to wykraczające znacząco poza grupę wyrobów dojrzewających.
Dodawane w ograniczonym stopniu do wyrobów mięsnych bakterie kwasu mlekowego w celu poprawy bezpieczeństwa i przedłużenia trwałości określa się technologicznie jako tzw. kultury ochronne a sam proces nazywa się wtedy biokonserwacją. Znajduje on w takiej formie zastosowanie w produkcji wyrobów niefermentowanych, gdzie zasadniczym celem dodatku tych bakterii jest polepszenie stabilności mikrobiologicznej, a nie, jak w przypadku wędlin surowych dojrzewających uzyskanie określonych cech sensorycznych i pożądanych wyróżników jakościowych. W praktyce jest jednak bardzo trudno precyzyjnie wytyczyć granice między kulturami startowymi a kulturami ochronnymi, ponieważ obydwa sposoby działania tych drobnoustrojów i wskutek tego uzyskiwane efekty nawzajem się przenikają. W biokonserwacji wykorzystuje się często zjawisko antagonizmu, polegające na tym, że wprowadzone, jako kultury ochronne drobnoustroje wytwarzają szereg substancji hamujących rozwój niepożądanych mikroorganizmów. Należą do nich, wyżej już wspomniany kwas mlekowy a ponadto nadtlenek wodoru, etanol, a także metabolity wtórne, w tym takie, jakimi są bakteriocyny.

BAKTERIOCYNY

Stosowanie bakteriocyn do konserwacji musi uwzględniać zawsze dwie podstawowe cechy tych substancji, a mianowicie:
– muszą one być nieszkodliwe dla człowieka,
– muszą poddawać się rozkładowi przez enzymy trawienne człowieka.

Istotne jest, że każda kumulacja bakteriocyn może niestety stanowić przyczynę zmian w składzie i w funkcjonowaniu mikroflory przewodu pokarmowego i dlatego należy odpowiednio stymulować ich spożywanie.
Większość bakteriocyn syntetyzowanych przez bakterie to małe, kationowe i termostabilne peptydy, których mechanizm działania oparty jest na permeabilizacji błony komórkowej drobnoustrojów. Aktywność przeciwdrobnoustrojowa bakteriocyn jest ponadto związana ze zdolnością do zakłócania przebiegu wielu procesów przebiegających w komórkach bakteryjnych. Substancje te mogą więc w ten sposób skutecznie hamować wzrost komórek szczepów bakterii blisko spokrewnionych, a nawet powstrzymywać rozwój przetrwalników bakteryjnych oraz wykazywać działanie fungistatyczne. Mechanizm działania bakteriocyn rozpoczyna się od ich wbudowania w błony komórkowe mikroorganizmów, a ich aktywność zależy od potencjału błony, wielkości por w błonach mikroorganizmów, powinowactwa bakteriocyn do lipidów i możliwości formowania por przez cząsteczki bakteriocyn. Częstą wadą bakteriocyn jest brak stabilności oraz zmienna aktywność w zależności od warunków fizycznych, chemicznych i biologicznych danego środowiska. Zmiana charakteru aktywności z biobójczej na biostatyczną zależy także w dużym stopniu od składu produktu.
W wyrobach zawierających znaczną ilość składników decydujących o ich alkalicznym odczynie (np. krew) biobójcza aktywność bakteriocyn jest niska. Wysoka aktywność bakteriostatyczna bakteriocyn jest natomiast obserwowana w wyrobach o niskich wartościach pH (wędliny surowe dojrzewające). Wrażliwość bakteriocyn zmienia się również w zależności od składu mikroflory obecnej w wyrobach oraz od stężenia związków chelatujących. W praktyce technologicznej za bezpieczne uważane jest stosowanie do żywności bakteriocyn syntetyzowanych przez szczepy bakterii fermentacji mlekowej, takich jak: Lactobacillus spp., Lactococcus spp., Pediococcus spp., Carnobacterium spp., czy Leuconostoc spp. Istotne znaczenie mają bakterie z rodzaju Carnobacterium wytwarzające kwas mlekowy i rozwijające się przy wartości pH wynoszącej 7-9 jednostek. W związku z faktem, że rosną one w środowisku dwutlenku węgla, w warunkach niskiej temperatury (od 2OC) oraz w warunkach beztlenowych stają się przydatne w celu zwiększenia trwałości wyrobów pakowanych. Szczepy z tego rodzaju (Carnobacterium divergens, Carnobacterium maltaromaticum) wytwarzają karnobakteryjne bakteriocyny hamujące rozwój chorobotwórczych bakterii Listeria monocytogenes. Obiecująco przedstawia się szczególnie wykorzystanie do biokonserwacji bakteriocyny zwanej piscikocyną wytwarzaną przez szczepy Carnobacterium maltaromaticum (dawniej Carnobacterium piscicola). Pewną przydatność do biokonserwacji mają również szczepy Enterococcus faecium, które produkują enterocynę. Rozwijają się one w zakresie temperatur 10-45OC, przy wartości pH = 4,5-5,6 oraz w obecności nawet 6,5% stężenia chlorku sodu. Dodatkowo wytwarzają działający konserwująco kwas mlekowy. Jednak ze względu na fakt, że bakterie z rodzaju Enterococcus w wielu przypadkach wykazują właściwości chorobotwórcze, a szczepy należące do gatunku Enterococcus faecium charakteryzują się dodatkowo niekorzystną zdolnością do dekarboksylacji aminokwasów i produkowania amin. Powoduje to, że szerokie wykorzystanie tych drobnoustrojów do biokonserwacji jest znacznie ograniczone. Stosować je można tylko pod pewnymi warunkami i w sposób bardzo wybiórczy. Wśród bakteriocyn największe znaczenie technologiczne posiada nizyna, a poza nią w mniejszym stopniu przydatne są: pediocyna, bawarycyna, piscikocyna, jensenina, kurvatycyna, laktycyna i sakacyna. Nizyna jest bakteriocyną produkowaną przez szczepy Lactococcus lactis i wywiera antydrobnoustrojową szeroką aktywność wobec bakterii G-dodatnich. Nie wykazuje natomiast właściwości typowo antybiotycznych wobec bakterii G-ujemnych oraz drożdży i grzybów. Jako biokonserwant nizyna używana może być natomiast do hamowania wzrostu bakteryjnych spor. Fizykochemiczne właściwości lizyny pozwalają jej na utrzymanie odpowiedniej struktury, stabilności i aktywności zarazem w wysokiej temperaturze jak i w niskiej wartości pH nawet przez długi czas. Z tego względu może być stosowana skutecznie w wyrobach pasteryzowanych, tyndalizowanych i sterylizowanych. Wymienione procesy termiczne znacznie zwiększają podatność bakteryjnych spor, w tym bakterii termofilnych (m.in. Bacillus stearothermophilus, Clostridium thermosaccharolyticum), na działanie niszczące nizyny. Substancja ta wykazując również skuteczność w wyrobach o niskiej wartości pH, (wędliny surowe dojrzewające) dodatkowo pozwala na obniżenie poziomu użycia środków peklujących. Mankamentem stosowania nizyny jest to, że niszczy ona tylko bakterie G-dodatnie, a nie hamuje rozwoju bakterii Escherichia coli, Salmonella, Campylobacter oraz Yersinia. Unieszkodliwia natomiast skutecznie drobnoustroje z rodzaju Bacillus, Clostridium
i w pewnych uwarunkowaniach szczepy Listeria. Stosowanie mieszaniny nizyny i kwasu propionowego daje dodatkowe wymierne efekty w zakresie biokonserwowania. Powoduje bowiem zahamowanie sporulacji (tworzenia endospor) grzybów strzępkowych, na rozwój których są narażone wędliny surowe dojrzewające. Za pomocą tak skomponowanej mieszaniny istnieje możliwość zahamowania rozwoju grzybów z rodzajów Aspergillus i Fusarium oraz wyeliminowanie używania kwasu sorbowego i sorbinianów, jako inhibitorów wzrostu grzybów. Nizyna nie wykazuje natomiast właściwości antydrobnoustrojowej skierowanej przeciwko drożdżom i stąd nie kształtuje negatywnie odchylenia profilu smakowego wędlin surowych dojrzewających. Zastosowanie nizyny w kombinacji z innymi substancjami antybakteryjnymi, jak np. z pediocyną (wytwarzaną przez szczepy Pediococcus acidilactici i Lactobacillus plantarum) lub z odpowiednimi technologicznymi obróbkami skutecznie hamuje rozwój bakterii z gatunku Listeria monocytogenes. Planując stosowanie nizyny, trzeba mieć na uwadze fakt, że istnieje niebezpieczeństwo zastosowania szczepów bakteryjnych wytwarzających tę bakteriocynę, które posiadają równocześnie zdolność syntezy enzymu nizynazy, rozkładającego nizynę, co ogranicza skuteczność biokonserwacyjną tej bakteriocyny.
Z grupy bakterii fermentacji mlekowej wytwarzających bakteriocyny należy jeszcze wymienić gatunek Lactobacillus sakei (wytwarza sakacynę) oraz Leuconostoc gelidum i Leuconostoc carnosum (wytwarzają leukocynę). Heterofermentatywne bakterie z rodzaju Leuconostoc, mimo że prowadzą do zmian jakościowych w mięsie (kwaśnienie), działają hamująco na rozwój Listeria monocytogenes. Aktywność w warunkach beztlenowych i już w temperaturze od 2OC pozwala na skuteczne wykorzystanie tych szczepów dla poprawy stanu mikrobiologicznego wyrobów pakowanych. Bakterie te można aplikować bezpośrednio na powierzchnię wyrobów przed ich zapakowaniem lub dodawać do solanek na etapie produkcji, względnie używać po wymieszaniu z solą lub mieszanką peklującą, wprowadzając je w takiej formie do farszu w fazie jego mieszania.
Niektóre bakterie fermentacji mlekowej wytwarzające bakteriocyny stają się antagonistami innych bakterii z grupy LAB. Szczepy Lactobacillus casei oddziałują hamująco na rozwój innych bakterii z rodzaju Lactobacillus spp. i Lactococcus spp. Na efekt działania szczepów Lactobacillus reuterii wrażliwość wykazuje 100% bakterii Lactococcus spp. i 50% Lactobacillus spp. Jednocześnie 100% bakterii Lactobacillus spp. i 100% bakterii Lactococcus spp. jest wrażliwych na działanie Lactococcus lactis. Znaczącą rolę w zakresie biokonserwacji wykazują szczepy Lactobacillus reuteri, które produkują reuterynę, skuteczną w zakresie hamowania rozwoju niektórych bakterii G-dodatnich, G-ujemnych a zarazem w stosunku do drożdży i grzybów. Działanie reuteryny w stosunku do grzybów jest jednak bardzo selektywne, a skuteczność jest uzależniona od temperatury. Przydatną cechą tej substancji jest natomiast hamujące działanie dotyczące wzrostu patogennych szczepów bakterii (m.in. Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Pseudomonas fluorescens, Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Bacillus subtilis). Wykorzystując zjawisko antagonizmu między szczepami bakterii z grupy LAB, należy mieć na uwadze fakt, że wszystkie te drobnoustroje jako swój metabolit produkują kwas mlekowy, który działając utrwalająco, zwiększa bezpieczeństwo żywieniowe wyrobów mięsnych.
Wiele bakterii z rodzaju Lactobacillus czy Pediococcus stosowanych jako kultury startowe w technologii produkcji wyrobów mięsnych wykazuje zdolność do wytwarzania bakteriocyn działających jednak antagonistycznie przeciwko szczepom probiotycznym, co w efekcie może powodować osłabienie właściwości prozdrowotnych wytwarzanych z ich udziałem surowych wyrobów dojrzewających.

PODSUMOWANIE

Pewną wadą najbardziej przydatnej do biokonserwacji nizyny oraz innych bakteriocyn syntetyzowanych przez bakterie G-dodatnie jest to, że są one aktywne antydrobnoustrojowo w wielu przypadkach tylko przeciw bakteriom G-dodatnim. Na trwałość wyrobów mięsnych rzutują jednak także bakterie G-ujemne jak choćby gatunki Aeromonas, Yersinia, Pseudomonas, Salmonella czy szczepy Escherichia coli. Pewnym rozwiązaniem niwelującym te ograniczenia w zakresie skuteczności jest wykorzystywanie bakteriocyny, wytwarzanej przez bakterie z rodziny Enterobacteriaceae, określanej terminem mikrocyna. Spełnia ona skuteczną rolę w ochronie produktów przed niekorzystnym działaniem bakterii G-ujemnych, co w rezultacie wpływa na poprawę ich jakości mikrobiologicznej i przedłużenie okresu przydatności do spożycia.
Skuteczność działania bakteriocyn ogranicza również ich charakter białkowy, co powoduje, że mogą być one podatne na inaktywujące działania proteolityczne. Za ich użyciem technologicznym przemawia natomiast oporność na wysokie temperatury i skrajne niskie wartości pH oraz wytrzymałość na niską temperaturę. Daje to przesłanki do stosowania tych substancji w produkcji fermentowanych wędlin dojrzewających, konserw oraz wyrobów utrwalanych przez zamrażanie. Potencjalną wadą związaną z wykorzystaniem bakteriocyn do biokonserwacji jest ponadto ich hydrofobowość, przez co mogą one powodować rozdział fazy tłuszczowej w wyrobach. Pomimo jednak swojej hydrofobowości, jako cząsteczki małych rozmiarów mogą łatwo dyfundować do fazy wodnej w produktach. Dokonujące się związanie bakteriocyn w wyrobie prowadzi do spadku ich aktywności, którą determinuje także nierównomierne rozprowadzenie w wyrobie, zła rozpuszczalność, wrażliwość na enzymy i sól, bądź inne składniki obecne w wyrobach. Wykorzystując bakteriocyny, należy uwzględnić fakt, że drobnoustroje teoretycznie podatne na ich działanie występują w dużej różnorodności i stąd wewnątrz jednego gatunku różne szczepy mogą wykazywać różne poziomy oporności, co rzutuje na efekt skutecznego działania bakteriocyn. Jednocześnie wewnątrz podatnych szczepów mogą wzrastać spontanicznie mutanty oporne na bakteriocyny.

Literatura:
– Anonim (2011): Bakteriocyny. Charakterystyka i zastosowanie. ,,Biotechnologia.pl”
– Czerwionka-Szaflarska M., Łoś-Rycharska E.(2011): Co należy wiedzieć o Lactobacillus reuteri? „Pediatria Polska” nr 4
– Ołdak A., Zielińska D. (2017): Bakteriocyny bakterii fermentacji mlekowej jako alternatywa antybiotyków. ,,Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej” nr 71
– Steinka I. (2009): Innowacje technologiczne a bezpieczeństwo żywności. ,,Annales Academiae Medicae Gedanesis” nr 19
– Wajdzik J. (2020): Kultury startowe jako dodatki funkcjonalne. ,,Ogólnopolski Informator Masarski” nr 8