Vliv teploty na přežívání MO
| Stránky: | Moodle Veterinární univerzita Brno |
| Kurz: | Mikrobiologie potravin a mikrobiologické laboratorní metody 1 |
| Kniha: | Vliv teploty na přežívání MO |
| Vytiskl(a): | Nepřihlášený host |
| Datum: | neděle, 12. května 2024, 00.41 |
Popis
Kapitola popisuje vliv teploty na přežívání mikroorganismů v potravinách.
Úvod
Teplota prostředí je jeden z nejdůležitějších faktorů regulujících růst a přežívání mikroorganismů. Teplota prostředí má rovněž vliv na velikost buněk, produkci metabolitů - pigmenty, toxiny, nutriční požadavky, enzymatické reakce a chemické složení buňky.
Každý organismus má minimální, optimální a maximální teplotu pro růst.
Při minimální a maximální hodnotě se růst zastavuje. Optimální teplota je obvykle asi o 30 °C vyšší než teplota minimální, maximální teplota převyšuje optimální teplotu pouze o 5 – 10 °C. Optimální teplota pro rozmnožování se nemusí vždy shodovat s optimální teplotou pro ostatní životní procesy buňky. Minimální teplota růstu je určena tím enzymem, jehož aktivita je nejcitlivější k nízkým teplotám.
Krátkodobé zvýšení teploty nad maximální teplotu vyvolává u mikroorganismů teplotní šok, který vede k různým výkyvům metabolismu. Přitom se syntetizují tzv. teplotně šokové proteiny (angl. Heat Shock Proteins – HSP), které mimo jiné chrání ostatní bílkoviny před účinkem tepla (denaturací a ztrátou prostorového uspořádání).
Dělení MO dle nároků na teplotu
Dle nároků na teplotu, při které se rozmnožují a metabolizují dělíme mikroorganismy do následujících skupin:
- psychrofilní mikroorganismy (optimum 10-15 °C)
- mezofilní mikroorganismy (optimum 30-40 °C)
- termofilní mikroorganismy (optimum 55-65 °C)
- psychrotrofní mikroorganismy (dokáží množit při teplotách 0 – 7 °C, přestože jejich optimální teploty růstu odpovídají obvykle mezofilním mikroorganismům)
Psychrofilní mikroorganismy mají optimální teplotu nižší než 20 °C a rostou při teplotách 0 – 5 °C (za 14 dnů vytvoří okem viditelné kolonie), jejich generační doba je za těchto podmínek 48 hodin nebo méně. Některé plísně jsou schopné pomalého růstu i při teplotách –10 °C. Na kažení potravin se podílí velmi vzácně.
Mezofilní mikroorganismy jsou v prostředí nejvíce rozšířené, z hlediska mikrobiologie potravin patří mezi nejdůležitější skupinu. Zahrnují saprofytickou mikroflóru, patogenní a podmíněně patogenní mikroflóru, plísně, kvasinky. Minimální teplota růstu je vyšší než 5 °C, optimální nižší než 45 °C.
Termofilní mikroorganismy mají optimální teplotu růstu 45 °C nebo vyšší (např. Geobacillus stearothermophilus, Clostridium thermosaccharolyticum, Lactobacillus delbruecki subsp. bulgaricus). Termofily se vyznačují mimořádně vysokou metabolickou aktivitou a rychlostí růstu za optimální teploty. Vyskytují se v půdě, kompostech, v chlévské mrvě, v uskladněném vlhkém materiálu, v bahně, atd.
Psychrotrofní MO
Z potravinářského hlediska jsou významné tzv. psychrotrofní mikroorganismy, které se poměrně rychle rozmnožují i při teplotách 0 – 7 °C bez ohledu na jejich růstové optimum. Vyskytují se hojně v půdě a ve vodě, působí rozklad potravin uchovávaných při nízkých teplotách (maso, mléčné výrobky).
Psychrotrofní růst vykazují nejčastěji gramnegativní tyčinky z rodu Pseudomonas, Acinetobacter, Moraxella, Aeromonas, Vibrio, Serratia, apod. Dále některé kmeny rodu Bacillus a Lactobacillus, některé enterokoky a mikrokoky. Svými psychrotrofními vlastnostmi jsou známé mnohé druhy kvasinek a plísní. Z patogenů patří mezi psychrotrofy Clostridium botulinum typ E, Yersinia enterocolitica a Listeria monocytogenes. Naštěstí je většina bakterií způsobujících onemocnění z potravin ze skupiny mezofilních mikroorganismů a důsledné dodržení chladicího řetězce zabraňuje jejich množení.
Vliv vysokých teplot
Pronikání tepla - potraviny nejsou okamžitě teplé nebo chladné. Proto při sterilizaci je produkt ohříván i v průběhu procesu zahřívání a chlazení až po skončení sterilizace. Proto se může stát, že některá část produktu není zahřátá na sterilizační teplotu.
Přenos tepla závisí na termálních vlastnostech potravin, tvaru obalu, na výrobních podmínkách. Tekuté potraviny jsou zahřívány kratší dobu než potraviny polotuhé a tuhé. V tekutých potravinách se teplo šíří konvekcí (prouděním), v tuhých kondukcí (vedením).
Při použití dostatečně vysoké teploty a doby působení uhynou všechny mikroorganismy včetně termorezistentních bakterií a spor. Avšak použití vysoké teploty po určitou dobu je limitováno vznikem organoleptických a nutričních změn v potravině, příp. jejím úplným znehodnocením. Proto je potřeba používat takové teploty, aby mikrobiální, nutriční a organoleptické požadavky byly v souladu.
K ochraně potravin se používají 2 základní teplotní kategorie: pasterace (či běžně používaný termín pasterizace) a sterilizace.
Letální teplota
Smrtící účinek vysokých teplot = letální teplota, je nejnižší teplota, při které dochází za určitý čas k usmrcení mikroorganismů (základní letální teplota je 70 °C po dobu 10 minut), což je zohledněno např. v legislativních požadavcích týkajících se tepelného opracování masných výrobků.
Letálně působí zejména:
- porušení nebo dokonce zrušení aktivní semipermeability cytoplasmatické membrány
- degradace RNA (hlavně rRNA), která sebou nese zástavu proteosyntézy, včetně syntézy enzymů a tím i zástavu metabolismu.
- inaktivace enzymů a denaturace proteinů má také svůj velký význam, přestože nebývá primární příčinou usmrcování mikroorganismů.
RNA je k inaktivaci teplem mnohem vnímavější než DNA, proteiny a enzymy. Inaktivace enzymů a denaturace proteinů není primární příčinou usmrcování mikroorganismů. DNA je vůči tepelnému poškození rezistentní a k její denaturaci dochází až při teplotách vysoko přesahujících letální teploty.
Letální teplota je závislá na:
- druhu mikroorganismu a jeho fyziologickém stavu,
- koncentraci buněk v prostředí
- a charakteru prostředí.
Termorezistence mikroorganismů
Největší význam při stanovení (odhadnutí) teploty a doby zahřátí potraviny má tepelná rezistence mikroorganismů.
Vegetativní buňky bakterií, plísně a kvasinky jdou obecně ničeny při teplotách vyšších o 10 – 15 °C než je jejich optimální teplota růstu. Při teplotách od 60 – 80 °C při odpovídajícím čase je zničena většina vegetativních buněk a virů. Pro termofilní a termorezistentní mikroorganismy jsou potřeba teploty vyšší.
Všechny vegetativní buňky jsou při 100 °C zničeny během 10 minut.
Spory jsou mnohonásobně více tepelně rezistentní než korespondující vegetativní buňky. U plísní jsou některé spory lehce rezistentní, jiné více ve srovnání s myceliem. Bakteriální spory jsou nejrezistentnější formy. (např. spory Geobacillus stearothermophilus přežívají 100 °C až 20 hodin). Předpokládá se, že tepelná rezistence spor je dána jejich stavbou a dehydratací centrálního protoplastu. Staré spory jsou odolnější než mladé formy.
Odolnost mikroorganismů vůči vyšším teplotám souvisí s optimální teplotou růstu: psychrofilní a psychrotrofní - mezofilní - termofilní; sporotvorné více odolné než nesporotvorné, grampozitivní bakterie odolnější než gramnegativní.
Plísně jsou rezistentní podobně jako mezofilní mikroorganismy, výjimku tvoří termofilní plísně. Rezistentní plísně (rody Penicillium 85 °C – 60 minut, Aspergillus 88 °C – 45 minut) představují velký problém u kompotů a ovocných šťáv – mají výrazné pektinolytické vlastnosti.
Termorezistence
Stupeň odolnosti mikroorganismů k vysoké teplotě je závislý na:
- počtu mikroorganismů, čím větší je počet mikroorganismů v potravině, tím vyšší teplota nebo doba záhřevu je nutná k jejich devitalizaci: 1) velikost shluků bakterií (teplota uvnitř je nižší a některé bakterie mohou přežít), 2) mezi mnoha bakteriemi se vyskytuje více rezistentních kmenů.
- fyziologickém stavu a růstové fázi mikroorganismů, nejvnímavější jsou ve fázi exponenciálního růstu a nejodolnější ve stacionární a lag-fázi (zejména její první polovině). Příčina: během intenzivního růstu jsou tvořící se cytoplazmatická membrána a ribozomy snadněji poškozovány.
- genetické výbavě mikroorganismů
- obsahu vody v potravině, termorezistence bakterií se zvyšuje se snížením aw a vlhkosti (např. spory ve vlhkém prostředí inaktivovány při 120 °C za 30 minut, v suchém prostředí při 180 °C za 30 minut). Nebezpeční přestavují tzv. suché komůrky, které chrání mikroorganismy před smáčením a tím před účinky vlhkého tepla (mikroskopické nečistoty na obalech, nápeky či usazeniny).
- množství ochranných látek (lipidy, sacharidy, proteiny, soli), tuk zvyšuje rezistenci bakterií (snížení aw, přítomnost vyšších mastných kyselin v prostředí zvyšuje jejich množství v cytoplazmatické membráně, snižuje její semipermeabilitu a tím ji činí odolnější vůči teplu); cukry snižují aw; soli působí na termorezistenci mikroorganismů rozdílně, účinek závisí na druhu a koncentraci.
- pH potraviny, mikroorganismy jsou nejvíce rezistentní k zahřátí při optimálním pH, čím více se pH od této hodnoty vzdaluje, tím více stoupá citlivost mikroorganismů k teplotě. Proto se kyselé potraviny mohou zahřívat na nižší teploty než potraviny málo kyselé nebo nekyselé.
Sterilizace
Sterilizace (sterilace) je jednorázové použití teploty nad 100 °C.
Je definována jako kombinace teploty a času.
Při sterilaci dochází k destrukci všech živých mikroorganismů včetně většiny spor. Přežívaní některé spory rodů Bacillus a Clostridium.
Ani sterilizací se však nedosáhne absolutní sterility, ale jen obchodní sterility – přežívajících spor je tak malé množství, že nemají význam pro kvalitu výrobku nebo jsou spory tak poškozené, že se běžnými kultivačními metodami 
nezjistí.
nezjistí.Pasterace
Pasterace (pasterizace) je jednorázové použití teplot do 100 °C, je opět definována jako kombinace teploty a doby působení.
Správně provedená pasterace zaručí:
- devitalizaci patogenních mikroorganismů,
- devitalizaci podstatné části saprofytické mikroflóry (vegetativních buněk),
- zachování původních fyzikálních, chemických, senzorických a výživových vlastností potraviny.
Pasteraci přežívají z nesporulujících mikroorganismů ojediněle některé streptokoky, stafylokoky a laktobacily, dále termofilní mikroorganismy a termorezistentní sporuláty – rod Bacillus a Clostridium.
Vliv nízkých teplot
Použití nízkých teplot k ochraně potravin je založeno na faktu, že snižování teploty v prostředí vede ke snižování enzymatické aktivity mikroorganismů a ke snížení až zastavení jejich růstu, přičemž nejprve je zastaveno rozmnožování a teprve potom metabolismus.
Nižší než optimální teploty přežívá většina mikroorganismů dlouhou dobu.
U řady mikroorganismů je růst zastaven až při teplotě nad bodem mrazu, některé mohou růst i při –5 °C a se sníženou intenzitou až do –10 °C. Jejich lag-fáze je však značně dlouhá (několik dnů až měsíců).
Vlivem nízké teploty dochází k morfologickým změnám mikroorganismů – atypické formy, ztráta bičíků, ztráta schopnosti tvorby spor.
Mikroorganismy schopné metabolizace a růstu při nízkých teplotách:
- mají enzymy a systémy schopné činnosti při nízkých teplotách;
- speciální struktura cytoplazmatické membrány umožňuje transport látek i při nízkých teplotách, zvýšené množství nenasycených mastných kyselin v lipidické vrstvě zvyšuje její propustnost;
- realizace genetických informací, syntéza RNA a DNA, proteinů a enzymů zůstává, na rozdíl od mezofilů, zachována i při nízkých teplotách.
(autor: Jan Mottl, zdroj: http://www.novinky.cz/cestovani/tipy-na-vylety/258449-i-pres-velky-mraz-se-na-sumavskem-spicaku-tancilo-a-zpivalo.html)
Chlazení
Chlazení – teplota neklesá pod 0 °C. Používá se pro krátkodobé skladování potravin, a to proto, že určitá skupina mikroorganismů může při této teplotě růst a životně důležité enzymy zůstávají aktivní.
Délka skladování závisí na druhu poživatiny (vejce déle než maso), na proudění vzduchu (chlazení kuřat vzduchem – kampylobaktery) a na jeho vlhkosti (spodní hranice růstu bakterií je 91 %, kvasinek 88 % a plísní 80 % relativní vlhkosti).
Chladový šok vzniká, jsou-li mikroorganismy v exponenciální fázi růstu náhle přeneseny z optimální teploty do prostředí s nízkou teplotou. Část mikroorganismů odumírá, ostatní jsou subletálně poškozeny (reverzibilně). Velikost změn závisí na koncentraci buněk, teplotním rozpětí a rychlosti změny teploty (čím rychlejší, tím větší mortalita). Vůči chladovému šoku je odolný např. S. aureus, naopak vysoce citlivý je Geobacillus stearothermophilus či C. perfringens.
Odolnost mikroorganismů k chladírenským teplotám ovlivňuje: dostatek živin (bílkoviny, tuky, cukry), aw a pH.
Při chlazení k zachování dobré kvality potraviny nebo suroviny je potřeba dodržet 3 základní pravidla:
- výchozí kontaminace mikroorganismy musí být co nejmenší;
- výrobek nebo surovinu vychladit co nejrychleji po zpracování;
- nepřerušit chladící řetězec od zpracování suroviny do konzumace.
Mrazení
Mrazení – použití teplot pod 0 °C.
Způsob mražení je dvojí:
- rychlé zmrazení – tvoří se malé krystaly vody umístěné intracelulárně (volná voda v buňce), teplota potraviny je snížena přibližně na –20 °C za 30 minut, při zmrazení na -30 až -180 °C se tvoří mikrokrystalky, které buňku poškozují pouze minimálně (využití - dlouhodobé uchovávání mikroorgnismů);
- pomalé zmrazení – extracelulárně se tvoří velké krystaly, které buňku poškozují, při pomalém zmrazení je teplota –20 °C dosažena za 3 – 72 hodin.
Oba typy krystalů působí mechanicky – vnější tlakem na buňku a vnitřní rozpínavostí způsobují poškození buňky. Tvorba krystalů redukuje obsah vody v substrátu, která je potřebná pro růst mikroorganismů.
Při snižování teploty je stále více vody přeměněno na led a tím dochází v buňce ke zvýšení koncentrace solí rozpuštěných ve zbývající tekutině. Vlivem zvýšeného osmotického tlaku mezi intracelulární a extracelulární tekutinou dochází k unikání vody z buňky. Čím pomalejší je mrazení a čím větší je permeabilita membrány, tím větší je ztráta vody z buňky. Pohyb vody ven z buňky způsobuje zvyšování koncentrace solí v buňce, snížení aw a dehydrataci buňky. Zmenšuje se objem buňky a soli precipitují. Výsledkem je porušení fyzikálně chemických vlastností cytoplazmy a inhibice metabolických funkcí. Dochází k poškození cytoplazmatické membrány – perforací a denaturací bílkovinných komponent (u eukaryot jsou podobně poškozeny i vnitřní membrány intracelulárních organel) a následně k difúzi látek z buňky. Metabolická aktivita je zpomalená, dochází k irreverzibilnímu poškození některých enzymatických systémů.
Mrazící proces se skládá ze dvou fází:
- vlastní zmrazení – největší baktericidní efekt;
- skladování ve zmrazeném stavu – postupně hynou citlivé formy nebo značně poškozené buňky, nastává selekce, rezistentní populace se stabilizuje, přežívá skladování a po rozmrazení je schopna růstu.
Účinek mrazení na bakterie
- Voda, která vymrzá a tvoří krystaly je voda volná, vázaná voda nemrzne. Mrazení zbavuje buňky využitelné vody a dehydratuje je.
- Zvyšuje se viskozita buněčného obsahu jako přímý důsledek koncentrace vody ve formě krystalů ledu.
- Dochází ke ztrátě cytoplazmatických plynů – O2 a CO2. Ztráta kyslíku znamená pro aerobní bakterie potlačení respiratorních reakcí.
- Mrazení způsobuje změny v pH buněčného obsahu.
- Mrazení ovlivňuje koncentraci celulárních elektrolytů jako následek vymrazování vody.
- Všeobecné poškození koloidního stavu celulární protoplazmy. Většina složek protoplazmy (proteiny) existuje v dynamickém koloidním stavu, k čemuž je potřeba určité množství vody.
- Dochází k denaturaci celulárních proteinů.
- Mrazení indukuje u některých mikroorganismů chladový šok. Týká se to hlavně mezofilních a termofilních bakterií.
Odolnost mikroorganismů k mrazení
Mikroorganismy jsou k mrazírenským teplotám různě odolné. Všeobecně se dá říci, že grampozitivní bakterie jsou odolnější než gramnegativní.
Mikroorganismy se dají rozdělit do 3 skupin:
- nejvíce rezistentní za všech podmínek (spory a ojediněle extrémně odolné nesporotvorné bakterie – mikrokoky, stafylokoky);
- bakterie citlivé k mrazení za určitých podmínek (grampozitivní bakterie, např. enterokoky – indikátorový mikroorganismus u mrazených potravin);
- bakterie citlivé (gramnegativní bakterie – Enterobacteriaceae, pseudomonády, atd. – vyjma psychrotrofních kmenů).
Nejcitlivější k mrazení jsou buňky v exponenciální fázi růstu, v lag-fázi a stacionární fázi jsou odolné.
Obecně platí, že při snižování teploty jsou bakterie nahrazovány plísněmi a kvasinkami (bakterie nerostou na zmrazeném ovoci, chlazené maso se kazí činností bakterií – mrazené činností plísní).
Odolnost mikroorganismů k mrazení ovlivňuje: pH (odklon od optima, se snižováním teploty a kyselosti v substrátu převažují plísně nad bakteriemi a kvasinkami) a ochranné látky v potravině (bílkoviny a peptidy – pravděpodobně tvoří vodíkové můstky s mikrobiálními proteiny a tím je chrání před denaturací; tuky, cukry – účinkují v průběhu intra i extracelulární krystalizace vody; soli – NaCl ve fyziologických koncentracích ochranný účinek, při vyšších koncentracích naopak zvyšuje citlivost buněk k mrazení).
Rozmrazování
Stejně důležité jako vlastní mrazení je rozmrazování.
Rozmrazené potraviny se rychle kazí v důsledku poškození tkání a pletiv krystaly vody.
Pro další využití potraviny nebo suroviny ke zpracování či konzumaci je vhodné pomalé rozmrazování, které zaručuje resorbci rozmrazené vody do tkáně. Při rychlém rozmrazení se uvolňuje zvláště u masa velké množství masové šťávy.
Z hlediska mikrobiologie je pomalé rozmrazování škodlivé, protože při něm dochází k rekrystalizaci ledu se změnami tvaru a velikosti krystalů a tím k dalšímu poškození buněk. Platí to zejména pro potraviny, které byly rychle zmrazeny (intracelulární krystaly). Při pomalém rozmrazování jsou buňky vystaveny delší dobu vysokým koncentracím solí. Proto je rychlé rozmrazování méně škodlivé, ale nelze to brát paušálně.
Všeobecně lze říci, že pro přežití bakteriálních buněk je nejpříznivější, jestliže rychlost rozmrazení je úměrná rychlosti zmrazení. Nejvíce poškozené jsou ultrarychle zmrazené a pomalu rozmrazené buňky.