Κατηγορίες παραγόντων. Μικροβιολογία Τροφίµων. Μικροβιακή αύξηση. Παράγοντες ανάπτυξης. Επίδραση της θερµοκρασίας. Θεµελιώδεις Θερµοκρασίες

Transcript

1 Κατηγορίες παραγόντων Μικροβιολογία Τροφίµων Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη και την επιβίωση των µικροοργανισµών στα τρόφιµα. Η ανάπτυξη και η επιβίωση των µικροοργανισµών στα τρόφιµα εξαρτάται από µια σειρά παράγοντες. Οι παράγοντες αυτοί θα µπορούσαν να κατηγοριοποιηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: Εγγενείς (φ/χ ιδιότητες των τροφίµων) Εξωγενείς (περιβαλλοντικοί) Ειδικοί (ιδιότητες και αλληλεπιδράσεις βακτηρίων) Παράγοντες επεξεργασίας Μικροβιακή αύξηση Η µικροβιακή ανάπτυξη έχει µελετηθεί µε τον εµβολιασµό σε θρεπτικά υλικά και την καταµέτρηση του αριθµού των µικροβίων σε τακτά χρονικά διαστήµατα. Έτσι προκύπτει η καµπύλη ανάπτυξης µε τις χαρακτηριστικές 4 φάσεις. Παράγοντες ανάπτυξης Στο εργαστήριο περιγράφεται η αύξηση των µικροοργανισµών ουσιαστικά υπό ιδανικές συνθήκες. Ωστόσο, οι δραστηριότητες των µικροοργανισµών επηρεάζονται σηµαντικά από τις χηµικές και φυσικές συνθήκες του µικρο-περιβάλλοντος των τροφίµων. H κατανόηση αυτών των περιβαλλοντικών επιδράσεων µας βοηθά να εξηγούµε την κατανοµή των µικροοργανισµών και να επινοούµε µεθόδους ελέγχου ή αύξησης της µικροβιακής δραστηριότητας. Στο πλαίσιο αυτό, µπορούν να ληφθούν υπ' όψιν πολλοί περιβαλλοντικοί παράγοντες. Ev τούτοις, έχουν αναγνωριστεί τέσσερις κυρίαρχοι παράγοντες για τον έλεγχο της µικροβιακής αύξησης: η θερµοκρασία, το pη, η διαθεσιµότητα νερού, και οξυγόνου. Άλλος παράγοντας που εξετάζεται είναι η ατµοσφαιρική ή υδροστατική πίεση. Επίδραση της θερµοκρασίας H θερµοκρασία είναι ένας από τους κύριους, αν όχι ο κυριότερος, από τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν την αύξηση και την επιβίωση των µικροοργανισµών. Σε πολύ ψυχρά ή πολύ θερµά περιβάλλοντα, οι µικροοργανισµοί δεν µπορούν να αυξηθούν. Οι απόλυτες τιµές της µέγιστης και της ελάχιστης θερµοκρασίας, όµως, διαφέρουν σηµαντικά µεταξύ των µικροοργανισµών και συνήθως αντανακλούν το εύρος θερµοκρασιών και τη µέση θερµοκρασία του ενδιαιτήµατος τους. Θεµελιώδεις Θερµοκρασίες Για κάθε οργανισµό υπάρχει µια ελάχιστη θερµοκρασία, κάτω από την οποία δεν παρατηρείται αύξηση, µια άριστη θερµοκρασία, στην οποία επιτυγχάνεται η µεγαλύτερη ταχύτητα αύξησης, και µια µέγιστη θερµοκρασία, πάνω από την οποία η αύξηση είναι αδύνατη. H άριστη θερµοκρασία βρίσκεται πάντοτε πλησιέστερα στη µέγιστη παρά στην ελάχιστη θερµοκρασία. Αυτές οι τρεις τιµές ονοµάζονται θεµελιώδεις θερµοκρασίες και είναι γενικά χαρακτηριστικές για κάθε είδος οργανισµού (8, 39 και 48 ο C αντίστοιχα για το E. coli). 1

2 Θερµοκρασιακές κατηγορίες των µικροοργανισµών Ψυχρόφιλοι - ψυχροανεκτικοί Οι µικροοργανισµοί είναι εν γένει δυνατόν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες µε βάση την άριστη θερµοκρασία αύξησης τους: ψυχρόφιλοι, µε χαµηλή άριστη θερµοκρασία, µεσόφιλοι, µε ενδιάµεση άριστη θερµοκρασία, θερµόφιλοι, µε υψηλή άριστη θερµοκρασία και υπερ-θερµόφιλοι θερµόφιλοι, µε πολύ υψηλή άριστη θερµοκρασία. Οι µεσόφιλοι µικροοργανισµοί απαντούν σε θερµόαιµα ζώα, σε χερσαία και υδάτινα περιβάλλοντα των εύκρατων και τροπικών περιοχών και αποικίζουν κατά πλειοψηφία τα τρόφιµα. Ψυχρόφιλοι είναι οι µικροοργανισµοί που επιβιώνουν σε περιβάλλοντα µε χαµηλές θερµοκρασίες και καταστρέφονται σε θερµοκρασίες δωµατίου. Ψυχροανεκτικοί είναι οι µικροοργανισµοί που αντέχουν τις χαµηλές θερµοκρασίες αν και αυτές δεν αποτελούν βέλτιστες συνθήκες για την ανάπτυξη τους. στην ψυχροφιλία Τα ψυχροενεργά ένζυµα έχουν περισσότερες α-έλικες και λιγότερες β-πτυχωτές επιφάνειες. Τα ψυχροενεργά ένζυµα έχουν επίσης την τάση να διαθέτουν περισσότερα πολικά και λιγότερα υδρόφοβα αµινοξικά κατάλοιπα από τα αντίστοιχα ένζυµα των µεσόφιλων και θερµόφιλων οργανισµών Μελέτες που αφορούν τη σύσταση των κυτταροπλασµατικών µεµβρανών των ψυχρόφιλων οργανισµών έδειξαν ότι αυτές έχουν µεγαλύτερη περιεκτικότητα σε ακόρεστα λιπαρά οξέα οπότε οι µεµβράνες τους διατηρούνται σταθερές και λειτουργικές σε χαµηλές θερµοκρασίες. Τα λιπίδια µερικών ψυχρόφιλων βακτηρίων περιέχουν, επίσης, πολυακόρεστα λιπαρά οξέα και υδατάνθρακες µε µακρά ανθρακική αλυσίδα και πολλούς διπλούς δεσµούς. Υπερθερµόφιλοι οργανισµοί Σε ακραία περιβάλλοντα όπως στις θερµοπηγές θερµοκρασίας βρασµού τυπικά υπάρχει µια ποικιλία υπερθερµόφιλων οργανισµών. H µελέτη της ανάπτυξης αυτών των οργανισµών µπορεί να γίνει µε απλή εµβάπτιση της αντικειµενοφόρου πλάκας στην πηγή και ανάκτησης της µετά από µερικές ηµέρες. H µικροσκοπική παρατήρηση των αντικειµενοφόρων αποκαλύπτει την ύπαρξη αποικιών από προκαρυωτικούς οργανισµούς οι οποίοι αναπτύχθηκαν από µεµονωµένα κύτταρα που προσκολλήθηκαν στη γυάλινη επιφάνεια της πλάκας. Αντίστοιχοι µικροοργανισµοί έχουν βρεθεί σε οικιακούς ή βιοµηχανικούς βραστήρες από όπου και µολύνουν τα τρόφιµα (Thermus aquaticus). Σε αυτήν την κατηγορία δεν ανήκουν τα παθογόνα εκτός από 1-2 εξαιρέσεις. στη θερµοφιλία Από µελέτες υπερθερµόφιλων οργανισµών προκύπτει ότι συγκεκριµένα διαλύµατα, όπως είναι η φωσφορική διινοσιτόλη, η φωσφορική διγλυκερόλη, και το µανοσυλογλυκερικό, παράγονται σε σηµαντικές ποσότητες και βοηθούν στη σταθεροποίηση των πρωτεϊνών έναντι της θερµικής αποδόµησης. Οι θερµόφιλοι οργανισµοί έχουν λιπίδια πλούσια σε κορεσµένα λιπαρά οξέα, που επιτρέπουν στις µεµβράνες να παραµένουν σταθερές και λειτουργικές στις υψηλές θερµοκρασίες. Τα κορεσµένα λιπαρά οξέα δηµιουργούν ένα πιο υδρόφοβο περιβάλλον απ' ό,τι τα ακόρεστα λιπαρά οξέα, κάτι που συντελεί στη σταθερότητα της µεµβράνης. Οι υπερθερµόφιλοι οργανισµοί, οι περισσότεροι από τους οποίους ανήκουν στα Αρχαία, δεν περιέχουν καθόλου λιπαρά οξέα στις µεµβράνες τους. Επίσης η όλη συγκρότηση των πρωτεϊνών σχηµατίζει µια λιπιδική µονοστιβάδα, δοµή αναµφισβήτητα πολύ πιο θερµοανθεκτική από τη λιπιδική διπλοστιβάδα ορισµένων ειδών Βακτηρίων. Μικροβιακή αύξηση σε χαµηλό ή υψηλό pη H οξύτητα ή αλκαλικότητα ενός διαλύµατος εκφράζεται από το pη του σε µια κλίµακα στην οποία το ουδέτερο διάλυµα έχει pη 7. ιαλύµατα µε τιµές pη κάτω από 7 ονοµάζονται όξινα, ενώ εκείνα µε τιµές pη πάνω από 7 ονοµάζονται αλκαλικά. Είναι σηµαντικό να θυµόµαστε ότι το ρη είναι µια λογαριθµική συνάρτηση και άρα µεταβολή στην τιµή του pη κατά µία µονάδα αντιστοιχεί σε 10πλάσια µεταβολή της συγκέντρωσης των ιόντων υδρογόνου. Κάθε οργανισµός έχει ένα εύρος pη στο οποίο είναι πιθανή η ανάπτυξη του και συνήθως έχει ένα καλά καθορισµένο άριστο pη. Οι περισσότεροι οργανισµοί έχουν εύρος pη για ανάπτυξη 2-3 µονάδες. Τα περισσότερα φυσικά περιβάλλοντα έχουν τιµές pη µεταξύ 5 και 9, και είναι πολύ συνηθισµένο οι διάφοροι οργανισµοί να έχουν άριστο σε αυτό το εύρος. Λίγα µόνο είδη µπορούν να αναπτυχθούν σε τιµές pη µικρότερες από 2 ή µεγαλύτερες από 10. 2

3 pη και µικροβιακή αύξηση Οι οργανισµοί που αναπτύσσονται καλύτερα σε χαµηλές τιµές pη είναι τύποι ακραιόφιλων οργανισµών που ονοµάζονται οξεόφιλοι. Οι µύκητες, ως οµάδα οργανισµών, είναι περισσότερο ανθεκτικοί σε χαµηλές τιµές pη απ' ότι τα βακτήρια. Πολλοί µύκητες αναπτύσσονται άριστα σε pη 5 ή και χαµηλότερο, ενώ ορισµένοι αναπτύσσονται καλά σε πολύ χαµηλές τιµές, π.χ. σε pη 2. Αρκετά βακτήρια είναι επίσης οξεόφιλα. Μάλιστα, µερικά από τα βακτήρια αυτά είναι υποχρεωτικώς οξεόφιλα, δηλ. δεν µπορούν να αναπτυχθούν καθόλου σε ουδέτερο pη. Ορισµένοι ακραιόφιλοι οργανισµοί έχουν πολύ υψηλή τιµή άριστου pη για ανάπτυξη, µερικές φορές κοντά στο 10, και είναι γνωστοί ως αλκαλεόφιλοι. Η τιµή του ph είναι πολύ σηµαντικός παράγοντας για το είδος των µικροοργανισµών που µολύνουν τα τρόφιµα. pη στο εσωτερικό του κυττάρου Παρά τις ιδιαίτερες απαιτήσεις δεδοµένου οργανισµού για συγκεκριµένη τιµή pη προκειµένου να αναπτυχθεί, η άριστη τιµή του pη ανάπτυξης αντιπροσωπεύει την τιµή του εξωκυτταρικού περιβάλλοντος µόνο. Το εσω- κυτταρικό pη πρέπει να παραµένει κοντά στο 7, προκειµένου να αποτραπεί η καταστροφή των µακροµορίων του κυττάρου. Στα ακραία οξεόφιλα ή στα ακραία αλκαλεόφιλα, το εσωκυτταρικό pη µπορεί να διαφέρει ακόµη και αρκετές µονάδες pη από την ουδετερότητα, αλλά για την πλειονότητα των µικροοργανισµών, για τους οποίους το άριστο pη ανάπτυξης είναι µεταξύ 6 και 8 (ουδετερόφιλα), το κυτταρόπλασµα παραµένει ουδέτερο ή περίπου ουδέτερο. Στις µικροβιακές καλλιέργειες και κατά την επεξεργασία των τροφίµων χρησιµοποιούµε ρυθµιστικά διαλύµατα για την σταθεροποίηση της τιµής του ph. Ωσµωτικά φαινόµενα στη µικροβιακή αύξηση To νερό είναι το κύριο συστατικό της ζωής. Όλοι οι οργανισµοί χρειάζονται νερό, και η διαθεσιµότητα νερού αποτελεί σηµαντικό παράγοντα που επηρεάζει την αύξηση των µικροοργανισµών στη φύση. H διαθεσιµότητα νερού δεν εξαρτάται µόνο από την περιεκτικότητα ενός περιβάλλοντος σε νερό, δηλ. από το πόσο υγρό ή πόσο ξηρό είναι ένα σταθερό µικροβιακό ενδιαίτηµα, αλλά και από τη συγκέντρωση των διαλυµένων ουσιών, όπως αλάτων, σακχάρων κ.λπ. Αυτό οφείλεται στο ότι τα διαλυµένα συστατικά έχουν συγγένεια µε το νερό, ιδιότητα η οποία καθιστά το νερό που συνδέεται µε αυτά µη διαθέσιµο για τους οργανισµούς. Ενεργότητα νερού H διαθεσιµότητα του νερού εκφράζεται εν γένει µε φυσικούς όρους, ως ενεργότητα νερού (a w ) και είναι ο λόγος της τάσης ατµών του αέρα σε ισορροπία µε κάποια ουσία ή διάλυµα ως προς την τάση ατµών του καθαρού νερού. Κατά συνέπεια, οι τιµές της a w κυµαίνονται µεταξύ O και 1. Οι ενεργότητες του νερού σε γεωργικά εδάφη γενικά ποικίλλουν µεταξύ 0,9 και 1 ενώ για κάποια τρόφιµα δίνονται στον πίνακα. Ώσµωση και αλόφιλοι οργανισµοί Στη φύση, τα ωσµωτικά φαινόµενα παρουσιάζουν ενδιαφέρον κυρίως σε ενδιαιτήµατα µε υψηλές συγκεντρώσεις αλάτων. To θαλασσινό νερό περιέχει περίπου 3% χλωριούχο νάτριο (NaCl) και µικρές ποσότητες πολλών άλλων ανόργανων συστατικών και χηµικών στοιχείων. Οι µικροοργανισµοί που επιβιώνουν σε αλατισµένα (αλίπαστα) τρόφιµα χρειάζονται υψηλές συγκεντρώσεις NaCl. Τέτοιου είδους οργανισµοί ονοµάζονται αλόφιλοι (άλλες περιπτώσεις είναι οι αλοανεκτικοί και οι ακραίοι αλόφιλοι). Οι µικροοργανισµοί που επιβιώνουν σε πυκνά διαλύµατα σακχάρων ονοµάζονται ωσµόφιλοι και εκείνοι σε ξηρά περιβάλλοντα ξηρόφιλοι. Οι µικροοργανισµοί «αµύνονται» µε την αύξηση της ενδοκυττάριας συγκέντρωσης συσσωρευόµενων συµβατών διαλυτών ουσιών. Γλυκοβεταϊνη, εκτοϊνη, προλίνη (Gram+), γλουταµικό (Gram-), Σακχαρόζη, Μαννιτόλη, Γλυκερόλη, KCl (κάποιοι µύκητες και ζύµες) 3

4 Οξυγόνο και µικροβιακή αύξηση Τοξικές µορφές οξυγόνου Παραγωγή τοξικών µορφών οξυγόνου κατά την αναγωγή του προς Η2Ο στην αναπνευστική αλυσίδα Οι µικροοργανισµοί ποικίλλουν όσον αφορά τις απαιτήσεις τους σε οξυγόνο ή την ανθεκτικότητα τους σε αυτό. αυτό. Τα αερόβια είναι είδη ικανά για αύξηση σε περιβάλλον πλήρους οξυγόνου (ο αέρας περιέχει 21% οξυγόνο), οξυγόνο), ενώ πολλά από αυτά εµφανίζουν επίσης αντοχή σε αυξηµένες συγκεντρώσεις οξυγόνου (υπερβαρικό οξυγόνο). οξυγόνο). Τα µικροαερόφιλα, µικροαερόφιλα, αντίθετα, αντίθετα, είναι αερόβιοι οργανισµοί που µπορούν να χρησιµοποιήσουν οξυγόνο µόνο όταν αυτό βρίσκεται σε συγκεντρώσεις χαµηλότερες από εκείνες του αέρα, αέρα, κυρίως λόγω της µειωµένης ικανότητας τους να αναπνέουν ή επειδή περιέχουν κάποια µόρια ευαίσθητα στο οξυγόνο, οξυγόνο, π.χ. κάποιο οξυγονοασταθές ένζυµο. ένζυµο. Πολλά αερόβια είναι προαιρετικά (ή δυνητικά ή περιστασιακά) περιστασιακά) αερόβιααερόβιααυτό σηµαίνει ότι, ότι, µε τις κατάλληλες θρεπτικές ουσίες και συνθήκες καλλιέργειας, καλλιέργειας, µπορούν να αναπτυχθούν είτε υπό αερόβιες είτε υπό αναερόβιες συνθήκες. συνθήκες. Ορισµένοι οργανισµοί δεν µπορούν να χρησιµοποιήσουν οξυγόνο στη διαδικασία της αναπνοής και ονοµάζονται αναερόβιοι. αναερόβιοι. Υπάρχουν δύο τύποι αναερόβιων οργανισµών: οργανισµών: οι αερανεκτικοί αναερόβιοι, αναερόβιοι, οι οποίοι ανέχονται την παρουσία οξυγόνου και αναπτύσσονται, αναπτύσσονται, αν και δεν µπορούν να το χρησιµοποιήσουν, χρησιµοποιήσουν, και οι υποχρεωτικά αναερόβιοι οι οποίοι παρουσία του οξυγόνου αναστέλλουν την ανάπτυξη τους ή νεκρώνονται. νεκρώνονται. Ενδοκυτταρικά ένζυµα αδρανοποίησης των τοξικών µορφών του Ο2 Αερόβια Αερόβιοι, πρ. αερόβιοι Αναερόβια Μέθοδοι αναερόβιας καλλιέργειας Υδροστατική πίεση Κάποια βακτήρια µπορούν να επιβιώσουν σε βάθη 7000 µ (barophiles) barophiles) ενώ πεθαίνουν σε συνθήκες εργαστηρίου. εργαστηρίου. Τα βακτήρια αυτά απαιτούν υψηλές υδροστατικές πιέσεις για να διατηρήσουν την τρισδιάστατη δοµή των ενζύµων τους. τους. Η εφαρµογή υψηλών πιέσεων έχει αρχίσει τα τελευταία χρόνια να µελετάται σαν µια φυσική µέθοδος ελέγχου της µικροβιακής ανάπτυξης (στα τρόφιµα, τρόφιµα, καλλυντικά και φάρµακα). φάρµακα). Ανασταλτικές ουσίες Τα τρόφιµα περιέχουν ποικίλες ουσίες που εµποδίζουν την µικροβιακή ανάπτυξη. ανάπτυξη. Οι ουσίες αυτές είναι φυσικής προέλευσης ή προστίθενται τεχνητά (συντηρητικά). συντηρητικά). 4

5 Παράγοντες επεξεργασίας Η συγκοµιδή, ή σφαγή, η αλίευση και ο τεµαχισµός είναι διαδικασίες που θα βλάψουν τις αντιµικροβιακές δοµές των ιστών και θα αυξήσουν την θρεπτική διαθεσιµότητα προς όφελος των µικροοργανισµών. Η επεξεργασία των τροφίµων εµποδίζει την ανάπτυξη των µικροοργανισµών (π.χ. θερµικές επεξεργασίες, πλύσιµο, συσκευασία, ακτινοβολία κ.α.)..). 5