Лекція 5. Вплив фізичних факторів зовнішнього середовища на мікроорганізми

План лекції

1. Вплив температури на мікроорганізми.

2. Вологість середовища.

3. Концентрація розчинених у середовищі речовин. Механізм впливу на мікроорганізми.

4. Променева енергія та ультразвук.

На початковій стадії (ділянка кривої а) - фазі затримки росту (лагфаза) - бактерії, потрапивши до нового середовища, певний час не розмножуються, ніби пристосовуючись до нього. Клітини збільшуються в розмірі, зростає вміст білка та РНК. По мірі пристосування бактерії починають розмножуватись із постійно зростаючою швидкістю. Надалі розмноження відбувається із максимальною та характерною для кожного виду та середовища, швидкістю. Цей період (ділянка кривої б) називається логарифмічною або експонен-ціальною фазою росту. Більшість клітин молоді, активні, у середовищі накопичується велика кількість продуктів їх життєдіяльності. Показником швидкості розмноження бактерій у цій стадії розвитку є тривалість генерації, тобто час, протягом якого кількість клітин подвоюється. Час генерації є величиною, характерною для даного виду та конкретних умов. До кінця логарифмічної фази кількість клітин досягає максимуму і наступає максимальна стаціонарна фаза розвитку (ділянка кривої в), коли протягом певного періоду часу кількість живих клітин залишається постійною. Кількість клітин, що утворились, відповідає приблизній кількості відмерлих. Наступна фаза розвитку - фаза відмирання (ділянка кривої г), коли все більша кількість клітин втрачає життєздатність та гине. Це наступає внаслідок виснаження поживного середовища, накопичення у ньому продуктів метаболізму бактерій. Тривалість окремих фаз розвитку може значно змінюватися в залежності від виду бактерій та умов їх росту. Вивчення впливу умов середовища на мікроорганізми дає можливість виявити умови, які обмежують або виключають ріст збудників псування та отруєнь, що розвиваються на продуктах харчування. Регулюючи умови існування, можна керувати розвитком, пригнічувати або, навпаки, інтенсифікувати біохімічну діяльність мікроорганізму. Фактори або умови зовнішнього середовища, які впливають на розвиток мікробів, можна поділити на 4 основні групи: фізико-хімічні, фізичні, хімічні та біологічні.

Вологість середовища. Вологість середовища також значно впливає на розвиток мікроорганізмів. У клітинах більшості мікроорганізмів утримується до 75-80% води; з водою надходять поживні речовини у клітину та виводяться продукти життєдіяльності. Мікроорганізми можуть розвиватись тільки у субстратах, які мають вміст вільної води не нижче певного рівня. Із зниженням вологості субстрату (у межах, які допускають розвиток мікробів) інтенсивність розмноження мікробів падає, а при видаленні із субстрату вологи нижче необхідного рівня припиняється зовсім (табл. 1). Потреба у волозі у різних мікроорганізмів коливається у широких межах. За величиною мінімальної потреби у воді розрізняють такі мікроорганізми: гідрофіти - вологолюбиві, мезофіти - средньовологолюбиві та ксерофіти - сухолюбиві. Більшість бактерій гідрофіти. Багато цвілевих грибів і дріжджів - мезофіти, але є гідрофіти та ксерофіти.

Таблиця 1

Вплив вологості субстрату на інтенсивність розвитку бактерій

Для розвитку мікроорганізмів має значення не абсолютна величина, а доступність води, що міститься в субстраті, яку зараз прийнято називати "водна активність", або a_w. Водна активність показує відношення тиску водяних парів розчину (субстрату) Р и чистого розчинника (води) Р₀ при одній і тій же температурі: a_w=Р/Р₀. Водна активність виражається величинами від 0 до 1 і характеризує відносну вологість субстрату. Ріст мікроорганізмів спостерігається при значеннях a_w від близьких до 1,0 і приблизно до 0,65 - 0,61. Оптимальне значення a_w - 0,99 - 0,98; приблизно у цих межах перебуває a_w швидкопсувних харчових продуктів (м'яса, риби, плодів). Більшість бактерій не розвивається при a_w субстрату нижче 0,94 - 0,90. Для дріжджів гранична величина a_w - 0,88 - 0,85, а для плісняви - 0,8. Однак деякі дріжджі й пліснява (переважно види роду Aspergillus) ростуть при a_w субстрату 0,75 - 0,62.

Таким чином, водна активність харчових продуктів впливає на їх стійкість при зберіганні. Продукти, у яких a_w менше 0,7, можуть довгостроково зберігатись без мікробного псування. Сьогодні, з точки зору збільшення строків зберігання швидкопсувних продуктів, перспективним є напрямок штучного зниження у продуктах водної активності, тобто створення продуктів з "проміжною вологістю". Зниження a_w може бути досягнуте додаванням у продукт речовин здатних зв'язувати воду, які в малих кількостях не виявляють побічного впливу на якість продукту. Експерименти показали, що обробка поверхні охолодженої яловичини 1 %-вим розчином NaCl або його сумішшю з 1 %-вим розчином гліцерину знижує a_w яловичини з 0,997 до 0,918, тобто до рівня a_w, що значно гальмує розвиток бактерій, що є основними збудниками псування охолодженого м'яса. Строк зберігання яловичини при 2 ^оС збільшувався на кілька днів.

Здавна застосовується зберігання різних харчових продуктів у сухому виді. Сухі продукти також містять значну кількість різних мікроорганізмів, серед яких можуть бути й патогенні форми. Наприклад, брюшнотифозні бактерії, багато стафілококів і мікрококи, молочнокислі бактерії можуть зберігатися в сухому виді тижнями та місяцями, а оцтовокислі бактерії відмирають швидко. Особливо стійкими до висушування є багато видів дріжджів, спори бактерій та пліснявих грибів. У висушеному стані спори зберігають здатність до проростання протягом десятків років. Зволоження сухих продуктів у період зберігання вище відомої межі спричиняє їх псування внаслідок розвитку мікроорганізмів, які постійно знаходилися на цих продуктах. Для збереження сухих продуктів без псування великого значення набувають відносна вологість і температура повітря при зберіганні. Сухі продукти, у зв'язку з їх гігроскопічністю можуть віддавати або поглинати вологу. Між вологістю повітря й вологістю продукту повинна встановлюватися певна рівновага. При одній і тій самій відносній вологості повітря різні продукти можуть мати різну рівноважну вологість, тобто вологість, що встановилась при даній відносній вологості повітря. Так, сушені овочі, які зберігались при відносній вологості повітря 75 % і на яких при цьому спостерігався розвиток плісняви, мали вологість: картопля - 10 %, буряк – 14%, цибуля – 21%, морква - 26 %. Вміст вологи у продуктах, при 70 % відносній вологості повітря, є нижньою критичною межею, до якої можливий ріст мікроорганізмів. Більшість бактерій здатна розвиватися у субстратах лише при їх вологості, рівноважній відносній вологості повітря 90-95 %. Для дріжджів мінімум вологи у субстраті відповідає 90 - 85 % відносній вологості повітря, для більшості плісняв - 80, а для деяких ксерофітних видів межею є відносна вологість повітря 75-65 %. Таким чином, можливість розвитку мікроорганізмів у продуктах у зв'язку з їхньою вологістю можна враховувати як за величиною водної активності (a_w) продукту, так і за відносною вологістю повітря. Значення a_w, помножене на 100, буде відповідати відносній вологості повітря, вираженої у відсотках, коли система продукт - повітря перебуває в рівновазі. Величина відносної вологості повітря при однаковому вмісті вологи змінюється залежно від температури: зі зниженням температури повітря зменшується його волого утримуюча здатність, і навпаки. Тому при зниженні температури в процесі зберігання продуктів наявна кількість водяних парів у повітрі може виявитися надлишковою, тобто вище межі його насичення. Зайві водяні пари будуть осідати у вигляді крапель на поверхні продукту, що сприяє швидкому розвитку мікроорганізмів, які перебувають на ньому. При зберіганні й перевезеннях висушених продуктів необхідно вживати заходи для попередження зміни їх вологості. Це забезпечується дотриманням установлених режимів зберігання, а також упаковуванням продуктів у спеціальну пару, яка оберігає їх.

Сублімаційне сушіння продуктів (висушування у вакуумі із замороженого стану) сприяє значно кращому збереженню їх якості (вітамінів, смакових і харчових показників). Однак мікроорганізми добре переносять таке висушування і навіть після багаторічного перебування у цьому стані зберігають життєздатність. Тому до продуктів, що зазнають сублімаційного висушування, слід висувати суворі санітарно-гігієнічні вимоги.

Концентрація розчинених речовин у середовищі. У природі мікроорганізми зустрічаються в субстратах з різноманітним вмістом розчинених речовин, а отже, і з різним осмотичним тиском. Відповідно до середовища існування внутрішньоклітинний осмотичний тиск у різних мікроорганізмів коливається у широких межах. У одних, наприклад у багатьох збудників псування харчових продуктів, він становить 5 - 15 атм, в інших - значно більше. Величина осмотичного тиску клітинного соку деяких плісняв із роду Aspergillus досягає 200 атм, у ґрунтових бактерій - 50 - 80 атм. Навіть у представників одного виду, які живуть у різних умовах, внутрішньоклітинний осмотичний тиск може значно коливатися. Нормальний розвиток мікроорганізму відбувається лише при певній концентрації розчинених у субстраті речовин. Звичайно внутрішньоклітинний осмотичний тиск трохи вищий, ніж у поживному субстраті. Багато мікроорганізмів досить чутливі навіть до невеликого підвищення концентрації середовища. Якщо вона і не перевищує внутрішньоклітинного осмотичного тиску, то несприятливим може виявитися зниження водної активності середовища. У той же час при перенесенні мікроорганізму до субстрату із дуже малим вмістом речовин (наприклад, у дистильовану воду) цитоплазма швидко переповняється водою, відбувається розрив клітинної стінки (плазмоптис) і клітина гине. Підвищення концентрації середовища вище певної межі викликає зневоднювання (плазмоліз) клітин, при цьому надходження до них поживних речовин призупиняється. У такому стані одні мікроорганізми можуть довгостроково зберігатися, не втрачаючи життєздатності, інші ж швидко гинуть. Високі концентрації NaCl не тільки викликають плазмоліз клітин, але і негативно впливають на їх біохімічну діяльність (пригнічуються процес дихання, протеолітична активність та ін.), а також порушують функції клітинних мембран. Більшість бактерій не дуже чутливі до концентрації повареної солі в межах 0,5 - 2 %, але 3 % її в середовищі уже негативно впливає на більшість мікроорганізмів. Розмноження багатьох гнилісних бактерій пригнічується при концентрації повареної солі близько 3 - 4 %, а при 7 - 10 % воно припиняється. Паличкоподібні гнилісні бактерії менш стійкі, ніж коки. Розвиток деяких збудників харчових отруєнь (ботулінусу, сальмонел) призупиняється при 6 - 10 % солі, однак навіть при 20 % більшість із них довго зберігаються життєздатними, перебуваючи в інактивуючому стані.

Поряд з мікробами, які чутливі до зміни осмотичного тиску в середовищі, є види, які пристосовуються. Деякі плісняви, дріжджі, а також бактерії, що живуть зазвичай в умовах невисокого осмотичного тиску, ростуть і на продуктах із відносно високим вмістом солі або цукру, їх називають осмотолерантними. Існують і такі мікроорганізми, які нормально розвиваються тільки у субстратах із високим осмотичним тиском, їх називають осмофільними. Осмофільні мікроорганізми, що нормально розвиваються при високих концентраціях повареної солі (20 % і вище), прийнято називати галофільними (солелюбивими). Їх розмноження призупиняється при зниженні NaCl навіть до 13 - 10 %. У табл. 2 наведені літературні дані, які характеризують стійкість деяких мікроорганізмів до повареної солі. Концентрація солі, необхідна для припинення розвитку мікроорганізмів, змінюється і від інших умов середовища, зокрема від його реакції (рН). Розвиток дріжджів у солоних продуктах пригнічується у кислому середовищі при вмісті 14 % солі, у нейтральному - тільки при 20 %.

Таблиця 2

Вплив солі на ріст мікроорганізмів

Для підвищення стійкості проти мікробного псування при зберіганні та переробці різних продуктів широко використовують поварену сіль та цукор. Консервуюча дія визначається за рахунок зміни осмотичного тиску та a_w продукту. Однак багато мікроорганізмів, які перебувають у продуктах, не гинуть, а тільки припиняють життєдіяльність. Тому до сировини, що переробляється, повинні висуватися суворі санітарно-гігієнічні вимоги.

Псування солених товарів (риби, бекону й ін.) під впливом галофільних і солестійких мікроорганізмів - явище не поодиноке. Прикладом може бути почервоніння сильносолоної риби - дефект, що називають фуксином. Він викликається безспоровою бактерією Halobacterium salinarium, яка характеризується наявністю червоного пігменту. Ця галофільна бактерія заноситься у продукт із сіллю. Солоні товари слід зберігати при низьких температурах, щоб затримати розвиток мікроорганізмів.

Відомі різні види псування (пліснявіння, збражування) меду, варення, джему, фруктових сиропів і інших цукоровмісних продуктів за рахунок осмофільних плісняв і дріжджів. Псування багатьох із цих продуктів, що пройшли теплову обробку, викликають осмофільні теплостійкі (витримують пастеризацію продуктів) дріжджі; псування може з'явитись і як результат вторинного інфікування продуктів мікробами ззовні. Щоб цього уникнути слід проводити розлив продукту у стерильну тару, у гарячому стані, герметично закривати та зберігати при зниженій температурі.

Температура середовища. Температура середовища - один із основних факторів, який визначає можливість та інтенсивність розвитку мікроорганізмів. Кожен мікроорганізм може розвиватися лише у певних межах температури. Для одних ці межі досить вузькі, для інших - відносно широкі та обчислюються десятками градусів. Для кожного організму розрізняють три кардинальні точки: мінімум - температура, нижче якої не відбувається ріст мікроорганізмів, максимум - температура, вище якої ріст не відбувається; оптимум - найкраща температура для росту мікроорганізмів. Кардинальні температурні точки для розмноження деяких мікроорганізмів наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Кардинальні температурні точки розмноження деяких мікроорганізмів

Продовження табл. 3

Стосовно температури мікроорганізми підрозділяють на три групи: психрофіли, мезофіли та термофіли. Психрофіли, або холодолюбиві мікроорганізми, добре ростуть при відносно низьких температурах. Для них характерні: мінімум у межах від - 10 до 0 ^оС, оптимум 10 - 15 ^оС і максимум близько 30 ^оС. До них відносять, наприклад, організми, що живуть у ґрунті полярних країн, у північних морях, океанах, на охолоджених і заморожених продуктах. Термофіли, або теплолюбиві мікроорганізми, краще розвиваються при відносно високих температурах. Температурний мінімум для них не нижче 30 ^оС, оптимум 55 - 65 ^оС, максимум близько 70 - 80 ^оС, а для деяких і більше. З гарячих водних джерел Камчатки виділена паличкоподібна неспороносна бактерія з температурним оптимумом 70 - 80 ^оС, яка залишалася життєздатною навіть при температурі води 90 ^оС. Термофіли зустрічаються, наприклад, у гарячих водних джерелах, у органічних залишках, здатних до самозігрівання. Живуть вони в поверхневих шарах ґрунту, у кишечнику людини та тварин. Зустрічаються в продуктах, що пройшли теплову обробку. Мезофіли - мікроорганізми, для яких температурний мінімум близько 5 - 10 ^оС, оптимум 25 - 35 ^оС, максимум у межах 45 - 50 ^оС. Одні мезофіли є термостійкими, тобто здатними розвиватися при відносно високих температурах (50 - 60 ^оС), а інші - холодостійкими, або психротрофними, тому що можуть розвиватися при температурах, близьких до 0 ^оС і навіть трохи нижче. Більшість бактерій, грибів та дріжджів, у тому числі багато збудників захворювань і отруєнь людини, відносять до мезофільних організмів.

Серед термофілів і психрофілів переважають бактерії. Оптимальні та граничні температури для мікроорганізмів зазвичай відповідають оптимальним та граничним температурам активності їх ферментів. Установлено, що у холодостійких мікроорганізмів ферменти, зокрема ферменти енергетичного обміну, термочутливі. У них виявлені ферменти із температурним оптимумом близько 10^оС. Ферменти термофілів термостабільні, найбільш активні при 50 - 60 ^оС, деякі довгостроково не інактивуються при 80-90 ^оС. У порівнянні з мезофілами у термофілів більш термостабільні білки клітин, а в цитоплазматичній мембрані більше ліпідів і трохи інший їх склад. Кардинальні температурні точки, що визначають розмноження мікробів і інші процеси (спороутворення, бродіння й ін.), для одних і тих самих організмів можуть бути різними, в залежності від умов розвитку.

Відношення мікроорганізмів до високих температур. Підвищення температури середовища у порівнянні з оптимальною позначається на мікроорганізмах більш негативно, ніж її зниження. Відношення мікроорганізмів до температур, які перевищують максимальну для їхнього розвитку, характеризує їх термостійкість. У різних мікроорганізмів вона дуже різна. Загибель наступає не миттєво, а з часом. Температури, які не на багато перевищують максимальну, викликають явище "теплового шоку". При нетривалому перебуванні в такому стані клітини можуть реактивуватись, при тривалому - наступає їх відмирання. Більшість безспорових бактерій відмирають при нагріванні у вологому стані до 60 - 70 ^оС протягом 15 - 30 хв, а при нагріванні до 80 - 100 ^оС - від декількох секунд до 1 - 2 хв. Дріжджі та пліснява гинуть також досить швидко при температурі 50 - 60 ^оС. Виключення становлять деякі осмофільні дріжджі, які витримують нагрівання до 100 ^оС протягом декількох хвилин. Найбільш термостійкими є бактеріальні спори. Вони здатні витримувати температуру кипіння води протягом декількох годин. У вологому середовищі спори бактерій гинуть при 120 - 130 ^оС через 20 - 30 хв, у сухому стані - при 160 - 170 ^оС через 1 - 2 год. Термостійкість спор різних бактерій неоднакова; особливо стійкі спори термофільних бактерій (табл. 4).

Таблиця 4

Термостійкість спор різних видів бактерій

Із підвищенням температури її згубна дія швидко зростає. За даним Есті та Мейера, спори Clostridium botulinum відмирали при 105 ^оС - через 100 хв., при 110 ^оС - через 32 хв., при 115 ^оС - через 10 хв., при 120 ^оС - через 4 хв. Спори більшості дріжджів і плісняв у порівнянні із спорами бактерій менш стійкі до нагрівання й гинуть досить швидко при 65 - 80 ^оС, дуже рідко витримують нагрівання до 100 ^оС. Однак не всі клітини або спори навіть одного виду мікроорганізмів відмирають одночасно, серед них зустрічаються і стійкі. Термостійкість одних і тих самих мікроорганізмів може змінюватись залежно від властивостей середовища (рН, концентрації й ін.), у якому проводиться нагрівання. Відмирання мікроорганізмів при нагріванні у вологому середовищі наступає внаслідок того, що відбуваються незворотні зміни у клітині. Головними із яких є денатурація білків та нуклеїнових кислот клітини, а також інактивація ферментів. Можливе ушкодження цитоплазматичної мембрани. Висока термостійкість бактеріальних спор обумовлена, очевидно, малим вмістом вільної води, а також стійкість спор до високих температур пов'язана із вмістом дипіколінової кислоти (піридин-2,6-дикарбонова кислота) та кальцію. Ця кислота у вигляді кальцієвої солі виявляється тільки в термостіких спорах. Під час впливу на клітини сухого жару (без вологи) загибель відбувається у результаті активних окисних процесів. На згубній дії високих температур засновано багато методів знищення мікробів у харчових продуктах та інших об'єктах, наприклад кип'ятіння, варіння, обжарювання, бланшування продуктів харчування, пропарювання виробничого устаткування. У харчовій промисловості широко застосовують два методи впливу високих температур на мікроорганізми: пастеризацію й стерилізацію.

Пастеризація - це нагрівання продукту при температурі 63-80 ^оС протягом 20 - 40 хв. Іноді пастеризацію роблять короткочасним (протягом декількох секунд) нагріванням до 90 - 100 ^оС. При пастеризації гинуть не всі мікроорганізми. Деякі термостійкі бактерії, а також спори багатьох бактерій залишаються живими. У зв'язку із цим пастеризовані продукти слід негайно охолоджувати до температури не вище 10 ^оС і зберігати на холоді, щоб затримати проростання спор і розвиток збережених клітин. Пастеризують молоко, вино, пиво, ікру, фруктові соки та деякі інші продукти.

Стерилізація - це нагрівання при температурах, які протягом певного часу викликають загибель усіх вегетативних клітин мікроорганізмів та їх спор. Стерилізації піддають різні банкові консерви, багато предметів і матеріалів, які використовують у медичній та мікробіологічній практиці. Процес проводиться при температурах 112 - 125 ^оС протягом 20 - 60 хв у спеціальних приладах - автоклавах (перегрітою парою під тиском) або при 160 - 180 ^оС протягом 1 - 2 год у сушильних шафах (сухим гарячим повітрям).

Численними дослідженнями з вивчення кінетики відмирання клітин під час нагрівання (як і при впливі багатьох інших згубно діючих факторів) установлено, що відмирання в часі відбувається із певною закономірністю. Якщо побудувати графік у напівлогарифмічній системі координат, то "крива по виживаємості" буде прямою лінією. Така пряма лінія показує, що при постійній температурі у кожен наступний рівний інтервал часу відмирає однакова частка (%) клітин (спор) стосовно числа, що вижили.

Таким чином, відмирання клітин має логарифмічний порядок. Ефективність стерилізації залежить від кількості мікроорганізмів, що перебувають на об'єкті, який підлягає стерилізації (табл. 5).

Таблиця 5

Ефективність стерилізації, залежно від кількості мікроорганізмів

Логарифмічна залежність виявляється лише в період відмирання основної маси клітин. Завжди є клітини більш термостійкі, ніж переважна більшість. Тому їх відмирання не підпорядковується логарифмічній залежності, вони довгостроково зберігаються життєздатними.

Відношення мікроорганізмів до низьких температур. Вище згадувалося, що холодостійкість різних мікроорганізмів змінюється у широких межах. При температурі середовища нижчій за оптимальну зменшується швидкість розмноження мікроорганізмів та інтенсивність їх життєвих процесів. При температурах, близьких до мінімальних, значення набуває зниження навіть на 1 - 2 ^оС. У табл. 6 та 7 показано вплив низьких температур на швидкість розвитку деяких бактерій та плісняв - збудників псування продуктів. Більшість мікроорганізмів не здатна розвиватись при температурі нижчій за нуль. Так, багато гнилісних бактерій та бактерії, що викликають харчові отруєння, є мезофілами і не розмножуються при температурі нижче 4 - 5 ^оС; температурний

Таблиця 6

Вплив низьких температур на швидкість розвитку бактерій

Таблиця 7

Вплив низьких температур на швидкість розвитку грибів

мінімум багатьох грибів також лежить у межах від 3 до 5 ^оС. Деякі мікроорганізми не ростуть уже при 10 ^оС, наприклад хвороботворні бактерії. Незважаючи на те, що при зазначених температурах мікроби не розмножуються й активна життєдіяльність їх призупиняється, більшість дуже довгий час залишається життєздатною, переходячи в анабіотичний стан, тобто стан "прихованого життя". При підвищенні температури вони знову повертаються до активного життя. Відомо, що багато мікроорганізмів легко переносять навіть дуже суворі зимові умови, а деякі - тимчасово витримують і більш низькі температури. Кишкова й брюшнотифозна палички протягом декількох днів не гинуть при температурах від -172 до -190 ^оС. Спори бактерій зберігають здатність до проростання навіть після 10-годинного перебування при -252 ^оС (температура рідкого водню). Деякі плісняви та дріжджі зберігають життєздатність після впливу температури -190 ^оС (температура рідкого повітря) протягом декількох днів, а спори плісняв - протягом декількох місяців. У трупах мамонтів, що пролежали десятки тисяч років у мерзлому ґрунті, виявлені життєздатні бактерії та їх спори. Звичайно, не всі мікроорганізми здатні довгостроково зберігати свою життєздатність при температурах нижчих за мінімальні для їхнього розвитку. Багато бактерій, за таких умовах, гинуть. Однак відмирання відбувається значно повільніше, ніж під дією високих температур. Причиною загибелі клітин у субстратах при температурах вищих за їх кріоскопічну точку (температури замерзання) є головним чином порушення обміну речовин клітин. Інактивуються ферменти, у зв'язку із чим знижуються швидкості внутрішньоклітинних хімічних реакцій. Найбільш негативно впливають температури, при яких наступає замерзання середовища. При неповному замерзанні (крім зазначених вище причин) відмирання мікроорганізмів може бути викликане несприятливою дією низької водної активності а_w та підвищеного осмотичного тиску середовища, ушкодженням клітин кристалами льоду, підвищенням концентрації солей у клітині за рахунок її зневоднювання. У такому стані порушується структура цитоплазми (змінюються її в'язкість, дисперсність білково-ліпоїдних частин і ін.), порушується вибіркова напівпроникність клітинних мембран. Згодом усе це призводить до незворотніх явищ у клітині і її загибелі.

Низькі температури застосовують для збереження швидкопсувних продуктів. Застосовують два способи холодильного зберігання: в охолодженому стані - при температурі від 10 до -2 ^оС та у замороженому - при температурі від -12 до -30 ^оС. Зберігання харчових продуктів у охолодженому стані набагато краще позначається на їх якості та натуральних властивостях. Однак ріст на них багатьох мікроорганізмів не припиняється, а лише уповільнюється, тому строки зберігання охолоджених продуктів нетривалі і залежать від температури зберігання та ступеню обнасінення продукту психротрофними мікроорганізмами. Чим він більший, тим менший строк зберігання продуктів.

Для подовження строків зберігання продуктів застосовують додаткові заходи впливу на мікроорганізми, наприклад опромінення ультрафіолетовими та гамма-променями, озонування, підвищення вмісту в атмосфері СО₂, створення анаеробних умов, що перешкоджають розвитку холодостійких аеробів - збудників псування продуктів і ін.

При зберіганні продуктів у охолодженому стані велике значення має відносна вологість повітря у приміщенні. При її збільшенні мікроорганізми розвиваються швидше. На стінах, стелях та інших поверхнях холодильних камер постійно перебуває деяка кількість різноманітних мікроорганізмів. У холодильник вони попадають разом із продуктами, тарою, заносяться із охолодженим повітрям, а також людьми. Перебуваючи у холодильнику тривалий час, мікроби пристосовуються до даних умов існування та набувають здатності розвиватись при більш низьких температурах. Тому холодильні камери необхідно тримати у чистоті, регулярно дезінфікувати та підтримувати необхідний режим температури і вологості.

При заморожуванні продукту значна частина мікроорганізмів, які перебувають у ньому, відмирає. При наступному зберіганні замороженого продукту мікроби, які вижили, відмирають уже повільніше. Заморожування не виявляє стерилізуючої дії. У заморожених продуктах завжди є живі життєздатні мікроорганізми. Під час розморожування продуктів, особливо при витіканні з них соку, мікроорганізми знову розмножуються і викликають їх псування. Тому розморожувати заморожені харчові продукти слід безпосередньо перед вживанням.

Променева енергія. Вплив на мікроорганізми різних форм променевої енергії проявляється по-різному. У основі дії лежать хімічні або фізичні зміни, які відбуваються у клітинах мікроорганізмів та у навколишньому середовищі. Вплив променевої енергії підпорядковується загальним законам фотохімії - зміни можуть бути викликані тільки поглиненими променями. Отже, для ефективності опромінення велике значення має проникна здатність променів.

Світло. У природі мікроорганізми постійно зазнають впливу сонячної радіації. Світло необхідне для життя тільки фотосинтезуючих мікробів, що використовують світлову енергію в процесі асиміляції вуглекислого газу. Мікроорганізми, які не здатні до фотосинтезу, добре ростуть у темряві. Прямі сонячні промені згубні для мікроорганізмів; навіть розсіяне світло пригнічує їх ріст. Однак розвиток багатьох цвілевих грибів у темряві проходить ненормально; при постійній відсутності світла добре розвивається тільки міцелій, а спороутворення гальмується. Патогенні бактерії (за рідкісним винятком) менш стійкі до світла, ніж сапрофітні. Відомо, що променева енергія переноситься "порціями" - квантами. Дія кванта залежить від вмісту у ньому енергії. Кількість енергії змінюється залежно від довжини хвилі: чим вона більша, тим менша енергія кванта. Інфрачервоні промені (ІЧ-промені) мають порівняно велику довжину хвилі. Енергія цих випромінювань недостатня, щоб викликати фотохімічні зміни у речовинах, які їх поглинають. В основному вона перетворюється в тепло, що і виявляє згубну дію на мікроорганізми при використанні ІЧ-випромінювань для термічної обробки продуктів.

Ультрафіолетові промені. Ці промені є найбільш активною частиною сонячного спектра, яка обумовлює його бактерицидну дію. Вони мають високу енергію, достатню для того, щоб викликати фотохімічні зміни у молекулах субстрату або клітини. Найбільшою бактерицидною дією характеризуються промені із довжиною хвилі 250 - 260 нм. Ефективність впливу УФ-променів на мікроорганізми залежить від дози опромінення. Крім того, велике значення має характер субстрату, що опромінюється: його рН, ступінь обнасінення мікробами, а також температура. Дуже малі дози опромінення навіть стимулюють окремі функції мікроорганізмів. Більш високі, викликають гальмування окремих процесів обміну, змінюють властивості мікроорганізмів, навіть до спадкових змін. Це явище використовують на практиці для одержання варіантів мікроорганізмів із високою здатністю продукувати антибіотики, ферменти та інші біологічно активні речовини. Подальше збільшення дози випромінювання призводить до загибелі. При дозі нижче смертельної можливе відновлення (реактивація) нормальної життєдіяльності. Різні мікроорганізми неоднаково чутливі до однієї і тієї ж дози опромінення. Серед безспорових бактерій особливо чутливими до опромінення є пігментні бактерії, які виділяють пігмент у навколишнє середовище. Пігментні бактерії, що містять каротиноїдні пігменти, надзвичайно стійкі, тому що каротиноїдні пігменти мають захисні властивості проти УФ-променів. Спори бактерій значно стійкіші до дії УФ-променів, ніж вегетативні клітини. Щоб знищити спори, потрібно в 4 - 5 разів більше енергії (табл. 8).

Таблиця 8

Вплив ультрафіолетового опромінення на життєдіяльність мікроорганізмів

Спори грибів більш стійкі, ніж міцелій. Зараз УФ-промені широко застосовують на практиці. Штучним джерелом ультрафіолетового випромінювання служать аргонно-ртутні лампи низького тиску, які називають бактерицидними (БУВ -15, БУВ-30). Ультрафіолетовими променями дезінфікують повітря холодильних камер, лікувальних і виробничих приміщень. Обробка УФ-променями протягом 6 год. знищує до 80 % бактерій і плісняви, які перебувають у повітрі. Такі промені можуть бути використані для запобігання інфекції ззовні при розливі, фасовці та пакуванні харчових продуктів, лікувальних препаратів, а також для знезаражування тари, пакувальних матеріалів, устаткування, посуду (у підприємствах громадського харчування). Останнім часом бактерицидні властивості УФ-променів успішно застосовують для дезінфекції питної води. Стерилізація харчових продуктів за допомогою УФ-променів утруднюється низькою проникаючою здатністю, у зв'язку із чим дія цих променів проявляється тільки на поверхні або в дуже тонкому шарі. Проте відомо, що опромінення охолодженого м'яса, м'ясопродуктів подовжує строк їх зберігання у 2 - 3 рази. Пропонується застосовувати УФ-промені і для стерилізації плодових соків та вин (у тонкому шарі). При такому "холодному" способі стерилізації вино набуває кращої якості та довше зберігається без псування, у порівняні із пастеризованим. Більш ефективна обробка з ультразвуком. Для деяких продуктів (наприклад, для вершкового масла, молока) стерилізація УФ-променями неприйнятна, тому що у результаті опромінення погіршуються смакові та харчові властивості продуктів.

Радіоактивне випромінювання. Розщеплення атомних ядер радіоактивних елементів супроводжується випромінюванням α-променів, β-променів (високошвидкісні електрони) і γ-променів (короткохвильові рентгенівські промені). Енергія квантів радіоактивних випромінювань дуже висока, у зв'язку з чим вони хімічно й біологічно високо активні, при цьому γ-промені менш активні, ніж α- і β-промені. Характерною ознакою радіоактивних випромінювань є їх здатність викликати іонізацію атомів та молекул (утворюються позитивно й негативно заряджені іони), яка супроводжується руйнуванням молекулярних структур. Мікроорганізми значно радіостійкіші, ніж вищі організми. Смертельна доза для них у сотні тисяч раз вища, ніж для тварин. Ефект дії іонізуючих випромінювань на мікроорганізми залежить від поглиненої дози опромінення. Дуже малі дози активізують деякі життєві процеси мікроорганізмів, впливаючи на їх ферментні системи, вони викликають спадкові зміни властивостей мікробів, що призводять до появи мутацій. З підвищенням дози опромінення обмін речовин порушується сутєвіше, спостерігаються різні патологічні зміни у клітинах (променева хвороба), які можуть призвести до їх відмирання. При дозі нижчій за смертельну у мікроорганізмів ще може відновитись нормальна життєдіяльність опромінених клітин. Різні структури й функції клітини мають неоднакову чутливість. Чутливі до дії іонізуючих випромінювань багато ферментних систем, мембранні структури, ядерний апарат, особливо ДНК, що впливає на функцію розмноження. Згубна дія радіоактивних випромінювань обумовлена багатьма факторами. Вони викликають радіоліз води у клітинах та субстраті. При цьому утворюються вільні радикали, атомарний водень, перекисі. Ці речовини, характеризуються високою хімічною активністю, вступають у взаємодію з іншими речовинами - виникає велика кількість хімічних реакцій, не властивих клітині, яка нормально функціонує. У результаті наступають незворотні порушення обміну речовин. Руйнуються ферменти, змінюються внутрішньоклітинні структури. Радіостійкість різних мікроорганізмів коливається в широких межах. Для вегетативних клітин бактерій згубна доза опромінення γ-променями лежить у межах від 10 тис. до 200 тис. рад, а для деяких - навіть 1 млн. рад (табл. 9). Чутливі до опромінення кишкова паличка, протей та сальмонели - збудники харчових отруєнь. Багато бактерій роду Pseudomonas - розповсюджені збудники псування м'ясних та рибних продуктів. Мікрококи відрізняються підвищеною стійкістю. Особливо радіостійкі спори бактерій, для їх загибелі необхідна доза від 500 тис. до 5 млн. рад.

Таблиця 9

Вплив радіоактивного опромінення на життєдіяльність мікроорганізмів

Якщо, наприклад, вегетативні клітини Clostridium botulinum гинуть при дозі опромінення 4 Мрад, то їх спори - при 2,0 - 2,5 Мрад. Смертельною дозою для більшості грибів та дріжджів є дози порядку сотень тисяч рад. Ступінь радіоураження мікроорганізмів одного виду змінюється залежно від віку клітин, складу середовища, потужності дози (дози опромінення за одиницю часу). На сьогодні поширене використання іонізуючого випромінювання у медицині, сільському господарстві, промисловості. Найбільш придатними для обробки сільськогосподарської сировини, харчових продуктів є γ-промені, які характеризуються найбільшою проникністю та не викликають появи у продукті "наведеної" радіації. Працями багатьох вітчизняних і зарубіжних учених науково обґрунтована можливість та ефективність опромінення γ- променями деяких швидкопсувних харчових продуктів для подовження строків їх зберігання. У зв'язку із високої радіостійкістю бактеріальних спор, для стерилізації харчових продуктів необхідні більші дози - близько 4 - 5 Мрад. Однак такі дози викликають небажані зміни властивостей багатьох продуктів: кольору, запаху, смаку, рослинні продукти розм'якшуються. Тому розроблено дози γ-випромінювань для часткового знищення мікроорганізмів у продуктах. Таку обробку нестерилізуючими дозами називають радуризацією. Опромінення дозами у межах від 0,2 до 0,6 Мрад, не погіршує якості продуктів, у сотні раз знижує їх обнасінення мікроорганізмами та значно подовжує строк зберігання, особливо при комбінації з холодом. На ефективність опромінення великий вплив має первинне обнасінення продукту мікроорганізмами. У радуризованих продуктах, як показали гігієнічні дослідження й експерименти на тваринах, токсичні для людини та канцерогенні речовини, не утворюються. Однак радуризація харчових продуктів у нашій країні дозволяється органами охорони здоров'я з великою обережністю. Для впровадження у практику харчової промисловості будь-якого нового способу обробки харчового продукту потрібно всебічне доведення нешкідливості обробленого продукту та відсутності зниження його харчової цінності, органолептичних властивостей. Дослідження в цій сфері тривають.

Радіохвилі. Це електромагнітні хвилі, які характеризуються відносно великою довжиною - від міліметрів до кілометрів і частотами від 3х10⁴ до 3х10¹¹ герц (Гц). Проходження коротких ультрарадіохвиль (з довжиною від 10 м до міліметрів) через середовище викликає у ньому виникнення змінних струмів високої (ВЧ) і надвисокої частоти (НВЧ). У електромагнітному полі електрична енергія перетворюється в теплову. Характер нагрівання у полі ВЧ і НВЧ відрізняється від звичайних способів нагрівання та має ряд переваг. Об'єкт (продукт) нагрівається швидко і рівномірно по всій масі. Наприклад, воду у склянці можна довести до кипіння протягом 2 - 3 с, риба (1 кг) вариться протягом 2 хв, м'ясо (1 кг) - 2,5 хв., курка - 6 - 8 хв.

Відмирання мікроорганізмів у електромагнітному полі високої інтенсивності наступає у результаті теплового ефекту, але повністю механізм дії НВЧ-енергії на мікроорганізми не розкритий. Деякі дослідники вважають, що існує специфічний вплив електромагнітних хвиль. Установлено, що НВЧ-поля малої інтенсивності, яка не викликає нагрівання середовища, впливають на деякі фізіологічні й біохімічні властивості мікробних клітин. Наводяться дані про загибель деяких бактерій та дріжджів у НВЧ-полі при 35 - 40 ^оС. Завдяки специфічним особливостям цього способу нагрівання його застосовують для пастеризації та стерилізації харчових продуктів, зокрема плодово-ягідних консервів (компотів, джемів, фруктів соків та ін.). У порівнянні зі звичайною паровою стерилізацією у автоклавах, використання способу НВЧ плоди і ягоди (нагрівання 1 - 3 хв. до температури 90 - 100 ^оС) сприяє кращому зберіганню природних властивостей (аромат, смак, консистенцію, вітамінність) та забезпеченню стерильності.

В останні роки надвисокочастотна електромагнітна обробка харчових продуктів усе більше застосовується в харчовій промисловості й громадському харчуванні (для варіння, сушіння, випічки, розігрівання, розморожування та ін.). Залишкової мікрофлори не більше, ніж у продукті, обробленому традиційним способом: у складі її переважають спороносні бактерії та мікрококи. Для кожного виду продукту потрібні оптимальні режими НВЧ-нагрівання, тому що мікрофлора за складом може бути досить різною, з різною чутливістю.

Ультразвук. Ультразвуком називають механічні коливання із частотами більш 20 000 коливань у секунду (20 кГц). Коливання такої частоти перебувають за межами чутливості людини. УЗ-хвилі можуть поширюватись у твердих, рідких та газоподібних середовищах. Вони мають велику механічну енергію й викликають ряд фізичних, хімічних та біологічних явищ. За допомогою УЗ можна викликати розпад високомолекулярних сполук, коагуляцію білків, інактивацію ферментів та токсинів, руйнувати повністю або частково багатоклітинні та одноклітинні організми, у тому числі мікроорганізми. Ефективність дії залежить від природи організмів, інтенсивності УЗ-енергії та частоти коливань. Згубно діє на мікроорганізми УЗ тільки певної потужності, нижче якої навіть тривала їх дія не призводить до летального (смертельного) ефекту, а викликає певні зміни морфологічного та фізіологічного характеру. УЗ малої потужності прискорюють деякі фізіологічні процеси, підвищують ферментативну активність, викликають механічний поділ скупчень клітин. Сарцини та стрептококи розпадаються на окремі життєздатні клітини. Бактерицидна дія ультразвуку починає проявлятися при інтенсивності 1,0 - 0,5 Вт/см² та частоті коливань порядку десятків кілогерц. Різні мікроорганізми мають неоднакову чутливість до впливу ультразвуку: штами навіть одного виду проявляють різну стійкість. Бактерії більш чутливі, ніж дріжджі, при цьому кокоподібні форми більш стійкі, ніж паличкоподібні. Спори бактерій значно стійкіші, ніж вегетативні клітини, дикі дріжджі більш разистентні, ніж культурні. Ефективність дії УЗ при одній і тій самій інтенсивності та частоті коливань залежить від тривалості впливу, хімічного складу середовища, яке опромінюється, його в'язкості, рН, температури. Великого значення набуває і кількість бактерій в об’єкті, який обробляють: чим їх більше, тим тривалішою повинна бути обробка. Природу бактерицидної дії ультразвуку повною мірою ще не розкрито. Очевидно основною причиною є, кавітаційний ефект. При поширенні у рідині УЗ-хвиль відбувається швидкозмінне розрідження та стискання частинок рідини. При розрідженні у середовищі утворюються дрібні порожнисті простори - "пухирці", що заповнюються парами навколишньої рідини та газами. При стисканні, у момент захлопування кавітаційних "пухирців", виникає потужна гідравлічна ударна хвиля, яка викликає руйнівну дію. Загибель мікроорганізмів залежить не тільки від механічної, але і від електрохімічної дії УЗ-енергії. У водному середовищі відбувається іонізація молекул води та активація розчиненого у ній кисню. При цьому утворюються речовини, які характеризуються великою реакційною здатністю, які обумовлюють ряд хімічних процесів, що негативно впливають на живі мікроорганізми. Завдяки специфічним властивостям, УЗ широко застосовують у різних областях техніки та технології багатьох галузей народного господарства. Проводяться дослідження по застосуванню УЗ-енергії для стерилізації питної води, харчових продуктів (молока, фруктових соків, вин), миття та стерилізації.

Контрольні запитання

1. Чим відрізняються термофіли, психрофіти і мезофіли?

2. Сутність пастеризації та стерилізації. Чим вони відрізняються між собою і від чого залежить їх ефективність?

3. Як поділяються мікроорганізми залежно від потреби їх у воді?

4. Дати визначення поняттю „ активність води ".

5. Які оптимальні значення а_w для різних мікроорганізмів?

6. Поділ мікроорганізмів залежно від осмотичного тиску.

7. Які бувають галофіти?

8. Назвіть фактори, які впливають на призупинення розвитку галофітів.

9. Які види осмофілів є причиною псування варення, повидла?

10. Назвіть види променевої енергії.

11. Від яких факторів залежить бактерицидна дія ультразвуку?

12. З якою метою використовують ультразвук?

13. Шляхи використання струму ультрависокої частоти (УВЧ).

14. Вплив на мікроорганізми магнітного поля, електричного струму, механічної дії та невагомості.

15. Різниця між баротолерантними мікроорганізмами і барофільними.

16. Поділ мікроорганізмів залежно від рН середовища.