Zmiany mikrobiologiczne w mrożonej żywności. Problem odporności

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
aw charakteryzuje stosunki wodne w produktach. Określa ona ilość wody jaka jest dostępna
dla drobnoustrojów.
n2
p
aw =
=
po n1 + n2
gdzie: p - pręŜność par roztworu, po – pręŜność par rozpuszczalnika, n1 – liczba cząsteczek substancji
rozpuszczonych, n2 – liczba cząsteczek rozpuszczalnika
Wymagania wodne drobnoustrojów są zróŜnicowane. KaŜdy gatunek ma aw
odpowiadające maksimum, optimum i minimum wzrostu. Z punktu widzenia technologii
utrwalania Ŝywności, największe znaczenie mają minimalne wartości aw, przy których jest
jeszcze moŜliwy rozwój i aktywność Ŝyciowa mikroorganizmów. Metabolizm większości
drobnoustrojów ustaje przy aw<0,6.
Graniczne wartości aw dla niektórych grup drobnoustrojów
drobnoustroje
bakterie
pleśnie
droŜdŜe
Clostridium
Escherichia coli
Pseudomonas
Salmonella
gronkowce
Penicillium
Mucor
Aspergillus niger
inne gatunki Aspergillus
gatunki osmotolerancyjne
graniczna wartość aw
0,98 - 0,95
0,98
0,98
0,95
0,88
1,0 - 0,9
0,93
0,90 - 0,87
0,75 - 0,65
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
Psychrofile
Mezofile
Termofile
Temp. minimalna
-7°C
15°C
45oC
Temp. optymalna
10 – 20oC
25 - 40°C
50 – 55oC
Temp. maksymalna
20 - 30oC
ok. 40oC
ok. 75oC
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 Q10, 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 Q10 ma stałą wartość równą 2 – 3.
Y + 10
Q10 = T
= 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 0oC). 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 O2
ok. 0,21 bar. Przy wartościach wyŜszych i niŜszych jego aktywność maleje. Aktywność
mikroflory beztlenowej maleje ze wzrostem p O2
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
DroŜdŜe:
Piwne
Thamnidium
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 105/g na owocach
i 106/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 108 kolonii/cm2. 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 -5oC.
Jednak znanych jest wiele gatunków, które potrafią przetrwać w takich warunkach, a nawet
i niŜszych temperaturach. Na przykład Streptococcus lactis tworzy w temp. 0oC kwas
mlekowy, choć jego komórki w tej temperaturze juŜ nie rosną. Znane są gatunki Penicillium
8
rosnące przy -4oC oraz naleŜące do Sporotrichum, Botrytis i Cladosporium, rozmnaŜające się
w temp. -6 do nawet -10oC. Niektóre gatunki droŜdŜy mogą rozwijać się w temp. -2 do -5oC.
Dolna granica rozwoju dla bakterii naleŜących do rodzaju Pseudomonas, Micrococcus
i Alcaligenes wynosi -10oC.
Doświadczalnie stwierdzono następujące granice temperaturowe zdolności
rozmnaŜania:
Rodzaj drobnoustrojów
Bakterie
DroŜdŜe
Pleśń
Temperatura [oC]
-5 do -8
-10 do -12
-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 -5oC 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. -2oC, podczas gdy w 40%
roztworze dopiero w temp. -20oC.
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 -25oC 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