4.1.3. Осмотическое давление

Осмотическое давление среды имеет большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов. Оно определяется концентрацией растворенных в ней веществ. В естественных средах обитания (воде, почве) микроорганизмы встречаются с различным содержанием растворенных веществ, а, следовательно, и с различным осмотическим давлением. Например, в воде пресных водоемов осмотическое давление значительно ниже, чем в соленых и т.п.

В зависимости от среды обитания внутриклеточное осмотическое давление у различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. У многих бактерий, в том числе у возбудителей порчи пищевых продуктов, оно составляет 0,5-1,5 МПа, у почвенных бактерий - 5-8 МПа, у обитателей соленых озер и солончаковых почв - 10 МПа, у некоторых мицелиальных грибов (рода Aspergillus) оно достигает 20-25 МПа.

Осмотическое давление внутри клетки микроорганизма несколько выше, чем во внешней среде. Это является условием нормальной жизнедеятельности организмов. Поддержание клетками оптимального для жизнедеятельности данного микроорганизма осмотического давления происходит благодаря их способности к осморегуляции. В результате осморегуляции сохраняется его жизнеспособность, даже если осмотическое давление во внешней среде колеблется в относительно широких пределах.

Функцию осморегуляции осуществляет механизм активного транспорта веществ (транспорт питательных веществ с участием белков-переносчиков - пермеаз). Изменение привычной концентрации среды, а, следовательно, и осмотического давления субстрата может привести к нарушению обмена веществ в клетках микроорганизмов, к приостановке их жизнедеятельности, а иногда и к их гибели.

При попадании микроорганизмов в субстрат с ничтожно малой концентрацией веществ (например, в дистиллированную воду) в их клетках наблюдается плазмоптиз (чрезмерное насыщение цитоплазмы водой), что приводит к разрыву ЦПМ и клеточной стенки и клетка погибает. При попадании микроорганизмов в субстрат с концентрацией веществ выше оптимальных значений в их клетках наступает плазмолиз (обезвоживание цитоплазмы), ее объем уменьшается, что влечет повреждение ЦПМ. При плазмолизе в клетках приостанавливается обмен веществ, они переходят в состояние анабиоза, в котором одни микроорганизмы могут длительно сохраняться, не теряя жизнеспособности, а другие погибают. На этом основаны некоторые способы сохранения различных продуктов с помощью концентрированных растворов сахара или соли.

Одни микроорганизмы могут расти в очень разбавленных растворах, другие - даже в насыщенных растворах поваренной соли. Микроорганизмы, способные существовать в субстратах с высоким осмотическим давлением, называют осмофилами. Большинство природных сред обитания с высоким осмотическим давлением содержит высокие концентрации солей (особенно NaCl). Микроорганизмы, которые растут в таких средах, называют галофилами. Они представлены двумя основными типами: умеренными и крайними галофилами. Умеренные галофилы могут развиваться при концентрации соли 1-2%, хорошо растут в средах с содержанием соли 10%, и могут выносить даже содержание соли в среде 20%. Крайние галофилы не развиваются при содержании соли ниже 12-15% и могут хорошо расти при концентрации соли в среде 30% (насыщенный раствор).

Большинство микроорганизмов обладают слабой устойчивостью к повышенному (свыше 5%) содержанию соли в среде. Размножение многих микроорганизмов замедляется уже при концентрации NaCl 1-3%. Размножение у кишечной палочки прекращается при содержании соли 4-5%, у гнилостных бактерий - при 5-10%. Размножение некоторых патогенных микроорганизмов (например, возбудителя ботулизма) приостанавливается при концентрации NaCl 6-10%. Однако многие из микроорганизмов сохраняют жизнеспособность даже при содержании соли в среде 20%, переходя в состояние анабиоза.

Концентрация соли, необходимая для подавления развития микроорганизмов, изменяется в зависимости от других условий среды, в частности от ее реакции (pH). Развитие дрожжей в соленых продуктах подавляется в кислой среде при содержании соли 14%, а в нейтральной - только при 20%. Имеет значение и температура. При понижении температуры угнетающее влияние соли усиливается. Например, для угнетения роста мицелиальных грибов при температуре 0⁰С достаточно 8% соли, а при 20⁰С необходимо 12% . Имеются сведения об усилении действия NaCl в присутствии других соединений, в частности нитратов и нитритов.

Подавляющее воздействие соли на рост микроорганизмов обусловлено не только повышением осмотического давления. При высоких концентрациях в субстрате поваренная соль оказывает токсическое действие на микроорганизмы: подавляются процессы дыхания, нарушаются функции клеточных мембран и др.

Неспособность большинства микроорганизмов расти на средах с высокими концентрациями солей или сахара успешно используется в пищевой промышленности для консервирования различных продуктов.

В отличие от поваренной соли, растворы сахара являются для многих микроорганизмов хорошей питательной средой и гибель микроорганизмов наступает лишь при концентрациях сахара в растворе выше 65-70%.

Применение концентрированных растворов сахара или соли для сохранения ягод, плодов, овощей, мяса, рыбы и др. фактически является процессом сушки продукта посредством осмоса, так как продукты погружают в растворы сахара или соли, где активность воды меньше ее активности пищевых продуктов. При этом одновременно возникают два противотока: из растворов продукт диффундирует растворенное вещество (соль, сахар), а из продукта в раствор - вода. В продукте происходит снижение активности воды, что делает среду неблагоприятной для развития микроорганизмов и предотвращает порчу продукта.

Поскольку многие микроорганизмы, в том числе и болезнетворные, в плазмолизированном состоянии длительное время не погибают, приостанавливается лишь их активная жизнедеятельность, к перерабатываемому сырью необходимо предъявлять строгие санитарно-гигиенические требования.

Порча соленых продуктов (рыбы, солонины и др.) под влиянием галофильных и солеустойчивых микроорганизмов - явление нередкое. Примером может служить покраснение крепкосоленой рыбы - дефект, называемый фуксином, который вызывается неспорообразующей бактерией Halobacterium salinarium, образующей красный пигмент. Эта галофильная бактерия заносится в продукт с солью. Соленые товары следует хранить при низких температурах, чтобы задержать развитие на них микроорганизмов.

Порчу меда, варенья, джема и других сахаросодержащих продуктов с концентрацией сахара до 90% вызывают осмофильные дрожжи (забраживание продуктов) и мицелиальные грибы (плесневение продуктов).

Порчу многих продуктов, прошедших тепловую обработку вызывают осмофильные теплоустойчивые (выдерживающие пастеризацию продуктов) дрожжи; порча может явиться и результатом вторичного инфицирования продуктов микробами из вне. Для предотвращения этого следует разливать продукт в горячем виде в стерильную тару, герметично укупоривать ее и хранить при пониженной температуре.