Dr inż. Jerzy Wajdzik

Wyroby mięsne są nie tylko dobrym źródłem składników odżywczych dla człowieka, lecz również doskonałym substratem dla rozwoju większości mikroorganizmów, które nie zawsze stanowią zagrożenie zdrowotne. Obecność drobnoustrojów, będąca wynikiem ich wzrostu w warunkach kontrolowanych, wykorzystywana jest technologicznie do uzyskania produktów o charakterystycznych i pożądanych przez konsumenta cechach oraz często także wyrobów o przedłużonej trwałości. Drobnoustroje wykorzystywane w technologicznie zakładany oraz w pełni kontrolowany sposób określane są terminem kultur startowych i pełnią rolę specyficznych dodatków funkcjonalnych.

Z technologicznego punktu widzenia mianem kultury startowej określa się preparaty zawierające żywe mikroorganizmy, które są technologicznie stosowane w warunkach prowadzących do wytworzenia produktów swojego metabolizmu. W praktyce technologicznej, preparaty te, mogą składać się z bliżej nieokreślonej mieszanki szczepów bądź mogą je stanowić wyhodowane i ściśle zdefiniowane szczepy lub mieszanki pojedynczych wyizolowanych szczepów. W przetwórstwie mięsa zdecydowanie częściej wykorzystuje się kultury zawierające mikroorganizmy w określonej ilości i w ściśle zdefiniowanym rodzaju. Specyficzną grupę drobnoustrojów stosowanych w postaci kultur startowych stanowią także mikroorganizmy probiotyczne, które poza funkcją technologiczną, stabilizują w układzie pokarmowym człowieka mikroflorę wewnątrz jelitową, działają antagonistycznie
w stosunku do patogenów oraz chronią organizm człowieka przed zaburzeniami trawiennymi.
Wykorzystywanie kultur startowych w przetwórstwie mięsa sprowadza się do uzyskania dwóch zasadniczych efektów:
wytwarzania przez drobnoustroje pożądanych metabolitów, przetwarzania surowców w celu nadania im odpowiednich cech sensorycznych lub/i przedłużenia trwałości.

W zależności od roli, jaką pełnią kultury startowe w wyrobach mięsnych można je podzielić na kilka grup:

  • kultury zakwaszające, wytwarzające na drodze fermentacji kwas mlekowy,
  • kultury wspomagające proces peklowania oraz stabilizujące barwę wyrobów peklowanych,
  • kultury aromatyzujące wyroby mięsne,
  • kultury stabilizujące mikrobiologicznie wyroby, co wpływa na przedłużenie ich trwałości.

 

DROBNOUSTROJE KSZTAŁTUJĄCE JAKOŚĆ WYROBÓW MIĘSNYCH

Zakwaszające kultury startowe

Do grupy zakwaszających kultur startowych należą bakterie fermentacji mlekowej, które są określane terminem LAB (Lactic Acid Bacteria). Wspólną cechą drobnoustrojów z tej grupy jest zdolność otrzymywania energii z cukrów z równoczesnym wytwarzaniem kwasu mlekowego, jako głównego lub jednego z głównych związków (metabolitów) ich przemiany materii. Ze względu na produkowanie metabolitów drobnoustroje te dzielą się na homo- (wytwarzające główny metabolit w postaci kwasu mlekowego) i heterofermentatywne (wytwarzające poza kwasem mlekowym również inne związki). W praktyce produkcyjnej dotyczącej wytwarzania wędlin surowych dojrzewających wykorzystywane są przede wszystkim bakterie LAB z rodzaju Lactobacillus i Pediococcus. Dokonująca się w tych wędlinach fermentacja mlekowa zachodzi pod wpływem działania wymienionych bakterii, które powodując rozkład węglowodanów, prowadzą do powstawania kwasu mlekowego, co prowadzi do obniżenia wartości pH masy wędlinowej do poziomu 4,9-5,3. Warunki takie hamując rozwój mikroflory gnilnej, działają ochronnie na wyroby, a zarazem nadają im charakterystyczny smak i zapach. Charakterystyka wytworzonych sensorycznych wyróżników zależy także od tworzenia się, poza kwasem mlekowym, wielu innych produktów, będących efektem działania heterofermentatywnych lub względnie heterofermentatywnych bakterii fermentacji mlekowej. W procesach takich powstają w różnej proporcji ilościowej następujące substancje: kwas octowy, kwas mrówkowy, kwas propionowy, kwas pirogronowy, alkohole.
Dobór odpowiedniego rodzaju szczepów bakterii fermentacji mlekowej jest uwarunkowany zakładanym efektem technologicznym, który osiąga się przez stosowanie optymalnych warunków przebiegu procesu dojrzewania. W przypadku prowadzenia procesu w niskich temperaturach, a zarazem w środowisku o dużym stężeniem soli (np. produkcja wędzonek dojrzewających) najbardziej przydatne są szczepy bakteryjne, które wykazują aktywność w temperaturze poniżej 5°C oraz charakteryzują się wysoką tolerancją na sól. Należą do nich m.in. szczepy Lactobacillus pentosus, które wykazują aktywność już w temperaturze 2°C, chociaż ich intensywny wzrost następuje dopiero powyżej 15°C. Te względne beztlenowce wytwarzają kwas mlekowy w wyniku fermentowania wielu różnych cukrów (glukoza, fruktoza, maltoza, laktoza, sacharoza). Proces fermentacji zachodzący przez pierwsze 2-3 dni dojrzewania kiełbas surowych należy zawsze ściśle skorelować z optymalnymi warunkami wzrostu dodanych w postaci kultur startowych szczepów bakteryjnych. Stosowanie temperatury fermentacji w zakresie 22-26°C umożliwia optymalny rozwój szczepów Lactobacillus sakei i Lactobacillus curvatus. Te względnie heterofermentatywne szczepy produkują głównie kwas mlekowy, ale także w pewnych warunkach i w małych ilościach wytwarzają inne substancje. Z kolei prowadząc fermentację z wykorzystaniem szczepów Lactobacillus plantarum, Lactobacillus pentosus a szczególnie Pediococcus pentosaceus, względnie Pediococcus acidilactici, należy zastosować temperaturę środowiska w zakresie 26-30°C, co sprzyja skutecznemu i szybkiemu namnażaniu się wymienionych drobnoustrojów. W rezultacie uzyskuje się wtedy szybkie zakwaszenie jako efekt powstającego kwasu mlekowego a w przypadku procesów heterofermentacyjnych (np. stosowania niektórych szczepów bakterii z rodzaju Pediococcus) dodatkowo zainicjowanie powstawania pełnego i pożądanego bukietu smakowo-zapachowego. Szczególnie szybkie obniżenie wartości pH powodują szczepy Lactobacillus pentosus i Lactobacillus plantarum, które dają przy tym intensywny smak i zapach. Do produkcji kiełbas surowych o krótkim cyklu produkcji przydatne jako kultury startowe są szczepy Lactobacillus curvatus oraz Lactobacillus sakei, które fermentują glukozę i fruktozę. Również analogiczną przydatność technologiczną wykazują szczepy Lactobacillus casei powodujące homofermentację glukozy, w wyniku czego powstaje kwas mlekowy. Szczepy Pediococcus pentosaceus nadają się natomiast do produkcji kiełbas dojrzewających o relatywnie wysokiej wartości pH, co wynika z faktu, że drobnoustroje te dają tylko lekkie zakwaszenie wytwarzanych wyrobów.

Doboru poszczególnych zakwaszających szczepów bakteryjnych należy dokonać zawsze w oparciu o następujące kryteria:

  • zakładane warunki temperaturowe prowadzenia pierwszej fazy dojrzewania (fermentacji),
  • zawartość soli w surowcu,
  • fizyczne właściwości dobieranej kultury bakteryjnej i poziomu przewidywanego szczepienia,
  • rodzaj i ilość dodanych cukrów,
  • zakładany poziom stopnia zakwaszenia (wartość pH) i tempo jego osiągania,
  • zanieczyszczenie mikrobiologiczne surowca użytego do produkcji,
  • zakładane cechy sensoryczne wyrobu gotowego.

 

Kultury startowe wspomagające peklowanie, stabilizujące barwę i aromatyzujące

W procesie fermentacji mlekowej powstaje często niekorzystny dla stabilności barwy peklowniczej i trwałości przechowalniczej wyrobów surowych dojrzewających, nadtlenek wodoru, stąd występuje potrzeba wyeliminowania tego związku. W tym celu do surowca, jako kultury startowe, wprowadza się bakterie katalazo-dodatnie, które produkując katalazę, rozkładają niekorzystny H2O2. Bakteriami tego typu są szczepy z rodzaju Staphylococcus (Staphylococcus carnosus, Staphylococcus xylosus) oraz bakterie z rodzaju Kocuria (Kocuria varians). Drobnoustroje te wytwarzają ponadto enzym, zwany reduktazą azotanową, który redukuje azotany do azotynów i w ten sposób wpływa pozytywnie na barwotwórczą efektywność procesu peklowania. Bakterie te wykazują dodatkowo właściwości lipolityczne i proteolityczne, co w efekcie kształtuje smak i zapach peklowanych wyrobów surowych dojrzewających. Bakterie z rodzaju Staphylococcus, które są względnymi beztlenowcami rozwijają się w środowisku począwszy już od temperatury 10°C (optimum ok. 30°C). Dodatkowym atutem tych drobnoustrojów jest również fakt, że w minimalnym stopniu fermentują cukry (glukoza, fruktoza, sacharoza, laktoza), co wspomaga proces zakwaszania dokonujący się przy udziale drobnoustrojów fermentacji mlekowej. Szczepy Staphylococcus carnosus sprawdzają się w produkcji wędzonek dojrzewających, ponieważ wykazują aktywność w niskiej temperaturze i tolerują wysokie stężenie soli. Dla uzyskania dobrej jakości wędlin surowych dojrzewających bardzo cenne są szczepy Kocuria varians, które dla swojego rozwoju potrzebują tlen. Z tego względu w batonach kiełbas gromadzą się w ich warstwach zewnętrznych i w ten sposób stabilizują wyroby, zapobiegając niekorzystnym odbarwieniom ich warstw obrzeżnych w czasie długiego dojrzewania. Jednak ze względu na wrażliwość tych drobnoustrojów na środowisko kwaśne są one najbardziej przydatne w produkcji wędlin surowych niewędzonych oraz wędlin charakteryzujących się relatywnie małym zakwaszeniem.
Dodatkiem funkcjonalnym stosowanym w postaci kultur startowych w produkcji wędlin surowych dojrzewających mogą być również drożdże z rodzaju Debaryomyces (np. Debaryomyces hansenii), które wpływają na powstawanie specyficznego aromatu tych wyrobów. Rozwijając się zużywają tlen i w ten sposób oddziałują skutecznie na stabilizowanie barwy peklowniczej. Dodatkowo hamują procesy oksydacyjne w tłuszczach, rozkładając niekorzystne nadtlenki. Drożdże skutecznie zabezpieczają powierzchnie peklowanych wędzonek surowych przed niekorzystnymi odbarwieniami. Istotny dla ich wykorzystania technologicznego jest fakt, że rozwijają się przy niskiej aktywności wody oraz przy dużym zasoleniu, tolerując jednocześnie niską wartość pH.
W produkcji kiełbas surowych dojrzewających powierzchniowo, jako kultury startowe wykorzystuje się będące tlenowcami pleśnie (szczepy Penicillium nalgiovense), które poza oddziaływaniem na wyróżniki aromatyczne, zmniejszają negatywny wpływ tlenu na wyroby, co jest rezultatem destrukcyjnego ich działania prowadzącego do rozkładu nadtlenków. W kształtowaniu smakowitości wyrobów cenne są natomiast lipolityczne i proteolityczne właściwości pleśni. Technologicznie znaczący technologicznie jest również fakt, że drobnoustroje te działają w niskich wartościach pH. Pokrywając porostem powierzchnię batonów kiełbas nie dopuszczają do wzrostu na niej niepożądanych mikroorganizmów (drożdże, bakterie, dzikie pleśnie). Powstający na batonach porost pleśni podczas suszenia zabezpiecza skutecznie wyroby przed nadmierną i nierównomierną ususzką. Tworząca się powierzchniowa powłoka pleśniowa w początkowej fazie dojrzewania wpływa z kolei na zmniejszenie ilości powstającego wskutek fermentacji kwasu mlekowego, co w konsekwencji prowadzi do uzyskania przez wyroby wyższej wartości pH, a kiełbasy nabierają wtedy kwaśnego, ale łagodniejszego smaku i zapachu. Wyroby z porostem pleśni uzyskują w rezultacie dużą trwałość przechowalniczą przy jednoczesnym mniejszym stopniu odwodnienia.

 

Komponowanie kultur startowych

Ze względu na wymagania produkcyjne w zakresie wytwarzania wędlin surowych dojrzewających, kultury startowe przygotowane są w postaci liofilizowanej, jako pojedyncze szczepy drobnoustrojów lub jako kompozycje dwóch lub trzech różnych szczepów bakterii. Jako pojedyncze kultury startowe stosuje się głównie drożdże (Debaryomyces hensenii) oraz pleśnie (Penicillium nalgiovense). Do kultur bakteryjnych wykorzystywanych w postaci pojedynczych szczepów (Staphylococcus carnosus, Staphylococcus xylosus) należą głównie te, które są stosowane w celu intensyfikacji barwy peklowniczej i jej stabilizowania oraz dla poprawy smakowitości wyrobów. Kultury tego typu przeznaczane są także do produkcji wędlin surowych miękkich, wędlin dojrzewających, w produkcji których zakłada się współpracę drobnoustrojów z chemicznymi środkami zakwaszającymi oraz w produkcji niektórych wędlin parzonych w celu stabilizowania ich barwy. Pojedynczy szczep Lactobacillus sakei stanowić może kulturę startową, która ma zdolność do powstrzymywania wzrostu bakterii patogennych, w tym Listeria monocytogenes oraz bakterii gnilnych i konkurencyjnych bakterii kwasu mlekowego. Kulturę tą zaleca się jako dodatek funkcjonalny przedłużający trwałość surowych wyrobów mięsnych a szczególnie tych pakowanych w systemie VAC i MAP. Produkowany przez szczep Lactobacillus sakei w niewielkich ilościach kwas mlekowy ujednolica wartość pH wyrobów, co ogranicza występowanie dużego, nieakceptowanego poza wyrobami dojrzewającymi, zakwaszenia. Cecha ta sprawia, że bakterie te są przydatne do wykorzystania w celu przedłużania trwałości wielu wyrobów, w tym także tych obrabianych termicznie. Atutem funkcjonalnym bakterii Lactobacillus sakei jest ich działanie w szerokim zakresie temperatury środowiska (aktywność już w temperaturze 2°C, przeżywają zamrożenie) i brak możliwości fermentowania laktozy. Cukier ten w takich uwarunkowaniach można wtedy używać jako dodatek słodzący bez niekorzystnego efektu zakwaszającego. Kulturę startową, zawierającą pojedynczy szczep Pediococcus acidilactici można natomiast z powodzeniem stosować do wyrobów poddawanych fermentacji w wysokich temperaturach.
W praktyce produkcyjnej, związanej z wytwarzaniem surowych wędlin fermentowanych, najkorzystniej jest wykorzystywać jednak jako dodatki funkcjonalne określone kompozycje szczepów bakteryjnych, stanowiących kultury startowe. Ze względu na technologiczną przydatność kompozycje bakteryjnych kultur startowych można podzielić na przeznaczone do szybkiego zakwaszania oraz na przeznaczone do łagodnego i powolnego zakwaszania. Te drugie są skierowane do kiełbas surowych długo dojrzewających oraz wędzonek dojrzewających. Złożone kompozycje kultur zawierają najczęściej bakterie fermentacji mlekowej (Lactobacillus curvatus, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus pentosus, Pediococcus pentosaceus, Lactobacillus sakei oraz bakterie z rodzaju Staphylococcus (Staphylococcus carnosus, Staphylococcus xylosus lub z rodzaju Kocuria (Kocuria varians) optymalnie dobrane w celu uzyskania założonego efektu technologicznego, stymulowanego poprzez odpowiedni dobór rodzaju i ilości cukrów oraz zaprogramowanych warunków prowadzenia procesu dojrzewania (temperatura, czas, wędzenie).

 

KONSERWUJĄCE DZIAŁANIE KULTUR STARTOWYCH

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(+) bakterie psychotrofowe) 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 tzw. mikroflorą konkurencyjną prowadzącą często do opanowania środowiska, w którym się znajdują. Odbierają w ten sposób innym bakteriom (również pożądanym) substancje odżywcze i w efekcie hamują ich rozwój. Jednocześnie związane z ich działaniem obniżenie wartości pH i w rezultacie nie zawsze akceptowana zmiana wyróżników sensorycznych produktów ogranicza jednak ich szerokie zastosowanie, wykraczające poza grupę wyrobów dojrzewających.
Dodawane w ograniczonym stopniu do wyrobów mięsnych bakterie kwasu mlekowego w celu 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 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 jak antybiotyki i bakteriocyny. Bakteriocyny oraz związki o charakterze bakteriocyn wytwarzają niektóre bakterie z grupy bakterii fermentacji mlekowej wykorzystywanych technologicznie w przemyśle mięsnym.

Należą do nich:

  • Pediococcus acidilactici i Lactobacillus plantarum – wytwarzające pediocynę,
  • Lactobacillus sakei – wytwarzający sakacynę,
  • Leuconostoc gelidum i Leuconostoc carnosum – wytwarzające 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 2°C pozwala na skuteczne wykorzystanie tych szczepów dla poprawy stanu mikrobiologicznego wyrobów pakowanych. Bakterie te można wprowadzać bezpośrednio na powierzchnię wyrobów przed ich zapakowaniem lub dodając do solanek na etapie produkcji, względnie po wymieszaniu z solą lub mieszanką peklującą, wprowadzając do farszu w fazie jego mieszania. Jako kultury ochronne wytwarzające bakteriocyny wykorzystywać można także bakterie Carnobacterium piscicola, które mogą rozwijać się w środowisku, począwszy od 2°C i wytwarzać piscikocynę. Pewną przydatność do biokonserwacji mają także szczepy Enterococcus faecium, które produkują bakteriocynę, zwaną enterocyną. Szczepy te należą do rodzaju Enterococcus, którego przedstawiciele rosną w zakresie temperatur 10-45°C, przy wartości pH = 4,5-5,6 oraz w obecności nawet 6,5% stężenia NaCl. Dodatkowo fermentując cukry, bakterie te (np. E. faecium) wytwarzają działający konserwująco kwas mlekowy. Ze względu jednak na fakt, że drobnoustroje z rodzaju Enterococcus w wielu przypadkach destrukcyjnie działają na tkanki organizmu człowieka, a także wykazują właściwości chorobotwórcze, szerokie wykorzystanie tych bakterii jest ograniczone. Stosować można je jedynie tylko pod pewnymi warunkami i w sposób bardzo wybiórczy. Zjawisko występowania antagonizmu wśród niektórych drobnoustrojów daje podstawy do twierdzenia, że antagonistami niebezpiecznych szczepów Clostridium botulinum i Staphylococcus aureus są bakterie z rodzaju Lactobacillus, Leuconostoc i Enterococcus. Z kolei antagonistą chorobotwórczych bakterii Salmonella są drobnoustroje z rodzaju Lactobacillus i Pediococcus.

Literatura
Erkes M. (2004): Weitere Hűrde fűr mehr Sicherheit. ,,Fleischwirtschaft” nr 1
Kołodziej J. (2005): Przedłużenie trwałości mięsa za pomocą kwasu mlekowego. ,,Gospodarka Mięsna” nr 10
Kowalski Z. (1995): Konserwowanie mięsa i produktów mięsnych. ,,Gospodarka Mięsna” nr 11
Sip A., Krasowska M., Więckowicz M. (2005): Zastosowanie bakteriocyn klasy II a bakterii fermentacji mlekowej. ,,Biotechnologia” nr 3
Trojanowska K. (1995): Mikroorganizmy w żywności. Sojusznicy czy wrogowie? Wykład publiczny P.T. TŻ- Oddział Wielkopolski – AR Poznań
Wajdzik J. (2018): Technologiczne uwarunkowania powstawania odchyleń jakościowych wyrobów mięsnych. PHU Gemini – Racibórz