Микробиология молока и молочных продуктов

Введение

 

Молоко сельскохозяйственных животных является ценным пищевым продуктом. Наибольшее распространение в питании людей получили молоко коровье и продукты его переработки.

Молоко и молочные продукты являются первым источником  молочно-кислых бактерий сразу после рождения человека.

В связи с этим  вопросы микробиологического состава, полезности молочно – кислых бактерий молока и молочных продуктов не потеряют свою актуальность.

Основными выпускаемыми продуктами молочных заводов являются: питьевое молоко, сливки, кисломолочные напитки: простокваша (обыкновенная, мечниковская, южная ацидофильная, варенец, ряженка, йогурт и др.), кефир (жирный, нежирный и др.), кумыс (из кобыльего, коровьего молока и др.), ацидофильные напитки (ацидофилин, ацидофильное и ацидофильнодрожжевое молоко и др.), сметана, творог, сыр.

Кисломолочные продукты получают сквашиванием молока или сливок чистыми культурами молочнокислых бактерий, иногда с участием дрожжей и уксуснокислых бактерий. В процессе сквашивания протекают сложные микробиологические и физико-химические процессы, в результате которых формируются вкус, запах, консистенция и внешний вид готового продукта.

Основоположником отечественной микробиологии молока и молочных продуктов считается С.А. Королев (1874 – 1932). С его именем связаны первые крупные научные открытия в области микробиологии молока. Им была создана первая школа отечественных микробиологов молочной промышленности. Он провел широкую программу исследований микробиологических процессов по основным отраслям молочного производства.

С.А Королев выявил закономерность молочнокислого процесса и динамику изменения различных групп микроорганизмов при этом. Он установил закономерность смены фаз микрофлоры молока в процессах производства всех молочных продуктов. Впервые в России Королев применил закваски, т.е. чистые культуры молочнокислых бактерий.

С.А. Королевым была проведена большая работа по выяснению причин возникновения пороков кисломолочных продуктов. В 1932г. С.А. Королевым был издан фундаментальный труд «Основы технической микробиологии молочного дела», который служил настольной книгой для  микробиологов и специалистов молочной промышленности на протяжении десятилетий и актуален в настоящее время.

В нашей стране кисломолочные продукты особенно широко стали применять с начала ХХ в., когда И. И. Мечников впервые изучил значение их в питании человека. Он установил, что молочнокислые бактерии, попадая в кишечник вместе с кисломолочными продуктами, создают кислую среду, препятствующую развитию гнилостных бактерий, которые вызывают распад белков пищи с образованием токсических веществ, отрицательно влияющих на организм человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Молочнокислые бактерии

 

Молочнокислые бактерии – это группа микроорганизмов, обуславливающих молочнокислое брожение, т.е. распад углеводов (сахаров) до молочной кислоты.

Первые научные исследования этих микроорганизмов были проведены  Луи Пастером французским ученым, результаты которых он опубликовал в 1857г.

В природе молочнокислые бактерии представлены в виде шаровидных (кокков) и палочковидных (лактобактерий) форм. Шаровидные молочнокислые бактерии называют молочнокислыми стрептококками, т.к. они относятся к семейству Streptococcaceae.

Молочнокислые стрептококки представлены тремя родами – Lactococcus (Lac.), Leuconostoc (Leu.) и Streptococcus  (Str.).

Род Lactococcus (от греч. lacticus  - молочный) объединяет три подвида: молочный лактококк – Lac. lactis, сливочный лактококк -  Lac. cremoris и Lac. hordniae, в подвид которого входит ароматобразующий биологический вариант Lac. diacetylactis.

Лактококки представляют собой сферические или овальные клетки размером 0,5 – 1,2 ´ 0,5 – 1,5 мкм, располагающиеся в виде коротких цепочек или попарно; неподвижны, спор и капсул не образуют. Клетки Lac. diacetylactis несколько мельче, чем клетки Lac. lactis и Lac. cremoris, последний часто образует длинные цепочки (рис.1).

 Рис.1. Lac. lactis (короткие и парные        цепочки клеток); Lac. cremoris (длинные цепочки клеток)

 

 

Лактококки являются факультативными анаэробами, т.е. растут не только в аэробных условиях, но и без доступа молекулярного кислорода.

По отношению к температуре лактококки являются мезофиллами, оптимальная температура их роста 30° С, развиваются при 10° С.

Имеются данные, что некоторые штаммы лактококков способны расти при очень низких температурах (до 3° С).

Лактококки растут в средах с низким значением рН 5,5 – 8,8, некоторые при рН 2,9 – 3,2.

Биохимические свойства лактококков проявляются в интенсивности кислотообразования, определяют по времени образования сгустка молока в градусах Тернера (кислотность около 58 – 60° Т).

При развитии лактококков в молоке они вызывают его свертывание, т.е. образование плотного сгустка без обильного отделения сыворотки, имеющего приятные кисломолочные вкус и запах.

Lac. lactis является активным кислотообразователем. Его штаммы свертывают молоко за 4 – 7 ч, предельная кислотность достигает 120° Т.

Lac. lactis применяют в многоштаммовых заквасках совместно с Lac. cremoris и с видами рода Leuconostoc. В молочной промышленности его широко используют при производстве кисломолочных продуктов, сметаны, кислосливочного масла, сыров.

Сливочный лактококк Lac. cremoris в отличие от молочного лактококка  Lac. lactis не сбраживает мальтозу и декстрин, не растет при температуре 39 – 40 °С.

Энергия кислотообразования Lac. cremoris слабее, чем у Lac. lactis, и составляет 6 – 8 ч., а предельная кислотность  110 – 115 °Т.

Lac. cremoris используют преимущественно там, где необходимо добиться вязкой консистенции, умеренного кислотообразования. Он входит в состав заквасок для сметаны, творога, масла, сыров.

Lac. cremoris встречается в сыром молоке и молочных продуктах, но в небольших количествах.

Lac. diacetylactis - сравнительно слабый кислотообразователь, имеет слабую энергию кислотообразования (более 16 ч), предельная кислотность в молоке достигает 70 – 100° Т. Сгусток молока содержит пузырьки газа (СО2).Оптимальной температурой ароматообразования для Lac. diacetylactis является 25° С. Lac. diacetylactis в качестве заквасочного микроорганизма используют при производстве молочных продуктов, в которых желательно сильное кислото- и ароматообразование, например, для приготовления масла, творога, сметаны, простокваши и разных сортов свежего сыра.

Род Leuconostos (от греч. leucos — белый, бесцветный; nostos — водорослевое обобщенное название; leuconostoc — бесцветные слизистые растения) объединяет 9 видов: Leu. mesenteroides , Leu. lactis, Leu. carnosum, Leu. citreum, Leu. gelidum, Leu. oenos, Leu. paramesenteroides, Leu. pseudomesenteroides.

В молочной промышленности имеет значение вид Leu. mesenteroides, он включает три подвида: Leu. dextranicum, Leu. cremoris, Leu. mesenteroides.

Лейконостоки имеют сферические, несколько вытянутые клетки размером 0,5 – 0,7 ´ 0,7 – 1,2 мкм. Располагаются парами или цепочками, неподвижные, спор не образуют (рис.2).

 

 

  Рис.2. Вид Leu. mesenteroides: кокковая форма (еденичные клетки), диплококки, цепочки Leu. cremoris.

 

 

Leu. cremoris обычно выстраиваются в двойные длинные цепочки.

Лейконостоки являются факультативными анаэробами. Молоко является бедной средой для их развития. Большинство штаммов растет в молоке при добавлении ростовых факторов, экстракта дрожжей и глюкозы. Они являются слабыми кислотообразователями, сквашивают молоко через 2 – 3 суток, предельную кислотность доводят до 70 – 80 0Т.

Применяют Leu. сremoris обычно там, где необходимо получить мягкий долговременный аромат, например в производстве стойкого к хранению масла.

В род Streptococcus входит один вид молочнокислых кокков – Streptococcus thermophilus (термофильный стрептококк). 
 Представляет собой шарообразные или эллипсовидные клетки диаметром 0,7 – 0,9 мкм, чаще располагающиеся длинными цепочками (рис. 3). Термофильный стрептококк спор и капсул не образует, неподвижен. По отношению к кислороду является факультативным анаэробом.

 

 Рис. 3. Streptococcus thermophilus (термофильный стрептококк).

 

Характерным признаком является широкий диапазон температур роста - от 20 до 50° С. Оптимальной является температура 37 – 40° С слабый рост наблюдается при 50 °С, температура 53° С задерживает рост.

Имеется разновидность термофильного стрептококка, которая образует слизь и придает кисломолочным продуктам особую кремоподобную вязкую консистенцию.

По энергии кислотообразования превосходит все молочнокислые стрептококки, достигая уровня термофильных лактобактерий. Он сквашивает молоко через 3,5 – 6 ч, предельная кислотность составляет 110 – 115 °Т.

Сквашивание молока происходит быстрее при добавлении к нему дрожжевого экстракта (0,3 %) и сахарозы (3 %). В этих условиях обнаруживают увеличение размера клеток в 2 раза и больше, чем при выращивании в обычном молоке.

Штаммы термофильных стрептококков чаще выделяют из сырого молока. В комбинации с болгарской палочкой (Lac. bulgaricum) их используют в производстве ряженки, варенца, йогурта.

Лактобактерии. Сюда входит 64 вида молочнокислых бактерий.

Лактобактерии представляют собой палочки размером 4 – 15 ´ 0,5 – 0,6 мкм, встречаются изогнутые булавовидные формы (коринеформы), также короткие коккобактерии. Они, как правило, неподвижны, спор и капсул не образуют.

В молочной промышленности используют ограниченное число видов молочнокислых палочек.

Среди термобактерий в качестве заквасочных микроорганизмов чаще применяют Lbm. delbrueckii subsp. bulgaricum (болгарская палочка), Lbm. acidophilum (ацидофильная палочка) (рис. 4).

Оптимальная рН составляет 5,5 – 6,2. Скорость роста снижается при нейтральной и слабощелочной реакции. Лактобактерии лучше растут в немного подкисленных средах с начальной рН 6,4. Рост прекращается при достижении рН 3,6 – 4,0.Лактобактерии находятся на границе аэробного и анаэробного типов дыхания.

 

      а б

 

Рис. 4. а) Lbm. acidophilum (ацидофильная палочка);

б) Lbm. delbrueckii subsp. bulgaricum (болгарская палочка).

 

Температурные границы роста развития термобактерий для Lbm. delbrueckii subsp. bulgaricum 40 – 45° С, Lbm. acidophilum 37 – 38° С.

Lbm. acidophilum является кишечным микробом, который можно выделить из содержимого пищеварительного тракта человека и различных животных. Ацидофильная палочка способна после культивирования в молоке вновь приживаться в кишечнике человека и подавлять там развитие патогенных и нежелательных микроорганизмов (сальмонеллы, шигеллы, стафилококки, эширихии и др.) Предельная кислотность ацидофильной палочки достигает 200 – 250° Т.

Штаммы болгарской палочки образуют ацетальдегид – ароматическое вещество, придающее вкус, запах, подавляющее нежелательную микрофлору кишечника. Болгарская палочка чувствительна ко многим антибиотикам, устойчива к бактериофагу.

 Болгарская палочка доводит предельную кислотность молока до 200 – 300° Т. Применяют её в составе заквасок для производства простокваши, йогурта, ряженки.

 

 

 

Бифидобактерии

 

Они являются частью кишечной микрофлоры здорового человека и теплокровных животных.

Бифидобактерии представляют собой разные по форме палочки — прямые, изогнутые, разветвленные, раздвоенные Y- или V-формы, булавовидные, лопатовидные. Клетки располагаются одиночно, парами, иногда цепочками, палисадом или розетками, размер клеток 0,5-1,3 ´ 1,5 – 8 мкм. Не образуют спор и капсул, неподвижные. Микроскопическая картина каждого вида бифидобактерий имеет особенности по размеру, форме и расположению клеток (рис. 5).

 

 

       а                                                           б   

               

 

 

 

 

Все виды бифидобактерий являются анаэробами. В присутствии углекислого газа они могут быть толерантными к кислороду. Некоторые виды могут расти в атмосфере воздуха, обогащенного 10 % СО2. Оптимальной является температура 37 – 41 °С. Оптимальное значение рН 6 – 7, при рН ниже 4,5 и выше 8,5 рост микроорганизмов прекращается.

Рост бифидобактерий в коровьем молоке стимулируют экстракты дрожжей, гидролизованное молоко, а также увеличение соотношения белок: лактоза. Сильный стимулирующий эффект роста бифидобактерий получают при использовании гидролизатов казеина.

Большинство штаммов бифидобактерий не сквашивают стерильное молоко или сквашивают его через 4 суток  и более. В процессе культивирования биохимическая активность микробов повышается, и свертывание молока происходит через 24 – 36 ч. Биохимическая активность повышается также при добавлении в молоко ростовых веществ. При внесении 5 – 10 % посевного материала сквашивание наблюдается через 8 – 12 ч. Предельная кислотность достигает 120 – 130° Т.

 

Уксусно - кислые бактерии

 

Их относят к роду Acetobacter, в который входит 7 видов. Типовым видом является  Acetobacter aceti.

Ацетобактерии представляют собой мелкие прямые или слегка изогнутые палочки размером 0,6 – 0,8 ´ 1,0 – 4,0 мкм. Встречаются эллипсовидные, удлиненные, нитевидные, разветвленные или имеющие вздутия формы. В основном подвижны, но бывают неподвижные штаммы. Спор и капсул не образуют. Клетки располагаются беспорядочно — по одной, в парах, часто в цепочках (рис.6).

 

Уксуснокислые бактерии являются облигатными аэробами. Оптимальная температура роста 25 – 30° С, хорошо растут при 20° С, слабо при 37 – 38° С. Температурные пределы развития 5 – 42 °С; оптимум рН 5,4 – 6,3, могут расти при рН 4,0 – 4,5, при рН  7,0 – 8,0 растут слабо.

В молоке в чистой культуре ацетобактерии практически не развиваются, так как лактозу не усваивают.

Уксуснокислые бактерии входят в состав постоянной микрофлоры кефирной грибковой закваски (кефирного грибка), участвуют в формировании специфического вкуса и консистенции кефира. При излишнем развитии вызывают порок — ослизнение и тягучесть кефирной закваски.

В твороге, сметане и простокваше при содержании ацетобактерий в количестве 105 – 106 клеток в 1 см3 обусловливают запах и привкус уксусной кислоты, и ослизнение продукта.

 

Дрожжи.

 

Клетки дрожжей овальные или слегка эллипсовидные (рис. 7, 8). Почки клеток имеют продолговатую форму. Дрожжи неподвижные, капсул не образуют. Величина клеток варьирует в широких пределах. В молодых культурах дрожжевые клетки имеют размеры 2 – 5 ´ 3,0 – 7,5 мкм, более зрелые формы достигают размеров 14 – 16 мкм. Форма клеток у дрожжей различных видов варьирует от шаровидных, овальных до удлиненноцилиндрических.