Autor za publikację artykułu w czasopiśmie naukowym „Przemysł Spożywczy” otrzymuje 20 punktów zgodnie z komunikatem Ministra Edukacji i Nauki z dnia 1 grudnia 2021 r. w sprawie wykazu czasopism naukowych i recenzowanych materiałów z konfe­rencji międzynarodowych.

Wykorzystanie bakterii fermentacji propionowej w produkcji mleczarskiej

Wykorzystanie bakterii fermentacji propionowej w mleczarstwie zwykle kojarzy się z serowarstwem i prowadzeniem fermentacji propionowej w toku produkcji serów podpuszczkowych dojrzewających typu szwajcarskiego. Tymczasem potencjał bakterii fermentacji propionowej jest znacznie większy. Sigurd Orla-Jensen, duński chemik i bakteriolog, był pierwszym naukowcem, któremu w 1909 roku udało się wyizolować z mleka i szczegółowo opisać bakterie z rodzaju Propionibacterium [3]. Charakterystyczną cechą bakterii z rodzaju Propionibacterium jest zdolność do produkcji dużych ilości kwasu propionowego, co znalazło odzwierciedlenie w ich nazwie rodzajowej – Propionibacterium, a także określeniach potocznych: bakterie kwasu propionowego, bakterie fermentacji propionowej, bakterie propionowe [13].

Bakterie propionowe wyróżniają się dużą heterogennością zarówno pod względem cech taksonomicznych, jak i właściwości biologicznych. Zwyczajowo bakterie te dzieli się na dwie grupy: bakterie propionowe „klasyczne” i bakterie propionowe „skórne”. Pierwszą z tych grup są bakterie propionowe istotne przemysłowo, obejmujące pięć zatwierdzonych taksonomicznie gatunków: Propionibacterium acidopropionici, P. cyclohexanicum, P. freudenreichii, P. jensenii, P. thoenii [3, 13].

Bakterie fermentacji propionowej należą do rzędu promieniowców. Są to pałeczki Gram-dodatnie, nieprzetrwalnikujące, nieruchliwe, beztlenowe lub względnie beztlenowe. Charakterystyczny jest dla nich plemorfizm, czyli zjawisko polegające na tym, że komórki potrafią zmieniać swój kształt – mogą występować w postaci krótkich łańcuszków, długich form maczugowatych lub pałeczek drobnych i krótkich. Bakterie propionowe zalicza się do mezofili, czyli mikroorganizmów rosnących najlepiej w zakresie temperatury 25-35°C, chociaż znane są również szczepy, które rosną we względnie niskiej temperaturze 3-7°C albo względnie wysokiej temperaturze – aż do 58°C [11, 15, 16].

Są stosunkowo oporne na parametry procesu pasteryzacji – w większości przeżywają obróbkę mleka 70°C/12-20 s, a niektóre nawet 76°C/10 s [1]. Warunki optymalne dla wzrostu tych bakterii stanowi pH z zakresu 6,0-7,5, chociaż znane są również szczepy doskonale wytrzymujące pH od 4,5 do 8,5 [11, 15, 16].

Jak wcześniej wspomniano, bakterie te występują przede wszystkim jako mikroflora rodzima mleka surowego, ale znajdywane są także w żwaczu zwierząt hodowlanych, glebie, ściekach, kiszonkach

STRESZCZENIE:
Bakterie z rodzaju Propionibacterium są wykorzystywane w przemyśle mleczarskim przede wszystkim ze względu na zdolność do produkcji kwasu propionowego, a także uwalniania CO2 , istotnego dla powstawania oczek w serach podpuszczkowych dojrzewających typu szwajcarskiego. Bakterie propionowe posiadają również inne właściwości istotne dla technologii mleczarskiej, a są to m.in. zdolność do wykorzystania laktozy oraz mleczanu, zdolność do syntezy związków nadających aromat, smak i teksturę produktom fermentowanym, jak również związków przeciwgrzybiczych i przeciwbakteryjnych. Bakterie propionowe posiadają także zdolność do wytwarzania dużych ilości witaminy B12 oraz folacyny. Niektóre szczepy z rodzaju Propionibacterium są też uważane za bakterie o właściwościach probiotycznych.
SUMMARY:
Bacteria of the genus Propionibacterium are used in the dairy industry primarily because of their ability to produce propionic acid as well as releasing CO2 , which is important for the formation of eyes in Swiss-type cheeses. Propionic bacteria also have other properties that are important for dairy technology, including the ability to use lactose and lactate, the ability to synthesize compounds that give flavour, taste and texture to fermented products, as well as antifungal and antibacterial compounds. Propionic bacteria also have the ability to produce large amounts of vitamin B12 and folacin. Some strains of the genus Propionibacterium have been developed as probiotics. TITLE: The Use of Propionic Acid Bacteria in Dairy Production.

i sfermentowanych sokach [15]. Przeprowadzają fermentację propionową, w której przekształcają cukier, kwas mlekowy i jego sole w kwas propionowy oraz inne metabolity, takie jak kwas octowy, dwutlenek węgla, kwas bursztynowy, acetoina, diacetyl i lotne związki aromatyczne (siarczek dimetylu, aldehyd octowy, aldehyd propionowy, etanol, propanol). Chemia tej fermentacji jest podobna do fermentacji mlekowej, z tą różnicą, że kwas mlekowy powstały w tej fermentacji nie jest produktem końcowym, ale pośrednim. Bakterie propionowe są też zaliczane do grupy najbardziej wydajnych producentów witaminy B12 [10, 17]. Synteza cyjanokobalaminy przez bakterie propionowe (propionic acid bacteria, PAB) zależy od kilku czynników, w tym dostępności kobaltu, a także natlenienia środowi

ska rozwoju bakterii propionowych. Względnie beztlenowe środowisko jest dobre do produkcji kwasu propionowego, natomiast warunki tlenowe do produkcji witaminy B12 [17]. Kwas propionowy jest uwalniany na zewnątrz komórek, natomiast cyjanokobalamina pozostaje wewnątrz komórek bakteryjnych.

ZNACZENIE METABOLITÓW fermentacji propionowej

Produkcja serów podpuszczkowych dojrzewających typu szwajcarskiego jest najstarszą technologią mleczarską wykorzystującą aktywność bakterii propionowych [3]. Historia serów typu szwajcarskiego sięga XII wieku i wywodzi się z doliny Emmental w zachodnio-środkowej części Szwajcarii (kanton Berno), znanej z produkcji sera Emmentaler. Sery typu szwajcarskiego zalicza się do twardych serów podpuszczkowych dojrzewających, a pierwsze badania dotyczące udziału bakterii propionowych w produkcji tych serów były związane z ich rolą w procesie dojrzewania. Dojrzewanie serów typu szwajcarskiego obejmuje okres przechowywania w temperaturze 22-24°C. Główną rolą bakterii propionowych jest metabolizm mleczanów, powstałych podczas fermentacji prowadzonej przez bakterie mlekowe, do kwasu propionowego i innych produktów, w tym wytworzenie znacznych ilości CO2 . Szacuje się, że bakterie propionowe wytwarzają ok. 40% całkowitego CO2 (w 100-kilogramowym serze ementalskim łącznie powstaje ok. 100 l gazowego CO2 ). Produkowany CO2 jest gromadzony w masie sera i przyczynia się do tworzenia pożądanych oczek (w serze typu szwajcarskiego oczka są liczne i o dużej średnicy) [3, 19]. Wiadomo, że bakterie propionowe słabo rosną w mleku, a do rozwoju są prawdopodobnie stymulowane działaniem starterowych bakterii mlekowych i enzymatyczną aktywnością podpuszczki. Bakterie propionowe uaktywniają się w masie sera dopiero na etapie jego dojrzewania, już w pierwszych dniach umieszczenia serów w dojrzewalni, a ich aktywność jest zachowywana przez cały ten okres, osiągając maksimum już po kilku tygodniach [19]. Kwas propionowy nadaje serom słodki, orzechowy oraz jełki aromat, kwas octowy kwaśny, ostry zapach i smak. W wyniku równoczesnego powstawania kwasu propionowego i octowego następuje wzrost tzw. lotnej kwasowości sera oraz obniżenie kwasowości czynnej – pH miąższu zwiększa się do 5,5-6,0, co sprzyja procesom proteolitycznym polegającym na stopniowym hydrolitycznym rozpadzie białek [8, 13, 19]. Podczas dojrzewania serów typu szwajcarskiego powstaje również wiele substancji składających się na ich profil smakowo-zapachowy: kwasy organiczne inne niż kwas propionowy, acetoina, diacetyl, siarczek dimetylu, aldehyd octowy, wiele różnych aldehydów, ketonów, estrów, laktonów czy furanów. Są one produktami przemian zarówno laktozy (z wytworzeniem mleczanów), lipidów (z tworzeniem kwasów tłuszczowych), jak i białek (z wytworzeniem peptydów i szczególnie aminokwasów – PAB wykazują bardzo niską aktywność kazeinolityczną, ale syntetyzują różne wewnątrzkomórkowe peptydazy, w tym specyficzne dla peptydów zawierających prolinę) [3]. Ze względu na aktywności enzymatyczne przyczyniające się do urozmaicenia smaku bakterie propionowe są również stosowane jako kultury wspomagające w produkcji niektórych odmian miękkich serów podpuszczkowych dojrzewających (nawet takich, w których powstawanie dużych oczek nie jest oczekiwane) czy kwasowych [3]. Oczywiście nadmierna populacja bakterii propionowych nie jest pożądana. Według ogólnej zasady wykorzystania tych bakterii w serowarstwie zarówno niedobór, jak i nadmiar PAB nie jest dobry, zważywszy na jakość finalnego produktu. Z jednej strony wiele wad serów typu szwajcarskiego jest spowodowanych brakiem, słabym lub nadmiernym wzrostem tych bakterii, z drugiej strony zaś bez udziału tych bakterii niemożliwe byłoby wyprodukowanie serów o wymaganej wysokiej jakości.

BIOUTRWALANIE ŻYWNOŚCI

Ostatnio obserwuje się spore zainteresowanie konsumentów produktami wolnymi od chemicznych dodatków konserwujących, co skutkuje zwiększeniem liczby produktów żywnościowych utrwalanych biologicznie. W tym zakresie obiecujące są właściwości przeciwdrobnoustrojowe oraz fungistatyczne PAB i ich potencjał w zakresie bioochrony żywności, zastępującej chemiczne metody utrwalania żywności [5]. Taki sposób wykorzystania PAB w żywności wynika z ich zdolności do syntezy biologicznie aktywnych składników, np. kwasów organicznych (m.in. propionowego, octowego, bursztynowego, 2-pirolidon-5-karboksylowego, 3-fenylolaktowego i hydroksyfenylowego) czy bakteriocyn [3, 4, 5].

Jak wspomniano, bakterie propionowe wytwarzają bakteriocyny, czyli substancje białkowe, również o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych [15]. Znane są m.in.: jensenina G wytwarzana przez P. jensenii P126, jensenina P wytwarzana przez P. jensenii B1264, propionicyna SM1 produkowana przez P. jensenii DF1, propionicyna F wytwarzana przez P. freudenreichii, a także propionicyny PLG-1 i GBZ-1 produkowane przez P. thoenii P127. Niektóre z bakteriocyn są wytwarzane przez różne gatunki PAB. Propionicyny SM1 i SM2, najpierw wyizolowane z P. jensenii DF1, wykryto także u P. acidipropionicii i P. freudenreichii. Propionicyna PLG-1 wydaje się mieć szerokie spektrum działania, hamuje wzrost różnych bakterii Gram-dodatnich, niektórych bakterii Gram-ujemnych oraz niektórych drożdży i pleśni [2, 3]. Jensenina G jest małą stałocieplną bakteriocyną hamującą niektóre bakterie mlekowe, co może być wykorzystane do zapobiegania przekwaszaniu jogurtów, rozwojowi mikroflory zanieczyszczającej takiej jak NSLAB (niestarterowe bakterie fermentacji mlekowej) lub opóźniania rozwoju bakterii Cl. botulinum typu A, B i E [2]. Co ciekawe, jensenina P i thoenicyna 447 hamują rozwój „skórnych” bakterii propionowych i mogą być przydatne w zwalczaniu patogenów oportunistycznych. Pomimo obiecujących wyników tylko ograniczona liczba bakteriocyn PAB została do tej pory w pełni zsekwencjonowana i scharakteryzowana [3].

Bakterie propionowe wydłużają okres trwałości różnych fermentowanych produktów mlecznych i zapobiegają ich psuciu przez drożdże i pleśnie [3, 12, 14]. Jeszcze bardziej skuteczne w tym zakresie są kokultury bakterii propionowych i bakterii mlekowych. Komercyjnie dostępne preparaty zawierające PAB, głównie kultury P. freudenreichii subsp. shermanii, i ich metabolity są dodawane do serów typu szwajcarskiego celem zahamowania wzrostu mikroflory zanieczyszczającej (szczególnie pleśni i drożdży) lub patogennej. Prowadzono także badania nad zastosowaniem bakterii propionowych w bioutrwalaniu serów twarogowych [18]. Oprócz zwiększenia trwałości twarogów dodatkowym efektem wykorzystania PAB była poprawa cech organoleptycznych (lepsze cechy smakowo-zapachowe, lepsza konsystencja) [8, 18].

WŁAŚCIWOŚCI PROZDROWOTNE

Bakterie propionowe nie tylko posiadają zdolność do tworzenia metabolitów o działaniu fungistatycznym oraz antybakteryjnym, ale również wykazują wiele właściwości prozdrowotnych, takich jak biosynteza witamin B12 (cyjanokobalaminy) i B9 (folacyny), szczególnie istotnych dla ludzi, a także witaminy B2 (ryboflawiny) [1, 12, 15]. Te zdolności bakterii propionowych zostały już wykorzystane do zwiększenia wartości odżywczej żywności fermentowanej, m.in. fermentowanych warzyw i soków [9].

Podczas fermentacji bakterie propionowe syntetyzują znaczną ilość witamin, przede wszystkim folacyny i witaminy B12. Z tego powodu dużym zainteresowaniem cieszy się obecnie możliwość wykorzystania bakterii propionowych w produkcji mlecznych napojów fermentowanych. Wiadomo, że napoje fermentowane są wysoko cenione na rynku ze względu na swoje właściwości organoleptyczne i prozdrowotne. Można wnioskować, że intensywny rozwój przemysłu mleczarskiego wymaga innowacyjnego podejścia do rozwoju technologii mleczarskiej, a jedną z takich wydaje się wykorzystanie potencjału bakterii propionowych innego niż tylko zdolność do prowadzenia fermentacji propionowej. Oleynikova i wsp. [12] wykazali, że bakterie propionowe mogą być wykorzystane także do zwiększania poziomu witaminy B12 w różnych fermentowanych produktach mlecznych. W produkcji śmietany użycie startera zawierającego bakterie propionowe pozwoliło uzyskać produkt o wysokich właściwościach odżywczych, bogaty w witaminy z grupy B (takie jak B1 , B2 , B12) i kwas foliowy. Także polskie badania dowiodły, że dodatek bakterii propionowych w produkcji serów twarogowych może znacząco zwiększyć zawartość witaminy B12 – do tego stopnia, że spożycie 200 g takiego twarogu pokrywałoby połowę dziennego zapotrzebowania człowieka na tę witaminę [8, 18].

Wszystkie mleczarskie szczepy bakterii propionowych są zdolne do metabolizowania laktozy [3, 12, 16]. Oznacza to, że bakterie te są wyposażone w system transportu laktozy i jej hydrolizy (aktywność β-galaktozydazy). Produkcja β-galaktozydazy i hydroliza laktozy są stymulowane przez ekspozycję PAB na żółć, co sugeruje dużą rolę tych bakterii w leczeniu nietolerancji laktozy u ludzi [3]. PAB mają zdolność do biosyntezy trehalozy, disacharydu zbudowanego z dwóch cząsteczek glukozy, jak też egzopolisacharydów, które mogą być wykorzystywane jako substancje naturalnie modulujące odpowiednią teksturę produktów mlecznych [1, 15].

Wybrane szczepy niektórych gatunków bakterii z rodzaju Propionibacterium wykorzystywanych w przemyśle spożywczym uważane są również za bakterie o właściwościach probiotycznych [19]. Posiadają status GRAS (ang. Generally Recognised As Safe), czyli są uznawane za bezpieczne. Mają zdolność do modulowania składu i populacji mikroflory jelitowej, a także poprawy jej funkcjonowania [15]. W przemyśle spożywczym do produkcji żywności o przeznaczeniu probiotycznym wykorzystuje się głównie szczepy z gatunku P. freudenreichii subsp. shermanii, co zostało opisane przez Vorobjeva i wsp. [20]. Przykładem jest szczep P. freudenreichii subsp. shermanii JS zdolny do przeżycia w solach żółciowych o stężeniu 0,5% oraz przez 3 godziny w środowisku o pH 3, czyli w warunkach panujących w żołądku [1]. Z danych literaturowych wynika, że bakterie P. freudenreichii subsp. shermanii są zdolne do wytwarzania kwasu 1,4-dihydroksy-2-naftoesowego (DHNA), czynnika bifidogennego, który wzmaga rozwój bifidobakterii zarówno w warunkach in vitro, jak i in vivo [1, 3, 6]. Poza tym po dostaniu się do przewodu pokarmowego bakterie P. freudenreichii subsp. shermanii przylegają do nabłonka jelit, zasiedlają go czasowo (na ok. 2 tygodnie) i przyczyniają się do zahamowania rozwoju mikroflory chorobotwórczej.

Odnotowano korzystny wpływ aktywności bakterii propionowych na ludzkie zdrowie: chodzi o zmniejszenie aktywności enzymów określanych jako prokancerogeny (m.in. azoreduktaz, enzymów biorących udział w biosyntezie czynników rakotwórczych) i inaktywację egzogennych mutagenów, właściwości przeciwzapalne, a także stymulowanie apoptozy komórek rakowych nowotworu jelita grubego zarówno w warunkach in vitro, jak i in vivo [1, 3]. Wykazują one ponadto właściwości przeciwzapalne, antystresowe i antymutagenne. Bakterie propionowe wykazują także zdolność do wiązania mikotoksyn w świetle przewodu pokarmowego [1]. Sprzyjają również redukcji biodostępności i wchłaniania aflatoksyny B1 przez organizm człowieka [3]. Khamagaeva i wsp. [7] wykazali, że wprowadzenie bakterii propionowych do konsorcjum grzybka kefirowego wzmacnia właściwości probiotyczne i aktywność antymutagenną. Bakterie propionowe mają unikalne, ale słabo poznane właściwości immunostymulujące [3, 15]. Wspomniany mechanizm, badany na myszach, polegał na aktywacji makrofagów i aktywności cytolitycznej za pośrednictwem komórek T [3].

PODSUMOWANIE:

Bakterie z rodzaju Propionibacterium od lat stosuje się w przemyśle mleczarskim ze względu na zdolność do produkcji kwasu propionowego i dwutlenku węgla w serach podpuszczkowych dojrzewających typu szwajcarskiego. Wykorzystanie tych bakterii do produkcji mleczarskiej może przyczynić się również do uzyskania kilku pożądanych właściwości zdrowotnych (wzbogacić produkty w witaminy i enzymy), a także do zahamowania rozwoju mikroorganizmów chorobotwórczych lub zanieczyszczających, dzięki czemu można zwiększyć bezpieczeństwo żywności i znacznie przedłużyć jej trwałość.


Dr hab. M. Ziarno, prof. SGGW – Katedra Technologii i Oceny Żywności, Instytut Nauk o Żywności, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, dr inż. D. Zaręba – Zespół Szkół Gastronomicznych w Warszawie; e-mail: malgorzata_ziarno@sggw.pl, dorotazareba@gmail.com

LITERATURA:
[1] Borawska J., M. Darewicz. 2010. „Charakterystyka i znaczenie bakterii rodzaju Propionibacterium
w produkcji żywności i pasz”. Medycyna Weterynaryjna 66 (8) : 534-537.
[2] Ekinci F.Y., S.F. Barefoot. 1999. „Production of bacteriocin jenseniin G by Propionibacterium is pH
sensitive”. Letters in Applied Microbiology 29 : 176-180.
[3] Roginski, H., J.W. Fuquay, P.F. Fox (Eds.). 2003. Encyclopaedia of Dairy Sciences. Academic Press,
London.
[4] Gwiazdowska D. 2010. „Biochemiczna i molekularna charakterystyka bakteriocyn wytwarzanych przez bakterie z rodzaju Propionibacterium”. Biotechnologia 3 (90) : 75-93.
[5] Gwiazdowska D., K. Trojanowska. 2005. „Bakteriocyny – właściwości i aktywność przeciwdrobnoustrojowa”. Biotechnologia 1 : 114-130.
[6] Kaneko T. 1999. „A novel bifidogenic growth stimulator produced by Propionibacterium freudenreichii”. Bioscience and Microflora 18 : 73-80.
[7] Khamagaeva I.S., I.V. Boyarineva, N.Y. Potapchuk. 2013. „The study of probiotic properties
of combined starter”. Техника и технология пищевых производств 1 : 1-5.
[8] Kujawski M., J. Rymaszewski, Ł. Łaniewska-Moroz, G. Cichosz, A. Fetliński. 1994. „Wpływ fermentacji propionowej na tworzenie cech smakowo-zapachowych sera i twarogów”. Przegląd Mleczarski
10 : 263-265.
[9] Łaniewska-Moroz Ł., I. Warmińska-Radyko. 1999. „Zastosowanie bakterii fermentacji propionowej
w produkcji fermentowanego soku z buraków ćwikłowych”. Materiały Konferencji „Lepsza żywność”, VI 1999, 93-99.
[10] Martens J.H., H. Barg, M.J. Warren, D. Jahn. 2002. „Microbial production of vitamin B12. Applied Microbiology and Biotechnology 58 : 275-285.
[11] Müller G. 1983: „Systematyka bakterii”. W Podstawy mikrobiologii żywności. (red. Kurdybacha Ł.), WNT:
Warszawa.
[12] Oleynikova E.A., T.V. Kuznetsova, M.G. Saubenova, L.T. Raiymbekova, M.M. Shormanova, A.A.
Aitzhanova. 2017. „Использование пропионовокислых бактерий для повышения пищевой
и биологической ценности и сохранности кисломолочных продуктов (Propionibacteria in Preservation of Dairy Products and Increasing its Nutritional and Biological Value)”. Международный журнал
прикладных и фундаментальных исследований 10 (1) : 94-97.
[13] Paściak M., H. Modarska. 1999. „Rodzaj Propionibacterium – heterogenność taksonomiczna biologiczna”.
Postępy Mikrobiologii 38 (3) : 245-256.
[14] Patent RU 2332019. Metoda produkcji fermentowanego produktu mlecznego. Autorzy patentu: Grunskaya Vera Anatolyevna (RU), Korzyuk Yan Vladimirovich (RU), https://findpatent.ru/patent/233/2332019.html (data odwołania: 29.08.2019).
[15] Pawlicka-Kaczorowska J., K. Czaczyk. 2016. „Klasyczne bakterie propionowe – taksonomia, warunki
hodowlane oraz zastosowanie. Postępy Mikrobiologii 55 (4) : 367-380.
[16] Piveteau P. 1999. „Metabolism of lactate and sugars by dairy propionibacteria: A review”. La Lait 79 :
23-41.
[17] Quesada-Chanto A., A.G. Schroeder, A.C. Schmid-Meyer, J.A. Lopez, M.M. Silveira, R. Jonas. 1997. „Organic acid production by Propionibacterium shermanii: effect of pH, temperature and vitamin-nitrogen
source”. Zeitschrift für Naturforschung 52c : 193-196.
[18] Steinka I., P. Przybyłowski. 1997. „Nowe trendy w technologii produkcji serów twarogowych”. Przegląd
Mleczarski 6 : 167-168.
[19] Varnam A.H., J.P. Sutherland. 2001. „Milk and milk products. Technology, chemistry and microbiology”.
Aspen Publishers Inc.: Gaithersburg, Maryland.
[20] Vorobjeva L.I., E.Y.U. Khodjaev, N.V. Vorobjeva. 2008. „Propionic acid bacteria as probiotics”. Microbial
Ecology in Health and Disease 20 : 109-112.

Aktualności

Konferencja on-line PFPŻ ZP

„Produkcja żywności – kwestie istotne dla przedsiębiorców” 28 lipca 2022 r. Polska Federacja Producentów Żywności Związek Pracodawców oraz kwartalnik „Food-Lex” zapraszają do udziału w konferencji