Факторы внешней среды, влияющие на рост и развитие микроорганизмов.

ЛЕКЦИЯ № 8.

 

ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ.

 

Физические факторы

Влажность среды.

Огромное влияние на развитие микроорганизмов оказывает вода. Микробная клетка на 70...85 % состоит из воды, все питательные вещества попадают в клетку только в растворенном виде, с водой удаляются из клетки продукты жизнедеятельности. Микроорганизмы могут развиваться на пищевых продуктах и на непищевых предметах только в присутствии свободной воды и не ниже определенного уровня.

Потребность в воде у разных микроорганизмов колеблется в широких пределах. По потребности в воде для роста микроорганизмы подразделяют на три группы:

гидрофиты — влаголюбивые,

мезофиты — средневлаголюбивые

ксерофиты — минимально потребляющие воду.

Большинство бактерий являются гидрофитами, многие плесневые грибы и дрожжи — мезофитами, однако среди них также есть и гидро-, и ксерофиты.

Для любого продукта важно абсолютное содержание влаги (общее количество воды), которое определяют высушиванием продукта до постоянной массы и выражают в процентах общей массы исследуемого продукта. Знание этого показателя важно для оценки качества продукта. Вода может находиться в межклеточном пространстве в виде свободной (активной) воды или быть прочно связанной с белком.

Активная вода в пищевом продукте — это часть общей воды, которая не связана с растворенными солями, сахаром, белками и другими водорастворимыми веществами. Активная вода выражает то количество воды, которое может быть использовано при физических, химических и микробиологических изменениях. Она находится в тесной связи с относительной влажностью воздуха, называется еще активностью воды и выражается символом a_w.

Для сравнения сред по содержанию в них воды пользуются термином активность воды, или относительная влажность.

Активность воды (a_w) — это отношение концентрации воды в фазе пара в воздушном пространстве над данным материалом к концентрации воды в воздухе над чистой водой при определенной температуре. Микроорганизмы способны расти при активности воды от 0,998 до 0,6.

Активность воды выражает отношение давления водяных паров раствора (субстрата) Р и чистого растворителя (воды) Р₀ при одной и той же температуре: a_w = Р/Р₀ = I. Активность воды выражается величинами от 0 до 1.

a_w = 0 указывает на то, что продукт обезвожен, a_w = 1 является показателем дистиллированной воды.

Рост микроорганизмов происходит при значениях a_w от 1 до 0,16...0,65. Оптимальное значение a_w длябактерий равно 0,98...0,99. Примерно в этих же пределах находится a_w скоропортящихся пищевых продуктов: мяса, рыбы, плодов и овощей.

В настоящее время известны многие микроорганизмы — возбудители порчи пищевых продуктов, для каждого из которых определено значение a_w. Эти значения приведены в Табл. № 1.

Роль a_w в процессе хранения пищевых продуктов установлена и для пищевых продуктов, которые не относятся к скоропортящимся, например, для кондитерских изделий.

Перспективным способом продления сроков годности пищевых продуктов является создание в них такой величины a_w,при которой микроорганизмы не развиваются. Этого можно достичь двумя путями.

Во-первых, при производстве пищевых продуктов можно добавить в них вещества, которые способны связывать воду продукта, не оказывая влияния на его качество.

Во-вторых, высушить (удалить воду) продукт. Этим способом пользуются с глубокой древности (сушат фрукты, виноград, овощи, зелень).

Сухие фрукты содержат много разных микроорганизмов, так как многие из них прекрасно переносят высушивание. Среди них могут быть и патогенные микроорганизмы (брюшнотифозные, стафилококки). В сухих продуктах может быть большое количество спор бактерий и грибов, которые сохраняют способность к прорастанию в течение десятков лет. Увлажнение сухих продуктов в период хранения обязательно вызовет развитие микроорганизмов и, как следствие, порчу продуктов.

Для сохранности сухих продуктов большое значение имеет относительная влажность и температура воздуха. Сухие продукты гигроскопичны и могут, как отдавать, так и поглощать воду из воздуха. Между влажностью воздуха и влажностью продукта устанавливается определенное подвижное равновесие. При одной и той же относительной влажности воздуха различные продукты могут иметь разную равновесную влажность, т. е. влажность, установившуюся при данной относительной влажности воздуха. Относительная влажность воздуха составляет величину a_w умноженную на 100 и выраженную в процентах. Эта величина и будет соответствовать относительной влажности воздуха в процентах, когда система продукт–воздух находится в равновесии.

Величина относительной влажности воздуха при одном и том же содержании в нем влаги изменяется в зависимости от температуры: с понижением температуры воздуха уменьшается его влагопоглащающая способность и наоборот. Поэтому при снижении температуры в процессе хранения продуктов имеющееся количество водяных паров в воздухе может оказаться избыточным, т.е. выше предела его насыщения. Лишние водяные пары будут оседать в виде капель на поверхности продукта, что приведет к развитию микроорганизмов.

 

Таблица № 1.

Значения a_w для различных микроорганизмов.

 

 

С повышением температуры продолжительность ее губительного воздействия на микроорганизмы быстро уменьшается. Так, споры Clostridium botulinum отмирали при 100 °С через 33 мин; при 105 °С — через 32 мин; при 115 °С — через 10 мин; при 120 °С — через 4 мин.

 

Таблица № 2.

Выживаемость спор при нагревании до 100^оС.

 

 

Споры большинства дрожжей и плесневых грибов менее устойчивы к нагреванию, чем споры бактерий, и погибают при нагревании до 65...80°С, споры некоторых плесневых грибов выдерживают даже нагревание до 100°С.

При нагревании клетки и споры погибают не одновременно, среди них всегда есть более и менее устойчивые. Термоустойчивость может изменяться в зависимости от рН и концентрации среды, в которой происходит нагревание. Нагревание вызывает необратимые изменения в клетке — денатурацию белков и нуклеиновых кислот.

Высокая термоустойчивость спор бактерий обусловлена, по-видимому, малым содержанием в них свободной воды, содержанием дипиколиновой кислоты (пиридин-2,6-дикарбоновая кислота) и кальция. Дипиколиновая кислота обнаружена только в спорах.

На губительном воздействии высоких температур основаны многие приемы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах: кипячение, варка, обжарка, бланширование.

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

Пастеризация — это нагревание продукта при температуре 63... 80°С в течение 20...40 мин. Иногда пастеризуют при температуре 90...100°С в течение нескольких секунд. При пастеризации погибают вегетативные клетки микроорганизмов, а термоустойчивые бактерии и споры многих микроорганизмов остаются жизнеспособными. Поэтому пастеризованные продукты следует немедленно охладить до температуры 10°С и хранить на холоде, чтобы задержать прорастание спор и развитие оставшихся клеток. Пастеризуют многие пищевые продукты: молоко, вино, пиво, икру, фруктовые соки и др.

Стерилизацией называется полное освобождение какого-либо пищевого продукта от живых микроорганизмов или спор. Микроорганизмы проявляют разную чувствительность к средствам, применяемым для их уничтожения. Существуют видовые особенности чувствительности, а также различия, зависящие от содержания воды, значения рН, возраста клеток или спор и т.д.

Результат воздействия различных агентов, применяемых для уничтожения микроорганизмов, выражают через время, необходимое для того, чтобы в определенной популяции при определенных условиях среды вызвать гибель 90 % клеток.

Полная или частичная стерилизация осуществляется при помощи влажного или сухого жара, фильтрации облучения и других методов.

При использовании влажного жара вегетативные клетки бактерий и грибов гибнут через 5 – 10 мин при 60^оС. Для гибели спор бактерий и грибов необходима температура 120^оС в течение 15 мин. Стерилизации зависит от теплоемкости сосудов, в которых проводится стерилизация.

Для достижения температуры выше точки кипения воды пользуются автоклавом, в котором температура насыщенного пара зависит от давления. Продолжительность стерилизации зависит от теплоемкости сосудов, в которых проводится стерилизация.

Можно добиться тех же результатов при дробной стерилизации (тиндализации) в текучем паре при 100^оС. При использовании тиндализации продукт стерилизуют в течение 3 дней подряд по 30 мин ежедневно. В промежутках между нагреваниями продукт хранят в термостате для того, чтобы споры проросли, а затем вегетативные клетки были снова уничтожены следующим нагреванием.

При стерилизации сухим жаром бактериальные споры переносят более высокие температуры и в течение более длительного времени. Уничтожение микроорганизмов жаром основано на коагуляции клеточных белков.

Стеклянную посуду стерилизуют сухим жаром в течение 2 часов при 160^оС. В каждом сучае стерилизации необходимо контролировать температуру (с помощью индикаторов) или проверять полноту стерилизации. Для этого одновременно с посудой в сушильный шкаф помещают пробу, содержащую споры; после стерилизации пробу высевают на соответствующую среду.

Фильтрацией удобнее всего стерилизовать растворы, содержащие термолабильные вещества. В лаборатории Пастера впервые были использованы свечи Шамберлана (неглазурованные фарфоровые цилиндры). В настоящее время в лабораториях и для стерилизации питьевой воды используют фильтр Беркефельда из прессованного кизельгура. Используются также асбестовые пластинки и фильтре Зейтца. Стеклянные и мембранные фильтры, а также некоторые фильтровальные материалы выпускаются с различной величиной пор, что позволяет разделять микроорганизмы разной величины и формы.

Облучение используют для полной или частичной стерилизации. В этом случае применяют ультрафиолетовые, рентгеновские и γ-лучи. В лабораторных условиях наибольшее значение имеют ультрафиолетовые лучи (УФ-лучи). В излучении большинства ультрафиолетовых ламп преобладают лучи с длиной волны около 260 нм, которые поглощаются преимущественно нуклеиновыми кислотами. При длительном воздействии эти лучи вызывают гибель всех микроорганизмов. УФ-облучение используется для стерилизации помещений. При этом бактерии погибают очень быстро, а споры грибов, которые являются менее чувствительными к ультрафиолету, — значительно медленнее.

Лучистая энергия.

Излучения разных типов обладают потенциальной способностью оказывать на микроорганизмы разрушительное действие. Однако одноклеточные организмы имеют множество защитных механизмов; многие виды микроорганизмов используют не один, а большое число способов борьбы с радиационными излучениями.

Излучения в окружающей среде подразделяются на неионизирующие, наиболее опасные для микроорганизмов, и на ионизирующие.

Неионизирующее излучение.

Из всех естественных излучений неионизирующая солнечная радиация обладает наибольшим потенциалом биологически вредного воздействия. Подсчитано, что только 0,00028 % солнечной радиации оказывают летальное действие на бактерии. Существенная опасность солнечного излучения проявляется в появлении мутантных организмов, дефектных в их способности осуществлять репаративные (восстановительные) процессы. Например, более 99,9 % клеток Е. coli, у которых нарушены репаративные механизмы, погибают при облучении солнечным светом в течение 3 мин. Таким же образом солнечные лучи влияют на мутантные штаммы дрожжей. Весь спектр солнечного излучения с длинами волн вплоть до 700 нм оказывает на микроорганизмы летальное действие, но наиболее опасные длины волн лежат в ультрафиолетовой области спектра (менее 400 нм). Хотя эти лучи имеют низкую проникающую способность, они вызывают у одноклеточных организмов фотохимические реакции. К наиболее важной из них относится образование пиримидиновых димеров в ДНК.

Резистентность (устойчивость) разных видов бактерий к УФ-облучению показана на рис. 3.4. Как видно на рисунке, она варьирует в широких пределах.

В настоящее время УФ-облучение довольно широко используется на практике: для дезинфекции операционных в больницах, лабораторных помещений, холодильных камер и др. Кроме того, УФ-лучи могут быть использованы для дезинфекции тары, оборудования, посуды, а также для стерилизации плодовых соков и вин (в тонком слое).

Ионизирующее излучение.

Существуют природные источники ионизирующего излучения двух типов: внеземные и земные.

Внеземные источники излучения возникают в космическом пространстве как первичные космические лучи. Они дают начало вторичным космическим лучам, воздействию которых и подвергаются живые организмы.

Земные источники излучения могут быть естественными и искусственными.

Естественными источниками излучения являются радиоактивные изотопы в скальных породах, почве, гидросфере и атмосфере. Некоторые из них поглощаются живыми организмами, и, следовательно, облучение может быть не только внешним, но и внутренним. Средняя доза внешнего облучения от земных источников составляет 50 мрад в год, внутренняя — 20 мрад в год.

Источники искусственного ионизирующего излучения возникают в результате испытаний ядерного оружия, работы атомных электростанций, применения радиоактивных изотопов в медицинских целях и др. Как правило, они строго локализованы. Значимая доза от искусственных источников излучения составляет лишь около 1 % естественных источников.

Микроорганизмы могут периодически или постоянно получать высокие дозы облучения. Чувствительность микроорганизмов к облучению варьирует в необычайно широких пределах (табл. 4).

Причины столь значительных вариаций радиационной чувствительности неясны.

Обнаружен вид Pseudomonas, обитающий в ядерных реакторах.

Ионизирующие излучения вызывают повреждения в клетке, которые подразделяются на две категории: непосредственные и опосредованные.

Непосредственные повреждения — это одноцепочечные или двухцепочечные разрывы в ДНК. Они относительно редки.

Опосредованные повреждения возникают в связи с образованием свободных радикалов, которые тоже вызывают одноцепочечные и двухцепочечные разрывы.

В настоящее время для обработки сельскохозяйственного сырья,

пищевых продуктов и другого используют ионизирующую радиацию, в частности γ-лучи. Такую обработку называют радуризацией. Однако радуризация пищевых продуктов в России разрешается органами здравоохранения с большой осторожностью.

 

Радиоволны.

Радиоволны — это электромагнитные волны относительно большой длины — от миллиметров до километров.

Прохождение коротких и ультрарадиоволн (с длиной волны от 10 м до миллиметров) через среду вызывает в ней возникновение переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты.

В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую. Характер нагревания в поле ВЧ и СВЧ отличается от обычных способов нагрева и обладает рядом преимуществ. Например, пищевой продукт нагревается быстро и равномерно по всей массе; вода в стакане закипает через 2...3 с, рыба (1 кг) варится до готовности за 2 мин, мясо (1 кг) — за 2,5, курица — за 6...8 мин.

В последние годы использование ВЧ и СВЧ для приготовления пищевых продуктов все более широко применяется как в пищевой промышленности, так и в общественном питании, в быту.

 

Ультразвук.

Ультразвук (УЗ) — это механические колебания с частотами более 20000 колебаний в секунду (20 кГц). Колебания такой частоты находятся за пределами слышимости человеком. УЗ-волны распространяются в твердых, жидких и газообразных средах, обладают большой механической энергией и вызывают ряд физических, химических и биологических явлений.

Различные микроорганизмы обладают неодинаковой чувствительностью к воздействию ультразвука. Штаммы микроорганизмов одного и того же вида имеют разную устойчивость. Бактерии более чувствительны, чем дрожжи; при этом шаровидные формы более стойки, чем палочковидные. Споры бактерий значительно устойчивее вегетативных клеток.

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

УЗ все более широко применяется в различных областях техники и отраслях промышленности. Ведутся исследования по применению УЗ для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин).

 

Химические факторы.

Реакция среды.

Реакция среды (рН) оказывает большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Для каждого микроорганизма существует своя оптимальная зона рН, в пределах которой он может развиваться.

Большинство микроорганизмов развивается в нейтральной среде, т.е. при рН около 7, и испытывает угнетение в более кислой или более щелочной среде. Однако в зависимости от места обитания могут быть щелочнолюбивые и кислотолюбивые микроорганизмы.

Как общую закономерность можно отметить, что бактерии больше тяготеют к нейтральной среде, грибы — к слабокислой. Однако имеется немало исключений из этого правила.

Сапрофиты, живущие в почве или в водоемах, а также на пищевых продуктах, могут развиваться в среде со значительными колебаниями рН. Поэтому они приспособились существовать в довольно широком диапазоне рН, измеряемом несколькими единицами.

Паразитические формы, приспособленные к условиям тела хозяина, живут обычно в очень узком диапазоне рН (рис. 3.5, 3.6) — в пределах единицы.

Щелочелюбивыми являются клетки, развивающиеся при рН 9... 10. Одним из самых щелочелюбивых микроорганизмов является споровая бактерия, выделенная из зольника при обезволошивании шкур. Эта бактерия хорошо развивается при рН 11. Только при рН 12,4 в зольнике прекращается деятельность гнилостных бактерий.

Плесневые грибы могут развиваться в широком диапазоне рН — от 1,2 до 11,0. Споры грибов прорастают в более узком интервале рН.

Микроорганизмы, живущие в широком диапазоне рН, обычно довольно значительно изменяют свой обмен веществ в более кислых или более щелочных условиях. В более кислых условиях обмен веществ осуществляется таким образом, что в среду продуцируются щелочные вещества, нейтрализующие кислотность. В более щелочных условиях многие микроорганизмы усиленно продуцируют кислоты, уменьшающие щелочность среды. У многих микроорганизмов имеется способность в известных пределах регулировать рН среды. Эту способность микроорганизмов можно назвать ≪приспособительным обменом≫, когда одни и те же микроорганизмы, например дрожжи, в кислой среде образуют из сахара большое количество этилового спирта и мало глицерина, а в щелочной — большое количество глицерина и мало спирта.

Установлено, что некоторые органические кислоты (уксусная, бензойная, масляная) оказывают бактерицидное действие на микроорганизмы. Уксусная кислота губительно действует на микроорганизмы в концентрации 0,5... 2 %. Молочнокислый стрептококк прекращает размножаться в присутствии молочной кислоты при рН 4,7...4,4, а уксусной — при рН 5,1...4,8.

Зная отношение микроорганизмов к реакции среды и регулируя рН, можно подавлять или стимулировать их развитие, что имеет большое практическое значение. Неблагоприятное воздействие кислой среды на гнилостные микроорганизмы используется при хранении некоторых пищевых продуктов в маринованном и квашеном виде. При мариновании к продукту добавляют уксусную кислоту. При квашении дают возможность развиваться молочнокислым бактериям, которые образуют молочную кислоту и препятствуют развитию гнилостных бактерий. Маринованные и квашеные продукты следует пастеризовать и хранить при пониженной температуре.

 

Виды антисептиков.

Из неорганических соединений наиболее сильнодействующими антисептиками являются соли тяжелых металлов, особенно ртути. При действии ртути концентрацией 1: 1000 в течение нескольких минут большинство бактерий погибает. Более устойчивыми являются споры бактерий.

Губительное действие на микроорганизмы оказывают ионы тяжелых металлов (золота, меди, особенно серебра), присутствующие в растворах даже в ничтожно малых концентрациях. Такое специфическое действие называют олигодинамическим (oligos — малый, dinamys — сила). Например, в воде, в которой находится металлическое серебро, хотя обычными методами даже следы растворившегося серебра не определяются, микроорганизмы погибают. Это объясняется тем, что ионы серебра адсорбируются на поверхности клетки и изменяют свойства и функции цитоплазматической мембраны. Олигодинамическое свойство серебра можно

использовать для дезинфекции питьевой воды. Препараты серебра и посеребренные материалы используют в медицине.

Бактерицидное действие проявляют многие окислители (хлор, йод, перекись водорода, перманганат калия) и минеральные кислоты (сернистая, борная, фтористоводородная).

Губительны для микроорганизмов сероводород, окись углерода, сернистый газ, диоксид углерода.

Ядами для микроорганизмов являются некоторые органические соединения — формалин, фенолы. Вегетативные клетки бактерий погибают в 2...5%-ном растворе карболовой кислоты довольно быстро, а споры даже в 5%-ном растворе карболовой кислоты сохраняют жизнеспособность в течение 2 недель и более.

Губительно действуют на микроорганизмы спирты, органические кислоты (салициловая, масляная, уксусная, бензойная, сорбиновая).

Бактерицидным действием обладают эфирные масла, дубильные вещества, некоторые красители (генцианвиолет, бриллиантовая зелень, фуксин).

Многие из названных антисептиков используют в медицине, сельском хозяйстве, промышленности, в быту как дезинфицирующие средства для борьбы с патогенными микробами. Например, для дезинфекции питьевой воды, тары, оборудования, инвентаря широко используют хлор. Антисептики используют для защиты от микробных поражений текстильных материалов, древесины, бумаги и других материалов и объектов.

Физико-химические факторы.

В природе микроорганизмы живут в субстратах (средах) с разнообразным содержанием растворенных веществ, имеющих разное осмотическое давление. Соответственно в среде обитания микроорганизмов внутриклеточное осмотическое давление у разных микроорганизмов колеблется в широких пределах. У одних возбудителей порчи пищевых продуктов осмотическое давление составляет 0,5...1,5 МПа, у некоторых плесневых грибов — до 20 МПа, у почвенных бактерий — 5... 8 МПа.

Представители одного и того же вида микроорганизмов, живущие в разных условиях, имеют разное осмотическое давление. Обычно внутриклеточное осмотическое давление несколько выше, чем осмотическое давление среды обитания.

При попадании микроорганизмов в среду с ничтожно малым содержанием веществ (дистиллированная вода) цитоплазма клеток начинает быстро переполняться водой, происходит разрыв клеточной стенки (плазмоптис) и клетка погибает. Повышение концентрации веществ в среде выше определенного предела вызовет обезвоживание (плазмолиз) клеток, при этом приостанавливается поступление питательных веществ в клетку. В состоянии плазмолиза одни микроорганизмы долго сохраняют жизнеспособность, другие погибают.

Для повышения стойкости пищевых продуктов при хранении широко используют поваренную соль и сахар. Большинство бактерий малочувствительны к поваренной соли в концентрации 0,5...2 %, а 3%-ное содержание соли уже неблагоприятно для существования многих микроорганизмов: подавляются процесс дыхания, ферментативная активность, нарушаются функции клеточных мембран. Размножение многих гнилостных бактерий при концентрации поваренной соли 3...4 % подавляется, а при 7...10 % прекращается.

Развитие некоторых возбудителей пищевых отравлений (ботулинуса, сальмонелл) приостанавливается при концентрации поваренной соли 6...10 %. Однако многие микроорганизмы долго сохраняют жизнеспособность даже при концентрации соли 20 %.

Среди микроорганизмов есть приспосабливающиеся виды, которые могут развиваться как при невысоком, так и при относительно высоком осмотическом давлении, например при повышенном содержании соли и сахара. Такие микроорганизмы называют осмотолерантными.

Существуют микроорганизмы, которые нормально развиваются в субстратах с высоким осмотическим давлением. Их называют осмофильными. Эти микроорганизмы, развивающиеся при высоких концентрациях поваренной соли (20 % и выше), называют галлофилами (солелюбивыми). Снижение концентрации соли до 10...13 % приводит к остановке размножения галофилов.

Концентрация поваренной соли, необходимая для подавления развития микроорганизмов, зависит от рН среды. Развитие дрожжей в соленых продуктах в кислой среде подавляется при концентрации соли 14 %, а в нейтральной — при 20 %.

Порча соленых продуктов (рыбы, бекона и др.) под влиянием галофильных микроорганизмов происходит довольно часто. Например, дефект рыбы, называемый фуксином, вызывается бесспоровыми бактериями Halobacterium salinarium, вырабатывающими красный пигмент. Эти бактерии заносятся в продукт с солью, поэтому соленые пищевые продукты следует хранить при низких температурах, чтобы не дать развиваться микроорганизмам.

Кондитерские изделия, варенья, джемы, фруктовые сиропы и другие сахарсодержащие продукты, для получения которых используется сахар, при хранении могут сбраживаться, плесневеть, прокисать за счет развития осмофильных плесневых грибов, дрожжей и бактерий. Например, осмофильные термофильные дрожжи, оставшиеся в продукте после пастеризации, вызывают порчу пищевых продуктов, прошедших тепловую обработку. Порчу сахаристых пищевых продуктов могут вызвать микроорганизмы, попавшие в продукт вторично извне. Чтобы избежать вторичного инфицирования пищевых продуктов микроорганизмами, следует разливать продукт в горячем виде в стерильную тару, закрывать ее герметично и хранить при пониженной температуре.

 

Биологические факторы.

Антибиотики.

Явление антагонизма послужило основанием для возникновения науки об антибиотиках — химических веществах, синтезируемых микроорганизмами, которые задерживают рост других микроорганизмов или вызывают их гибель. Первый антибиотик — пенициллин — был открыт английским микробиологом А.Флемингом в 1929 г. Открытие пенициллина явилось огромной победой современных биологической, медицинской и химической наук в борьбе с различными инфекционными и воспалительными процессами, а также мощным стимулом для поиска новых антибиотиков, синтезируемых различными группами микроорганизмов: бактериями, актиномицетами, дрожжами, плесневыми грибами, высшими грибами, растениями и животными.

Действие антибиотиков основано на подавлении ими синтеза белков и нуклеиновых кислот. Такие антибиотики, как стрептомицин и неомицин, тормозят процесс связывания аминокислот между собой. Эритромицин нарушает функцию субъединиц рибосомы. Тетрациклин препятствует присоединению т-РНК к рибосомам. Хлорамфеникол (левомицетин) подавляет включение аминокислот в белки. Хлорамфеникол применяется в медицине как весьма действенный бактериостатик, а в биохимических исследованиях — как селективный ингибитор синтеза белка, не влияющий на другие метаболические процессы. Митомицин С избирательно препятствует синтезу ДНК, не оказывая на первых порах влияния на синтез РНК и белков. Актиномицин Д образует с ДНК комплекс и нарушает синтез РНК всех трех типов. Рифамицин действует на ДНК-зависимую РНК-полимеразу и подавляет синтез т-РНК бактерий. Пенициллин нарушает процесс образования клеточной стенки у бактерий.

Антибиотики являются незаменимыми лечебными препаратами и используются для лечения большого числа инфекционных заболеваний, как людей, так и животных. Кроме того, в сельском хозяйстве отдельные антибиотики используются как стимуляторы роста животных.

При широком применении антибиотиков в качестве лечебных препаратов происходит быстрое накопление резистентных (устойчивых) к этим соединениям форм микроорганизмов, а это требует замены одного антибиотика другим, т.е. поиска все новых и новых антибиотиков.

Антибиотики используются также в пищевой и консервной промышленности, например при сохранении свежей рыбы (трески, пикши, камбалы и др.) путем погружения ее на 1...5 мин в морскую воду, содержащую хлортетрациклин в концентрации 5...100 мг/л. Хорошие результаты получаются при погружении рыбы и охлажденную до 1...1,5°С морскую воду с содержанием в ней всего 2 мг хлортетрациклина на 1 л. Можно удлинить срок хранения свежей рыбы на 5 дней и более при содержании рыбы на льду, в составе которого имеется 1...2 мг хлортетрациклина или 25 мг биомицина на 1 л. При этом наиболее угнетается рост бактерий рода Pseudomonas — основных возбудителей порчи охлажденной рыбы.

Кприменению антибиотиков органы здравоохранения относятся с большой осторожностью, поскольку при многократном поступлении с пищей даже ничтожно малых количеств антибиотиков в организме человека могут появиться устойчивые формы болезнетворных микроорганизмов за счет вытеснения антибиотиками полезных микроорганизмов из нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта. Разрешается использование лишь некоторых антибиотиков (нистатина и биомицина) и только в ограниченных случаях (транспортирование на дальние расстояния сырых продуктов, например мяса, рыбы).

Допустимое содержание антибиотиков в продукте строго регламентируется и требуется полное разрушение его в процессе обычной тепловой кулинарной обработки.

Для консервирования пищевых продуктов разрешено использовать специальные антибиотики, не применяемые в медицине. Таким антибиотиком является, например, низин, синтезируемый молочнокислыми стрептококками, который подавляет рост стафилококков, некоторых стрептококков, анаэробных термофильных споровых бактерий — возбудителей порчи консервов и пресервов. Низин, задерживающий прорастание спор, используют при изготовлении сгущенного молока, плавленых сыров.

К антибиотикам, синтезируемым животными, относятся лизоцим, эритрин, экмолин.

Лизоцим — белковое вещество, вырабатываемое различными тканями и органами животного и человека. Он содержится в слезной и слюнной жидкости человека, в яичном белке, рыбной икре. Лизоцим не только убивает чувствительные к нему бактерии, но и растворяет (лизирует) их.

Эритрин — антибиотик, получаемый из красных кровяных шариков (эритроцитов) животных. Эритрин активен против стафилококков и стрептококков.

Экмолин — антибиотик, получаемый из тканей рыб. Экмолин активен против бактерий, вызывающих кишечные заболевания.

 

ЛЕКЦИЯ № 8.

 

ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ.

 

Физические факторы

Влажность среды.

Огромное влияние на развитие микроорганизмов оказывает вода. Микробная клетка на 70...85 % состоит из воды, все питательные вещества попадают в клетку только в растворенном виде, с водой удаляются из клетки продукты жизнедеятельности. Микроорганизмы могут развиваться на пищевых продуктах и на непищевых предметах только в присутствии свободной воды и не ниже определенного уровня.

Потребность в воде у разных микроорганизмов колеблется в широких пределах. По потребности в воде для роста микроорганизмы подразделяют на три группы:

гидрофиты — влаголюбивые,

мезофиты — средневлаголюбивые

ксерофиты — минимально потребляющие воду.

Большинство бактерий являются гидрофитами, многие плесневые грибы и дрожжи — мезофитами, однако среди них также есть и гидро-, и ксерофиты.

Для любого продукта важно абсолютное содержание влаги (общее количество воды), которое определяют высушиванием продукта до постоянной массы и выражают в процентах общей массы исследуемого продукта. Знание этого показателя важно для оценки качества продукта. Вода может находиться в межклеточном пространстве в виде свободной (активной) воды или быть прочно связанной с белком.

Активная вода в пищевом продукте — это часть общей воды, которая не связана с растворенными солями, сахаром, белками и другими водорастворимыми веществами. Активная вода выражает то количество воды, которое может быть использовано при физических, химических и микробиологических изменениях. Она находится в тесной связи с относительной влажностью воздуха, называется еще активностью воды и выражается символом a_w.

Для сравнения сред по содержанию в них воды пользуются термином активность воды, или относительная влажность.

Активность воды (a_w) — это отношение концентрации воды в фазе пара в воздушном пространстве над данным материалом к концентрации воды в воздухе над чистой водой при определенной температуре. Микроорганизмы способны расти при активности воды от 0,998 до 0,6.

Активность воды выражает отношение давления водяных паров раствора (субстрата) Р и чистого растворителя (воды) Р₀ при одной и той же температуре: a_w = Р/Р₀ = I. Активность воды выражается величинами от 0 до 1.

a_w = 0 указывает на то, что продукт обезвожен, a_w = 1 является показателем дистиллированной воды.

Рост микроорганизмов происходит при значениях a_w от 1 до 0,16...0,65. Оптимальное значение a_w длябактерий равно 0,98...0,99. Примерно в этих же пределах находится a_w скоропортящихся пищевых продуктов: мяса, рыбы, плодов и овощей.

В настоящее время известны многие микроорганизмы — возбудители порчи пищевых продуктов, для каждого из которых определено значение a_w. Эти значения приведены в Табл. № 1.

Роль a_w в процессе хранения пищевых продуктов установлена и для пищевых продуктов, которые не относятся к скоропортящимся, например, для кондитерских изделий.

Перспективным способом продления сроков годности пищевых продуктов является создание в них такой величины a_w,при которой микроорганизмы не развиваются. Этого можно достичь двумя путями.

Во-первых, при производстве пищевых продуктов можно добавить в них вещества, которые способны связывать воду продукта, не оказывая влияния на его качество.

Во-вторых, высушить (удалить воду) продукт. Этим способом пользуются с глубокой древности (сушат фрукты, виноград, овощи, зелень).

Сухие фрукты содержат много разных микроорганизмов, так как многие из них прекрасно переносят высушивание. Среди них могут быть и патогенные микроорганизмы (брюшнотифозные, стафилококки). В сухих продуктах может быть большое количество спор бактерий и грибов, которые сохраняют способность к прорастанию в течение десятков лет. Увлажнение сухих продуктов в период хранения обязательно вызовет развитие микроорганизмов и, как следствие, порчу продуктов.

Для сохранности сухих продуктов большое значение имеет относительная влажность и температура воздуха. Сухие продукты гигроскопичны и могут, как отдавать, так и поглощать воду из воздуха. Между вл