5.7. Вплив факторів довкілля на мікроорганізми

5.7.1. Вплив фізичних факторів довкілля на мікроорганізми

Температура. Нормальна життєдіяльність мікроорганізмів проходить у пев­них температурних межах, від яких залежить швидкість їх розмноження, інтен­сивність протікання процесів обміну речовин у клітинах. По відношенню до дії температури мікроорганізми поділяють на 3 групи: термофіли, психрофіт і ме­зофіли.

Термофіли — це найбільш теплолюбні мікроорганізми. Температурний мак­симум для них складає 70-85° С, оптимум — 50-60° С і мінімум — 30° С. Із гарячих джерел виділено бактерії, що живуть при температурі 105° С (екстремальні тер­мофіли).

Здатність термофільних мікроорганізмів розвиватися при відносно високих температурах пояснюється низьким вмістом у їхніх клітинах вільної та зв'язаної води, підвищеною кількістю іонів кальцію та калію, стабільністю ферментів при високих температурах, високою механічною стійкістю клітинної мембрани, що містить ліпіди, багаті насиченими жирними кислотами.

Психрофіли — це холодолюбні мікроорганізми, для яких характерні темпера­турний максимум біля 30° С, оптимум у межах 10-15° С і мінімум — 0-10° С. У них ферменти мають низький рівень активації, у клітинних мембранах перева­жають ненасичені жирні кислоти, внаслідок чого вони залишаються напіврід­кими і не замерзають.

Мезофіли найкраще розвиваються при температурі від 20 до 40° С. Температур­ний максимум для них складає 40-50° С, оптимум — 25-35° С, мінімум — 5-10° С.

Багато мікроорганізмів можуть проявляти стійкість до тих значень темпера­тури, при яких їхній ріст проходити не може. Кардинальні температурні точки одних і тих же мікроорганізмів можуть бути різними, залежно від їхнього фізіо­логічного стану.

Високі температури є згубними для мікроорганізмів, оскільки вони викли­кають денатурацію білків та руйнування ферментів. Більшість безспорових бак­терій гине при 60° С через ЗО хвилин, при 80-100° С через 1-2 хвилини. Плісеневі гриби і дріжджі гинуть при 50-60° С. Найбільш термостійкими є спори бактерій, особливо термофільних. Вони витримують нагрівання до 100° С і вище впро­довж кількох годин (табл. 5.2).

У вологому середовищі спори бактерій гинуть при 120-130° С, у сухому стані — при 160-170° С через 1-2 години. Спори більшості плісеневих грибів і дріжджів менш стійкі до нагрівання, порівняно зі спорами бактерій, і гинуть при 65-80° С. Так, спори деяких плісеней витримують нагрівання до 100° С. Їхня ви­сока термостійкість обумовлена низьким вмістом у них вільної води, наявністю діпіколінової кислоти і кальцію.

Термостійкість спор бактерій

Назва бактерій
Вас. mycoides	5-10
Вас. subtilis	120-180
Clostridium botulinum	300-350
Вас. mesentericus	15-16

Згубну дію високих температур на мікроорганізми широко використовують у різних галузях для боротьби з ними (стерилізація, пастеризація, тривале кип'ятіння, автоклавування, фламбування, тиндалізація тощо).

У харчовій промисловості широко застосовують пастеризацію і стерилізацію.

Пастеризація — це термічна обробка продукту при температурі нижчій за 100° С, найчастіше при 65-80° С. Іноді пастеризацію проводять нагріванням при 90-100° С упродовж кількох секунд. При пастеризації гинуть не всі мікроорга­нізми. Деякі термофільні бактерії і спори можуть залишитися живими. У зв'язку з цим, пастеризовані продукти слід зберігати на холоді, щоб затримати проро­стання спор і розвиток вегетативних клітин.

Стерилізація — це термічна обробка при температурі, вищій за 100° С упро­довж часу, який необхідний для знищення всієї мікрофлори, тобто вегетативних клітин і спор. Стерилізацію консервів проводять переважно в автоклаві при тем­пературі 112-125° С упродовж 20-40 хвилин. Підвищення тиску пари в автоклаві на 0,5 атм відповідає температурі 110,8° С, на 1 атм — 120,6° С, на 2 атм-132,2° С.

Ефективність пастеризації чи стерилізації залежить від кількісного та якісного складу мікрофлори продукту, його хімічного складу, термостійкості мікробів, умов проведення (температури, тиску, тривалості) тощо. Наприклад, чим більше солі у продукті і вища його кислотність, тим швидше гинуть мікроорганізми.

Низькі температури мікроорганізми переносять краще, ніж високі. Деякі бактерії і дріжджі можуть рости при температурі —5° С, плісеневі гриби при — 8° С. Бактерії черевного тифу зберігають життєздатність упродовж 2 годин при — 252° С, кишкової палички — 20 годин при —172° С —190° С, туберкульозу — 8 днів при —180° С. Проте більшість мікроорганізмів не здатні розвиватися при темпе­ратурі нижче нуля. Деякі молочнокислі бактерії вже не ростуть при 10° С.

Причиною загибелі мікроорганізмів при низьких температурах є порушення обміну речовин у клітинах, інактивація ферментів, підвищення осмотичного тиску середовища в результаті вимерзання з нього води. Зустрічаються мікро­організми, які при температурі, нижчій за мінімальну, переходять упродовж три­валого часу у стан «прихованого життя». При підвищенні температури вони знову активно розмножуються.

Низькі температури широко використовують для зберігання продовольчих товарів, особливо тих, що швидко псуються. Харчові продукти зберігають в охо­лодженому стані при 10 — -2° С і у замороженому — при -12 — -30° С. В охолод­жених продуктах краще зберігаються їхні натуральні властивості, але ріст мікроорганізмів не припиняється, а тільки сповільнюється. У зв'язку з цим тер­міни їхнього зберігання обмежені. При заморожуванні відмирає значна кількість мікроорганізмів, але деякі все ж таки зберігають життєздатність тривалий час. Стійкість мікроорганізмів до заморожування залежить від їхнього виду, темпе­ратури і швидкості заморожування, складу середовища. На практиці, заморо­жені продукти зберігаються впродовж тривалого часу (місяцями) без ознак мікробного псування. Значний вплив на збереження якості харчових продуктів при низьких температурах мають санітарно-гігієнічні умови проведення їх охо­лодження і утримання в холодильниках. Холодильні камери слід утримувати в чистоті, періодично дезінфікувати і підтримувати в них відповідний темпера­турно-вологий режим.

Після розморожування (дефростації) мікроорганізми можуть почати швидко розмножуватися і викликати псування продуктів. Тому заморожені харчові про­дукти рекомендують розморожувати безпосередньо перед їх вживанням.

Вологість середовища. Життєдіяльність мікроорганізмів здійснюється лише в умовах достатньої вологості. З водою у бактеріальну клітину потрапляють по­живні речовини і видаляються продукти життєдіяльності. Вода створює опти­мальні умови для розчинення мінеральних солей і для багатьох реакцій обміну, які відбуваються у клітинах. Мікроорганізми можуть розвиватися тільки у суб­стратах, які містять необхідну кількість вільної води. Для кожного мікроорга­нізму існує критична межа, нижче якої його розвиток припиняється. При цьому мікроорганізми переходять в анабіотичний стан, а деякі навіть гинуть.

За потребою, у воді, мікроорганізми поділяють на гідрофіти — вологолюбні, мезофіти — середньовологолюбні і ксерофіти — сухолюбні.

Для розвитку мікроорганізмів важливим є не загальний вміст вологи у суб­страті, а її доступність. Доступність вологи називають активністю води (aw). Цей показник виражає відношення тиску парів води над даним субстратом Р до тиску парів води над чистою водою РО при одній і тій же температурі: aw = Р/ РО. Зна­чення активності води знаходиться в інтервалі від 0 до 1 і характеризує відносну вологість субстрату. Активність дистильованої води дорівнює 1, абсолютно зне­водненої речовини — 0.

Показник активності води є більш надійною характеристикою вологи, яка необхідна для розвитку мікроорганізмів, ніж вологість субстрату, яка змінюється залежно від відносної вологості повітря. Мікроорганізми живуть за активності води 0,99-0,62. Нижча активність їхній ріст затримує. Оптимальне значення ак­тивності води для багатьох мікроорганізмів складає 0,99-0,98. Більшість бактерій не розвивається за активності води у субстраті нижче 0,94-0,90, дріжджів — 0,88-0,85, плісеневих грибів — 0,8. При нестачі вологи втрачається різниця між осмотичним тиском всередині клітини і в оточуючому середовищі, припи­няється транспортування поживних речовин.

Внаслідок різної потреби у волозі мікроорганізми неоднаково переносять ви­сушування. Так, оцтовокислі бактерії при висушуванні гинуть через кілька годин, молочнокислі бактерії зберігають життєздатність до кількох років і використо­вуються у сухих заквасках для виготовлення кисломолочних продуктів, а сухі дріжджі зберігають активність до двох років. Досить стійкими до висушування є патогенні бактерії. Холерний вібріон переносить висушування впродовж 48 годин, збудники черевного тифу — 70 діб, стафілококи і мікрококи — 90 діб. Патогенні стрептококи були життєздатними протягом 25 років після зберігання висуше­ними, збудники туберкульозу — протягом 17 років, дифтерії — 5 років. Висушені спори бактерій зберігають здатність до проростання впродовж 2-3 років, спори бацил сибірської виразки — до 10 років, деяких плісеневих грибів — до 20 років. Живі мікроорганізми знаходили у римських гробницях через 1800 років.

Висушування з давніх часів використовують для зберігання таких харчових продуктів, як: м'ясо, риба, овочі, плоди, гриби тощо. У сухому вигляді збері­гають зерно, борошно, крупи, макаронні вироби, харчові концентрати, борош­няні кондитерські вироби, лікарсько-технічну сировину, інші матеріали та товари. У сухому середовищі мікроорганізми повністю не гинуть.

При зниженні температури повітря зменшується його волого-утримуюча здатність, і навпаки. У зв'язку з цим, кількість водяних парів у повітрі може бути вищою за межу їхнього насичення, що призводить до зволоження товарів і сприяє розвитку на них мікроорганізмів. Встановлено, що найменша відносна вологість повітря, за якої можливий ріст мікроорганізмів, становить 65-70 %. Можливість розвитку мікроорганізмів у продуктах і на непродовольчих товарах можна встановити і за величиною активності води. Значення активності води помножене на 100 відповідає відносній вологості повітря, вираженій у відсотках, якщо система товар — повітря знаходиться у рівновазі. За час зберігання і транс­портування товарів необхідно дотримуватися встановлених режимів, пакувати їх у спеціальну тару, щоб запобігти зволоженню.

Променева енергія. Видиме світло (380-800 нм) на більшість мікроорганізмів діє згубно. У деяких плісеневих грибів у темноті добре розвивається міцелій, а спори не утворюються. Світло необхідне тільки фотосинтезуючим мікроорга­нізмам. Вони поглинають його і перетворюють світлову енергію у хімічну, яку використовують для синтезу окремих компонентів клітини.

Ультрафіолетові промені (20-400 нм) є найбільш активною частиною соняч­ного спектру. Вони поглинаються білками та нуклеїновими кислотами мікро­організмів і викликають у них незворотні зміни, інактивують ферменти. Найбільшу бактерицидну дію на мікроорганізми мають УФ-промені з довжиною хвилі 250-260 нм. Загибель мікроорганізмів може бути також наслідком дії УФ-променів на субстрат, у якому утворюються такі шкідливі речовини, як перекис водню, озон тощо.

Ефективність дії УФ-променів на мікроорганізми залежить від кількості по­глинутої ними енергії, тобто дози опромінення, яка визначається бактерицид­ною силою джерела опромінення, відстанню від джерела до об'єкту і тривалістю опромінення. Має також значення ступінь забруднення мікробами субстрату, його температура і рН. Не всі мікроорганізми під дією УФ-променів гинуть од­ночасно. Кулясті бактерії гинуть швидше, ніж паличкоподібні, молоді клітини раніше від старих, вегетативні клітини швидше від спор, патогенні мікроби ра­ніше, ніж сапрофіти. Серед неспороутворюючих бактерій найбільш стійкими до дії УФ-променів є пігментоутворюючі стафілококи і сарцини, у яких пігмент знаходиться у протоплазмі, а найбільш чутливими — бактерії, у яких пігмент ви­діляється в оточуюче середовище. Щоб знищити неспорові бактерії, необхідно 5 хвилин дії на них УФ-променів, спори і дріжджі — 10-25 хв, плісеневі гриби — 50-75 хв. При обробці повітря УФ-променями впродовж 6 годин гине до 80% бактерій і плісеневих грибів. Під впливом УФ-променів з довжиною хвилі 260-300 нм дуже швидко інактивуються віруси.

Малі дози УФ-променів стимулюють ріст деяких мікроорганізмів, більш ви­сокі, що не викликають їх загибелі, можуть змінювати морфологічні, фізіоло­гічні та біохімічні властивості, впливати на спадковість. Враховуючи це, можна отримати мутанти мікроорганізмів з високою здатністю продукувати біологічно активні речовини, ферменти, антибіотики.

Бактерицидна дія УФ-променів з використанням ртутно-кварцових бакте­рицидних лами знайшла широке практичне застосування для дезінфекції по­вітря у лікувальних закладах та виробничих приміщеннях (маслоробні, сироварні, м'ясопереробні цехи), в холодильних камерах, знезаражування по­верхні обладнання, апаратури, посуду, пакувальних матеріалів, тари, при роз­ливі, фасуванні й пакуванні харчових продуктів. УФ-опромінення м'ясних товарів у поєднанні з холодом продовжує терміни їхнього зберігання у 2-3 рази. Під впливом ультрафіолету через дві хвилини гине до 99 % гнильних бактерій, які викликають ослизнення м'яса. Останнім часом УФ-промені успішно вико­ристовують для дезінфекції питної води, стерилізації вакцин, сироваток, пло­дових соків і вин. У харчовій промисловості переважно застосовують лампи УФ-світла з довжиною хвилі 253,7 нм.

Використання УФ-променів з метою стерилізації харчових продуктів об­межене через їхню низьку проникливість. Практично відбувається тільки по­верхнева стерилізація або стерилізація у дуже тонкому шарі. У таких продуктах, як молоко, вершкове масло, жири, УФ-промені погіршують їх спо­живчі властивості.

Інфрачервоні промені негативно діють на мікроорганізми при обробці ними харчових продуктів, оскільки їхня енергія перетворюється у теплову.

Лазерне випромінювання — це пучок електромагнітних променів у діапазоні від інфрачервоного до ультрафіолетового спектрів. Його одержують за допомо­гою оптичних квантових генераторів — лазерів. Під впливом цього випроміню­вання підвищується температура, відбувається коагуляція білка і розпад клітин. Руйнівна дія лазерних променів на мікроорганізми залежить від сили випромі­нювання, довжини хвилі, тривалості імпульсів, властивостей середовища і опро­мінюваного об'єкту. За даними A.A. Кудряшової, спори мікроорганізмів більш стійкі до лазерного випромінювання, ніж вегетативні клітини.

Рентгенівські промені — це короткохвильові електромагнітні випроміню­вання з довжиною хвилі 0,005-2 нм, що мають високу проникаючу здатність. У малих дозах (0,5 Гр) вони можуть стимулювати ріст деяких мікроорганізмів. При підвищенні дози до 3-5 Гр змінюються морфологічні та фізіологічні властивості мікроорганізмів, затримується, а згодом і припиняється їх ріст та розмноження клітин. До рентгенівських променів більш чутливими є клітини мікроорганізмів на стадії ділення або росту, а також молоді. Стійкими є грампозитивні бактерії, дріжджі, гриби, спори, віруси.

Радіоактивне випромінювання. До них відносять а-промені (високошвид-кісні ядра гелію), ß-промені або катодні промені (високошвидкісні елек­трони) і у промені (короткохвильові рентгенівські промені), що відрізняються один від одного природою і властивостями, зокрема, здатністю проникати через різні речовини. Під впливом радіоактивного випромінювання у мікро­організмів порушується обмін речовин у клітинах, руйнуються молекулярні структури і ферменти. Ефективність дії залежить від дози опромінення. Дуже малі дози радіоактивних променів і короткочасна їх дія прискорюють ріст мік­роорганізмів, активізують їх життєдіяльність, тобто, мають стимулюючий ефект.

За стійкістю до радіоактивного випромінювання A.A. Кудряшова поділяє мікроорганізми на групи: радіочутливі — з летальною дозою до 5 КГр, відносно радіостійкі — до 10 КГр, мезорадіостійкі — до 15 КГр, радіостійкі — до 20 КГр і високорадіостійкі — більше 20 КГр.

Найбільш чутливими до радіоактивних променів є психрофільні та грамне-гативні бактерії — збудники псування м'ясних і рибних продуктів. Високу ра­діостійкість мають мікрококи (особливо до у-променів), спори бактерій і грибів та віруси. Ураження мікроорганізмів радіоактивними променями залежить від дози опромінення за одиницю часу, віку клітин, температури, складу середо­вища. Деякі мікроорганізми здатні відновлювати життєздатність після радіо­активного випромінювання.

Для обробки харчових продуктів, з метою запобігання їхнього швидкого псу­вання, найбільш придатні у-промені, що мають найбільшу проникну здатність. Джерелом їх є ізотопи Co⁶⁰ і Cs¹³⁷. Радіаційну обробку харчових продуктів про­водять різними дозами опромінення.

Радисидащя — це обробка у дозах, достатніх для загибелі патогенних для лю­дини мікроорганізмів (4-6 КГр). Радуризація — це обробка харчових продуктів з метою зменшення чисельності мікроорганізмів, що викликають їх псування і втрату маси (6-10 КГр). Вона проводиться з метою промислової стерилізації хар­чових продуктів в умовах, що викликають повторну контамінацію їх мікроорга­нізмами (10-50 КГр). Радіобіологічний ефект при обробці харчових продуктів залежить від їхнього хімічного складу і агрегатного стану, поглинутої ними дози радіоактивних променів та їх сили, від складу і чисельності мікрофлори. У дея­ких продуктів обробка у-променями викликає зміну кольору, запаху, смаку, пом'якшення тканин. У цих випадках рекомендують знизити дозу опромінення і продовжити зберігання в умовах холодильника. За рішенням таких міжнарод­них організацій, як ВООЗ (Всесвітня організація охорони здоров'я при ООН), ФАО (Продовольча і сільськогосподарські організації при ООН), МАГАТЕ (Міжнародне агентство з атомної енергії при ООН), Об'єднаного комітету екс­пертів, в опромінених харчових продуктах не повинно бути патогенних мікро­організмів, мікробних токсинів і токсичних речовин, що можуть утворюватися в результаті опромінення. Перелік харчових продуктів, які дозволено опромі­нювати радіоактивними променями, затверджений міжнародними організа­ціями. В Україні, у кожному окремому випадку, дозвіл видають органи охорони здоров'я. Радіостійкість деяких мікроорганізмів представлена у таблиці 5.3.

Таблиця 5.3.