O NAS  /  DLA PRODUCENTÓW I ROLNIKÓW  /  Kwas mlekowy w piekarnictwie

Kwas mlekowy w piekarnictwie

Biokonserwacja pieczywa dzięki zastosowaniu zakwasu

Anna Diowksz 
Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Politechnika Łódzka

artykuł pochodzi z Przeglądu Piekarskiego i Cukierniczego, nr 04/2004

Potencjalne zagrożenie w produkcji piekarskiej stanowią drobnoustroje powodujące psucie się wyrobów i ograniczające ich przydatność do spożycia. Problem mikrobiologicznego psucia się pieczywa jest powodem znacznych strat ekonomicznych ponoszonych przez producentów, z punktu widzenia konsumenta stanowi także zagrożenie natury zdrowotnej. 

Opanowanie wyrobu przez zakażającą mikroflorę powoduje zmiany łatwo dostrzegalne organoleptycznie, takie jak rozwój pleśni, czy zmiany zapachu i konsystencji. Źródłem drobnoustrojów wywołujących niekorzystne zmiany w jakości produktów są głównie surowce roślinne, takie jak mąka, oraz otoczenie. 

Mąka stosowana w produkcji pieczywa jest zanieczyszczona mikroflorą pochodzącą z ziarna i drobnoustrojami stanowiącymi zanieczyszczenia elewatorów i sprzętu młynarskiego. Najbardziej niebezpiecznymi mikroorganizmami powodującymi psucie się pieczywa są bakterie przetrwalnikujące oraz pleśnie toksynotwórcze. 

Bakterie uaktywniają się już po 24 godzinach przechowywania pieczywa, choć ich działanie po tym czasie nie zawsze jest widoczne. Najwcześniej pojawia się specyficzny zapach, niekiedy równocześnie miękisz staje się lepki i ciągliwy, tworzący przy rozrywaniu pieczywa charakterystyczne nitki. Specyficzny zapach fermentacyjny jest efektem rozwoju Bacillus cereus - tlenowych laseczek przetrwalnikujących, które nie powodują ciągliwości miękiszu. Powstawanie ciągnącego miękiszu jest wynikiem namnażania się innych gatunków z rodzaju Bacillus m.in. B.subtilis, B.polymyxa, B.licheniformis. Produkują one śluzy oraz enzymy proteolityczne i amylolityczne rozkładające białka i skrobię pieczywa. Zjawisko to można zaobserwować najczęściej w porze letniej, gdyż rozwojowi tych bakterii sprzyja podwyższona temperatura otoczenia. 

Porażenie pleśniami jest zazwyczaj widoczne po dwóch dniach przechowywania pieczywa. Pleśnie należą do mikroorganizmów niezwykle szeroko rozpowszechnionych w środowisku bytowania człowieka, a w szczególności w środowisku roślinnym. Optymalne warunki rozwoju pleśni to trwała wysoka wilgotność względna powietrza (powyżej 70%) i temperatura 20-30°C. Rozwój pleśni może także nastąpić na surowcach roślinnych wysuszonych, gdy będą one przechowywane w pomieszczeniach z zakłóconym systemem wentylacyjnym. 

Badania mikrobiologiczne zbóż w Polsce wykazały, że wśród najczęściej występującej mikroflory pleśniowej dominują rodzaje Aspergillus, Penicillium i Fusarium, a co trzeci wyizolowany szczep jest toksynotwórczy. Aktywny rozwój tych pleśni zachodzi w silosach i magazynach zbożowych. 

Mikotoksyny, czyli wtórne metabolity pleśni traktowane są jako związki o szczególnie toksycznym wpływie na organizmy ludzi i zwierząt. Ich szkodliwość polega na nieodwracalnym uszkodzeniu nerek, osłabieniu reakcji immunologicznych i działaniu rakotwórczym. Toksyczność pleśni jest cechą szczepową, a więc nie dotyczy wszystkich mikroorganizmów z tej grupy, a ponadto nie jest to cecha trwała. Jednakże ze względu na zdolność tworzenia nieidentyfikowalnych organoleptycznie toksyn (aflatoksyny, ochratoksyny) o działaniu kancerogennym, pleśnie nie tylko zagrażają jakości wyrobu, ale również mogą stwarzać ryzyko zdrowotne. 

Podczas wypieku pieczywa giną jedynie formy wegetatywne drobnoustrojów, pozostają jednak w pieczywie zarówno formy przetrwalnikujące bakterii, jak i zarodniki pleśni. Wypiek zatem nie gwarantuje mikrobiologicznej stabilności wyrobu. Pieczywo jest zatem produktem o krótkiej trwałości i przydatności konsumpcyjnej. Jego trwałość można przedłużyć dzięki użyciu konserwantów, jednak ich stosowanie często nie jest aprobowane przez samych konsumentów. Alternatywnym sposobem przedłużania trwałości pieczywa jest stosowanie zakwasów, które oprócz innych zalet posiadają tę, że działają hamująco na rozwój zakażającej mikroflory. Szczególnie wyraziście uwidacznia się ta tendencja w krajach Europy Zachodniej, gdzie znacznie ogranicza się stosowanie dodatków zarówno do mąki, jak i do pieczywa oraz wraca się do tradycyjnych technologii jego produkcji. 

Aktywność antagonistyczna bakterii mlekowych czynnych w środowisku zakwasu piekarskiego decyduje o fakcie, że zdolne są one wpływać hamująco na rozwój innych mikroorganizmów, zapobiegając wzrostowi drobnoustrojów odpowiedzialnych za mikrobiologiczne psucie się pieczywa. 

Mikroflora zakwasów piekarskich jest bardzo bogata. Praktycznie wszystkie drobnoustroje występujące w mące obecne są również w zakwasach i cieście, chociaż w procesie odnawiania i fermentacji w odpowiednich fazach następuje selektywne namnażanie jednych i hamowanie rozwoju innych gatunków. Dominującą grupą drobnoustrojów są jednak bakterie mlekowe żyjące w symbiozie z drożdżami. Różne gatunki bakterii z rodzaju Lactobacillus są izolowane ze środowisk zakwasów piekarskich, ale tylko niektóre z nich występują w większości badanych ekosystemów. Decyduje o tym najprawdopodobniej duże powinowactwo tych szczepów do substratów węglowodanowych i aminokwasów wnoszonych z mąką, a także, a może przede wszystkim, antagonistyczne oddziaływanie tych bakterii w stosunku do innych drobnoustrojów, współzawodniczących o te same źródła pokarmowe. 

Antydrobnoustrojowe uzdolnienia bakterii mlekowych związane są z syntezą związków hamujących lub ograniczających wzrost innych mikroorganizmów, w tym mikroflory stanowiącej typowe zakażenia zakwasów piekarskich. W grupie tych metabolitów należy wymienić kwasy organiczne, nadtlenek wodoru oraz bakteriocyny. Ten efekt zwykle wspomagany jest wypieraniem tlenu, co dodatkowo zapobiega rozwojowi pleśni i innych drobnoustrojów aerobowych. 

Podczas fermentacji bakterie mlekowe wytwarzają kwasy organiczne, wśród których dominującymi są kwas mlekowy i octowy. Skład i proporcja zależą od typu metabolizmu bakterii mlekowych. 

Kwas mlekowy i octowy, a także inne słabe kwasy, w tym propionowy, w płynnych środowiskach są tylko częściowo zdysocjowane. Jako związki hydrofilne w formie niezdysocjowanej mogą przenikać przez lipidową błonę komórkową drobnoustrojów obecnych w środowisku. We wnętrzu komórki, przy wyższym pH cytoplazmy, dysocjują, zakwaszając treść komórki, uwalniając potencjalnie toksyczne aniony i zaburzają tym samym gradient protonowy w błonach, będący siłą napędową aktywnego transportu. Kwas mlekowy w porównaniu z octowym w wyższym stopniu działa hamująco na wzrost drobnoustrojów, za wyjątkiem drożdży i pleśni. Znane jest także zjawisko synergistycznego oddziaływania obu tych metabolitów. Uważa się, że obniżenie pH poniżej 4.6 skutecznie zabezpiecza produkty przed rozwojem patogennych organizmów przetrwalnikujących. 

Bakterie mlekowe należące do rodzaju Lactobacillus są określane jako mikroorganizmy najbardziej efektywnie wykorzystujące nadtlenek wodoru. Niektóre szczepy są zdolne do syntezy H2O2 w ilościach przekraczających progi toksyczności dla patogenów. Szczególnie wrażliwe na jego działanie są bakterie beztlenowe nie wytwarzające katalazy, peroksydazy czy dysmutazy nadtlenkowej, enzymów zabezpieczających przed utlenieniem mostków disiarczkowych w białkach komórkowych. Nadtlenek wodoru aktywuje nieczynny system laktoperoksydazy (LPS), a powstające produkty wykazują silne właściwości bakteriobójcze zwłaszcza wobec bakterii gramujemnych z rodzaju Escherichia, Salmonella i Pseudomonas. Komórki wrażliwych bakterii poddane działaniu LPS giną w ciągu 2 godzin. Uważa się również, że przeciwdrobnoustrojowy efekt wynika ze zdolności do wytwarzania bardziej aktywnych i toksycznych dla komórki rodników hydroksylowych. 

U wielu szczepów bakterii mlekowych stwierdzono zdolność do wytwarzania specyficznych substancji antybakteryjnych zwanych bakteriocynami. Poznane bakteriocyny są peptydami działającymi na komórki wegetatywne i kiełkujące przetrwalniki różnych gatunków bakterii. Przeciwdrobnoustrojowe działanie bakteriocyn skierowane jest wobec spokrewnionych bakterii, często należących do tego samego gatunku. Poszczególne szczepy produkują jeden typ lub więcej bakteriocyn o różnym spektrum oddziaływania. Cecha produkcji bakteriocyn jest często cechą szczepową, a nie gatunkową i w obrębie tego samego gatunku spotyka się szczepy bakteriocynogenne i bakteriocynowrażliwe. Komórki syntetyzujące bakteriocyny zwykle charakteryzują się odpornością na własną bakteriocynę. Mechanizm działania bakteriocyn produkowanych przez bakterie mlekowe jest podobny: bakteriocyna przenika przez ścianę wrażliwych komórek wegetatywnych i oddziałuje z membraną cytoplazmatyczną, tworzy w niej hydrofilne kanały, co w efekcie prowadzi do raptownego obniżenia jej siły protonomotorycznej i śmierci komórki. Śmierć komórki jest następstwem jej autolizy. 

Stwierdzenie aktywności antagonistycznej wobec zakażającej mikroflory u szczepów bakterii mlekowych pozwala na komponowanie piekarskich kultur starterowych o wysokiej skuteczności działania w charakterze naturalnych biokonserwantów. 

W Instytucie Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Politechniki Łódzkiej przeprowadzono prace mające na celu zbadanie własności antagonistycznych wybranych bakterii mlekowych (Lactobacillus plantarum i Lactobacillus sanfraciscensis) wobec wskaźnikowych szczepów bakterii, drożdży i pleśni. Przy doborze tych ostatnich kierowano się częstotliwością potencjalnych zakażeń w środowiskach piekarskich. Wytypowano zatem bakterie fekalne Escherichia coli i Enterococcus faecalis, laseczki przetrwalnikujące Bacillus cereus i Bacillus subtilis oraz pleśnie Aspergillus niger, Penicillium expansum, Fusarium oxysporum i Rhizopus nigricans. Sprawdzono także wpływ badanych bakterii mlekowych na drobnoustroje, których obecność jest pożądana w zakwasach piekarskich (inny szczep bakterii mlekowych - Lactobacillus brevis i drożdże Saccharomyces cerevisiae). 

Dla zbadania aktywności antagonistycznej wybranych szczepów skorzystano z metody kropelkowej, w której wzrost bakterii mlekowych i drobnoustrojów wskaźnikowych następuje na płytkach równolegle. W celu stworzenia dobrych warunków rozwoju dla bakterii mlekowych opóźniono wzrost szczepów wskaźnikowych o 24 godziny. Wzrost bakterii mlekowych obserwowano w postaci okrągłych, jasnych skupisk, a miarą ich antagonistycznego oddziaływania była wielkość strefy hamowania wzrostu organizmu wskaźnikowego wokół kolonii. 

Tabela. Strefy hamowania wzrostu organizmu wskaźnikowego wokół kolonii bakterii mlekowych.

Szczep bakterii
mlekowych

Organizm
wskaźnikowy
Lactobacillus plantarumLactobacillus sanfranciscensiLb. Plantarum +
Lb. sanfranciscensis
Lb. plantarum --
Lb. sanfransiscensis- -
Lb. brevis---
S. cerevisiae+++
E. coli+ ++ ++ + +
E. faecalis+ ++ ++ +
B. cereus+ + ++ + ++ + +
B. subtilis+ ++ ++ + +
A. niger---
P. expansum+ ++ ++ +
F. oxysporum+ ++ ++ + +
R. nigricans+-+

Legenda:  + + +duża strefa hamowania (średnica > 4 cm)
+ +średnia strefa hamowania (średnica 2 - 4 cm)
+mała strefa hamowania (średnica < 2 cm)
-brak strefy hamowania

Jak widać z przedstawionego w tabeli zestawienia ani Lactobacillus plantarum, ani też Lactobacillus sanfranciscensis nie zakłócały wzrostu koegzystujących bakterii mlekowych, nieznacznie natomiast spowalniały wzrost drożdży S. cerevisiae. W sposób wyraźny antagonizm bakterii mlekowych uwidocznił się w przypadku patogenów. Wielkości stref hamowania wzrostu wokół kolonii L. plantarum i L. sanfranciscensis wskazywały na bardzo silne oddziaływanie hamujące wzrost bakterii wskaźnikowych. Wyraźnie obserwowano to zjawisko w przypadku bakterii fekalnych E. coli i E. faecalis, a także laseczek przetrwalnikujących B. subtilis i B. cereus, tych ostatnich szczególnie intensywnie. Spośród badanych pleśni jedynie A. niger był oporny na działanie metabolitów bakterii mlekowych. Rozwój pleśni R. nigricans był hamowany tylko w obecności L. plantarum i to w niewielkim stopniu. Oba badane szczepy bakterii mlekowych natomiast silnie oddziaływały na rozwój pleśni P. expansum i F. oxysporum. 

Skojarzenie Lactobacillus plantarum i Lactobacillus sanfranciscensis pozwoliło stwierdzić synergizm ich działania. Efekt ten był widoczny w przypadku hamującego oddziaływania na wzrost bakterii E. coli i B. subtilis, a także pleśni F. oxysporum. 

Wykazane antagonistyczne własności badanych szczepów wobec drobnoustrojów patogennych, a także ich zdolność do koegzystencji z innymi bakteriami mlekowymi i drożdżami S. cerevisiae sprzyjają komponowaniu wieloskładnikowych piekarskich kultur starterowych z ich udziałem. Zastosowanie takiego startera w fermentacji zakwasów przyczyniać się może do wyeliminowania lub zahamowania rozwoju drobnoustrojów patogennych, toksynotwórczych oraz powodujących psucie się produktów piekarskich. 

Możliwość eliminacji mikrobiologicznych zakażeń na drodze naturalnej fermentacji zakwasów pozwala ograniczyć lub nawet uniknąć stosowania chemicznych dodatków konserwujących pieczywo z zachowaniem wydłużonej trwałości produktu. 

Literatura:
[1]. Gąsiorowski H.: Mikrobiologiczne psucie się pieczywa i metody zapobiegania. Przegląd Piekarski i Cukierniczy, 1988, 6, p. 6-7.
[2]. Libudzisz Z., Walczak P., Bardowski J.: Bakterie fermentacji mlekowej. PŁ, 2000.
[3]. Wojtatowicz., Chrzanowska J.: Antydrobnoustrojowa aktywność bakterii kwasu mlekowego. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu, 1998, 328, p. 39-59.
[4]. Żakowska Z.: Mikotoksyny w zbożu i produktach zbożowych oraz ich biodegradacja. Przegląd Piekarski i Cukierniczy, 1999, 6, p. 4-6.