Теоретические основы барьерной технологии

Микробиологический аспект метода. Барьерная технология основана на по­нимании и учете таких явлений в пищевой микробиологии, как гомеостаз, метаболи­ческое истощение и стрессовые реакции микроорганизмов, возникающих у них при необходимости преодоления температурных и других физико-химических барьеров окружающей среды.

Понятие гомеостаза характеризует прижизненное равновесие и стабильность внутреннего состояния микроорганизмов, которое нарушается при наличии «враж­дебного окружения», в т.ч. создаваемого барьерами. В состоянии гомеостаза микро­организмы не могут расти и размножаться, впадают в лаг-фазу или погибают. Вос­становление нарушенного гомеостаза требует от микроорганизмов больших затрат энергии. Эффективное, но бережное сохранение качества пищевых продуктов, изго­товленных по барьерной технологии, достигается за счет целенаправленного нару­шения гомеостаза микроорганизмов путем создания неблагоприятных условий для их жизнедеятельности.

Явление «метаболического истощения» микроорганизмов характерно для про­дуктов с промежуточной влажностью (с низкой или пороговой активностью воды), которых подвергают мягкой тепловой обработке (до температуры 95° С). Выжившие при этом споры могут прорастать, но, будучи метаболически истощенными, уже не могут размножаться и гибнут. Поэтому число спор в таких продуктах при хранении даже в обычных условиях снижается, так как вегетативные клетки отмирают, а но­вые споры не образуются. Происходит «самостерилизация» продуктов, приготовленных по барьерной технологии. Это явление имеет место и большое значение в про­изводстве фаршевых продуктов и колбасных изделий.

Стрессовые реакции микроорганизмов, наоборот, являются ограничивающим фактором для применения барьерной технологии, так как бактерии в неблагоприят­ных физико-химических условиях среды могут генерировать белки, устойчивые к стрессу и повышающие их термоустойчивость, но снижающие качество пищевого продукта.

Синергетический эффект бактерицидной эффективности барьерной технологии состоит в том, что разные барьеры одновременно поражают различные участки внутри микробной клетки - ее оболочку, ферментные системы, ДНК и др. Поэтому, при грамотном выборе барьеров и целенаправленной их комбинации появляется возможность применить щадящие технологические режимы обработки и обеспечить более эффективное сохранение качества консервированных продуктов.

Влияние физических и физико-химических условий среды на жизнедея­тельность микроорганизмов. Барьерная технология консервирования пищевых про­дуктов основана на учете сложного взаимодействия физических и физико-химичес­ких факторов среды, влияющих на биохимические процессы микроорганизмов, обеспечивающие их рост и размножение.

Активная влажность среды продукта, Aw. Согласно результатам опублико­ванных исследований, для продуктов, консервированных не тепловыми, а другими способами, основной интегральной характеристикой, обусловливающей формирова­ние вкуса и аромата, сохранность качества и уровень его потери, а также стойкость в процессе хранения, является показатель активности воды.

Известно, что в клетках микроорганизмов содержится до 80 % воды, но жизне­деятельность их возможна только при наличии в среде свободной воды, связанная вода для них недоступна. Обезвоживание продукта любыми методами (десорбцией или адсорбцией) оказывает на микроорганизмы губительное действие. В высушенном

продукте микроорганизмы не проявляют биологической активности, но сохраняют свои свойства; при повышении влажности среды жизнедеятельность их полностъю восстанавливается.

Уровень показателя активности воды в пищевом продукте зависит от его химического состава и гигроскопических свойств и находится в гигротермическом равновесии с окружающей средой. Оптимальные условия для обезвоживания продуктов обеспечиваются добавлением осмотически активных пищевых веществ: по­поваренной соли и полифосфатов, альгинатов, цитратов, аскорбиновой кислоты, глицерина, лактозы, молочного белка, жира, хитозана и др.

При производстве вяленой, сушеной и копченой продукции активность воды

регулируется ее испарением под действием температуры и десорбцией в процессе посола. Для пресервов дополнительно учитывается эффективность структурообразующих пищевых добавок. Установлено, что торможение жизнедеятельности большинства бактерий происходит при активности воды 0,91 и ниже, дрожжей - 0,88; плесеней - 0,80; галофилов - 0,75.

Согласно Т.М. Сафроновой и Г.Н. Киму, для угнетения и подавления роста бактерий в рыбных пресервах в масляной заливке уровень активности воды продукта должен находиться в пределах 0,83-0,85 (при условии использования в рецептуре хитозана).

Исследована бактерицидная эффективность в отношении жизнедеятельности в мясопептонном бульоне бактерий C.perfringens комбинации трех барьеров: активности воды при Aw= 0,995; 0,975; 0,965; активной кислотности при рН= 7,0; 6,5; 5,5 и температуры инкубации - 45, 37, 30 °С. Для всех комбинаций было отмечено отсутствие роста бактерий только при низкой активности воды = 0,965.

Температура, рН среды. Общеизвестно, что высокая температура процесса стерилизации консервов (112-120 °С) является самым мощным фактором воздействия на микроорганизмы. Порчу пищевых продуктов, в т.ч. рыбных, в основном вызывают широко распространенные в природе мезофильные гнилостные бактерии, включая патогенные и токсичные формы, развивающиеся при температурах от 5 до 60 °С; температуры, лежащие за пределами максимальной и минимальной точек, оказывают на них губительное воздействие. Отмирание вегетативных клеток связано необратимыми изменениями в их протоплазме: денатурацией белков, инактиваци-ферментов. При температуре 60-70 °С клетки погибают через 15-30 мин нагревания, при 100 °С - через несколько секунд. Споры бактерий, вызывающих порчу рыбных стерилизованных продуктов - С. botulinum, C.sporogenes, B.subtilis, выдерживают кипячение в течение 5-6 ч. Константа термоустойчивости спор D (время десяти­кратного снижения их количества) тест-культуры C.sporogenes-25, используемой при расчетах режимов стерилизации рыбных консервов, существенно зависит от темперагуры процесса, изменяясь от 2,0 мин при 115 °С до 0,5 мин при 120 °С (в нейтральном фосфатном буферном растворе при рН - 7,0). Скорость их отмирания также зависит от активной кислотности продукта: при снижении величины рН до 5,5, ха-рактерной для рыбных консервов, термоустойчивость спор уменьшалась почти в 2 раза: уровень константы D составил 1,2 и 0,25 мин соответственно.

Температура (высокая или низкая), а также активная реакция среды (кислотная или щелочная) являются основными барьерами при всех комбинированных технологиях консервирования пищевых продуктов. Эти факторы всесторонне исследованы и давно используются на практике. Важно подчеркнуть, что споры анаэробных токсикогенных микроорганизмов С.botulinum, представляющих опасность для жизни людей, при рНсреды 4,5 и ниже не выживают. Этот барьер в технологии теплового консервирования является пороговым и предусмотрен в соответствующей документации.

Окислительно-восстановительные условия среды. Жизнедеятельность мик­роорганизмов обеспечивается биоэнергией постоянно идущих процессов окисления и восстановления питательных веществ среды и микроорганизмов, связанных с при­соединением или отдачей молекулами кислорода и водорода.

Всесторонние исследования в этой области проведены Работновой и ис­пользованы в настоящей лекции.

В биологии микроорганизмов особое значение имеет активная часть окисли­тельно-восстановительных процессов, аналогично значению активной кислотности продуктов; ее нельзя определить титрованием, а находят электрометрическим методом через величину окислительно-восстановительного потенциала.

Нернстом и Кларком установлена зависимость между концентрацией в мясопептонной среде окислителя (кислорода) и восстановителя (водорода), уров­нем окислительно-восстановительного потенциала Eh и величиной рН среды. Ими предложен новый обобщенный показатель – гН2, который более полно характеризует окислительно-восстановительные условия среды, дополнительно учитывая влияние ряда других факторов: концентрации окислителя и восстановителя, скорость их реа­гирования и др. Выведена формула экспериментального определения этого критери­ального показателя состояния среды:

Еh

гН2 = --- + 2рН . (1)

0,029

Показатель гН2 численно характеризует степень аэробности среды, т.е. соот­ношение в ней кислорода и водорода, что чрезвычайно важно для определения воз­можности и интенсивности развития в герметичной банке консервов аэробов или анаэробов, для которых кислород является ядом, ингибируя их метаболизм.

По аналогии с понятием рН, обозначающим отрицательный логарифм концен­трации водородных ионов, показатель гН2 обозначает отрицательный логарифм дав­ления молекулярного водорода в среде.

Установлено, что давление кислорода 1 атм характеризуется ничтожно малым давлением водорода – 10 ^{- 42,6} атм, в соответствии с этим показатель гН2 может колебаться в пределах от 0 до 42,6, характеризуя все степени насыщения среды кислородом и водородом. Чем больше концентрация окислителя, тем выше окислительно-восстановительный потенциал и значение показателя гН2 и чем мень­ше значение гН2, тем больше восстановительная способность среды.

Работновой, Аубелем и другими учеными установлены и опубликованы пре­дельные значения для показателя гН2, обеспечивающие возможность развития или подавление роста микроорганизмов в мясопептонном бульоне в зависимости от его фи­зико-химических параметров. Доказано, что облигатные аэробы развиваются толь­ко при высоком редокс-потенциале, при свободном доступе кислорода и значениях гН2 в пределах от 5 до 30, без доступа кислорода они не могут размножаться, но могут сохранить жизнеспособность.

Рассмотрим термоустойчивые споровые аэробные гнилостные бактерии В. subtilis, характерные для допустимой остаточной микрофлоры рыбных консервов.

Облигатные анаэробы живут исключительно за счет энергии анаэробных окис лительно-восстановительных реакций, идущих без участия свободного кислорода. Они обладают способностью использовать для этих целей связанный кислород и не выносят присутствия кислорода воздуха. К ним относятся гнилостные анаэробные микроорганизмы С. sporogenes и С. putrificus и другие, вызывающие порчу рыбных продуктов, в т.ч. консервов. Они могут размножаться только при исключительно низких значениях гН2, от 0 до 5, но могут находиться в лаг-фазе и сохранять жизне способность при величине гН2 порядка 18-20.

Факультативные аэробы и анаэробы могут развиваться как с доступом кислорода воздуха, так и без него, благодаря способности переключаться с анаэробного обмена веществ на аэробный. Механизм такого переключения практически не изучен.

Бактерицидная эффективность физических и физико-химических параметров рыбных консервов, являющихся важными барьерами для жизнедеятельности конта-минирующих их микроорганизмов, в технологии теплового консервирования гидроби­нтов в настоящее время не учитывается.

Сделано заключение о том, что показатель гН2 позволяет количественно оценить синергетический эффект влияния на жизнедеятельность микроорганизмов трех физико-химических барьеров рыбных консервов: редокс-потенциала, активной кислотности и состава газовой среды в консервной банке, с целью снижения жесткости режимов их стерилизации.