Заквасочные культуры для молочной промышленности

Заквасочные культуры — это те микроорганизмы, которые используются в производстве кисломолочных продуктов, таких как, йогурт, кефир, сметана и сыр. Организмы, выбранные для этой цели, должны производить желаемый эффект в готовом продукте. Закваски представляют собой группу активных и желательных микроорганизмов, способных вызывать желательные изменения в молочном продукте в процессе ферментации. Это тщательно отобранные микроорганизмы, которые преднамеренно добавляются в молоко, чтобы инициировать («Старт») и осуществить желаемое брожение при производстве кисломолочных продуктов. Другими словами, закваски вызывают определенные изменения во внешнем виде, теле, текстуре и вкусе.

Характеристики конечных продуктов

Естественная микрофлора молока неэффективна, неконтролируема и непредсказуема или полностью уничтожается термической обработкой молока. Закваска может давать определенные характеристики при более контролируемой и предсказуемой ферментации при добавлении в молоко. Чаще всего молочные закваски используются для производства молочной кислоты из лактозы (молочного сахара), что в большинстве случаев вызывает или способствует коагуляции молочного белка за счет снижения pH молока. Культуры, продуцирующие молочную кислоту, обычно называют как «молочнокислые бактерии» (LAB). Некоторые заквасочные микроорганизмы добавляются специально из-за их способности производить вкусовые соединения, такие как как диацетил. Заквасочные микроорганизмы также могут влиять на текстуру культур и/или выдержанных продуктов за счет расщепления белков, жиров и других компонентов молока в дополнение к влиянию pH. Более низкий pH культивируемых продуктов может ингибировать определенные организмы, вызывающие порчу, хотя ингибирование связано с другими побочными продуктами роста некоторых заквасок.

В последнее время пробиотические культуры находят применение в молочных продуктах. Эти организмы обладают некоторой заявленной пользой для здоровья потребителя. Например, лучшее пищеварение, противораковые соединения и проявления сердечно-сосудистых заболеваний и т. д. Пробиотические культуры могут быть добавлены в качестве добавок или они могут быть непосредственно вовлечены в процесс ферментации.

История заквасок и ферментированных молочных продуктов

Ферментированные пищевые продукты и напитки долгое время производились без использования коммерческих заквасок. Традиционные методы производства включают обратное замачивание или использование небольшого количества готового специально консервированного продукта для инокуляции новой партии, использование микроорганизмов, присутствующих в продукте естественным образом, и использование специальных контейнеров, обеспечивающих выживание заквасочной культуры. Эти традиционные методы позволяют разрабатывать отдельные сорта ферментированных пищевых продуктов и напитков, и они все ещё практикуются сегодня для малых и средних производственных предприятий, а также в менее развитых странах и для продуктов домашнего типа. Однако традиционные методы склонны к медленному или неудачному брожению, загрязнению и непостоянному качеству. Напротив, современное крупномасштабное промышленное производство ферментированных пищевых продуктов и напитков требует стабильного качества продукции и предсказуемых производственных графиков, а также строгого контроля качества для обеспечения безопасности пищевых продуктов.

Методы чистых культур в микробиологии были разработаны Пастером в 1860-х годах. Точно так же молочнокислые бактерии (LAB) были идентифицированы Листером в 1870-х годах, важно отметить, что промышленность разработала метод получения чистых культур лишь спустя некоторое время. Сторч (Дания), Вейгман (Германия) и Конн (США) в конце 1880-х годов показали, что чистые культуры можно использовать для созревания сливок, и вскоре была установлена роль ароматизирующих бактерий. К 1878 году Кристиан Хансен начал бизнес (выращивание заквасочных культур), который и сегодня продолжает оставаться основным поставщиком заквасок для молочной, мясной, пивоваренной, хлебопекарной и винодельческой промышленности.

Первоначально заквасочные культуры получали путем культивирования чистых штаммов в стерилизованном нагреванием молоке с добавлением карбоната кальция в качестве pH-буфера для сохранения нейтрального pH. Несмотря на то, что они имели ограниченный срок хранения из-за потери жизнеспособности клеток и ферментативной активности, эти жидкие культуры оставались популярными до самого недавнего времени. В конце концов, были получены сухие препараты, которым требовалось много пересевов в молоке для активации культуры. Также были доступны лиофилизированные культуры, однако первый продукт также требовал создания промежуточных или материнских культур. В настоящее время наиболее популярным видом молочных культур являются сублимированные замороженные культуры. Значительные технологические достижения в области замораживания и сублимационной сушки привели к тому, что эти виды культур стали доминировать в индустрии стартовых культур. Современная индустрия заквасочных культур поставляет закваски практически для всех ферментированных пищевых продуктов и напитков.

Заквасочные культуры представляют собой бактериальные или грибковые штаммы, чистые или смешанные, используемые для инициации процесса ферментации. Культура включает отобранные штаммы пищевых микроорганизмов с известной и стабильной метаболической активностью, которые используются для производства ферментированных пищевых продуктов желаемого внешнего вида, консистенции, текстуры и вкуса. Стартерная культура означает микроорганизмы, отобранные на основе их способности вырабатывать молочную кислоту для производства творога и низкого pH для предотвращения порчи, выработки метаболитов, придающих желаемый вкус, или выработки ферментов, способствующих созреванию молочного продукта. Основной функцией молочнокислых заквасок является производство молочной кислоты из лактозы. В дополнение к производству молочной кислоты заквасочные культуры также могут быть использованы по-разному, как указано ниже.

Типы взаимодействия между заквасочными культурами

Взаимодействия между различными типами микроорганизмов в конкретной закваске могут быть Нейтрализм, Антагонизм (отрицательное взаимодействие), Симбиоз (положительное взаимодействие), Мутуализм, Комменсализм, Синергизм.

1. Нейтрализм. Тип ассоциации, при которой два организма живут в непосредственной близости, но не подвержены влиянию друг друга. Это может быть возможно из-за их различных потребностей в росте, поэтому они не влияют друг на друга, поскольку между этими двумя организмами не будет конкуренции за питательные вещества.

2. Антагонизм. Когда организм отрицательно влияет на окружающую среду другого организма, это называется антагонистическим взаимодействием. Антибиоз представляет собой антагонистическую ассоциацию между двумя организмами, при которой на один из них неблагоприятно влияет выработка антибиотика или ингибиторных веществ, продуцируемых другим организмом, например, молочнокислые бактерии вырабатывают молочную кислоту, которая ингибирует другие организмы, вызывающие порчу.

3. Симбиоз. Симбиоз определяется как отношения между двумя (или более) организмами, которые живут в тесной ассоциации. В большинстве симбиозов один или оба партнера получают что-то положительное от ассоциации. Хотя пара симбионтов может жить по отдельности, в долгосрочной перспективе они всегда добиваются большего успеха, живя вместе.

3. Мутуализм. Это форма позитивного взаимодействия, при котором каждый партнер получает выгоду от ассоциации, но способы получения выгоды различаются между ними. Между двумя видами может происходить обмен питанием, что известно, как синтрофизм. Эта ассоциация приводит к желаемым конечным продуктам, что невозможно для организма отдельно.

4. Комменсализм. Это относится к отношениям между микроорганизмами, в которых только один партнер получает выгоду от ассоциации, а другой организм, в свою очередь, ничего не получает. Организм-хозяин своим ростом воздействует на физическую или физиологическую среду таким образом, что способствует росту зависимого партнера. Организм факультативных аэробов растет и создает анаэробные условия, благоприятствующие росту других анаэробных организмов. Точно так же рост дрожжей в растворах сахара снижает концентрацию сахара, что способствует росту бактерий.

5. Синергизм. Способность двух или более организмов вызывать эффект, превышающий сумму их индивидуальных эффектов. Изменения обычно носят химический характер и не могут быть достигнуты в одиночку. Лучшим примером является ассоциация двух микроорганизмов в закваске для йогурта. Две молочнокислые бактерии, выращенные вместе в молоке, и их рост считается симбиотическим, поскольку скорость развития кислоты выше при использовании смешанных йогуртовых культур бактерий S. thermophilus и Lactobacillus delbrueckii subsp bulgaricus по сравнению с отдельными штаммами. Производство кислоты в основном связано с активностью S. thermophilus, а затем Lactobacillus delbrueckii subsp bulgaricus. Lactobacillus delbrueckii subsp bulgaricus стимулирует S. thermophilus, высвобождая несколько аминокислот, таких как гистидин, лейцин, лизин, цистин, валин и т. д. Наиболее важной аминокислотой для роста S.thermophilus является валин. S. thermophilus вырабатывает муравьиную кислоту, пировиноградную кислоту и диоксид углерода, которые способствуют росту Lactobacillus delbrueckii subsp bulgaricus.

Дефекты заквасок / Причины выхода из строя закваски

Основные проблемы, связанные с заквасками:

1. Недостаточное производство кислоты.
2. Недостаточное производство аромата.
3. Дефекты вкуса.
4. Дефекты текстуры.

Недостаточное производство кислоты 

• Недостаточное производство кислоты или некислотный творог: это наиболее распространенные дефекты молочнокислой закваски. Хорошая закваска должна производить молочную кислоту с высокой и постоянной скоростью. Причинами недостаточного образования кислоты могут быть:
• Самопроизвольная потеря жизнеспособности, присущая самой закваске. Возможна самопроизвольная потеря активности заквасочной культуры. Причиной может быть изменчивость штамма или генетическая нестабильность, которые обычно связаны с плазмидами.
• Отсутствие контроля над производственным процессом. В производственном процессе любая ошибка, допускающая неправильное обращение, может привести к потере жизнеспособности. Неправильное управление может позволить загрязнениям испортить стартер. Использование неподходящих сред, использование неправильных температур инкубации и т. д. являются еще одной причиной роста других загрязняющих веществ.
• Причины медлительности, присущие самому молоку. Молоко содержит много противомикробных агентов, таких как LP-система, лизоцим, лактоферин и т. д., которые иногда могут замедлять активность самой закваски.
• Использование молока ненадлежащего качества, т. е. молока от больных коров маститом, с молозивом, поздняя лактация молока или силосное молоко, а также зимнее молоко могут замедлить рост закваски. Другой причиной медлительности закваски являются:

1. Молоко, содержащее остатки антибиотиков.
2. Молоко контаминировано бактериофагом.
3. Молоко, содержащее остатки моющих и дезинфицирующих средств.
4. Молоко с ингибирующими бактериями.
5. Сезонные колебания состава молока.
6. Молоко, содержащее естественные ингибирующие вещества, такие как лейкоциты, антибиотики и т. д.
7. Чрезмерная аэрация молока.

• Изменения в способе производства ферментированного молока. Внезапное изменение способа производства молока может иногда замедлять активность закваски.

Недостаточное производство аромата

Недостаточное производство аромата: те факторы, которые вызывают медленное производство кислоты, также влияют на производство аромата. В дополнение к этому на вкус также влияют следующие факторы:

1. Неправильное производство кислоты.
2. Молоко с низким содержанием ионов цитрата.
3. Молоко с высоким содержанием грамотрицательных организмов, которые снижают содержание диацетила, вырабатывая диацетилредуктазу и т. д.

Дефекты вкуса

• Резкий кислый вкус: Иногда прием большого количества инокулята может остановить созревание культуры. Кроме того, хранение закваски при более высокой температуре инкубации или длительный период инкубации могут повысить кислотность продукта.
• Солодовый вкус: это связано с вариантами Lactococcus lactis ssp. lactis var maltigenes.
• Металлический привкус: возникает из-за перезревания культуры или из-за использования плохо обслуживаемых контейнеров с металлическим загрязнением, или из-за чрезмерного роста Leuconostoc sp.
• Горечь: из-за активности протеолитических примесей, расщепляющих белок и выделяющих соединения серы, вызывающие горечь в молоке.

Дефекты текстуры

• Слабое тело: это связано с недостаточной кислотопродукцией или молоком с низким содержанием сухих веществ, или молоком, подвергнутым сильной термической обработке.
• Твердое и комковатое: это связано с перезреванием.
• Отделение сыворотки: это связано с перезреванием или из-за низкого общего содержания сухих веществ в молоке, что приводит к дефектам заквасок. Использование негомогенизированного цельного молока, перемешивание или вибрация закваски вскоре после начала образования сгустка может привести к образованию сыворотки из сгустка. Сыворотка может скапливаться на поверхности или на дне, или под слоем сливок.
• Вязкость: возникает тягучесть из-за загрязнения закваски Alcaligenes viscolactis или из-за вязких штаммов заквасок, таких как Leuconostocs или L. lactis ssp lactis var hollandicus.
• Газообразование: это связано с выработкой CO2 формами кишечной палочки или дрожжами. CO2 также вырабатывается некоторыми штаммами Leuconostocs. В сыре чеддер выделение газа может быть нежелательным, поскольку оно приводит к образованию глазков или вздутию.