Физические факторы

По интенсивности воздействия физических факторов выде­ляют три кардинальные точки:

- минимум (min) — наименьшее влияние фактора, ниже ко­торого развитие микроорганизма невозможно;

- максимум (max) — наибольшее влияние фактора, выше которого развитие микроорганизмов невозможно;

- оптимум (opt) — наиболее благоприятные для микроор­ганизма условия среды.

В случае, когда хотя бы один фактор будет находиться ни­же min или выше max, организм не сможет развиваться даже при оптимальных значениях всех других факторов. Таким образом:

- если технологический процесс основывается на жизне­деятельности того или другого микроорганизма — продуцента,
успех производства будет зависеть от того, какие созданы условия для развития микроорганизма (получение ферментов, производство дрожжей, приготовление заквасок и т. д.);

- если развитие микроорганизма вызывает нарушение технологического процесса, порчу продукта, необходимо создать условия для подавления развития нежелательных микроорганизмов или уничтожить их, выведя значение одного из факторов за пределы минимума.

Влажность. Клетка на 80-90% состоит из воды. Все био­химические реакции протекают в водной среде, при отсутствии воды невозможно питание. Микроорганизмы могут жить и раз­множаться только в присутствии свободной воды, находящейся главным образом в капельно-жидком состоянии. Однако потреб­ности микроорганизмов в воде весьма разнообразны. Известно замечательное свойство многих форм бактерий и грибов сохра­нять жизнеспособность в течение длительных периодов в совер­шенно сухом состоянии. Наиболее устойчивы к обезвоживанию грибы, способные развиваться при низком водном потенциале (термодинамическая работа, которая должна быть затрачена ор­ганизмом для извлечения воды из субстрата). При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются, но при увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микробов, что приводит к порче продуктов

Чтобы иметь возможность сравнивать водные растворы и твёрдые материалы по содержанию в них доступной воды пользуются параметром — активность воды (а_п). Эта величина опре­деляется отношением Р (давление паров раствора) к р₀ (давление паров растворителя) или отношением концентрации воды в фазе пара в воздушном пространстве над данным материалом к концентрации воды в воздухе над чистой водой при определённой температуре. Активность воды изменяется от 0 до 1 и характери­зует относительную влажность субстрата (a_w дистиллированной воды = 1, a_w растворов < 1).

Микроорганизмы способны расти и развиваться при a_w от 0,998 до 0,600. Бактерии требуют высоких значений a_w – 0,93-0,99, дрожжи Saccharomyces cerevisiae — 0,88-0,85, большинство грибов — не ниже 0.8. Хотя некоторые дрожжи (Saccharomyces rouxu) выдерживают a_w -0,6, а галофильные бактерии – 0,75.

В пищевой технологии для предохранения от микробной порчи продуктов и сырья широко используют сушку. Однако большое количество спор грибов и бактерий и даже вегетативные клетки сохраняют свою жизнеспособность в течении длительного времени в высушенном состоянии (стафиллококки более 2 лет, молочнокислые бактерии – до 10 лет, туберкулезная палочка до 9 месяцев, холерный вибрион до 2 сут, споры сибиреязвенной палочки – до 20 лет). При повышении влажности он прорастают и начинают развитие. На практике этим способом пользу­ются для консервирования продуктов. Некоторые чистые микробные культуры, прививочные препараты сохраняют путём лиофилизации — высушивания из замороженного состояния (-76° С) под высоким вакуумом.

Возможность, развитая микроорганизмов на продуктах и сырьё можно учитывать как по активности воды, так и по относительной влажности воздуха. Когда система «продукт – воздух» находится в динамическом равновесии, W_omн = a_w*100%, Бактерии развиваются при W_omн не ниже 95 – 90%; дрожжи — 90 – 85%; грибы ~ 75 - 60 %.

Влияние воды на развитие микроорганизмов связано с её поверхностным натяжением. Снижение поверхностного натяжения питательных сред приводит к нарушению физиологических процессов в клетке: изменению клеточной проницаемости и как следствие, остановке роста, размножения. Некоторые поверхностно-активные вещества (не образующие с водой гомогенных растворов) добавляют к дезинфицирующим средствам (смесь мыла, фенола и крезола) с целью увеличения их эффекта.

Осмотическое давление. Большое влияние на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворённых в воде соединений. Если их содержится мало по сравнению с клеткой, раствор называется гипотоническим. В этом растворе наблюдается явле­ние плазмоптиза — вода поступает внутрь клетки, в результате чего последняя может лопнуть. В гипертоническом растворе, ос­мотическое давление которого выше, чем осмотическое давление клетки, происходит обратное явление — плазмолиз (обезвожива­ние). Вода выходит из клетки, в результате чего цитоплазма сжи­мается, нарушается целостность ЦПМ и клетка погибает. Только благодаря наличию ригидной клеточной стенки и регуляторным функциям ЦПМ большинство бактерий малочувствительны к из­менениям концентрации солей в пределах их массовых долей — 0,5-3,0%.

Существуют осмофильные и осмотолерантные микроорга­низмы. Первые предпочитают среды с высоким осмотическим давлением, вторые переносят значительные его колебания. К осмофилам относятся грибы Aspergillus и Peniciilum, способные расти на едва увлажнённых субстратах; некоторые дрожжи, сбраживающие мёд с массовой долей сахара 70 — 80 %. Но эти микроорганизмы не выносят высоких концентраций NaCl.

Микроорганизмы, которые могут жить при очень высоких концентрациях NaCl, называются галофилами. Крайние (экстре­мальные) галофилы Halococcus и Halobacterium выдерживают раствор с массовой долей соли > 20 %; умеренные галофилы раз­виваются при массовой доле соли 1-2%: хорошо растут в среде с массовой долей NaCl 10 % и могут переносить до 20 %. Боль­шинство гнилостных бактерий (Clostridium, Bacillus) прекращают развитие при массовой доле NaCl 10-15 %. Высокие концентрации NaCl и сахара используется в кон­сервировании.

Температура. Микроорганизмы лишены механизмов, регу­лирующих температуру, поэтому их существование определяется температурой окружающей среды. По отношению к температуре они делятся на три группы.

1. Психрофилы (криофилы) — холодолюбивые микроор­ганизмы. Это некоторые морские светящиеся бактерии, железо­бактерии, с оптимумом роста — 10 - 15°С, минимумом от 0 до -11°С. Психрофилы делятся на облигатные (строгие) и факульта­тивные. Основное различие между ними состоит в том, что пер­вые не способны к росту при температуре выше 20°С, а вторые характеризуются более широким диапазоном температур (до 35°С). Сходство же в том, что и те и другие способны к росту при 0°С и минусовых температурах. Они составляют основную мик­рофлору холодильных камер и холодильников.

2. Мезофилы - имеют темпе­ратурный оптимум 28 - 37°С, минимум 3 - 10°С максимум 43-50°С. К этой группе относится большинство микроорганизмов, в том числе гнилостные и болезнетворные бактерии, дрожжи.
Встречаются формы, которые переносят высокие температуры.
Это термотолерантные микроорганизмы, имеющие оптимум
30°С, но способные перенести повышение температуры до 55 - 60°С.

3. Термофилы - теплолюбивые микроорганизмы, имею­щие оптимум 55 - 60°С, максимум 75-80°С и минимум 18-30°С. К ним относятся почвенные бактерии, микроскопические грибы, актиномицеты. Из горячих природных источников Камчатки вы­ делены кокки, палочки и нитчатые формы, сохраняющие жизне­способность при температуре выше температуры кипения. Это экстремальные термофилы, у которых оптимум роста выше 65°С. Однако их широкое распространение не всегда связано с термо­фильными зонами, они \ выделены также из торфа и воды. Термофилы представляют большую \ опасность для консервной промышленности, т.к. обладают повышенной биохимической ак­тивностью и большой термостойкостью; участвуют в разложении природных полимеров, самосогревании зерна, муки, силоса, пор­че свёклы при хранении. Возможность существования термофилов при высоких температурах обусловлена особым состоянием липидных компо­нентов клеточных мембран, высокой термостабильностью белков и ферментов, термостабильностью клеточных ультраструктур.

Микроорганизмы по-разному относятся к предельным (низким и высоким температурам). Если низкие температуры (- 190, -252°С) микробные клетки переносят, сохраняя после раз­мораживания способность к росту, то под влиянием высоких температур они довольно быстро погибают.

Низкие температуры (даже вблизи абсолютного нуля) приостанавливают жизнедеятельность микроорганизмов, переводя клетку в состояние скрытой жизни - анабиоз. В клет­ке изменяется вязкость протоплазмы, дисперсность белковых частиц, инактивируются ферменты. Это может длиться десятки лет. Но большинство микроорганизмов при низких температурах медленно погибает, что используется для предохранения пище­вых продуктов от порчи.

Высокие температуры вызывают изменение протоплазмы, коагуляцию белков, инактивацию ферментов, у психро- и мезофилов. При этом во влажной среде бактерии гибнут скорее, чем в сухой. Наиболее устойчивы к нагреванию споры. Известны такие споры, которые выдерживают 2- и 3- часовое кипячение и поги­бают лишь при 120- 130°С.

На действии высоких температур основан ряд методов уничтожения вегетативных форм микроорганизмов и их спор:

- стерилизация сухим жаром при 160°С в течение 2 ч;

- стерилизация паром в автоклаве при 120°С под давлением
в течение 15 - 20 мин;

- пастеризация уничтожение бесспоровых форм при 60 – 70 ⁰С в течение 15 мин.

Радиация. Эффекты, вызываемые радиацией, зависят от дозы облучения и длины волны. Доза определяется количеством помещённых организмами и веществами квантов. Все живые ор­ганизмы находятся под воздействием разных видов излучений.

Излучение с длиной волны 300 - 1100 нм (видимый свет) индуцирует в живых организмах такие процессы, как фотосинтез, фототаксис, фотореактивацию ДНК, синтез некоторых макромо­лекул, благоприятно воздействуя на пурпурные и зелёные бакте­рии, содержащие каротиноиды и хлорофилл. На другие бактерии рассеянный свет хотя и не оказывает губительного действия, но значительно задерживает их размножение.

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) с длиной волны 220 - 300 нм вызывают либо леталь­ный (бактерицидный), либо мутагенный (бактериостатический) эффект. Наиболее активны прямые УФЛ с длиной волны 260 нм. Поглощаясь пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, они приводят к их димеризации. Как следствие - подавление репликации ДНК, потеря клеткой способности к делению. С УФЛ связано 90 % биологиче­ских повреждений. Кроме того, под их действием разрываются водородные мостики между азотистыми основаниями в молекуле ДНК, связи между дезоксирибозой и фосфатом в нуклеотидах. Прямые УФЛ убивают микроорганизмы в течение 10 - 30 мин, находят практическое применение для стерилизации раз­личных объектов, дезинфекции воздуха и т. д. Повреждающее действие УФЛ может быть снято видимым светом (фотореакти­вацией) за счёт активации специфических ферментов, расщеп­ляющих, например, димеры Тимина. Некоторые бактерии синте­зируют ферменты, которые устраняют повреждения в ДНК без фотореактивации, «вырезая» повреждённую часть, одной цепи ДНК. Как правило, это бактерии, содержащие в клеточных мем­бранах каротиноиды.

Подобный УФЛ эффект оказываем ионизирующая радиа­ция. Рентгеновские лучи действуют менее специфично, косвенно. Их высокая фотохимическая активность приводит к образованию свободных радикалов и перекисей, которые реагируют с белками и нуклеиновыми кислотами в клетке, вызывая её гибель. Наиболее устой­чивы к этому виду излучения микрококки, наименее бактерии рода Pseudomonas.

Инфракрасные лучи (λ ~ 800 нм) проявляют тепловое воздействие на организмы, ускоряя движение молекул.

Радиоволны (короткие и длинные) не оказывают влияния на микроорганизмы. Однако ультракороткие волны (УКВ) очень активны. Они могут вызывать разрывы клеток и клеточных струк­тур, поражение внутриклеточных элементов, а также морфологи­ческие, функциональные и физико-коллоидные изменения. В настоящее время УКВ используется для стерилизации консервов в стеклянной таре. В продукте не разрушаются вита­мины и сохраняются вкусовые качества

Гидростатическое давление. Большинство микроорга­низмов выдерживают достаточно высокое гидростатическое дав­ление, тогда как очень высокое может остановить рост микроор­ганизма. Чувствительность к этому фактору зависит от видовой принадлежности. Выделяют барофильные микробы, размножаю­щиеся предпочтительно при давлении в сотни атмосфер, и баро-толерантные, размножающиеся как при обычном, так и при очень высоком давлении. К числу первых следует отнести обитателей дна Индийского и Тихого океанов, выдерживающих давление, но 112 МПа. В глубине нефтяных скважин живут сульфатредупи­рующие бактерии, переносящие до 50 МПа. Некоторые дрожжи и грибы не размножаются при обычном давлении, а предпочитают соответственно 150 и 300 МПа. Баротолерантные микроорганиз­мы выдерживают давление 63 МПа в течение часа, а при давле­нии 100 MПa и выше прекращают деление. Следует отметить, что микроорганизмы хорошо переносят только равномерное давле­ние со всех сторон и могут погибнуть при боковом давлении.

Учёные полагают, что при действии высоких давлений ус­коряются некоторые биохимические реакции, уменьшается объём коллоидов, повышается электролитическая диссоциация, снижа­ется активность окислительно-восстановительных ферментов.