I Ty możesz zostać mikrobiologiem! – cz.2

Standardowy

Kto po pierwszej części przysposobienia do bycia domorosłym mikrobiologiem zwątpił już, że część druga nastąpi, bardzo się mylił. Oto i ona:

Poprzednio wypiekaliśmy domowy chleb, tym razem zajmiemy się produkcją jogurtu w domowych warunkach. Podstawy już mamy, wiemy wszyscy jak mniej więcej jogurt powstaje. Pora jednak zgłębić tajniki tego procesu.

Zaczynamy!

Koagulacja mleka

Dla nikogo nie jest tajemnicą, że jogurt powstaje z mleka. Mleko, aby utworzyło kremowy lub galaretowaty skrzep, czyli właśnie jogurt, musi zostać skoagulowane. Proces ten jest związany z obecnymi w mleku białkami, przede wszystkim z kazeiną, która stanowi główne białko mleka (80,5% wszystkich białek). Kazeina, jak i inne białka, złożona jest z 20 podstawowych aminokwasów, które połączone są ze sobą wiązaniami peptydowymi, tworząc długą sekwencję. Taką nić aminokwasów nazywamy pierwszorzędową strukturą białka. Nić ta ulega następnie skręceniu i pofałdowaniu na skutek powstawania wiązań między grupami funkcyjnymi (np. siarkowymi, hydroksylowymi) aminokwasów nie leżących w swoim bezpośrednim sąsiedztwie – tworzy to strukturę drugorzędową. Wstępnie zwinięta nić ulega dalszemu zwijaniu i fałdowaniu, głównie dzięki oddziaływaniom międzycząsteczkowym zwanym siłami van der Waalsa, tworząc strukturę trzeciorzędową[1]. Aby było łatwiej to zrozumieć, dobrze wyobrazić sobie (lub wziąć do ręki) kawałek sznurka, który symbolizować będzie pierwszorzędową strukturę białka. Następnie należy sznurek złożyć na pół i jedną jego część okręcić wokół drugiej – to struktura drugorzędowa. Teraz powstały „warkocz” ponownie skręcamy, owijając jedną jego część wokół drugiej i tworzymy w ten sposób strukturę trzeciego rzędu.

Kazeina w formie natywnej, czyli trzeciorzędowej, jest równomiernie rozpuszczona w wodzie. Jeżeli jednak do środowiska wprowadzimy czynnik (np. kwas), który zakłóci równowagę elektryczną w cząsteczce, nastąpi rozerwanie wiązań tworzących trzecio- i drugorzędową strukturę. Cząsteczka traci wtedy swoją formę i zmniejsza się jej rozpuszczalność, przez co wytrąca się z roztworu. Proces ten nazywamy denaturacją białka. Rozwinięte łańcuch aminokwasowe odsłaniają ukryte wcześniej lub związane grupy funkcyjne, przez co stają się bardziej reaktywne i zaczynają wiązać się między sobą, tworząc większe agregaty. Stopień agregacji zależy od ilości dostępnych zdenaturowanych białek. Agregaty mogą być niewielkie, wręcz mikroskopowe, jeśli tylko niewielka ilość białek uległa denaturacji. Jeżeli jednak zdenaturowana została większa część białka, również utworzone agregaty będą większe, zaczną być dostrzegalne gołym okiem (makroskopowe). Zjawisko tworzenia się makroskopowych agregatów nazywamy właśnie koagulacją.

W przypadku jogurtu denaturacja, a w jej wyniku koagulacja białek mleka następuje na skutek mikrobiologicznego zakwaszenia środowiska w dodatku przy podniesionej temperaturze. Zakwaszenie to odbywa się za sprawą produkowanego przez wyselekcjonowane mikroorganizmy kwasu mlekowego.

Bakterie kwasu mlekowego

Stosowaną do wyrobu przetworów mlecznych mikroflorę najogólniej można podzielić na:

  • mikroflorę techniczną, której głównym celem jest ukwaszenie mleka,
  • mikroflorę ochronną, której dodanie ma na celu przedłużenie trwałości produktu i zapewnienie ochrony przed patogenami żywności,,
  • mikroflorę probiotyczną, mającą zapewnić produktowi prozdrowotne właściwości.

Tym razem zajmiemy się wyłącznie mikroflorą techniczną, gdyż to ona w głównej mierze wpływa na powstanie jogurtu i wytworzenie w nim odpowiednich cech smakowo-zapachowych.

Kwaszącą mleko mikroflorę techniczną możemy podzielić ze względu na:

  1. rodzaj prowadzonej przez nią fermentacji laktozy lub
  2. uwzględniając zakres optymalnych temperatur wzrostu danej kultury.

W pierwszym przypadku mamy do czynienia z kulturami homofermentatywnymi, które w wyniku swoich procesów życiowych przetwarzają laktozę głównie na kwas mlekowy, oraz z kulturami heterofermentatywnymi, które poza kwasem mlekowym wytwarzają z laktozy kwas octowy/etanol oraz inne związki. W tym miejscu należy podkreślić, że sam proces powstawania jogurtu, a więc koagulacji mleka, jest zależny przede wszystkim od fermentacji laktozy lub innych cukrów mogących stanowić dla bakterii kwasu mlekowego źródło energii. Niemniej bakterie te prowadzą również inne procesy życiowe, jak np. niezwykle istotną dla kształtowania charakteru smakowo-zapachowego wyrobów mleczarskich fermentację cytrynianów.

Uwzględniając optymalne temperatury wzrostu kultury starterowe dzielimy na mezofilne, rozwijające się między 18 a 37˚C, oraz termofilne, wzrastające pomiędzy 30 a 45˚C. Do produkcji jogurtów używa się głównie szczepów termofilnych, ale aby poznać bogactwo bakterii kwasu mlekowego, warto zapoznać się również z kwaszącymi mezofilami wykorzystywanymi przy produkcji innych przetworów mlecznych. Należy przy tym zwrócić uwagę, że niektóre typy kultur mezofilnych, ze względu na dużą aktywności prowadzenia fermentacji cytrynianów, dają produkty o bogatszym i bardziej wyrazistym aromacie.

Mezofilne kultury starterowe bakterii mlekowych
Typ Gatunki bakterii Charakterystyka Zastosowanie
O Kwaszące paciorkowce mlekowe:
Lactococcus lactis subsp. lactis
Lc. lactis subsp. cremoris
brak fermentacji cytrynianów,
nie wytwarzają sub. aromatycznych
– sery twarogowe
– serki wiejskie (typu „cottage cheese”)
– sery dojrzewające typu „cheddar”
– sery typu „feta”
L Lc. lactis subsp. lactis
Lc. lactis subsp. cremoris oraz
szczepy z rodzaju Leuconostoc:
Leuc. mesenteroides subsp. cremoris
Leuc. lactis
Leuc. mesenteroides subsp. dextranicum
Leuc. mesenteroides subsp. mesenteroides
powolną fermentację cytrynianów,
wytwarzają nieznaczne ilości sub. aromatycznych.
– twarogi
– sery topione
D Lc. lactis subsp. lactis
Lc. lactis subsp. cremoris
szczepy Lc. lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis
szybka fermentacja cytrynianów
znaczne ilości sub. aromatycznych
śmietana przeznaczona na wyrób masła
DL Lc. lactis subsp. lactis
szczepy Lc. lactis subsp. cremoris
szczepy Lc. lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis
szczepy rodzaju Leuconostoc:
Leuc. mesenteroides subsp. cremoris
Leuc. lactis
Leuc. mesenteroides subsp. dextranicum
Leuc. mesenteroides subsp. mesenteroides
szybka fermentacja mleka
wytworzenie aromatu
większość fermentowanych produktów mleczarskich:
– masło
– sery twarogowe
– sery półtwarde (typu holenderskiego)
Termofilne kultury starterowe bakterii mlekowych
Gatunki bakterii Charakterystyka Zastosowanie
Lb. delbrueckii susp. bulgaricus
Streptococcus salivarius subsp. thermophilus
Lb. acidophilus
Lb. helveticus
Bif. longum
Bif. bifidum
Bif. infantis
zróżnicowany stopień fermentacji cytrynianów
zależny od gatunku i szczepu
mleczne napoje fermentowane
sery dojrzewające

Wymienione w tabeli bakterie mogą występować w postaci szczepionek:

  • jednoszczepowych (single-strain starter culture), zawierających tylko jeden konkretny szczep danego gatunku,
  • jednogatunkowych (single-species starter culture), zawierających wyłącznie jeden gatunek bakterii,
  • wielogatunkowych (multi-species starter culture), w których skład wchodzi kilka różnych gatunków bakterii.

Najkorzystniejsze ze względów technologicznych i jakościowych wydaje się stosowanie przy produkcji jogurtów kultur wielogatunkowych. Właściwe dobranie składników (gatunków bakterii) szczepionki może przyczynić się do synergizmu między organizmami (różne gatunki bakterii będą wpływać na siebie pozytywnie, wzajemnie stymulując swój wzrost i procesy metaboliczne) oraz wytworzenia lepszego aromatu (poprzez zastosowanie kultur o wysokim potencjale fermentacji cytrynianów).
Z kolei zły dobór gatunków do starteru może spowodować fiasko produkcji lub powstanie jogurtu niskiej jakości, gdyż niektóre gatunki mogą działać antagonistycznie w stosunku do innych, wydzielając bakteriocyny, nadtlenek azotu lub inne substancje bakteriobójcze.

Wytwarzanie kwasu mlekowego

Jak już wiemy, aby powstał jogurt, musi nastąpić zakwaszenie mleka, a do tego niezbędne są kwasy lub inne związki, które w środowisku mleka i w odpowiednim stężeniu będą działały jak kwasy. W przypadku produkcji jogurtu są to główne produkty fermentacji mlekowej: kwas mlekowy i kwas octowy lub etanol. Substratem fermentacji mlekowej jest zazwyczaj laktoza, występujący w mleku dwucukier, którego cząsteczka składa się z glukozy i galaktozy (cukry proste).

Stosowane najczęściej przy produkcji jogurtu gatunki bakterii Streptococcus salivarius ssp. thermophilus oraz Lectobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus są homofermentatywnymi termofilami, a więc głównym produktem ich fermentacji jest kwas mlekowy. Zakwaszenie mleka może nastąpić też oczywiście na skutek działania bakterii heterofermentatywnych, głównie mezofili, które poza kwasem mlekowym wytwarzają kwas octowy lub etanol (w zależności od warunków prowadzenia fermentacji). Produkcja powyższych związków jest więc zależna zarówno od rodzaju prowadzonej przez mikroflorę techniczną fermentacji, jaki i od tego, czy użyty szczep jest termo-, czy mezofilny.

Homofermantacja

Homofermentacja prowadzona jest zarówno przez bakterie termofilne, jak i mezofilne, choć istnieją pewne różnice w transporcie substratu (laktozy) do wnętrza komórki bakteryjnej. Zysk energetyczny procesu homofermentacji to 2 cząsteczki ATP z jednego mola glukozy. Spójrzmy na schemat:

U termofili (lewa część schematu) laktoza transportowana jest do wnętrza komórki przez zależną od ATP permeazę laktozową (zlokalizowaną w błonie cytoplazmatycznej komórki bakteryjnej). Następnie cząsteczka laktozy jest rozdzielana przez β-galaktozydazę do glukozy i galaktozy. Właściwy proces wytwarzania kwasu mlekowego odbywa się w szlaku EMP (Embdena-Mayerhofa-Parnasa), czyli na drodze glikolizy. Substratem glikolizy jest oczywiście glukoza i ona bezpośrednio włączana jest do szlaku EMP, w którym ulega przemianom do pirogronianu. W ostatnim etapie pirogronian pod wpływem dehydrogenazy melczanowej i w obecności NADH jako donoru wodoru zostaje zredukowany do kwasu mlekowego.

W przeciwieństwie do glukozy galaktoza nie może zostać bezpośrednio wprowadzona do szlaku EMP, gdyż nie jest substratem w tym procesie. Dlatego wprowadzana jest najpierw do szlaku Leloira, w którym następuje jej fosforylacja (dołączenie fosforu) z jednoczesnym przekształceniem do glukozy. Ufosforylowana glukoza może już ulegać dalszym przemianom w szlaku EMP.

Z kolei u bakterii mezofilnych (prawa część schematu) transport laktozy do wnętrza komórki odbywa się z udziałem fosfotransferazy (PTS). W tym procesie laktoza jest jednocześnie fosforylowana, a energia do tego niezbędna dostarczana jest z fosfoenolopirogronianu (PEP), który jest również donorem fosforu. Następnie ufosforylowana laktoza jest rozkładana do glukozy (włączanej od razu do szlaku EMP) i galaktozo-6-fosforanu. Galaktozo-6-fosforan, podobnie jak galaktoza, nie może zostać bezpośrednio włączony do szlaku EMP i dlatego najpierw przekształcany jest w szlaku tegatozowym do fosfodihydroksyacetonu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Obydwa produkty włączane są do szlaku EMP, dając ostatecznie jedną cząsteczkę pirogronianu przekształcanego na jedną cząsteczkę kwasu mlekowego.

Heterofermantacja

Heterofermenatcja prowadzona jest głównie przez mezofile. Wynikiem tego procesu jest powstanie 1 mola kwasu mlekowego, 1 mola kwasu octowego lub etanolu oraz 1 mola ditlenku węgla (z 1 mola glukozy). Zysk energetyczny to w tym przypadku 1 cząsteczka ATP.

Transport laktozy przez błonę cytoplazmatyczną komórki bakteryjnej odbywa się tak samo, jak u homofermentatywnych mezofili, czyli z jednoczesną fosforylacją laktozy przez kompleks PEP/PTS. Ufosforylowana laktoza rozkładana jest przez fosfo-β-galaktozydazę do glukozy i galaktozo-6-fosforanu. Galaktozo-6-fosoforan, po przejściu przez szlak tegatozowy wprowadzany jest do szlaku EMP. Natomiast glukoza nie wchodzi do szlaku EMP tylko do szlaku fosfoketolazy pentozowej, którego kolejne etapy polegają na:

  1. przekształceniu glukozy do glukozo-6-fosforanu,
  2. przekształceniu glukozo-6-fosforanu w ksylulozo-5-fosforan z jednoczesnym wydzieleniem ditlenku węgla,
  3. rozszczepieniu ksylulozo-6-P przez fosfoketolazę do aldehydu 3-fosfoglicerynowego i acetylofosforanu,
  4. wprowadzeniu aldehyd 3-fosfoglicerynowego do szlaku EMP (wytworzenie kwasu mlekowego),
  5. przekształceniu acetylofosforanu do kwasu octowego w warunkach tlenowych lub do etanolu w beztlenowych.

DIY, czyli kilka sposobów na domowy jogurt

Pora wyciągnąć z tych wszystkich mądrości praktyczne wnioski: Jogurt produkuje się niezwykle prosto i każdy może go zrobić w domu, gdyż większość ciężkiej roboty odwalają za nas bakterie.

Oczywiście istnieją też niewielkie przeszkody. Po pierwsze, najpierw musimy mieć odpowiednie bakterie. Po drugie, musimy zapewnić im właściwe warunki do rozwoju.

Nabycie bakterii jogurtowych w Polsce to nie lada sztuka. Kiedyś dostępne były w aptekach tabletki jogurtowe, ale obecnie nigdzie ich nie widziałem. Znam prawdę mówiąc tylko jeden sklep (internetowy), w którym można nabyć startery do produkcji jogurtów. Jest to sklep Piwodziej, który oferuje produkty do domowego warzenia piwa, wyrobu sera, a także, na szczęście, startery jogurtowe. Dostępne są dwa:

Bakterie pozyskać możemy również z ulubionego kupnego jogurtu. Technika ta często nazywa się „rozmnażaniem jogurtu”.

Niezależnie od tego, który ze sposobów wybierzemy, kolejny etap jest prosty, bo polega na dodaniu starteru lub 2-3 łyżek jogurtu do litra mleka UHT. Z mlekiem UHT zasadniczo nie trzeba nic robić, bo jest ono sterylne (nie posiada żadnej flory mikrobiologicznej). Jeżeli natomiast korzystamy z mleka „świeżego” (czyli pasteryzowanego) lub mleka „od krowy” to musimy je przegotować, a następnie przestudzić do temperatury ok. 30˚C (najlepiej pokojowej). Dopiero wtedy mleko takie nadaje się do szczepienia – w innym przypadku rozwój naszych pożądanych bakterii mógłby zostać zakłócony przez bakterie znajdujące się w mleku.

Teraz mleko musi postać w temperaturze 37-40˚C (pamiętamy, że nie wolno nam przekroczyć 45˚C, bo może to uszkodzić bakterie) przez ok. 18 godziny (jeżeli mammy dobre bakterie i dobre warunki, to czasem starczają nawet 4 godziny). W zimie jest wbrew pozorom prościej, bo można naczynia z mlekiem postawić na rozgrzanych kaloryferach. Aby jednak nie było zbyt gorąco, proponuję między kaloryferem a słoikami umieścić jeszcze ok 20 cm deskę. Stosując tę najprostszą z metod, warto też najpierw przeprowadzić test temperatury i ustawić w naczyniach wodę, sprawdzając co jakiś czas stopień jej nagrzania.

Jeżeli ktoś posiada podgrzewacz do talerzy, może również go wykorzystać, gdyż nie urządzenie to nie powinno rozgrzewać się do temp. wyższej niż 37˚C. Gdy nie mamy jednak podgrzewacza i nie ufamy naszym kaloryferom, można po prostu kupić maszynkę do jogurtu (tzw. jogurtownicę). Nie mogę jednak napisać nic o jakość tego urządzenia i wygodzie produkcji, gdyż osobiście stosuję metodę kaloryferowo-podgrzewaczową.

Warto w tym miejscu zauważyć, że spotykany czasem jogurt w postaci galaretki nie koniecznie musiał zostać uzyskany na skutek dodatku środka żelującego.[2] Jest to naturalna postać jogurtu i zasadniczo taki jogurt powinniście uzyskać w domowych warunkach. Jogurt o kremowej konsystencji produkowany jest metodą zbiornikową, która polega na fermentacji dużej ilości mleka w sporych tankach, w których wnętrzu nieustannie odbywa się mieszanie surowca. Jogurt o galaretowatym skrzepie jest wynikiem stosowania w produkcji metody termostatowej, czyli rozlewania zaszczepionego bakteriami mleka do opakowań jednostkowych (kubeczków) i prowadzenia fermentacji bez mieszania surowca. Niemieszane fermentujące mleko wytwarza jednolity, galaretowany skrzep. Jeżeli ktoś nie lubi jogurtu o takiej konsystencji, wystarczy, że dobrze zamiesza skrzep, jest on bowiem bardzo delikatny i łatwo ulega zniszczeniu, przechodząc w lepiej nam znaną konsystencję kremu.

Domowy jogurt bałkański

Składniki:

  • 1 litr mleka
  • kultura starterowa jogurtu lub 2-3 łyżki jogurtu sklepowego
  • 8 łyżek mleka w proszku

Wykonanie:

  1. Mleko w proszku należy dokładnie rozpuścić w mleku i całość przegotować.
  2. Mieszaninę ostudzić do temperatury pokojowej.
  3. Zaszczepić kulturą starterową lub jogurtem, dokładnie wymieszać i rozlać do słoików.
  4. Słoiki zakręcić lub zakryć ściereczką/folią aluminiową i inkubować w temperaturze ok. 37˚C przez całą noc (można dłużej, jeśli rano skrzep nie jest dość gęsty).

Jest to jogurt dość słodki, o gęstym, galaretowatym i zwartym skrzepie. Bardzo smaczny! (Wybaczcie, że nie zamieszczę teraz zdjęć poglądowych, ale ostatnio nie robiłem jogurtu, a moich poprzednich produkcji nie udokumentowałem. Kiedy tylko znowu przystąpię do wyrobu, zaktualizuję o zdjęcia.)


[1] Niektóre białka, jak np. hemoglobina, tworzą jeszcze strukturę czwartorzędową. Polega to na łączeniu zwiniętych polipeptydów (mają one strukturę trzeciorzędową) w większe układy. Każdy z polipeptydów stanowi podjednostkę strukturalną białka, a białko to może pełnić swoje funkcje tylko w stanie złożonym.

[2] Jeżeli w celu uzyskania takiej konsystencji dodano żelatyny lub innego środka żelującego, informacja o tym powinna znaleźć się na opakowaniu w wykazie składników.

Literatura:

  1. Ziarno M. (2007). Charakterystyka komercyjnych kultur starterowych stosowanych w przemyśle mleczarskim. Medycyna Wet., 63 (8), 909-913
  2. Libudzisz Z., Kowal K., Żakowska Z. (2009). Mikrobiologia techniczna, tom 2: Mikroorganizmy w biotechnologii, ochronie środowiska i produkcji żywności, Warszawa

10 responses »

  1. Czy wg ciebie dodatek cukru moze wplywac znaczaco na szybkosc wytwarzania jogo?

  2. Smaczna notka! Podoba mi się polecanie mleka UHT, które jak wiadomo jest martwe w smaku i okropne w ogóle, a prosto od krowy to sama dobroć, oraz – jako źródła bakterii – złych jogurtów ze sklepu do których wszak koncerny pakują samą chemię, a pożytecznych bakterii wcale tam nie ma. Oraz obalenie mitu, że sztywny jogurt to sama żelatyna. Mleko potrafi!

  3. @ ewa.mewa

    Szczerze mówiąc, nie wiem, na ile dodatek cukru przyspieszy fermentację i powstawanie jogurtu. Wydaje mi się jednak to trochę bez sensu, bo cukru w mleku jest dość (w postaci laktozy), a wartością jogurtu jest m.in. to, że zawiera mniej laktozy, która nie dla wszystkich osób jest w tym samym stopniu strawna. Tak naprawdę jedyną metodą, która może „przyspieszyć” powstanie jogurtu, jest użycie dobrej jakościowo szczepionki i zapewnienie optymalnych warunków wzrostu bakteriom, a więc termostatowanie jogurtu w prawdziwym termostacie, a nie na kaloryferze😛

    @ miskidomleka

    Ja wiem, mleko to w ogóle trucizna. Jeszcze tylko nie dotarłem do info o tym, czy ono rozgrzewa, czy wychładza i na ile zaśluzowuje organizm😛 (a na pewno bardzo, przecież poznać to łatwo już po samym jego wyglądzie).

  4. Dziekuje za odpowiedz. Moje pytanie wynikalo z faktu, ze nie bylam w stanie wyprodukowac jogurtu korzystajac z (podobnego do twojego) przepisu, a wychodzil mi, zupelnie przez przypadek, po pozostawieniu miski z resztka mleka po porannych platkach sniadaniowych.
    Myslalm ze tajemnica moze tkwic wlasnie w cukrze.
    Skorzystam z twojego przepisu i zobacze czy tym razem sie uda.
    Kaloryfera nie posiadam ale mam ‚cieplarniane’ warunki – wysoka wilgotnosc i temperatury rzedu 27-29 stopni.

  5. @ Jiima

    O! Dzięki za newsa. Ja właśnie staram się dowiedzieć od koleżanek ze studiów, co też im w głowy kładą na zajęciach z „Żywności probiotycznej”. Niestety moja specjalizacja jest pozbawiona tego przedmiotu i nie mam jak sam na niego uczęszczać, ale rewelacji się nie spodziewam, bo u mnie zazwyczaj uczą zgodnie z wiedzą ogólną, a wiedza ogólna mówi, że działa…

  6. Czy mozna do wytworzenia jugurtu używać mleka pasteryzowanego w niskiej temperaturze bez dodatkowych zabiegów jak gotowanie?

  7. @ arche
    Można. Ale trzeba się liczyć z tym, że może nie wyjść. Mleko może nie być dostatecznie czyste pod względem mikrobiologicznym i rozwój bakterii fermentacyjnych może zostać zaburzony.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s