Gdańsk 4.11.2009 WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAśANIA Temat 3: Odporność drobnoustrojów na niskie temperatury i jej wpływ na jakość produktów mroŝonych. Dawid Szuliński SUChiKl sem. IX Wydział Mechaniczny
Spis treści: Część I 1. Co to są drobnoustroje? 2. Fazy rozmnaŝania drobnoustrojów 3. Przetrwalniki bakterii Część II 1. Czynniki decydujące o rozwoju drobnoustrojów 2. Odporność drobnoustrojów na niskie temperatury 3. Podsumowanie Bibliografia
CZĘŚĆ I 1. CZYM SĄ DROBNOUSTROJE? Drobnoustrojami lub inaczej mikroorganizmami nazywa się jednokomórkowe organizmy niŝsze, które moŝna obserwować jedynie przy uŝyciu mikroskopu. Oprócz małych rozmiarów mikroorganizmy wykazują inne cechy wspólne. NaleŜy tu wymienić przede wszystkim: brak tkanek o wspólnych ścianach komórek sąsiadujących, niezwykle szybkie rozmnaŝanie, szerokie rozpowszechnienie, intensywną przemianę materii i duŝe moŝliwości przystosowania metabolizmu do warunków otoczenia. W skład mikroorganizmów wchodzą: bakterie, niektóre grzyby (w tym droŝdŝe i pleśnie), glony, pierwotniaki i warunkowo wirusy. Drobnoustroje są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie, występują w glebie, wodzie i powietrzu. Jeden gram dobrej gleby moŝe zawierać do kilku miliardów drobnoustrojów. Liczba drobnoustrojów w wodzie jest tym wyŝsza, im większy jest jej stopień zanieczyszczenia. Powietrze nie stwarza warunków do rozwoju mikroorganizmów, jednak zawsze moŝna w nim znaleźć w mniejszych lub większych ilościach pewne grupy drobnoustrojów. 2. FAZY ROZMNAśANIA DROBNOUSTROJÓW Wspólną cechą drobnoustrojów jest ogromna szybkość rozmnaŝania się. Rozwój bakterii w produktach Ŝywnościowych przedstawiono schematycznie na poniŝszym schemacie. Rys.1. Fazy wzrostu populacji drobnoustrojów[1]
Krzywą wzrostu określającą logarytm liczby bakterii w funkcji czasu moŝna umownie podzielić na kilka odcinków, odpowiadających poszczególnym fazom procesu. Drobnoustroje przeniesione do nowego środowiska nie wykazują początkowo tendencji wzrostu. Jest to faza letalna, której czas zaleŝy od wieku wprowadzonych komórek oraz składu i temperatury środowiska. Z końcem tej fazy Ŝywe komórki zwiększają swoje wymiary i pojawiają się procesy przemiany materii. Następuje faza przyspieszonego wzrostu b poprzedzająca fazę logarytmiczną, w której rozmnaŝanie komórek przebiega z największą szybkością i równomiernością. W tej najwaŝniejszej fazie cyklu liczba komórek w jednostce objętości kultury w kaŝdej następnej generacji ulega podwojeniu. Faza logarytmiczna przechodzi kolejno w fazę zwolnionego d i fazę stacjonarną e, w której liczba drobnoustrojów pozostaje na stałym poziomie (przyrost komórek jest równowaŝony ich wymieraniem). Ostatnią fazą cyklu jest faza obumierania f, ze stopniowym spadkiem liczby drobnoustrojów. Z obniŝaniem temperatury środowiska poniŝej optymalnej obserwuje się narastające wydłuŝanie się czasu trwania poszczególnych faz drobnoustrojów. 3. PRZETRWALNIKI BAKTERII Niektóre bakterie mogą tworzyć przetrwalniki w określonych warunkach, np. wobec braku składników pokarmowych lub przy nagromadzeniu się produktów przemiany materii. Nie słuŝą one rozmnaŝaniu, gdyŝ kaŝda komórka moŝe tworzyć w swoim wnętrzu jeden przetrwalnik. Przetrwalniki bakterii są szczególnie odporne na czynniki zewnętrzne, np. niska i wysoka temperatura. Dlatego odgrywają one szczególną rolę w artykułach Ŝywności. Przetrwalniki bakterii pozostają przy Ŝyciu latami, a nawet wiekami i naleŝą do najodporniejszych form Ŝycia. W sprzyjających warunkach rozwoju przekształcają się w komórki wegetatywne, które dalej się rozmnaŝają. a)początek podziału protoplazmy b)septa sporulacyjna zamknięta c)tworzenie otoczki protoplazmy przetrwalnika d)tworzenie ściany przetrwalnika e)sporangium z dojrzałym przetrwalnikiem 1-zewnętrzna otoczka przetrwalnika, 2- cortex, 3 ściana komórkowa przetrwalnika, 4-protoplazma przetrwalnika Rys.2. Schemat tworzenia przetrwalników u bakterii[2]
CZĘŚĆ II Surowce i produkty Ŝywnościowe stanowią nie tylko źródło pokarmu dla ludzi, ale równieŝ doskonałe podłoŝe dla rozwoju drobnoustrojów. Normalne funkcje Ŝyciowe drobnoustrojów wymagają określonych warunków zewnętrznych. 1. CZYNNIKI DECYDUJĄCE O ROZWOJU DROBNOUSTROJÓW Aktywność wody Podstawowe znaczenie ma obecność wody. Mikroorganizmy nie mogą rozwijać się zarówno w wodzie czystej chemicznie, jak i bez wody. Czynnikiem charakteryzującym stosunki wodne w produktach jest tzw. aktywność wody a w. Ten termin określa ilość wody dostępnej dla drobnoustrojów. Aktywność wody oblicza się z następującego wzoru: Wartość aktywności a w dla czystej wody wynosi 1,0, dla środowiska praktycznie bezwodnego 0,0. W zakresie temperatur obróbki zamraŝalniczej a w maleje ze spadkiem temperatury i towarzyszącym mu wzrostem ilości wymroŝonej wody. Aktywność wody jest ściśle uzaleŝniona od temperatury, co przedstawiono poniŝej: Rys.3. ZaleŜność aktywności wody od temperatury [1] Z punktu widzenia technologii utrwalania największe znaczenie mają minimalne wartości a w, przy których moŝliwy jest jeszcze rozwój i aktywność Ŝyciowa drobnoustrojów. Przyjmuje się orientacyjnie dla: -bakterii 0,9 -droŝdŝy 0,88 -pleśni 0,75. PoniŜej 0,4 ustaje praktycznie aktywność enzymów.
Temperatura Drobnoustroje mają zróŝnicowane wymagania i tolerancje temperaturowe. ObniŜanie temperatury zmniejsza aktywność Ŝyciową drobnoustrojów w róŝnym stopniu i tak moŝemy je podzielić na: - psychrofile (zimnolubne) rozmnaŝają się w niskich temperaturach, mogą powodować szkody podczas chłodniczego przechowywania Ŝywności. - mezofile, których optimum mieści się w granicach 20-37 o C - termofile drobnoustroje ciepłolubne, odznaczają się wysokim optimum i maksimum wzrostu. W temperaturach obróbki chłodniczej, czynności Ŝyciowe drobnoustrojów oraz będące efektem ich metabolizmu przemiany mikrobiologiczne w produktach ulegają spowolnieniu. Warunki chłodnicze w większym stopniu hamują rozwój mikroflory mezofilnej przy zachowanej aktywności bakterii psychrofilnych. W technologii chłodniczej do analizy przebiegu procesów i tym samym oceny efektywności stosowanych zabiegów utrwalających przyjęto tzw. współczynniki temperaturowe. Najczęściej stosowany jest współczynnik Q 10, określający stosunek tempa przebiegu badanego procesu Y w danej temperaturze T i temperaturze 10K wyŝszej. Reguła Van t Hoffa głosi, Ŝe dla większości produktów Ŝywnościowych współczynnik Q 10 ma w przybliŝeniu stałą wartość 2-3. Q 10 =Y T +10/Y T =2-3 Z reguły Van t Hoffa wynika, Ŝe z obniŝeniem temperatury o 10K intensywność zachodzących w nich procesów maleje dwu- do trzy- krotnie i w zbliŝonej relacji wzrasta ich trwałość. Znajomość wymagań drobnoustrojów w odniesieniu do temperatury i aktywności wodnej pozwala przewidywać ich zachowanie w warunkach niskich temperatur. Odczyn podłoŝa ph Obok temperatury, stęŝenie jonów wodorowych środowiska 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. 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.
Wilgotność względna powietrza Bakterie i droŝdŝe nalezą 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, niekiedy juŝ przy 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. Tlen cząsteczkowy Ze względu na róŝne wymagania w stosunku do tlenu cząsteczkowego drobnoustroje dzieli się zwykle na trzy następujące grupy: tlenowce, beztlenowce i względne beztlenowce. Drobnoustroje tlenowe jak sama nazwa wskazuje rozwijają się tylko w obecności tlenu cząsteczkowego, natomiast beztlenowce rozwijają się bez dostępu tlenu cząsteczkowego i uzyskują energie na drodze fermentacji. Względne beztlenowce rozwijają się zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych. 2. ODPORNOŚĆ DROBNOUSTROJÓW NA NISKIE TEMPERATURY Działanie niskich temperatur na drobnoustroje jest bardzo złoŝone. Na pewno odporność drobnoustrojów na niskie temperatury jest znacznie większa, niŝ na temperatury wysokie. Nie ma jednak tak niskiej temperatury, która byłaby śmiertelna dla całej populacji drobnoustrojów, poniewaŝ odporność poszczególnych komórek drobnoustrojów na działanie niskich temperatur nie jest jednakowa. Niektóre formy drobnoustrojów wskazują zdolność tworzenia zarodników, bardzo odpornych na działanie czynników zewnętrznych, w tym równieŝ na niskie temperatury. Szczególnie duŝo mikroorganizmów ginie w zakresie temperatur od -2 do -5 o C. W wodzie lub roztworach buforów drobnoustroje gorzej przeŝywają obróbkę zamraŝalniczą niŝ w produktach Ŝywnościowych. Proces zamraŝania moŝe powodować róŝne zmiany w komórkach mikroorganizmów, prowadzące do ich uszkodzenia lub całkowitego zniszczenia. WymroŜenie prawie całkowitej ilości wolnej wody hamuje procesy mikrobiologiczne w zamroŝonych produktach i powoduje, Ŝe ich stan sanitarny jest na ogół lepszy niŝ produktów świeŝych lub schłodzonych. Komórki drobnoustrojów lepiej znoszą zamraŝanie szybkie od powolnego i reagują podobnie na odtajanie. Procesy mikrobiologiczne w produktach rozmroŝonych przebiegają w przybliŝeniu z tą samą szybkością, jak w produktach niezamroŝonych, przy zachowaniu porównywalnych warunków. WiąŜe się to z tym, Ŝe wprawdzie drobnoustroje w wyniku zamraŝalniczych zmian produktów mają lepsze warunki rozwoju (rozluźnienie struktury, wyciek soku), to jednak ich liczba jest zredukowana. Zakres niskich temperatur, w jakich drobnoustroje mogą przeŝyć jest znacznie większy od granic ich zdolności wzrostu i rozmnaŝania:
-bakterie od -5 do -8 o C -droŝdŝe od -10 do -12 o C -pleśnie od -12 do -15 o C W temperaturach poniŝej tych zakresów mogą być czynne enzymy drobnoustrojów. Rozwój drobnoustrojów w niskich temperaturach jest wynikiem adaptacji mikroorganizmów do zmienionych warunków środowiska lub ich mutacji. 3. PODSUMOWANIE Jak dotąd nie do końca wyjaśniono prawidłowości rządzące przeŝywalnością mikroorganizmów w niskich temperaturach, a dane literaturowe na ten temat są zróŝnicowane. Mimo to, przyjmuje się, Ŝe produkty zamroŝone, przechowywane w temperaturze poniŝej -12 o C, są w pełni zabezpieczone przed formami mikrobiologicznego psucia się i po rozmroŝeniu nie stanowią zagroŝeń zdrowotnych. Ogólnie moŝna stwierdzić, Ŝe jakość zamroŝonych produktów Ŝywnościowych w aspekcie mikrobiologicznym zaleŝy od: - ilości i składu mikroflory produktu w momencie jego zamroŝenia - rozmnaŝania się drobnoustrojów skrajnie odpornych przy wzroście temperatury produktów podczas przechowywania powyŝej -10 o C - rozmnaŝania się nieuśmierconej mikroflory produktów po ich rozmroŝeniu BIBLIOGRAFIA J. Postolski, Z. Gruda: ZamraŜanie Ŝywności G. Muller: Podstawy mikrobiologii Ŝywności Czasopismo Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, numery: 8/2008, 1/2004, 6-7/2006.