Autor: Marcelina Olszak
Bakterie mlekowe (inaczej bakterie kwasu mlekowego, fermentacji mlekowej) są niejednolitą grupą mikroorganizmów, które przeprowadzają fermentację mlekową w warunkach beztlenowych. Ze względu na budowę ściany komórkowej zaliczane są do bakterii Gram-dodatnich, nie wytwarzają spor, ani rzęsek, przyjmują formy morfologiczne ziarniaków, pałeczek lub laseczek. Badania nad tymi mikroorganizmami wymagają poznania wielu czynników, które wpływają na wzrost i produkcję biomasy. Należą do nich przede wszystkim: temperatura hodowli, skład podłoża hodowlanego, natlenienie, pH, oraz potencjał oksydoredukcyjny.
Temperatura prowadzenia hodowli
Wymagania temperaturowe są istotnym czynnikiem różnicującym bakterie fermentacji mlekowej na dwie podstawowe grupy:
Termofile – osiągające optimum wzrostu przy 37-45OC. Przykładami są tu niektóre gatunki z rodzaju Lactobacillus (L. delbrueckii ssp. bulgaricus, L. plantarum, L. casei), a także Streptococcus thermophilus.
Mezofile – najlepiej rosnące w temperaturach od 20 do 28OC. Należą do nich Lactococcus lactis ssp. cremoris oraz L. lactis ssp. lactis.
Temperatura działa na bakterie w dwojaki sposób. W sposób bezpośredni reguluje szybkość ich wzrostu, aktywność enzymów, wymagania pokarmowe oraz chemiczny skład komórek. Pośrednio wpływa na rozpuszczalność wielu cząsteczek i związków występujących w komórkach, reguluje dyfuzję związków chemicznych, transport jonowy, jak również zmienia właściwości osmotyczne błon [3].
Uogólniając proces fermentacji i produkcja biomasy z największą wydajnością zachodzą w temperaturze 26-42OC. Jednak większość hodowli prowadzona jest w 35-37OC [2].
Skład podłoża hodowlanego
Bakterie mlekowe energię uzyskują poprzez fermentację heksoz. Mikroorganizmy te wymagają do życia środowisk bogatych w puryny, pirymidyny, aminokwasy oraz witaminy, co wynika z braku zdolności do syntezy różnych związków. Niektóre gatunki muszą mieć dostarczone od 6 do 13, a nawet 18 aminokwasów w podłożu. Najwydajniej rosną na podłożach pełnych zaspokajających w dostatecznym stopniu ich wymagania pokarmowe. Na duże potrzeby pokarmowe LAB wskazuje środowisko ich występowania. Bardzo często spotykane są w materiale roślinnym, mleku oraz w przewodzie pokarmowym ludzi i zwierząt, a niezwykle rzadko w glebach i wodzie. Wynika to z faktu, że woda czy gleba nie dostarcza wystarczającej ilości wymaganych substratów aminokwasowych [2].
W laboratorium do hodowli bakterii mlekowych wykorzystuje się pożywki bogate w trypton, ekstrakt drożdżowy oraz laktozę, ewentualnie glukozę przy hodowli szczepów nie fermentujących laktozy. Przykładowo w celu namnażania, wykrywania, izolacji czy określania liczby Lactobacillus powszechnie stosuje się podłoże MRS (de Man, Rogosa i Shrpe). W czasie hodowli laboratoryjnych po dwóch dobach hodowli komórki osiągają gęstość 109-1010jtk/ml [2,5].
Potencjał oksydoredukcyjny (Eh)
Potencjał oksydoredukcyjny definiowany jest jako możliwa do zmierzenia wartość zdolności systemu biochemicznego do przyjmowania bądź oddawania elektronów. Istnienie tego zjawiska sprawia, że środowisko występowania mikroorganizmów staje się bardziej selektywne. Pojawiają się różne wartości mV, które determinują występowanie określonych gatunków. Wartości mV w zależności od warunków wahają się od +300 mV do nawet poniżej -400 mV. W środowisku o niskim Eh rozwijają się wyłącznie beztlenowce, natomiast wysokie wartości sprzyjają rozwojowi bakterii tlenowych [1].
Natlenienie
Bakterie mlekowe należą do beztlenowców względnych (Lactobacillus), bądź obligatoryjnych (Bifidibacterium). Wskazuje to na brak możliwości syntezy cytochromów, ani żadnych enzymów, które zawierają hem oraz na brak wydajnych mechanizmów chroniących te bakterie przed natlenieniem (np. katalaza). LAB wytwarzają energię tylko i wyłącznie poprzez fermentację, nie mogą natomiast w żaden sposób wykorzystywać do tego oddychania komórkowego [6].
Odczyn środowiska (pH)
Bakterie kwasu mlekowego posiadają zdolność do regulacji wewnątrzkomórkowego pH, co umożliwia im przetrwanie w środowisku kwaśnym, z którego bardzo często są izolowane. Przykładami potwierdzającymi to zjawisko są L. debrueckii subsp. bulgaricus oraz L. Helvetius. Wykazują one najszybszy wzrost przy pH 5,5-5,8. Istnieje jednak wiele gatunków zaklasyfikowanych do neutrofili, jak: L. lactis ssp. cremoris i L. lactis ssp. lactis (pH 6,3-6,9) oraz S. termophilus (pH 6,5-7,5).
W wyniku fermentacji odczyn podłoża obniża się, co jest wynikiem akumulacji kwasu mlekowego oraz innych produktów metabolizmu. Podłoże staje się bardziej wybiórcze dla bakterii. Te, które nie potrafią utrzymać pH wewnątrz komórek bliskiego neutralnemu, nie są w stanie wykazywać aktywności metabolicznej. Kwas obecny w podłożu niszczy błony cytoplazmatyczne, co skutkuje ucieczką jonów potasowych i magnezowych na zewnątrz komórki. Jednak dzięki sprawnemu systemowi regulacji pH, mikroorganizmy te są w stanie utrzymać odczyn cytoplazmy bardziej zasadowy niż w otaczającym je środowisku. Gradient pH pomiędzy środowiskiem wewnątrz i na zewnątrz komórki wytwarzany jest dzięki temu, że produkowany związek szybko wydzielany jest do podłoża za pomocą transporterów, a względna nieprzepuszczalność błony cytoplazmatycznej nie pozwana na powrót cząsteczki kwasu do komórki [3].
Bakterie z rodzaju Lactobacillus charakteryzują się tym, że odczyn wewnątrz cytoplazmy obniża się razem ze spadkiem pH środowiska, jednak tylko do poziomu umożliwiającego utrzymanie dostatecznej różnicy w poziomach pH. Umożliwia to wzrost bakteriom w szerokim zakresie pH. Przykładem są L. acidiphilus i L. caseii, które potrafią rosnąć dopóki odczyn nie spadnie poniżej 4,4 [4].
Literatura:
1. Brasca M., Morandi S., Lodi R., Tamburini A.: Redox potential to discriminate among species of lactic acid bacteria. J. Appl. Microbiol. 103, 1516−1524, 2007.
2. Gajewska J., Błaszczyk M.K,: Probiotyczne bakterie fermentacji mlekowej LAB, Post. mikrobiol., 51, 1, 55–65., 2012.
3. Jurkowski M., Błaszczyk M.: Charakterystyka fizjologiczno-biochemiczna bakterii fermentacji mlekowej. Kosmos problemy nauk biologicznych, Tom 61, nr 3 (296) Strony 493–504, 2012.
4. Shao-Chi W., Fu-Jin W., Chorng-Liang P.: Growth and survival of lactic acid bacteria duringthe fermentation and storage of seaweed oligosaccharides solution. J. Marine Sci. Technol. 15, 104–114, 2007.
5. Sip A., Krasowska M., Więckowicz M., Grajek W.: Metody skriningu bakteriocynogennych bakterii fermentacji mlekowej, Żywność. Nauka. Technologia. Jakość, 1 (62), 5 – 26, 2009.
6. Talwalkar A., Kailasapathy K.: The role of oxygen in the viability of probiotic bacteria with reference to L. acidophilus and Bifidobacterium spp. Curr. Issues Intest. Microbiol. 5, 1–8, 2004.
