Концентрация растворенных веществ в среде 1 страница

В природе микроорганизмы живут в субстратах с раз­нообразным содержанием растворенных веществ, а следовательно, и с различным осмотическим давлением. Соответ­ственно среде обитания различно и внутриклеточное осмотическое давление у микроорганизмов.

Нормальное развитие микроорганизма происходит, когда его внутриклеточное осмотическое давление несколько выше, чем давление в питательном субстрате. В этом случае в клетку извне поступает вода, цитоплазма плотно прилегает к стенке, слегка растягивая ее такое состояние клетки называют тургорным.

Однако при попадании микроорганизма в субстрат с ничтожно малым содержанием веществ (например, в дистиллированную воду) наступает плазмоптис клетки — цитоплазма быстро переполняется водой, и клеточная стенка разрывается.

Многие микроорганизмы весьма чувствительны даже к небольшому повышению концентрации веществ в среде. С увеличением осмотического давления субстрата активность воды (а ,) в нем уменьшается. При этом имеет значение при­рода растворенного вещества. Например, при равных кон­центрациях глюкоза, угнетает рост дрожжей и мицелиальных грибов больше, чем сахароза. Повышение осмотическо­го давления субстрата выше внутриклеточного вызывает обезвоживание — плазмолиз клеток, при этом поступление в них питательных веществ приостанавливается. В плазмо-лизированном состоянии одни микроорганизмы могут дли­тельно сохранять жизнеспособность, другие более или менее быстро погибают.

Наряду с микробами, чувствительными к изменению осмотического давления в среде, имеются и приспосабливаняцисся «иды, способные к осморегуляции среды; их назы­вают осмотплерантными. Существуют и такие микроорганизмы, которые нормально развиваются только в субстра­тах с высоким осмотическим давлением; их называют ослю-фильными

Явление плазмолиза микробных клеток лежит в основе повышения стойкости при хранении различных продуктов с повышенным содержанием поваренной соли и сахара.

Большинство бактерий мало чувствительны к концент­рации NаС1 в пределах 0,5-2%, но 3%-ное содержание ее в среде неблагоприятно для многих микроорганизмов.

Размножение многих гнилостных бактерий подавляется при концентрации поваренной соли около 3-4%, а при 7-10% оно прекращается. Палочковидные гнилостные бактерии менее стойки, чем кокки. Развитие некоторых возбуди­телей пищевых отравлений (ботулинуса, сальмонелл) при­останавливается при 6-10% соли, однако даже при 20% ее многие из них долго сохраняют жизнеспособность, нахо­дясь в неактивном состоянии.

В табл. 4 приведены данные, характеризующие устой­чивость некоторых микроорганизмов к поваренной соли.

Микроорганизмы, нормально развивающиеся при вы­соких концентрациях поваренной соли (20% и выше), принято называть галофилами (солелюбивыми).

Концентрация соли, необходимая для подавления раз­вития микроорганизмов, изменяется в зависимости от других условий среды, в частности от ее реакции (рН). Разви­тие дрожжей в соленых продуктах подавляется в кислой среде при содержании соли 14%, а в нейтральной— только при 20%. Имеет значение и температура. При понижении температуры угнетающее влияние соли усиливается. Например, для угнетения роста мицелиальных грибов при температуре 0°С достаточно 8% соли, а при 20°С необходимо 12% (СаИо\У). Имеются сведения об усилении действия NаС1 в присутствии других соединений, в частности нитратов и нитритов.

Подавляющее воздействие соли на рост микроорганиз­мов обусловлено не только повышением осмотического давления. При высоких концентрациях в субстрате поваренная соль оказывает токсическое действие на микроорганизмы: подавляются процессы дыхания, нарушаются функции кле­точных мембран и др.

Глава 4. Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы

Таблица 4

Поскольку многие микроорганизмы, в том числе и болезнетворные, в плазмолизированном состоянии длительное время не погибают, приостанавливается лишь их активная жизнедеятельность, к перерабатываемому сырью необходи­мо предъявлять строгие санитарно-гигиенические требова­ния.

Порча соленых товаров (рыбы, солонины и др.) под вли­янием галофильных и солеустойчивых микроорганизмов — явление нередкое. Примером может служить покраснение крепкосоленой рыбы — дефект, называемый "фуксином", который вызывается бесспоровой бактерией На1оЬас1епит заИпагшт, обладающей красным пигментом. Эта галофильная бактерия заносится в продукт с солью. Соленые товары следует хранить при низких температурах, чтобы задержать развитие на них микроорганизмов.

Известны различные виды порчи (плесневение, забраживание) меда, варенья, джема, фруктовых сиропов и дру­гих сахарсодержащих продуктов под воздействием осмофиль-ных плесеней и дрожжей. Порчу многих этих продуктов, прошедших тепловую обработку, вызывают осмофильные теплоустойчивые (выдерживающие пастеризацию продук­тов) дрожжи; порча может явиться и результатом вторично­го инфицпрования продуктов микробами извне. Для предот­вращения этого следует разливать продукт в горячем виде в стерильную тару, герметично укупоривать ее и хранить при пониженной температуре.

Температура среды

Температура среды — один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность развития микроорганизмов.

Каждый микроорганизм может развиваться лишь в определенных пределах температуры: для одних эти пределы узкие, для других — относительно широкие и исчисляются десятками градусов. Кардинальные температурные точки для размножения некоторых микроорганизмов приведены в табл.5.

По отношению к температуре микроорганизмы подразделяются на три Группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы (от греч. психрос — холод) — холодолюби-вые микроорганизмы, хорошо размножаются и проявляют химическую активность при относительно низких температурах. Для них характерны: минимум — от -12-10 до 0°С, оптимум — 10-15°С и максимум — около 30"С. К ним относятся, например, микроорганизмы, обитающие в почве по­лярных регионов, в северных морях, океанах, на охлажденных и замороженных продуктах. Есть указания (С. Р. Лях), что некоторые психрофильные дрожжи, бактерии я мицелиальные грибы способны развиваться при температуре до -24°С.

Термофилы (от греч. термо — тепло) — теплолюбивые микроорганизмы, лучше развиваются при относительно высоких температурах. Температурный минимум для них не ниже 30°С, оптимум — 50-60, максимум — около 70-80°С.

Из горячих водоисточников Камчатки выделена палочковид-ная неспороносная бактерия с температурным оптимумом 70- 80°С, которая оставалась жизнеспособной при температуре воды до 90°С. Из горных источников на склонах вулканов выделены бактерии, способные расти при температуре даже выше 100°С, с оптимумом 105°С. Эти бактерии рассматрива­ют как экстремально термофильные микроорганизмы.

Термофилы встречаются также в самонагревающихся скопления различных органических материалов (зерна, сена, навоза и др.). Обитают они в поверхностных слоях почвы, в кишечнике человека и животных, встречаются в продуктах, прошедших термическую обработку, и могут вызыватьих порчу.

Мвзофилы (от греч. мезос — средний, промежуточный) — микроорганизмы, для которых температурный ми­нимум около 5-10°С, оптимум — 25-35, максимум — в пределах 45-50°С. Одни мезофилы являются термоустой­чивыми, т. е. способны развиваться и при относительно высоких температурах (50-60°С), а другие — холодоус­тойчивыми (психротрофы), развиваются при температурах, близких к 0"С и даже немного ниже. Большинство наибо­лее распространенных в природе бактерий, грибов и дрожжей, в том числе многие возбудители порчи пищевых про­дуктов, а также вызывающие заболевания и отравления человека, относятся к мезофильным организмам. Оптималь­ные и предельные температуры для микроорганизмов обычно соответствуют оптимальным и предельным температу­рам активности их ферментов. Установлено, что у холодо­устойчивых микроорганизмов ферменты, в частности фер­менты энергетического обмена, термочувствительны. У этих микроорганизмов обнаружены ферменты с температурным оптимумом около 10°С. Ферменты термофилов термостабиль­ны, наиболее активны при 50-60°С, некоторые длительно не инактивируются при 80-90°С. У термофилов по сравне­нию с мезофилами более термостабильны белки клеток, а в цитоплазматической мембране больше липидов и несколь­ко иной их состав.

Кардинальные температурные точки, определяющие размножение микробов и другие процессы (спорообразова-ние, брожение и др.), для одних и тех же организмов могут быть разными в зависимости от физиологического состоя­ния и состава среды.

Отношение микроорганизмов к высоким температурам. Повышение температуры среды по сравнению с оптимальной сказывается на микроорганизмах более неблагоприятно, чем понижение ее. Отношение различных микроорганизмов к температурам, превышающим максимальную для их развития, характеризует их термоустойчивость. У разных микроорганизмов она неодинакова. Гибель их наступает не мгновенно, а во времени. Температуры, превышающие максимальную, вызывают явление "теплового шока". При непродолжительном пребывании в таком состоянии клетки могут реактивироваться, а при длительном наступает их отмирание. Большинство бесспоровых бактерий отмирают при нагревании во влажном состоянии до 60-70°С в течение 15-30 мин, а при нагревании до 80-100°С — от нескольких секунд до 1-2 мин. Дрожжи и мицелиальные грибы погибают также довольно быстро при температуре 50-60°С. Исключение составляют некоторые осмофильные дрожжи, которые выдерживают нагревание до 100°С в течение нескольких минут.

Наиболее термоустойчивы бактериальные споры. У многих бактерий они способны выдерживать температуру кипения воды в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий гибнут при 120-130°С через 20-30 мин., а в сухом состоянии — при 160-170°С через 1-2 ч. Термоус­тойчивость спор различных бактерий неодинакова; особенно устойчивы споры термофильных бактерий (табл. 6).

ТаблгщаК

Название бактерии

ВасШих сагоктн-ит ВасШих тусои1е.¹» ВасШих сегеих ВасШих хиБиИх СЪ.чИ-нЛит Ьо(и1тит аоМгШшт хрого^епс.'» ВасШи!. чЮакПпегторЬИих

Время отмирания скор

------ ---, 1 ПП"/"-' -.

3—4 5—10 15—16 120—180 300—360 510—540 460—720

С повышением температуры ее губительное действие быстро возрастает. По данным Эсти и Мейера, споры С1оstridium botulinum отмирали: при 100°С — через 330 мин, при 105°С — через 100, при 110°С — через 32, при 115°С — через 10, при 120°С — через 4 мин.

Споры большинства дрожжей и плесеней по сравнению со спорами бактерий менее устойчивы к нагреванию и,поги-бают довольно быстро при 65-80°С, но споры некоторых плесеней выдерживают нагревание до 100°С. Однако не все клетки или споры даже одного вида микроорганизмов отмирают одновременно, среди них встречаются более и менее устойчивые.

Термоустойчивость одних и тех же микроорганизмов может, кроме того, изменяться в зависимости от химичес­кого состава нагреваемой среды, ее рН, а, наличия защитных веществ. Так, жиры, белки предохраняют микробов от действия тепла.

Отмирание микроорганизмов при нагревании во влажной среде наступает вследствие происходящих необрати­мых изменений в клетке. Главными из них являются денатурация белков и освобождение нуклеиновых кислот клетки, а также инактивация ферментов; возможно повреждение цитоплазматической мембраны.

Высокая термоустойчивость бактериальных спор обусловлена, по-видимому, малым содержанием в них свобод­ной воды. Устойчивость спор к высоким температурам связана также с содержанием в них дипиколиновой кислоты и кальция. Эта кислота в виде кальциевой соли обнаруживается только в термоустойчивых спорах.

При воздействии на клетки сухого жара (без влаги) гибель происходит в результате активных окислительных процессов и нарушения клеточных структур.

На губительном действии высоких температур основа­ны многие приемы уничтожения микробов в пищевых продуктах и различных других объектах, например, кипяче­ние, варка, обжарка, бланширование продуктов питания, пропаривание производственного оборудования.

В пищевой промышленности широко применяют два способа воздействия высоких температур на микроорганизы: пастеризацию и стерилизацию.

Пастеризация — это нагревание продукта чаще всего при температуре 63-7О°С в течение 20-40 мин. Иногда пастеризацию производят кратковременным (в течение несколь­ких секунд) нагреванием до 90-100°С. При пастеризации по­гибают не все микроорганизмы. Некоторые термоустойч­вые бактерии, а также споры многих бактерии остаются живыми. Поэтому пастеризованные продукты следует немедленно охлаждать до температуры не выше 10"С и хра­нить на холоде, чтобы задержать прорастание спор и развитие сохранившихся клеток. Пастеризуют молоко, вино, пиво, икру, фруктовые соки и некоторые другие продукты.

Стерилизация —- это нагревание при температурах, которые в течение определенного времени вызывают гибель вегетативных клеток микроорганизмов иих спор. Сте­рилизуют различные баночные консервы, многие предметы и материалы, используемые в медицинской и микробио­логической практике. Процесс проводят при температурах 112-125°С в течение 20-60 мин в специальных приборах — автоклавах (перегретым паром под давлением) или при 160- 180°С в течение 1-2 ч в сушильных шкафах (сухим горячим воздухом).

Многочисленными исследованиями по изучению кине­тики отмирания клеток во время нагревания (как и при воздействии многих других губительно действующих факторов) установлено, что отмирание во времени протекает с определенной закономерностью. Если построить график в полу­логарифмической системе координат, то "кривая выживаемости" в большинстве случаев представится прямой линией (рис. 29). Такая прямая линия показывает, что при постоянной температуре в каждый последующий равный интервал времени отмирает одинаковая доля (%) клеток (спор) по от­ношению к числу выживших.

50 150 250 351) 11{нм)олжп1псл1-1чн-чи, ииграшпчя, мин

Рис. 29. Кривая выживаемости спор Вас.аего(,ЬегторЫ1и5 при 110"С (по данным В. И. Рогачева)

Таким образом, отмирание клеток имеет логарифмичес­кий порядок и может быть выражено уравнением

^•4

где К. — константа процесса; I — продолжительность воздействия; А — начальное число бактерий; В — число

бактерий, оставшихся после воздействия данной температуры.

Из уравнения следует, что эффективность стерилизации зависит от количества микроорганизмов, находящихся на стерилизуемом объекте: чем оно выше, тем больше остается живых кроорганизмов, следовательно, для уничто­жения всех потребуется длительное нагревание при данной температуре (табл. 7)

Таблица 7

Логарифмическая зависимость проявляется лишь в период отмирания основной массы клеток (спор) (рис. 29, часть кривой а). Всегда имеются клетки более термостойкие, чем большинство. Отмираниеих не подчиняется логарифмической зависимости, они длительно сохраняются жизнеспособными. На рис. 29 видно, что у "кривой выживаемости" наблюдается "хвост" (часть кривой б).

Отношение микроорганизмов к низким температу­рам.. Холодоустойчивость различных микроорганизмов ко­леблется в широких пределах.

При температуре среды ниже оптимальной снижается скорость размножения микроорганизмов и интенсивность их жизненных процессов. При температурах, близких к мини­мальным, значение приобретает снижение даже на 1—2"С. В табл. 8 и 9 (по данным Ф. М. Чистякова, Г. Л. Постовой, 3. 3. Бочаровой) показано влияние низких температур на скорость развития некоторых бактерий, дрожжей и мнце-лиальных грибов — возбудителей порчи продуктов.

Таблица 8

Таблица .9

Многие микроорганизмы не способны развиваться при температуре ниже нуля. Так, некоторые гнилостные бакте­рии, вызывающие пищевые отравления, не размножаются обычно при температуре ниже 4-5°С; температурный минимум многих грибов также лежит в пределах от 3 до 5°С. Известны микроорганизмы, еще более чувствительны» к холоду, которые не растут уже при 10°С, например больжизненных процессов. При температурах, близких к мини­мальным, значение приобретает снижение даже на 1-2°С. В табл. 8 и 9 (по данным Ф. М. Чистякова, Г. Л. Постовой, 3. 3. Бочаровой) показано влияние низких температур на скорость развития некоторых бактерий, дрожжей и мнце-лиальных грибов — возбудителей порчи продуктов.

Таблица 8

Таблица .9

Многие микроорганизмы не способны развиваться при температуре ниже нуля. Так, некоторые гнилостные бакте­рии, вызывающие пищевые отравления, не размножаются обычно при температуре ниже 4-5°С; температурный ми­нимум многих грибов также лежит в пределах от 3 до 5°С. Известны микроорганизмы, еще более чувствительны» к холоду, которые не растут уже при 10°С, например большинство болезнетворных бактерий. Некоторые микроорга­низмы временно выдерживают очень низкие температуры. Кишечная палочка и брюшнотифозная палочка в течение нескольких дней не погибают при температурах -172-190°С. Споры бактерий сохраняют способность к прорастанию даже после 10-часового пребывания при ~2Г)2"С (температура жидкого водорода). Некоторые мицелиальные грибы и дрожжи сохраняют жизнеспособность после воздействия температуры -190°С (температура жидкого воздуха) в течение нескольких дней, а споры мицелиальных грибов — в течение нескольких месяцев. В трупах мамонтов, пролежавших десят­ки тысяч лет в мерзлой почве, обнаружены жизнеспособные бактерии и их споры.