Микробиология сыра

МИКРОБИОЛОГИЯ СЫРА

Автор: Л. Воробьева

Статья на заметку

(ниже ↓ см.: "Новое о ПКБ в производстве сыра")

СЫР - любимая еда большинства людей планеты. Во Франции, например, где производится его свыше 300 сортов, говорят: «десерт без сыра, что девушка без улыбки». А в столице Канады Оттаве этому продукту установлен памятник, в Западной Европе ему посвящают международные научные симпозиумы. Весьма популярен и востребован он и в нашей стране.

Полагают, что сыроделие возникло на Среднем Востоке. Жители, населявшие долину Тигра и Евфрата, были в основном кочевниками. Перемещаясь в поисках воды и новых пастбищ для скота, они носили с собой молоко в своеобразных мешках из желудков свежеубитых овец. Сочетание природной микрофлоры в этом продукте и сычужного реннина — фермента желез желудка животного, ставшего тарой, а также жаркий климат способствовали образованию некой съедобной массы, которая в конечном счете приобрела признаки современного сыра. Если исходить из того, что овец одомашнили, скажем, в Иране 9 тыс. лет до н.э., то можно вполне справедливо считать: некоторые сорта этого молочнокислого продукта появились уже в ту пору. Технология их производства постепенно перекочевала в Южную и Центральную Азию, в северную часть Средиземноморья, а затем и в Западную Европу.

Сыр представляет собой концентрированную форму двух главных компонентов молока — жира и казеина (сложного белка), но получить его можно лишь при обязательном участии бактерий и поваренной соли. Вариации этих составляющих, а также конкретные условия производства позволяют изготавливать различные сорта сыров. Однако молоко должно быть биологически полноценным, содержать витамины, микроэлементы, полипептиды, аминокислоты. В нем не могут присутствовать антибиотики, лейкоциты, антитела. Для производства, допустим, сыра марки Советский его пастеризуют в течение 20-25 с при температуре 71 -72 °С, что убивает вегетативные клетки микроорганизмов, но споры, в частности вредителей сыров, сохраняют жизнеспособность. Они выделяют масляную кислоту и много газов. Избыточное образование последних приводит к вспучиванию массы, возникновению трещин и в конечном счете к порче сыра.

Пастеризованное молоко охлаждают до 8-10°С, вносят в него закваску, а через 30 мин — реннин. Последующий промежуток времени (10-14 ч) — стадия созревания. Именно тогда бактерии сбраживают лактозу, превращая ее в молочную кислоту. В результате гидрофильные свойства казеина снижаются. Под действием реннина он выпадает в осадок и при подогревании отделяется от сыворотки. Образовавшаяся сырная масса в формовочных аппаратах превращается в пласт. Его разрезают на куски необходимого размера и помещают в солильные камеры. От содержания NaCl зависит достижение всех органолептических свойств: вкус, аромат, консистенция (степень густоты), рисунок и др.

Затем продукт обсушивают, покрывают специальным восковым составом и помещают в камеры созревания. Здесь гибнут миллионы молочнокислых бактерий, присутствующих в исходном субстрате. В ходе данного процесса высвобождается множество внутриклеточных ферментов. В сочетании с реннином и молочными катализаторами они воздействуют на жиры, белки и углеводы. В результате их расщепления накапливаются органические вещества — пептиды, аминокислоты, амины, участвующие в создании органолептических свойств сыра. Сладкий его вкус определяют такие аминокислоты, как аланин, глицин, пролин. Горький — лейцин, изолейцин, гистидин, лизин. Глутаминовая кислота обладает бульонным вкусом.

В продукте низкого качества — больше горьких органических соединений. И наоборот, в престижных сортах их намного меньше: в Швейцарский и Советский сыры вклад в аромат вносит аминокислота — пролин, в Чеддер и Российский — альдегид-метионал. А приятный запах Рокфора в значительной мере связан с образованием метилкетонов, возникающих при микробном окислении жиров. Кстати, если созревание сыра должным образом контролируют, то последние подвергают частичному гидролизу липазами (специальными ферментами) молока и микроорганизмов. При этом освобождаются каприловые, каприновые, капроновые химические соединения, придающие сырам привлекательный запах. Главные летучие их кислоты — пропионовая и уксусная. Они и обусловливают острый вкус продукта, конечно, если в состав закваски включаются еще и пропионовокислые бактерии.

И вообще, процессы окисления и брожения в производстве сыров играют решающую роль. С древних времен, как отмечалось выше, для этого используют молочно-кислые бактерии (их называют еще одомашненными). Они вместе с сычужным ферментом участвуют в расщеплении составных компонентов молока, жиров, подавляют развитие в субстрате посторонней микрофлоры. Молочно-кислые бактерии — гомолактатные, сбраживающие углеводы с образованием только молочной кислоты. Однако в процессе этого брожения выход энергии очень незначителен, т.е. меньше, чем у других одноклеточных организмов. Поэтому для получения приемлемого результата им приходится окислять большое количество лактозного субстрата.

Кстати, гомолактатные бактерии представляют нормальную микрофлору желудочно-кишечного тракта людей, служат основой многих пробиотических препаратов. Их штаммы — антагонисты патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Гомолактатные бактерии используют прежде всего в заквасках для производства сыров, молочной кислоты, пищевого консерванта — низина.

Важную роль в процессах брожения играют и пропионовокислые бактерии — рекордсмены в образовании витамина В12. Они обусловливают острый вкус и общий рисунок лучших сортов сыра, продуцируют участвующие в формировании его аромата соединения (ацетоин, диацетил, диметил сульфид, ацетальдегид), кроме того, одни из немногих, способные сбраживать молочную кислоту как энергетическую основу закваски.

Впрочем, в функциональном отношении пропионовые и молочнокислые бактерии — взаимно полезны. Первые получают субстрат, обеспечивающий им селективные условия жизнедеятельности, вторые, как оказалось, добывают при этом дополнительную энергию, в результате значительно увеличивается их рост. Однако пропионовые бактерии уживаются не со всеми штаммами молочно-кислых. По данным Всероссийского научно-исследовательского института маслодельной и сыродельной промышленности (Алтайский филиал) из 22 штаммов молочно-кислых бактерий 9 выступили антагонистами пропионовых. Не случайно специалисты все больше склоняются к использованию многоштаммовой сухой закваски с участием вторых, поскольку газо- и кислотообразующая активность их увеличена, что дает высокий экономический эффект.

Еще одна важная задача управления технологией сыроделия — ограничение роста микрофлоры, вызывающей дефекты продукта. Виновником его порчи обычно выступают возбудители масляно-кислого брожения. Не так давно под руководством доктора биологических наук Льва Остроумова (Всероссийский научно-исследовательский институт маслодельной и сыродельной промышленности) разработан эффективный способ ингибирования (замедления) данного процесса путем подбора некоторых молочнокислых бактерий — антагонистов таких возбудителей.

Значение бактерий в созревании сыра трудно переоценить. Порой оно протекает при участии микроскопических грибков, рост которых происходит по всей толще продукта, например, в сорте Рокфор. Название свое он получил от одноименной деревни (близ Гренобля, Франция), где изготовляют сыр из овечьего молока. Созревание продукта происходит в гротах и пещерах, там гуляет холодный и влажный воздух, а температура не превышает 10 °С. После поселки сырную массу заражают спорами грибка и протыкают стальными иглами, что увеличивает поступление воздуха в заготовку и способствует образованию в ней протеолитических (каталитических) ферментов, сильно размягчающих ее и гидролизирующих жиры. При этом выделяются кислоты, придающие продукту соответствующий аромат. Созревает Рокфор в течение нескольких месяцев.

Аналогично готовят закваску и для сыра марки Камамбер. Кроме спор грибка, в нее включают молочнокислые стрептококки. После завершения роста микроорганизмов здесь развиваются слизеобразующая Bacterium Linens и особые дрожжи; они также размягчают сыр и наделяют его приятным запахом.

Разнообразные исследования в сфере сыроделия ведут и другие отечественные ученые. Так, доктор биологических наук Михаил Данилов (Восточно-Сибирский государственный технологический университет, Улан-Удэ) предложил производить мягкий сыр с использованием комбинированной закваски, включающей, кроме молочнокислых микроорганизмов, культуры бифидобактерий, сохраняющие высокую биохимическую активность на всех этапах изготовления продукта.

В свою очередь, сотрудник Кемеровского технологического института пищевой промышленности Ирина Смирнова разработала основы создания нового вида мягкого сыра. Его суть — в термокислотном свертывании обезжиренного молока, нормализованного подсырными сливками. Она обратила внимание на то, что при изготовлении сыров из молочных белков используется главным образом казеин, другие же аналогичные полезные вещества переходят в сыворотку. Стремясь поставить их на службу, она предложила осуществить термокислотную коагуляцию (свертывание) молока с применением пищевых кислот при температуре 65-95°С. Включение в процесс производства продукта подсырных сливок увеличило содержание в нем ненасыщенных жирных кислот.

Немало и других новшеств совершенствования технологий изготовления сыра предложены отечественными специалистами. Их исследования будут продолжаться, ибо спрос на этот благородный продукт не прекращается.

Лена ВОРОБЬЕВА, доктор биологических наук, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

МОЛОЧНЫЕ ПРОПИОНИБАКТЕРИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СЫРА

Перед прочтением рекомендуется ознакомиться с изменениями в классификации пропионибактерий

Сканирующая электронная микрофотография лиофилизированной культуры и световая микрофотография жидкой культуры Propionibacterium freudenreichii

Случайный рис.: Сканирующая электронная микрофотография лиофилизированной культуры Propionibacterium freudenreichii и световая микрофотография жидкой культуры Propionibacterium freudenreichii

К молочным ПКБ относятся виды P. freudenreichii, Acidipropionibacterium thoenii, A. jensenii и A. acidipropionici, среди которых P. freudenreichii чаще всего встречается в сырном производстве (Blasco et al., 2015; Todesco et al., 2000). Лишь в редких случаях A. microaerophilum и P. cyclohexanicum считаются молочными ПКБ, поскольку большинство авторов не включают их, поскольку они не встречались или крайне редко встречались в образцах молочных продуктов и были впервые выделены из сточных вод оливковых заводов и испорченного апельсинового сока (Beresford et al., 2001; Jakob et al., 2016; Koussémon et al., 2001; Turgay et al., 2020; Walker & Phillips, 2007). В связи с недавним разделением на три рода ссылка на пропионибактерии в контексте молочной практики может быть неоднозначной, поскольку P. freudenreichii является единственным видом рода Propionibacterium, имеющим отношение к молочным продуктам, тогда как три вида рода Acidipropionibacterium, а именно, A. acidipropionici, A. jensenii и A. thoeni также актуальны для молочной промышленности. Этот факт необходимо иметь в виду, особенно в отношении более старой литературы, в которой вышеупомянутые организмы упоминаются только как (молочные) пропионибактерии. Пропиони- и ациди-пропионибактерии, имеющие отношение к молочным продуктам, были выделены из молока, сыра и ферментированных продуктов, а также из окружающей среды крупного рогатого скота, где они присутствуют в рубце и кишечнике жвачных животных, а также в силосе (Falentin et al., 2010a; Fröhlich-Wyder et al., 2017). Кроме того, в недостаточно очищенном доильном оборудовании иногда можно обнаружить биопленки и отложения термостойких бактерий, в том числе молочных ПКБ (Turgay et al., 2018; Turgay et al., 2016).

Ацидипропионибактерии, а также пропионибактерии могут использоваться в качестве защитных культур в пищевых продуктах. Например, A. jensenii и A. thoenii производят различные биозащитные вещества, такие как бактериоцины и противогрибковые соединения, которые могут иметь потенциал для промышленного применения (Altieri, 2016; Thierry et al., 2015; Turgay et al., 2020). P. freudenreichii и A. acidipropionici уже давно зарегистрированы в производстве продуктов питания и сыра, и оба обладают квалифицированным статусом презумпции безопасности (QPS). P. freudenreichii также имеет общепризнанный статус безопасного (GRAS) (Deptula et al., 2018; Rabah et al., 2017). Следовательно, P. freudenreichii можно использовать в качестве закваски для широкого спектра различных сыров, для которых желательно пропионовокислое брожение, таких как сыры Эмменталь и др. сыры швейцарского типа (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Резким контрастом с положительным эффектом заквасок ПКБ является вредное воздействие на качество сыра, когда присутствие ПКБ нежелательно. При производстве сыра молочные ПКБ также могут вызывать ряд дефектов качества, таких как поздняя ферментация, пятна в сырной матрице или трещины в теле сыра (Fessler et al., 1999a; Jimeno et al., 1995; Thierry et al., 2011). Установление четкой границы между признаками ПКБ, вызывающими положительные эффекты, и теми, которые вызывают дефекты качества, часто бывает трудным и зависит от типа сыра.

Сыры Эмменталь с защищенным наименованием происхождения (PDO) или защищенным географическим указанием (PGI) производятся из высококачественного сырого молока. В процессе производства эти сыры подвергаются пропионовокислому брожению в течение периода выдержки, продолжительностью от 5 месяцев до 1 года и более (Fröhlich-Wyder et al., 2017). В течение этого длительного периода созревания в теле сыра развиваются характерный вкус и глазки. Напротив, сыры Эмменталь, производимые в соответствии со стандартом для Эмменталя CXS 269–1967, иногда также называемые «родовыми» сырами Эмменталь, часто изготавливаются из пастеризованного молока и имеют более короткое время созревания (Codex Alimentarius Commission; Fröhlich-Wyder et al., 2017). Кроме того, широкий спектр полутвердых сыров можно производить с использованием мезофильных и определенных ПКБ в качестве заквасок. Технология их производства сочетает в себе технологию производства сыров Гауда и Эмменталь, поэтому их также называют «Goutaler» (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Некоторые сыры, такие как Конте (PDO) или Фонтина (PDO), изготавливаются из сырого молока, но не обязательно подвергаются пропионовокислому брожению. Однако если молочные ПКБ присутствуют в сыром молоке, пропионовокислое брожение допускается (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Благодаря своим положительным свойствам и полученному сладкому и ореховому аромату молочные ПКБ также могут быть включены в сыры, которые обычно производятся без молочных ПКБ, такие как сыр Фета или Раклет (Angelopoulou et al., 2017; Fröhlich-Wyder et al., 2017; Thierry et al., 2005).

Поскольку виды сыра также обладают различными характеристиками и сенсорными профилями, выбор подходящих заквасочных культур ПКБ имеет решающее значение, причем одним из важных критериев является активность аспартазы. Высокая активность аспартазы может привести к усилению ферментации и образованию CO₂ (Blasco et al., 2011; Fröhlich-Wyder et al., 2017). CO₂ мигрирует через сырную массу и образует характерные сырные глазки. Однако, если скорость брожения слишком высока, сырная масса не выдерживает давления газа, что приводит к образованию в ней щелей и трещин. Кроме того, высокий уровень метаболизма аспартазы приводит к увеличению количества янтарной кислоты и аммиака, которые сильно влияют на вкус сыра (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Таким образом, высокая активность аспартазы нежелательна, если сыры созревают в течение 12 месяцев или дольше, как в случае с сыром Эмменталь PDO, поскольку они будут более склонны к поздней ферментации (Fröhlich-Wyder et al., 2017). С другой стороны, использование культур с высокой активностью аспартазы может сократить время созревания при хранении в теплом помещении до 10 дней и способствовать развитию вкуса сыров с коротким сроком созревания (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Примером, в котором такая схема используется для более быстрого продвижения конечного продукта на рынок, является “универсальный” Эмменталь, или сыры швейцарского типа, изготовленные из пастеризованного молока (Fröhlich-Wyder et al., 2017).

Несмотря на то, что молочные закваски ПКБ широко используются в производстве сыра, еще одной примечательной особенностью является то, что ПКБ, которые естественным образом встречаются в молочной среде, сохранили свое разнообразие. Действительно, ПКБ дикого типа значительно отличаются от доступных заквасочных культур (Fröhlich-Wyder et al., 2017). При производстве сыра важно проводить различие между коммерческими заквасочными культурами и потенциально вредными штаммами дикого типа. Как правило, молочные ПКБ легко инактивируются при более высоких температурах. Следовательно, они не выдерживают режимов нагрева во время пастеризации, но P.freudenreichii могут выдерживать температуру до 55°C в течение приблизительно 30 минут, если их применять при приготовлении или ошпаривании эмментальских сыров (Fröhlich-Wyder et al., 2017; Turgay et al., 2020). Ацидипропионибактерии более чувствительны к нагреванию, но, в зависимости от способа приготовления или ошпаривания производимого сыра, могут также пережить этот процесс (Fessler et al., 1999a). Таким образом, сырное молоко подвержено риску заражения молочными ПКБ дикого типа даже после процедур нагревания (Blasco et al., 2011). Дефекты качества сыра, такие как поздняя ферментация, довольно актуальны для сыров типа Эмменталь из сырого молока и др. швейцарских сыров, а поздняя ферментация с помощью молочных ПКБ усиливается за счет длительного созревания (Bachmann et al., 2011; Fröhlich-Wyder et al., 2017; Turgay et al., 2011). Если необходимо избегать пропионовокислого брожения, H. P. Bachmann и др. (Cheese | Raw Milk Cheeses, 2011) предполагают, что количество ПКБ в сыром сырном молоке должно быть ниже 30 КОЕ/мл, тогда как иногда рекомендуется начальное количество ниже 10 КОЕ/мл (Rossi et al., 1999). Конечно, требуемые пороговые значения варьируются в зависимости от вида сыра.

Помимо дефектов выдувания, молочная ПКБ может также вызывать появление красноватых или коричневых пятен на сыре (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Это явление чаще всего встречается зимой (Baer & Ryba, 1999). Появление пятен связывают с недостаточным добавлением заквасочных культур ПКБ в сырое молоко и последующим появлением контаминантов ПКБ дикого типа, крупные колонии которых становятся видимыми в виде нежелательных пятен. Например, A. jensenii и A. thoenii пигментированы и были выделены из коричневых или красных пятен (Fessler et al., 1999a). Этого дефекта качества можно эффективно избежать в сырах с желаемой ферментацией (пропионовокислым брожением) путем добавления достаточного количества стартовых культур ПКБ (Fessler et al., 1999a; Rossi et al., 1999).

Как уже было сказано, рост ПКБ оказывает большое влияние на качество сыра. Кроме того, на рост ПКБ влияет ряд различных факторов, таких как содержание NaCl в сыре, наличие определенных метаболитов или веществ, а также синергетические и антагонистические эффекты, вызванные присутствием некоторых представителей местной молочной микробиоты, например молочнокислых бактерий (МКБ) (Jimeno et al., 1995; O'Sullivan & Cotter, 2017; Piveteau et al., 2000; Thierry et al., 2015). Производство молочной кислоты имеет обратную зависимость от роста ПКБ: чем медленнее производство кислоты, тем быстрее происходит рост ПКБ, а чем быстрее производство кислоты, тем медленнее происходит рост ПКБ (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Факультативно гетероферментативные нестартерные лактобациллы (FHL) также оказывают значительное влияние на рост ПКБ в сыре, поскольку они ферментируют гексозы в среде почти исключительно до молочной кислоты (Fröhlich-Wyder et al., 2017). FHL являются компонентом индигенной микробиоты в сыром молоке, но их также могут намеренно добавлять при производстве сыров швейцарского типа и использовать для снижения ферментации ПКБ (Fröhlich-Wyder et al., 2017; Quigley et al., 2011). Контроль ПКБ-ферментации путем добавления FHL более эффективен, если закваски P. freudenreichii имеют низкую аспартазную активность, поскольку молочные ПКБ с высокой активностью в меньшей степени ингибируются FHL (Turgay et al., 2011). Молочные ПКБ с высокой аспартазной активностью могут попадать в сыр в виде ПКБ дикого типа и вызывать вышеуказанные дефекты качества, особенно в сырах с длительным сроком созревания (Fröhlich-Wyder et al., 2017).

Дополнительные антагонистические эффекты против роста ПКБ наблюдались у Lacticaseibacillus casei, Lb. rhamnosus (старое название рода Lactobacillus) и Lactiplantibacillus (старое название рода Lactobacillus) plantarum по причинам, которые не совсем понятны. Ингибирование роста, по-видимому, вызвано конкуренцией за ограничивающие вещества без содействия со стороны ингибирующего вещества (Beresford et al., 2001). В исследовании 20 штаммов лактобацилл 9 оказывали антагонистическое действие на ПКБ (Beresford et al., 2001). Фрелих-Вайдер и др. (2017) выяснили некоторые антагонистические механизмы для Lb. rhamnosus, выдвигая гипотезу, что диацетил может быть возбудителем из-за его летального действия на ПКБ. Кроме того, ацетат и формиат также ингибируют рост ПКБ. Напротив, вид Lactobacillus helveticus, который часто используется в качестве закваски в сочетании с ПКБ, способствует росту ПКБ (Fröhlich-Wyder et al., 2017). Этот вид МКБ, по-видимому, удаляет ингибирующее вещество, которое остается неопознанным. Действительно, L. helveticus часто заменяют другими МКБ, чтобы избежать интенсивного роста ПКБ в сыре Эмменталь PDO (Fröhlich-Wyder et al., 2017).

Интересно, что рост ПКБ не происходит в присутствии сыворотки, если ее не заменить лактатом и гидролизатом казеина или не подвергнуть предварительной обработке МКБ, хотя эти варианты эффективны только тогда, когда начальная плотность клеток ПКБ составляет >10⁵-10⁶ КОЕ/мл (Beresford et al., 2001; Cousin et al., 2012; Piveteau et al., 2000). МКБ превращают лактозу в лактат, который является предпочтительным источником углерода для молочной ПКБ. После лизиса МКБ высвобождаются пептидазы, которые вызывают высвобождение пептидов и свободных аминокислот и, следовательно, рост ПКБ (Deptula et al., 2017a; Fröhlich-Wyder et al., 2017; Turgay et al., 2020). Однако сыворотка, по-видимому, также содержит термостабильный ингибитор роста ПКБ (Beresford et al., 2001; Deptula et al., 2017a). Piveteau et al. (2000) предположили, что присутствие иммуноглобулинов, трансферрина, лактоферрина, производных лактоферрина или белков, полученных из казеина, может вызывать ингибирование ПКБ. В то же время Deptula et al. (2019) отметили, что пигментированные штаммы A. thoenii и A. jensenii каким-то образом защищены от ингибирования роста, вызванного фильтратами молочной сыворотки.

В заключение следует отметить, что, несмотря на свою полезность для некоторых сыров, молочная ПКБ может вызывать целый ряд дефектов в сыре и, как следствие, приводить к снижению качества и значительным денежным потерям для производителей (Blasco et al., 2011; Daly et al., 2010). Таким образом, эффективное обнаружение молочной ПКБ в сыром молоке для обеспечения производства высококачественных сыров с длительным сроком созревания имеет огромное значение для молочной промышленности.

Перчень литературы см. в источнике: Данная заметка является пересказом п.4. из статьи Bücher C, Burtscher J, Domig KJ. Propionic acid bacteria in the food industry: An update on essential traits and detection methods. / Compr Rev Food Sci Food Saf. 2021 Sep;20(5):4299-4323 (PDF)

О сыроделии: