Perestaj Grzegorz SUCHIK WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAśANIA Zmiany mikrobiologiczne w mroŝonej Ŝywności. Problem odporności drobnoustrojów na niskie temperatury.
Spis treści: 1. Drobnoustroje 2. Czynniki decydujące o rozwoju mikroflory środowiska 2.1. Obecność wody 2.2. Temperatura 2.3. Wilgotność względna powietrza 2.4. Odczyn środowiska 2.5. Ciśnienie cząstkowe 3. Podział drobnoustrojów 4. Zmiany mikrobiologiczne Ŝywności 4.1. Zmiany w owocach i warzywach 4.2. Zmiany w mięsach 5. Odporność drobnoustrojów na niskie temperatury 5.1. Czynniki decydujące o odporności drobnoustrojów 6. Podsumowanie 7. Literatura 2
1. Drobnoustroje Sztuczna grupa niemająca formalnego charakteru systematycznego, obejmująca drobne, zwykle jednokomórkowe organizmy widoczne pod mikroskopem. NaleŜą do nich bakterie, pierwotniaki, wirusy, liczne glony, niektóre grzyby. Są to organizmy zmiennocieplne o zróŝnicowanych wymaganiach temperaturowych i ich funkcje Ŝyciowe odbywać się mogą tylko w pewnych granicach temperatury. Drobnoustroje są bardzo ściśle związane ze środowiskiem, które na nie bez przerwy oddziałuje. W odpowiednich warunkach mikroorganizmy rozwijają się bardzo dobrze, w niekorzystnych ich rozwój moŝe być zahamowany lub mogą zginąć. 2. Czynniki decydujące o rozwoju mikroflory środowiska Do czynników decydujących o rozwoju mikroflory środowiska zalicza się: obecność wody temperaturę wilgotność względna powietrza odczyn środowiska ciśnienie szczątkowe 2.1. Obecność wody Podstawowe znaczenie dla Ŝycia i rozmnaŝania drobnoustrojów ma obecność wody. Nie mogą one rozwijać się w wodzie czystej chemicznie, ani bez wody. Tzw. Aktywność wodna a w charakteryzuje stosunki wodne w produktach. Określa ona ilość wody jaka jest dostępna dla drobnoustrojów. p n2 aw = = p n + n o 1 2 gdzie: p - pręŝność par roztworu, p o pręŝność par rozpuszczalnika, n 1 liczba cząsteczek substancji rozpuszczonych, n 2 liczba cząsteczek rozpuszczalnika Wymagania wodne drobnoustrojów są zróŝnicowane. KaŜdy gatunek ma a w odpowiadające maksimum, optimum i minimum wzrostu. Z punktu widzenia technologii utrwalania Ŝywności, największe znaczenie mają minimalne wartości a w, przy których jest jeszcze moŝliwy rozwój i aktywność Ŝyciowa mikroorganizmów. Metabolizm większości drobnoustrojów ustaje przy a w <0,6. Graniczne wartości a w dla niektórych grup drobnoustrojów drobnoustroje graniczna wartość a w bakterie Clostridium 0,98-0,95 Escherichia coli 0,98 Pseudomonas 0,98 Salmonella 0,95 gronkowce 0,88 pleśnie Penicillium 1,0-0,9 Mucor 0,93 Aspergillus niger 0,90-0,87 inne gatunki Aspergillus 0,75-0,65 droŝdŝe gatunki osmotolerancyjne do 0,6 3
2.2. Temperatura Drobnoustroje mają zróŝnicowane wymagania i tolerancje temperaturowe. Temperatura środowiska ma na nie duŝy wpływ. KaŜdy drobnoustrój ma swoje trzy określone temperatury: 1. minimalna - poniŝej tej temperatury rozwój jest zahamowany 2. optymalna - w tych temperaturach komórka rozwija się najlepiej i najszybciej 3. maksymalna - powyŝej tej temperatury wzrost jest zahamowany lub dochodzi do śmierci komórki Temp. minimalna Temp. optymalna Temp. maksymalna Psychrofile -7 C 10 20 o C 20-30 o C Mezofile 15 C 25-40 C ok. 40 o C Termofile 45 o C 50 55 o C ok. 75 o C Znajomość wymagań drobnoustrojów w odniesieniu do temperatury i aktywności wodnej pozwala przewidywać ich zachowanie w warunkach niskich temperatur. W technologii chłodniczej do analizy przebiegu zachodzących w róŝnych temperaturach procesów i tym samym oceny efektywności stosowanych zabiegów utrwalających przyjęto tzw. Współczynniki temperaturowe. Najczęściej stosowanym jest współczynnik Q 10, który określa stosunek tempa przebiegu badanego procesu Y w danej temperaturze T i temperaturze o 10 K wyŝszej. Na podstawie wyników licznych badań sformułowano prawo Van t Hoffa Arrenhiusa, potocznie określane jako reguła van t Hoffa. Głosi ona, Ŝe dla większości produktów Ŝywnościowych współczynnik Q 10 ma stałą wartość równą 2 3. YT + 10 Q 10 = = 2 3 YT Z powyŝszej reguły wynika, Ŝe obniŝenie temperatury produktów o 10 K powoduje spadek intensywności zachodzących w nich procesach dwu- do trzykrotnie i w zbliŝonej relacji wzrasta ich trwałość. 2.3. Wilgotność względna powietrza Bakterie i droŝdŝe naleŝą do tzw. Hydrofili, wymagających do rozwoju duŝej wilgotności względnej powietrza, zbliŝonej do 100%, natomiast pleśnie są tzw. Kserofilami, zdolnymi do rozwoju równieŝ przy znacznie niŝszej wilgotności, niektóre juŝ przy ok. 70%. W praktyce dąŝy się do utrzymania moŝliwie wysokiej wilgotności względnej przy jak najniŝszej temperaturze powietrza (w granicach 85 92% przy 0 o C). Takie kształtowanie warunków klimatycznych pomieszczeń stanowi istotną zaletę przechowywania chłodniczego. 2.4. Odczyn środowiska StęŜenie jonów wodorowych (ph) naleŝy do najwaŝniejszych czynników fizycznych, wpływających na przemianę materii i wzrost drobnoustrojów. Podczas gdy droŝdŝe i pleśnie lepiej rozwijają się w środowisku kwaśnym, optymalne wartości ph dla większości rodzajów bakterii i promieniowców mieszczą się w pobliŝu odczynu obojętnego, z wyjątkiem bakterii kwaszących, np. pałeczek mlekowych (Tab. 3)[7]. Jedne rodzaje drobnoustrojów wykazują duŝą wraŝliwość na zmiany stęŝenia jonów wodorowych i rozwijają się w bardzo wąskim zakresie ph, natomiast inne, np. liczne pleśnie, są stosunkowo niewraŝliwe [7]. 4
Optymalne wartości ph [7] Rodzaj organizmu Zakres ph Pleśnie 1,5-8,5 DroŜdŜe 1,5-8,5 ph podłoŝa wywiera wyraźny wpływ na szybkość i ilość wzrostu oraz na wiele innych procesów Ŝyciowych. PodłoŜe moŝe mieć ph korzystne dla wzrostu, a niekorzystne dla zarodnikowania lub innych procesów. Dolne i górne wartości ph, w granicach, których grzyb rośnie, stanowią zakres ph dla wzrostu danego gatunku. Większość grzybów rozwija się w środowisku słabo kwaśnym (ph 5-7) 2.5. Ciśnienie cząstkowe Ciśnienie cząstkowe tlenu kształtuje się tak jak jego udział w powietrzu. Optimum aktywności drobnoustrojów tlenowych przypada na normalne warunki atmosferyczne tj. p O 2 ok. 0,21 bar. Przy wartościach wyŝszych i niŝszych jego aktywność maleje. Aktywność mikroflory beztlenowej maleje ze wzrostem p O 2 3. Podział drobnoustrojów Bakterie grupa organizmów obejmująca organizmy jednokomórkowe o róŝnych kształtach (ziarenkowce, pałeczki, laseczki, przecinkowce i śrubowce), które mogą się łączyć, tworząc dwoinki, łańcuszki luźno powiązanych komórek (paciorkowiec), nieregularne skupienia (gronkowiec) lub regularne prostopadłościany (pakietowiec). Bakterie mają bardzo szeroką tolerancję ekologiczną i mogą występować w ekstremalnych warunkach środowiska (np. w gorących źródłach czy na śniegu). W niesprzyjających warunkach bakterie tworzą formy przetrwalnikowe. Bakterie powodują wiele przemian mikrobiologicznych takich jak: reakcje gnilne lub fermentacyjne. 1) rzęska, 2) otoczka, 3) ściana komórkowa, 4) błona cytoplazmatyczna, 5) mezosom, 6) nukleoid, 7) ciałka chromatoforowe, 8) substancje zapasowe, 9) cytoplazma, 10) rybosomy 5
Pierwotniaki - królestwo organizmów obejmujące te organizmy, które nie weszły w skład: chromistów, grzybów, roślin i zwierząt. Posiadają zarówno cechy zwierząt jak i roślin. Prawdopodobnie z nich wywodzą się współczesne glony, grzyby, rośliny i zwierzęta. Podział systematyczny tej grupy jest podziałem sztucznym. Podejmuje się próby stworzenia naturalnego podziału, ostateczna klasyfikacja nie jest ustalona. Są to organizmy zazwyczaj jednokomórkowe, czasem wielokomórkowe (nieposiadające jednak właściwych tkanek), wielkości od kilku µm do kilku mm. Zasiedlają wiele środowisk: wody słodkie, morza, glebę, drogi pokarmowe zwierząt, biorąc udział w procesach trawiennych. Wiele gatunków jest pasoŝytami, często ze skomplikowanymi cyklami Ŝyciowymi, wywołującymi groźne dla Ŝycia człowieka choroby (np. zarodziec malarii wywołujący malarię). Wirusy - są bezwzględnymi pasoŝytami o najmniejszych dotychczas poznanych rozmiarach drobnoustrojów. Twory biologiczne o wielkości 15-300 nm, widoczne pod mikroskopem elektronowym (z nielicznymi wyjątkami), charakteryzujące się brakiem budowy komórkowej i brakiem własnych układów enzymatycznych, niezbędnych do przebiegu procesów metabolicznych, syntezy białek i replikacji. Z tych względów wirusy nie rosną i nie rozmnaŝają się, są pasoŝytami obligatoryjnymi, tzn. do istnienia w przyrodzie niezbędne jest ich stałe krąŝenie pomiędzy organizmami Ŝywymi (komórkami roślinnymi, zwierzęcymi lub bakteryjnymi). Wirusy posiadają kształty pałeczkowate, nitkowate, cylindryczne lub zbliŝone do kulistych. Budowa wirusa prostego Budowa wirusa złoŝonego 6
Grzyby - obejmują ok. 100 tys. gatunków, głównie lądowych, takich jak: pleśnie, droŝdŝe, wiele pasoŝytów roślinnych i zwierzęcych (mączniaki, rdze itp.) oraz grzyby kapeluszowe. W Polsce jest znanych ok. 10 tys. gatunków. Do normalnego rozwoju grzyby wymagają środowiska o duŝej wilgotności. Ściany komórkowe grzybów są zbudowane zwykle z chityny, a nie z celulozy, jak u roślin. Ciało grzyba jest zwykle wielokomórkowe, z dobrze uformowanymi, haploidalnymi jądrami i składa się z nici zwanych strzępkami (u grzybów prostszych całe ciało jest jednym wielojądrowym komórczakiem). Strzępki tworzą system zwany grzybnią, przerastający podłoŝe, którym moŝe być gleba, drewno, róŝne substancje organiczne lub wnętrze innych organizmów Ŝywych. Pleśń: Penicillium Thamnidium DroŜdŜe: Piwne Wszystkie drobnoustroje dzieli się na trzy grupy w zaleŝności od temperatur, w jakich Ŝyją: 1. psychrofile (zimnolubne) 2. mezofile (ciepłolubne) 3. termofile (gorącolubne) 7
4. Zmiany mikrobiologiczne Ŝywności 4.1. Zmiany w owocach i warzywach Istotny wpływ na jakość produktów schłodzonych wywiera działalność drobnoustrojów. W wyniku procesów mikrobiologicznych składniki owoców i warzyw doznają głębokich przeobraŝeń. Wnętrze produktów zwykle jest sterylne, infekcja zaczyna się natomiast od powierzchni i na niej występuje maksymalny poziom zakaŝenia. Powierzchniowa mikroflora świeŝo zebranych surowców roślinnych jest dość duŝa i wynosi rzędu 10 5 /g na owocach i 10 6 /g na warzywach. Jest ona bardzo zróŝnicowana rodzajowo, jednak zwykle występuje w formie nieaktywnej. Jej uaktywnienie następuje dopiero pod wpływem soków, wydzielających się z uszkodzonych miejsc tkanek. Zewnętrznymi objawami mikrobiologicznego psucia się owoców i warzyw jest pojawienie się na ich powierzchni miejsc nadgniłych lub pleśni. Następnie produkt brunatnieje, mięknie, traci stopniowo kształt i przechodzi w masę półpłynną lub odwrotnie wysycha i tworzy bezkształtne bryłki. Część bakterii i micelli pleśni przenika do wnętrza surowców, powodując niszczenie komórek i stopniowy rozkład tkanek wydzielanymi enzymami. 4.2. Zmiany w mięsach Mięso i inne produkty pochodzenia zwierzęcego naleŝą do najbardziej podatnych na zmiany mikrobiologiczne i nawet przy optymalnych pod względem higieny warunków pozyskiwania i obróbki są z reguły, zwykle powierzchniowo zakaŝone, skąd drobnoustroje szybko przenikają w głąb tkanek. Na powierzchni psującego się mięsa moŝe występować nawet do 10 8 kolonii/cm 2. Pierwszym objawem zakaŝenia jest pojawienie się śluzu na powierzchni mięsa. Barwa mięsa początkowo jaśnieje, później ciemnieje i przechodzi w barwę zielonkawą. Rozkład mięsa moŝe być powierzchniowy, wywołany przez tlenowce, szybko przenikające w głąb tkanek lub głęboki, spowodowany działalnością beztlenowców, zwykle wskutek zakaŝenia przez układ trawienny lub krwionośny jeszcze za Ŝycia zwierzęcia. Za draŝniący zapach psującego się mięsa odpowiedzialne są proste produkty rozpadu białek. 5. Odporność drobnoustrojów na niskie temperatury Działanie niskich temperatur na drobnoustroje jest bardzo złoŝone. Wraz ze spadkiem temperatury maleje szybkość procesów przemiany materii, jak równieŝ ulega hamowaniu rozmnaŝanie. W temperaturach zamarzania moŝe dochodzić do nieodwracalnej inaktywacji enzymów, a tym samym do śmierci drobnoustrojów, ale równieŝ moŝe pozostać przy Ŝyciu duŝa liczba komórek, które po zaistnieniu odpowiednich warunków temperaturowych będą się dalej rozmnaŝać. Odporność poszczególnych komórek drobnoustrojów na działanie niskich temperatur nie jest jednakowa. Niektóre formy drobnoustrojów wskazują zdolność tworzenia zarodników, bardzo odpornych na czynniki zewnętrzne, w tym równieŝ na niskie temperatury. Z tego powodu zamarzanie nie powoduje całkowitego unieszkodliwienia mikroflory i uzyskania pełnej sterylności produktów. Przy zastosowaniu niskich temperatur najpierw dochodzi do zahamowania rozmnaŝania, później do hamowania rozwoju i aktywności, a dopiero na końcu do ewentualnej śmierci drobnoustrojów. Sszczególnie duŝa śmiertelność występuje przy temperaturze -3 do -5 o C. Jednak znanych jest wiele gatunków, które potrafią przetrwać w takich warunkach, a nawet i niŝszych temperaturach. Na przykład Streptococcus lactis tworzy w temp. 0 o C kwas mlekowy, choć jego komórki w tej temperaturze juŝ nie rosną. Znane są gatunki Penicillium 8
rosnące przy -4 o C oraz naleŝące do Sporotrichum, Botrytis i Cladosporium, rozmnaŝające się w temp. -6 do nawet -10 o C. Niektóre gatunki droŝdŝy mogą rozwijać się w temp. -2 do -5 o C. Dolna granica rozwoju dla bakterii naleŝących do rodzaju Pseudomonas, Micrococcus i Alcaligenes wynosi -10 o C. Doświadczalnie stwierdzono następujące granice temperaturowe zdolności rozmnaŝania: Rodzaj drobnoustrojów Temperatura [ o C] Bakterie -5 do -8 DroŜdŜe -10 do -12 Pleśń -12 do -15 5.1. Czynniki decydujące o odporności drobnoustrojów Obumieranie lub przeŝywalność drobnoustrojów w niskich temperaturach zaleŝy od licznych czynników, np. rodzaju drobnoustrojów i ich stadium rozwojowego. Szczególnie wraŝliwe są komórki Gram ujemne, bardziej niŝ Gram dodatnie. Przy szybkim chłodzeniu do temp. od 0 do -5 o C doznają one nieodwracalnych uszkodzeń i w większości zamierają. Skutkiem tego jest przewaga bakterii Gram ujemnych w produktach świeŝych i Gram dodatnich w produktach mroŝonych. Działanie niskich temperatur zaleŝy w duŝym stopniu od szybkości ich zmian. Komórki drobnoustrojów lepiej znoszą zamarzanie szybkie od powolnego i reagują podobnie na odtajanie. Kolejnym czynnikiem wpływającym na odporność drobnoustrojów na niskie temp. jest skład chemiczny substratu, w którym się znajdują. Na przykład bakterie znajdujące się w wodzie są mniej odporne na zamraŝanie niŝ w mleku. Ogólnie odporność na niskie temperatury zwiększa się ze wzrostem stęŝenia substancji rozpuszczonych. Na przykład Aspergillus Niger w 1% roztworze glukozy obumiera w temp. -2 o C, podczas gdy w 40% roztworze dopiero w temp. -20 o C. Obecność jonów nieograniczonych równieŝ wpływa na oporność wobec niskich temperatur, a takŝe niekorzystnych zakresów ph. Białka, tłuszcze, koloidy i niektóre inne substancje wywołują działanie ochronne, np. Ŝelatyna w istotny sposób wpływa na przeŝywalność komórek droŝdŝy i bakterii podczas zamraŝania. Działanie koloidów hydrofilnych polega na wiązaniu wody, która w ten sposób trudniej ulega wymarzaniu (brak tworzenia kryształów). Siły kapilarne, którym przypisuje się podobne działanie, równieŝ mają wpływ na odporność drobnoustrojów na niskie temperatury. Wilgotność otoczenia w znaczącym stopniu wpływa na oporność drobnoustrojów. Gdy wilgotność jest wysoka, wskutek działania niskich temperatur, zwiększa się obumieranie drobnoustrojów, natomiast środowisko suche działa ochronnie. 6. Podsumowanie ZamraŜanie praktycznie uniemoŝliwia rozmnaŝanie się drobnoustrojów w Ŝywności i w duŝym stopniu opóźnia niepoŝądane enzymatyczne procesy przemiany materii, wskutek czego produkty mroŝone są znacznie bardziej trwałe. Jednak nie ma takiej niskiej temperatury, która byłaby śmiertelna dla całej populacji drobnoustrojów. Z drugiej zaś strony do składowania produktów stosuje się temperatury od -10 do -25 o C i zakłada się, Ŝe produkty zamroŝone, przechowywane w tych temperaturach, są w pełni zabezpieczone przed formami mikrobiologicznego psucia się i po rozmroŝeniu nie stanowią zagroŝeń zdrowotnych. 9
7. Literatura Postolski, Gruda ZamraŜanie Ŝywności Müller Podstawy mikrobiologii Ŝywności Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna: nr. 6-7/2006 Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna: nr. 1/2004 portalwiedzy.onet.pl 10