Концентрация растворенных веществ в среде

В природе микроорганизмы встречаются в субстратах с разнообразным содержанием растворенных веществ, а следовательно, и с различным осмотическим давлением. Соответственно среде обитания внутриклеточное осмотическое давление у разных микроорганизмов колеблется в широких пределах. У одних, например у многих возбудителей порчи пищевых продуктов, оно составляет 5–15 атм, у других – значительно больше. Величина осмотического давления клеточного сока некоторых плесеней из рода Aspergillus достигает 200 атм, у почвенных бактерий – 50–80 атм. Даже у представителей одного вида, живущих в разных условиях, внутриклеточное осмотическое давление может значительно колебаться.

Нормальное развитие микроорганизма происходит лишь при определенной концентрации растворенных в субстрате веществ. Обычно внутриклеточное осмотическое давление несколько выше, чем в питательном субстрате.

Многие микроорганизмы весьма чувствительны даже к небольшому повышению концентрации среды. Если она и не превышает внутриклеточного осмотического давления, то неблагоприятным может оказаться снижение водной активности среды. В то же время при попадании микроорганизма в субстрат с ничтожно малым содержанием веществ (например, в дистиллированную воду) цитоплазма быстро переполняется водой, происходит разрыв клеточной стенки (плазмоптис) и клетка погибает.

Повышение концентрации среды выше определенного предела вызовет обезвоживание (плазмолиз) клеток, при этом поступление в них питательных веществ приостановится. В таком состоянии одни микроорганизмы могут длительно сохраняться, не теряя жизнеспособности, другие же быстро погибают. Высокие концентрации NaCl не только вызывают плазмолиз клеток, но и отрицательно влияют на их биохимическую деятельность (подавляются процесс дыхания, протеолитическая активность и др.), а также нарушают функции клеточных мембран.

Большинство бактерий не очень чувствительны к концентрации поваренной соли 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 % многие из них долго сохраняются жизнеспособными, находясь в инактивированном состоянии.

Наряду с микробами, которые чувствительны к изменению осмотического давления в среде, имеются приспосабливающиеся виды. Некоторые плесени, дрожжи, а также бактерии, живущие обычно в условиях невысокого осмотического давления, растут и на продуктах с относительно высоким содержанием соли или сахара; их называют осмотолерантными.

Существуют и такие микроорганизмы, которые нормально развиваются только в субстратах с высоким осмотическим давлением; их называют осмофильными.

Таблица 3

Осмофильные микроорганизмы, нормально развивающиеся при высоких концентрациях поваренной соли (20% и выше), принято называть галофилами (солелюбивыми). Размножение их приостанавливается при снижении NaCl даже до 13-10%.

В табл. 3 приведены литературные данные, характеризующие устойчивость некоторых микроорганизмов к поваренной соли.

Концентрация соли, необходимая для подавления развития микроорганизмов, меняется в зависимости от других условий среды, в частности от ее реакции (рН). Развитие дрожжей в соленых продуктах подавляется в кислой среде при содержании 14 % соли, в нейтральной – только при 20 %.

Для повышения стойкости против микробной порчи при хранении и переработке различных продуктов широко используют поваренную соль и сахар. Консервирующее действие определяется в основном изменением осмотического давления и a_w продукта. Однако многие находящиеся в продуктах микроорганизмы, в том числе возбудители ряда пищевых заболеваний, не погибают, а приостанавливается лишь их активная жизнедеятельность. Поэтому к перерабатываемому сырью должны предъявляться строгие санитарно-гигиенические требования.

Порча соленых товаров (рыбы, бекона и др.) под влиянием галофильных и солеустойчивых микроорганизмов – явление нередкое. Примером может служить покраснение крепкосоленой рыбы – дефект, называемый фуксином, который вызывается бесспоровой бактерией Halobacterium salinarium, 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 за счет осмофильных плесеней и дрожжей. Порчу многих из этих продуктов, прошедших тепловую обработку, вызывают осмофильные теплоустойчивые (выдерживающие пастеризацию продуктов) дрожжи; порча может явиться и результатом вторичного инфицирования продуктов микробами извне. Чтобы это предотвратить, следует проводить розлив продукта в горячем виде в стерильную тару, герметично закрывать и хранить при пониженной температуре.

ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

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.

Для каждого организма различают три кардинальные точки: минимум – температура, ниже которой не происходит рост микроорганизмов, максимум – температура, выше которой рост не происходит; оптимум – наилучшая температура для роста микроорганизмов. Кардинальные температурные точки для размножения некоторых микроорганизмов (по данным литературы и автора) приведены в табл. 4.

По отношению к температуре микроорганизмы подразделяют на три группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы, или холодолюбивые микроорганизмы, хорошо растут при относительно низких температурах. Для них характерны: минимум в пределах от –10 до 0 °С, оптимум 10–15 °С и максимум около 30 °С. К ним относят, например, организмы, обитающие в почве полярных стран, в северных морях, океанах, на охлажденных и замороженных продуктах.

Термофилы, или теплолюбивые микроорганизмы, лучше развиваются при относительно высоких температурах. Температурный минимум для них не ниже 30 °С, оптимум 55–65 °С, максимум около 70–80 °С, а для некоторых и более. Из горячих водоисточников Камчатки выделена палочковидная неспороносная бактерия с температурным оптимумом

Таблица 4

70–80 °С, которая оставалась жизнеспособной даже при температуре воды 90 °С. Термофилы встречаются, например, в горячих водных источниках, в самонагревающихся скоплениях различных органических материалов (зерна, сена, навоза и др.), в сооружениях по переработке осадков сточных вод (см. с. 174). Обитают они в поверхностных слоях почвы, в кишечнике человека и животных; встречаются в продуктах, прошедших тепловую обработку.

Мезофилы – микроорганизмы, для которых температурный минимум около 5–10°С, оптимум 25–35 °С, максимум в пределах 45–50 °С. Одни мезофилы являются термоустойчивыми, т. е. способны развиваться при относительно высоких температурах (50–60 °С), а другие – холодоустойчивыми, или психротрофными, так как могут развиваться при температурах, близких к 0 °С и даже немного ниже.

Большинство наиболее распространенных в природе бактерий, грибов и дрожжей, в том числе многие возбудители заболеваний и отравлений человека, относят к мезофильным организмам.

Среди термофилов и психрофилов преобладают бактерии.

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 инактивиру-ются при80–90 °С. По сравнению с мезофилами у термофилов более термостабильны белки клеток, а в цитоплазматиче-ской мембране больше липидов и несколько иной их состав.

Кардинальные температурные точки, определяющие размножение микробов и другие процессы (спорообразование, брожение и др.), для одних и тех же организмов могут быть разными. Эти температурные точки могут колебаться для одного и того же вида в зависимости от других условий развития.

Отношение микроорганизмовк высоким температурам.Повышение температуры среды по сравнению с оптимальной сказывается на микроорганизмах более неблагоприятно, чем понижение ее. Отношение микроорганизмов к температурам, превышающим максимальную для их развития, характеризует их термоустойчивость. У разных микроорганизмов она очень различна. Гибель наступает не мгновенно, а во времени. Температуры, немного превышающие максимальную, вызывают явление «теплового шока». При недлительном пребывании в таком состоянии клетки могут реактивироваться, 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 плесени погибают также довольно быстро при температуре 50– 60 °С. Исключение составляют некоторые осмофильные дрожжи, которые выдерживают нагревание до 100 °С в течение нескольких минут.

Таблица 5

Наиболее термоустойчивыми являются 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, в сухом состоянии – при 160–170 °С через 1–2 ч. Термоустойчивость спор различных бактерий неодинакова; особенно устойчивы споры термофильных бактерий (табл. 5).

С повышением температуры ее губительное действие быстро возрастает. По данным Эсти и Мейера, споры Clostridium 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 погибают довольно быстро при 65–80 °С, а 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 свойств среды (рН, концентрации и др.), в которой производится нагревание.

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

Высокая термоустойчивость бактериальных спор обусловлена, по-видимому, малым содержанием в них свободной воды. Предполагается также, что устойчивость спор к высоким температурам связана с содержанием в них дипиколиновой кислоты (пиридин-2,6-дикарбоновая кислота) 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.

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

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

Пастеризация – это нагревание продукта чаще при температуре 63–80 °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 термоустойчивые бактерии, а также споры многих бактерий остаются живыми. В связи с этим 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 всех вегетативных клеток микроорганизмов и их спор. Стерилизации подвергают различные баночные консервы (см. с. 239), многие предметы и материалы, используемые в медицинской и микробиологической практике. Процесс проводится 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. 23). Такая прямая линия показывает, что при постоянной температуре в каждый последующий равный интервал времени отмирает одинаковая доля (%) клеток (спор) по отношению к числу выживших.

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

где К – константа процесса;

t– 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, следовательно, для уничтожения всех потребуется длительное нагревание при данной температуре (табл. 6).

Рис. 23. Кривая выживаемости

спор Bac. aerothermophilus при

110°С (по данным В. И. Рогачева)

Логарифмическая зависимость проявляется лишь в период отмирания основной массы клеток (рис. 23, часть кривой а). Всегда имеются клетки более термостойкие, чем большинство. Отмирание их не подчиняется логарифмической зависимости, они длительно сохраняются жизнеспособными. На рис. 23 видно, что у «кривой выживаемости» наблюдается «хвост» (часть кривой б).

Таблица 6

Отношение микроорганизмов к низким температурам. Выше указывалось, что холодоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах.

При температуре среды ниже оптимальной уменьшаются скорость размножения микроорганизмов и интенсивность их жизненных процессов. При температурах, близких к минимальным, значение приобретает снижение даже на 1–2 °С. В табл. 7 и 8 показано влияние низких температур на скорость развития некоторых бактерий и плесеней (по Φ. Μ. Чистякову, Г. Л. Носковой, З. З. Бочаровой) – возбудителей порчи продуктов.

Большинство микроорганизмов не способно развиваться при температуре ниже нуля. Так, многие гнилостные бактерии и бактерии, вызывающие пищевые отравления, являются мезофи-лами и не размножаются обычно при температуре ниже 4– 5 °С; температурный минимум многих грибов также лежит в пределах от 3 до 5°С. Некоторые микроорганизмы еще более чувствительны к холоду и не растут уже при 10 °С, например болезнетворные бактерии. Несмотря на то что при указанных температурах микробы не размножаются и активная жизнедеятельность их приостанавливается, многие неопределенно долгое время остаются жизнеспособными, переходя в ана- биотическое состояние, т. е. состояние «скрытой жизни», подобное зимней спячке животных. При повышении температуры они вновь возвращаются к активной жизни.

Известно, что многие микроорганизмы легко переносят даже очень суровые зимние условия, а некоторые – временно выдерживают и значительно более низкие температуры. Кишечная и брюшнотифозная палочки в течение нескольких дней не погибают при температурах от –172 до –190 °С. Споры бактерий сохраняют способность к прорастанию даже после 10-часового

Время, сутки, от посева до появления видимого роста бактерий при температуре, °С Названия бактерий_

Таблица 7

________________________________

¹ Роста бактерий не наблюдалось даже через 9 месяцев после посева.

пребывания при –252 °С (температура жидкого водорода). Некоторые плесени и дрожжи сохраняют жизнеспособность после воздействия температуры –190 °С (температура жидкого воздуха) в течение нескольких дней, а споры плесеней – в течение нескольких месяцев. В трупах мамонтов, пролежавших десятки тысяч лет в мерзлой почве, обнаружены жизнеспособные бактерии и их споры.

Конечно, не все микроорганизмы способны длительно сохранять свою жизнеспособность при температурах ниже минимальной для их развития. Многие из них в таких условиях более или менее скоро погибают. Однако отмирание происходит значительно медленнее, чем под действием высоких температур. Причиной гибели клеток в субстратах при температурах выше их криоскопической точки (температуры замерзания) является главным образом нарушение обмена веществ клеток. Инактивируются ферменты, в связи с чем снижаются скорости внутриклеточных химических реакций, при этом отдельные реакции подавляются не в одинаковой степени.

Таблица 7

Наиболее неблагоприятное действие оказывают температуры, при которых наступает замерзание среды. При неполном замерзании (помимо указанных выше причин) вымирание микроорганизмов может быть вызвано неблагоприятным действием низкой водной активности a_w и повышенного осмотического давления среды, повреждением клеток кристаллами льда, повышением концентрации солей в клетке за счет ее обезвоживания, при этом нарушается структура цитоплазмы (изменяются ее вязкость, дисперсность белково-липоидных частиц и др.), нарушается избирательная проницаемость клеточных мембран вследствие изменения физико-химических свойств их ли-пидов. Со временем все это приводит к необратимым явлениям в клетке и ее гибели.

Низкие температуры широко применяют для сохранения скоропортящихся продуктов. Применяют два способа холодильного хранения: в охлажденном состоянии – при температуре от 10 до –2 °С и в замороженном виде – при температуре от –12 до –30 "С.

При хранении охлажденных продуктов лучше, чем при замораживании, сохраняются их натуральные свойства, однако рост на них многих микроорганизмов не исключается, а лишь замедляется. Поэтому сроки хранения охлажденных продуктов непродолжительны и зависят от температуры хранения и исходной степени обсеменения продукта психротроф-ными микроорганизмами. Чем они больше, тем меньше срок хранения.

Для удлинения сроков хранения продуктов применяют дополнительные меры воздействия на микроорганизмы, например облучение ультрафиолетовыми и гамма-излучениями, озонирование, повышение содержания в атмосфере ССЬ, создание анаэробных условий, препятствующих развитию холодоустойчивых аэробов – возбудителей порчи продуктов и др. Об эффективности применения этих способов обработки пищевых продуктов сказано в гл. 7.

При хранении продуктов в охлажденном состоянии большое значение имеет относительная влажность воздуха в помещении. При ее повышении микроорганизмы развиваются быстрее. На стенах, потолках и других поверхностях холодильных камер постоянно находится то или иное количество разнообразных микроорганизмов. Попадают они в холодильник вместе с продуктами, тарой, заносятся с поступающим охлажденным воздухом, а также людьми. Обитая в холодильнике длительное время, микробы приспосабливаются к данным условиям существования и приобретают способность развиваться при более низких температурах. Поэтому холодильные камеры необходимо содержать в чистоте, регулярно дезинфицировать и поддерживать в них требуемый температурно-влажностный режим.

При замораживании продукта отмирает значительная часть находящихся в нем микроорганизмов. При по-

Т

следующем хранений замороженного продукта выжившие отмирают в нем медленнее.

При применяемых в практике хранения температурах (не выше –12 °С) замороженные продукты длительно (месяцами) сохраняются без микробной порчи.

Замораживание не оказывает стерилизующего действия. В замороженных продуктах всегда имеются живые жизнеспособные микроорганизмы и тем больше, чем больше их содержалось на продукте перед его замораживанием.

Во время размораживания продуктов, особенно при вытекании из них сока, микроорганизмы вновь размножаются и вызывают порчу. Поэтому оттаивать замороженные пищевые продукты следует непосредственно перед употреблением.

Лучистая энергия

Воздействие на микроорганизмы различных форм лучистой энергии проявляется по-разному. В основе действия лежат те или иные химические или физические изменения, происходящие в клетках микроорганизмов и в окружающей среде.

Воздействие лучистой энергии подчиняется общим законам фотохимии – изменения могут быть вызваны только поглощенными лучами. Следовательно, для эффективности облучения большое значение имеет проникающая способность лучей.

Свет. В природе микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию солнечной радиации. Свет необходим для жизни только фотосинтезирующих микробов, использующих световую энергию в процессе ассимиляции углекислого газа. Микроорганизмы, не способные к фотосинтезу, хорошо растут в темноте. Прямые солнечные лучи губительны для микроорганизмов; даже рассеянный свет подавляет в той или иной мере их рост. Однако развитие многих плесневых грибов в темноте протекает ненормально: при постоянном отсутствии света хорошо развивается только мицелий, а спорообразование тормозится.

Патогенные бактерии (за редким исключением) менее устойчивы к свету, чем сапрофитные.

Известно, что лучистая энергия переносится «порциями» – квантами. Действие кванта зависит от содержания в нем энергии. Количество энергии изменяется в зависимости от длины волны: чем она больше, тем меньше энергия кванта.

Инфракрасные лучи (ИК-лучи) обладают сравнительно большой длиной волны. Энергия этих излучений недостаточна, чтобы вызвать фотохимические изменения в поглощающих их веществах. В основном она превращается в тепло, что и оказывает губительное действие на микроорганизмы при использовании ИК-излучений для термической обработки продуктов.

Ультрафиолетовые лучи. Эти лучи являются наиболее активной частью солнечного спектра, обусловливающей его бактерицидное действие. Они обладают высокой энергией, доста-

точной для того, чтобы вызвать фотохимические изменения в поглощающих их молекулах субстрата и клетки.

Наибольшим бактерицидным действием обладают лучи с длиной волны 250–260 нм.

Эффективность воздействия УФ-лучей на микроорганизмы зависит от дозы облучения, т. е. от количества поглощенной энергии. Кроме того, имеет значение характер облучаемого субстрата: его рН, степень обсеменения микробами, а также температура.

Очень малые дозы облучения действуют даже стимулирующе на отдельные функции микроорганизмов. Более высокие,

но не приводящие к гибели дозы вызывают торможение отдельных процессов обмена, изменяют свойства микроорганизмов, вплоть до наследственных изменений. Это используется на практике для получения вариантов микроорганизмов с высокой способностью продуцировать антибиотики, ферменты и другие биологически активные вещества. Дальнейшее увеличение дозы' приводит к гибели. При ■ дозе ниже смертельной возможно восстановление (реактивация) нормальной жизнедеятельности.

Различные микроорганизмы неодинаково чувствительны к одной и той же дозе облучения (рис. 24, 25).

Среди бесспоровых бактерий особенно чувствительны к облучению пигментные бактерии, выделяющие пигмент в окру-

жающую среду. Пигментные бактерии, содержащие каротино-идные пигменты, чрезвычайно стойки, так как каротиноидные пигменты обладают защитными свойствами против УФ-лучей.

Споры бактерий значительно устойчивее к действию УФ-лучей, чем вегетативные клетки. Чтобы убить споры, требуется в 4–5 раз больше энергии (см. табл. 9). Споры грибов более выносливы, чем мицелий.

Гибель микроорганизмов может быть следствием как непосредственного воздействия УФ-лучей на клетки, так и неблагоприятного для них изменения облученного субстрата.

УФ-лучи инактивируют ферменты, они адсорбируются важнейшими веществами

клетки (белками, нуклеиновыми кислотами) и вызывают изменения – повреждение их молекул. В облучаемой среде могут образоваться вещества (перекись водорода, озон и др.), губительно действующие на микроорганизмы.

В настоящее время УФ-лучи довольно широко применяют на практике. Искусственным источником ультрафиолетового излучения чаще служат аргонно-ртутные лампы низкого давления, называемые бактерицидными (БУВ-15,

БУВ-30).

Ультрафиолетовыми лучами дезинфицируют воздух холодильных камер, лечебных и производственных помещений. Обработка УФ-лучами в течение 6 ч уничтожает до 80 % бактерий и плесеней, находящихся в воздухе. Такие лучи могут быть использованы для предотвращения инфекции извне при розливе, фасовке и упаковке пищевых продуктов, лечебных препаратов, а также для обеззараживания тары, упаковочных материалов, оборудования, посуды (в предприятиях общественного питания).

В последнее время бактерицидные свойства УФ-лучей успешно применяют для дезинфекции питьевой воды.

Стерилизация пищевых продуктов с помощью УФ-лучей затрудняется их низкой проникающей способностью, в связи с чем действие этих лучей проявляется только на поверхности или в очень тонком слое. Тем не менее известно, что облучение охлажденных мяса, мясопродуктов удлиняет срок их хранения в 2–3 раза.

Рис. 24. Отмирание бактерий под действием УФ-лучей (по данным автора):

а – Esch. coli; б – Pseud, fluorescens; в – Micrococcus candicans; г – Sarcina flava; д – Вас. subtilis; e – Вас. megatherium

Рис. 25. Выживаемость дрожжей

вина под влиянием различных доз

облучения УФ-лучами (по данным

Г. П. Авакяна):

а – Sacch. ludwigii; б – Sacch. vini; s –

Hans, apiculata; г – Torulopsis utilis; д –

Candida mycoderma

Предлагается применять УФ-лучи для стерилизации плодовых соков и вин (в тонком слое). При таком «холодном» способе стерилизации вино получается лучшего качества и сохраняется без порчи дольше, чем пастеризованное. Предлагается обработка совместно с ультразвуком (Г. П. Авакян).

Для некоторых продуктов (например, для сливочного масла, молока) стерилизация УФ-лучами неприемлема, так как в результате облучения ухудшаются вкусовые и пищевые свойства продуктов.

Радиоактивные излучения. Расщепление атомных ядер радиоактивных элементов сопровождается излучением α-лучей, β-лучей (высокоскоростные электроны) и γ-лучей (коротковолновые рентгеновские лучи). Энергия квантов радиоактивных излучений очень высока, в связи с чем они химически и биологически чрезвычайно активны, при этом γ-лучи менее активны, чем а- и β-лучи.

Характерной особенностью радиоактивных излучений является их способность вызывать ионизацию атомов и молекул (образуются положительно и отрицательно заряженные ионы), которая сопровождается разрушением молекулярных структур.

Микроорганизмы значительно радиоустойчивее, чем высшие организмы. Смертельная доза для них в сотни и тысячи раз выше, чем для животных.

Эффект действия ионизирующих излучений на микроорганизмы зависит от поглощенной дозы облучения. Очень малые дозы активизируют некоторые жизненные процессы микроорганизмов, воздействуя на их ферментные системы; они вызывают наследственные изменения свойств микробов, приводящие к появлению мутаций. С повышением дозы облучения обмен ' веществ нарушается значительнее, наблюдаются различные патологические изменения в клетках (лучевая болезнь), которые могут привести к их отмиранию. При дозе ниже смертельной может восстановиться нормальная жизнедеятельность облученных клеток.

Различные структуры и функции клетки обладают неодинаковой чувствительностью. Чувствительны к действию ионизирующих излучений многие ферментные системы, мембранные структуры, ядерный аппарат, особенно ДНК, что отражается при облучении на функции размножения.

Губительное действие радиоактивных излучений обусловлено многими факторами. Они вызывают радиолиз воды в клетках и в субстрате. При этом образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси. Эти вещества, обладая высокой химической активностью, вступают во взаимодействие с другими веществами – возникает большое количество химических реакций, не свойственных нормально живущей клетке. В результате наступают необратимые нарушения обмена веществ, разрушаются ферменты, изменяются внутриклеточные структуры.

Радиоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах.

Для вегетативных клеток бактерий губительная доза облучения у-лучами лежит в пределах от 10 тыс. до 300 тыс. рад¹, а для некоторых – даже 1 млн. рад (табл. 10). Чувствительны к облучению кишечная палочка, протей и сальмонеллы – возбудители пищевых отравлений, многие бактерии рода Pseudomonas – распространенные возбудители порчи мясных и рыбных продуктов. Микрококки отличаются повышенной устойчивостью. Особо радиоустойчивы споры бактерий; для их гибели необходима доза от 500 тыс. до 5 млн. рад. Если, например, вегетативные клетки Clostridium botulinum гибнут при дозе облучения 0,4 Мрад, то их споры – при 2,0–2,5 Мрад.

Смертельной дозой для большинства грибов и дрожжей являются дозы порядка сотен тысяч рад, но существуют виды более и менее радиоустойчивые.

Радиопоражаемость микроорганизмов одного и того же вида изменяется в зависимости от возраста клеток, состава среды, мощности дозы (дозы облучения в единицу времени).

В настоящее время расширяется использование ионизирующих излучений (в медицине, сельском хозяйстве, промышленности). Наиболее приемлемыми для обработки сельскохозяйственного сырья, пищевых продуктов оказались γ-лучи, обладающие наибольшей проникающей способностью и не вызы-

¹ Ρ а д – единица измерения дозы ионизирующих излучений; соответствует 100 эрг, поглощенным 1 г облучаемого объекта. Крад – килорад= 1000рад. Мрад– мегарад= 1 млн. рад.

вающие при облучении появления в продукте «наведенной» радиации.

Трудами многих отечественных и зарубежных исследователей научно обоснована возможность и эффективность облучения γ-излучениями некоторых скоропортящихся пищевых продуктов для удлинения сроков их хранения. Источником этих лучей являются радиоактивные изотопы, чаще Со⁶⁰.

В связи с высокой радиоустойчивостью бактериальных спор для стерилизации пищевых продуктов требуются большие дозы – около 4–5 Мрад. Однако такие дозы вызывают нежелательные изменения свойств многих продуктов: цвета, запаха, вкуса, растительные продукты размягчаются. Поэтому разработаны дозировки γ-излучений для частичного уничтожения микроорганизмов в продуктах. Такую обработку нестерилизую-щими дозами называют ρ а ду ρ и за цие й. Облучение дозами в пределах от 0,2 до 0,6 Мрад, не ухудшая качества продуктов, в сотни раз снижает их обсемененность микроорганизмами и значительно удлиняет срок хранения, особенно при сочетании с холодом (см. гл. 7, «Микробиология мяса и рыбы»).

На эффективность облучения большое влияние оказывает первоначальная обсемененность продукта микроорганизмами. Чем она больше, тем ниже действие принятой дозы ионизирующей радиации.

В радуризированных продуктах, как показали гигиенические исследования и эксперименты на животных, токсические для человека и канцерогенные вещества, видимо, не образуются.

Однако радуризация пищевых продуктов в нашей стране разрешается органами здравоохранения с большой осторож-' ностью. Для внедрения в практику пищевой промышленности любого нового способа обработки пищевого продукта требуется всестороннее доказательство безвредности обработанного продукта и отсутствия снижения его пищевой ценности и орга-нолептических свойств. Исследования в этой области продолжаются.

Радиоволны. Это электромагнитные волны, характеризующиеся относительно большой длиной – от миллиметров до километров и частотами от 3 -10⁴ до 3·10^η герц (Гц) '.

Прохождение коротких и ультрарадиоволн (с длиной от 10 м до миллиметров) через среду вызывает в ней возникнове-" ние переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Характер нагревания в поле ВЧ и СВЧ отличается от обычных способов нагрева и обладает рядом преимуществ. Объект

¹ Герц (Гц) = одно колебание в секунду. Килогерц (кГц)=1000 колебаний. Мегагерц (МГц) = 1 000 000 колебаний в секунду. Герц, килогерц и мегагерц – единицы частоты.

(продукт) нагревается быстро и равномерно но всей массе. Воду в стакане, например, можно довести до кипения в течение 2–3 с. Рыба (1 кг) варится в течение 2 мин, мясо (1 кг) – 2,5, курица – 6–8 мин.

Нагрев может происходить избирательно, т. е. различные компоненты облучаемого объекта в зависимости от их электрофизических свойств будут нагреваться в различной степени.

Гибель микроорганизмов в электромагнитном поле высокой интенсивности наступает в результате теплового эффекта, но полностью механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы не раскрыт. Некоторые исследователи считают, что существует специфическое воздействие электромагнитных волн. Установлено, что СВЧ-поля малой интенсивности, не вызывающей нагревания среды, оказывают влияние на некоторые физиологические и биохимические свойства микробных клеток. Приводятся данные по гибели некоторых бактерий и дрожжей в СВЧ-поле при 35–40 °С (А. И. Педенко и др.).

Благодаря специфическим особенностям этого способа нагревания перспективно применение его для пастеризации и стерилизации пищевых продуктов, в частности для плодово-ягодных консервов (компотов, джемов, фруктовых соков и пр.). По сравнению с обычной паровой стерилизацией в автоклавах плоды и ягоды благодаря значительному сокращению срока нагревания (1–3 мин) до температуры 90–100 °С гораздо лучше сохраняют свои первоначальные свойства (аромат, вкус, консистенцию, витаминность) при обеспечении достаточной стерильности.

В последние годы сверхвысокочастотная электромагнитная обработка пищевых продуктов все более применяется в пищевой промышленности и общественном питании (для варки, сушки, выпечки, разогревания, размораживания и др.).

По сравнению с традиционным способом тепловой обработки время нагревания СВЧ-энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз, в связи с чем полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства продукта, а эффект воздействия на его микрофлору практически одинаков. Остаточной микрофлоры не более, чем в продукте, обработанном при той же температуре традиционным способом: в составе ее преобладают спороносные бактерии и микрококки.

Для каждого вида продукта требуются оптимальные режимы СВЧ-нагрева, так как микрофлора по составу может быть значительно различной, а чувствительность разных микроорганизмов неодинакова.

Ультразвук

Ультразвуком называют механические колебания с частотами более 20 000 колебаний в секунду (20 кГц). Колебания такой частоты находятся за пределами слышимости человеком.

УЗ-волны могут распространяться в твердых, жидких и газообразных средах. Они обладают большой механической энергией и вызывают ряд физических, химических и биологических явлений. С помощью УЗ можно вызвать распад высокомолекулярных соединений, коагуляцию белков, инактивацию ферментов и токсинов, разрушать полностью или частично многоклеточные и одноклеточные организмы, в том числе микроорганизмы. Эффективность действия зависит от природы организмов, интенсивности УЗ-энергии¹ и частоты колебаний.

Губительно действует на микроорганизмы УЗ только определенной мощности, ниже которой даже длительное их действие не приводит к летальному (смертельному) эффекту. Происходят лишь те или иные морфологические и физиологические изменения свойств микроорганизмов. УЗ малой мощности ускоряют некоторые физиологические процессы, повышают ферментативную активность, вызывают механическое разделение скоплений клеток; сарцины и стрептококки распадаются при этом на отдельные жизнеспособные клетки. Бактерицидное действие ультразвука начинает проявляться при интенсивности 1,0– 0,5 Вт/см² и частоте колебаний порядка десятков килогерц.

Различные микроорганизмы обладают неодинаковой чувствительностью к воздействию ультразвука; штаммы даже одного вида проявляют разную устойчивость. Бактерии более чувствительны, чем дрожжи, при этом кокковидные формы более стойки, чем палочковидные. Споры бактерий значительно выносливее вегетативных клеток. Дикие дрожжи более рази-стентны, чем культурные (рис. 26).

Эффективность действия УЗ при одной и той же интенсивности и частоте колебаний зависит от продолжительности воздействия, химического состава облучаемой среды, ее вязкости,. рН, температуры. Имеет значение и число бактерий в объекте,

¹ Количество энергии, приходящееся на единицу площади за единицу времени.

Обрабатываемом УЗ: чем их больше, тем продолжительнее должно быть воздействие, чтобы получить стерилизующий эффект.

Природа бактерицидного действия ультразвука в полной мере еще не раскрыта. Основной причиной является, по-видимому, кавитационный¹ эффект. При распространении в жидкости УЗ-волн происходит быстро чередующееся разрежение и сжатие частиц жидкости. При разрежении в среде образуются мельчайшие полые пространства – «пузырьки», заполняющиеся парами окружающей жидкости и газами. При сжатии, в момент захлопывания кавитационных «пузырьков», возникает мощная гидравлическая ударная волна, вызывающая разрушительное действие.

Гибель микроорганизмов зависит, очевидно, не только от механического, но и от электрохимического действия УЗ-энергии. В водной среде происходит ионизация молекул воды и активация растворенного в ней кислорода. При этом образуются вещества, обладающие большой реакционной способностью, которые и обусловливают ряд химических процессов, неблагоприятно действующих на живые организмы.

Благодаря специфическим свойствам УЗ все более широко применяют в различных областях техники и технологии многих отраслей народного хозяйства. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), мойки и стерилизации стеклянной тары, трудно очищаемой обычными приемами.

ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Химический состав среды является одним из главных факторов развития микроорганизмов, так как должен удовлетворять потребность микробов в питательных и энергетических веществах. Кроме того, он определяет реакцию (рН) среды и ее окислительно-восстановительные условия. Среди химических веществ могут находиться такие, которые способны задерживать развитие микроорганизмов или даже вызывать их гибель.

V

Реакция среды (рН)

Реакция среды, т. е. степень ее щелочности или кислотности, оказывает большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Физиологически действующим началом в кислых и щелочных субстратах является концентрация гидроксильных и водородных ионов (Н+ и ОН~).

Под влиянием рН среды может изменяться активность ферментов, а в связи с этим биохимическая активность микробов

¹ «Кавитатис» в пер. с англ. означает полость, впадина.

4 Заказ № 1969 97

Рис. 26. Выживаемость (% к контролю)

микроорганизмов при различных частотах

воздействия ультразвука (по данным Г. П.

Авакяна):

a–Sacch. ludwigii; б –Acetobacter aceti; s –

Sacch. vini; г – Lactobacillus plantarum; д –

Torulopsis utilis; e – Candida mycoderma

и направленность осуществляемых ими биохимических превращений. Так, одни и те же дрожжи в кислой среде образуют из сахара большое количество этилового спирта и незначительное количество глицерина; в щелочной среде содержание глицерина резко увеличивается, а выход спирта снижается. Изменение ре-, акции среды может влиять на электрический заряд поверхности клетки, в связи с чем изменяется проницаемость клетки для отдельных ионов. При колебаниях рН среды может изменяться степень диссоциации веществ в среде, что в свою очередь отразится на обмене веществ клетки.

Жизнедеятельность каждого вида микроорганизмов возможна при прочих благоприятных условиях, лишь в более или менее определенных границах рН среды, выше и ниже которых она угнетается. Для большинства плесневых грибов и дрожжей наиболее благоприятна слабокислая среда с рН 5–6. Большинство бактерий лучше растет в зоне рН 6,8–7,3, т. е. в нейтральной или слабощелочной среде. За небольшим исключением, они не развиваются при рН ниже 4,0 и выше 9,0, но многие длительно сохраняются живыми. Плесени могут развиваться в более широком диапазоне – при рН от 1,2 до 11,0. Споры грибов прорастают в более узком интервале рН по сравнению с развитием мицелия. Для отдельных представителей бактерий и грибов эти пределы могут быть значительно более узкими.

Для бактерий кислая среда губительнее щелочной. Вегетативные клетки обычно менее устойчивы, чем споры. Особенно неблагоприятна кислая среда для гнилостных бактерий и бактерий, вызывающих пищевые отравления. Бактерии, которые в процессе жизнедеятельности образуют кислоту, более выносливы к снижению рН. Одни микроорганизмы, например молочнокислые бактерий, при накоплении в среде известного количества кислоты постепенно погибают. Другие способны регулировать реакцию среды, образуя в таких условиях соответствующие вещества, которые либо подкисляют, либо подщелачивают среду, препятствуя сдвигу рН в сторону, неблагоприятную для их развития. Например, дрожжи в благоприятной для них кислой среде вырабатывают главным образом нейтральный продукт – этиловый спирт. В нейтральной среде они образуют уксусную кислоту, которая снижает рН среды до благоприятного для них значения, а затем дрожжи начинают вырабатывать этиловый спирт. Некоторые плесневые грибы при росте на белковых средах образуют щавелевую кислоту или другие кислоты, которые препятствуют повышению щелочности субстрата.

В табл. 11 приведены литературные данные, характеризующие отношение некоторых микроорганизмов к рН среды. Указанные предельные значения рН могут значительно колебаться в зависимости от других условий среды и физиологических особенностей микроорганизмов. В кислой среде усиливается действие других неблагоприятных факторов.

Губительное действие на микроорганизмы некоторых органических кислот (например, уксусной, бензойной, масляной) может быть обусловлено не только неблагоприятной концентрацией водородных ионов, но и токсичностью недиссоциирован-ных молекул кислот. Установлено, например, что уксусная кислота в количестве 0,5–2 % оказывает бактерицидное действие.

Молочнокислый стрептококк прекращает размножаться в субстрате, содержащем молочную кислоту, при рН 4,7–4,4, а в присутствии уксусной – при рН 5,1–4,8.

Неодинаковое отношение микроорганизмов к реакции среды является одной из причин наблюдаемой в природных условиях смены одних форм микроорганизмов другими. Зная отношение различных микроорганизмов к реакции среды и регулируя рН, можно подавлять или стимулировать их развитие, что имеет большое практическое значение.

Так, неблагоприятное действие кислой среды на гнилостные бактерии положено в основу хранения некоторых пищевых продуктов в маринованном и квашеном виде. В первом случае к продукту добавляют небольшое количество уксусной кислоты, во втором – дают возможность развиваться молочнокислым

бактериям, которые образуют кислоту, и этим препятствуют развитию гнилостных бактерий. Однако квашеные продукты и маринады не отличаются большой стойкостью при хранении, так как органические кислоты (молочная, уксусная) могут быть использованы многими плесенями и дрожжами. В результате этого кислотность среды быстро падает и снова создаются условия, благоприятные для развития гнилостных бактерий. Чтобы задержать рост микробов – потребителей кислот, маринованные и квашеные продукты следует пастеризовать и хранить при пониженных температурах.