Пищевая микробиология. Учебное пособие для студентов магистратуры по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнология» всех форм обучения

в основе профилактики пищевых заболеваний и комплексной оценки качества пищевых продуктов

1.2. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЫЗЫВАЕМЫ ГЕТЕРОТРОФАМИ

Имеется большая группа микроорганизмов, при размножении которых ухудшаются свойства продуктов, происходит их порча: гниение, прокисание, брожение. При этом пищевые вещества, особенно белок, разлагаются с образованием химических соединений, придающих продуктам неприятные, несвойственные им вкус, цвет, запах. К таким соединениям относятся скатол, индол, кадаверин, аммиак, сероводород и др. К микроорганизмам, вызывающим порчу продуктов, относится большая группа гнилостных и других микроорганизмов, вызывающих уксуснокислое, маслянокислое брожение, гниение, плесневение: на методах определения наличия этих соединений основано установление качества пищевых продуктов в пищевых лабораториях.

Пищевые продукты – благоприятная среда для развития микроорганизмов – сапрофитов, в том числе и возбудителей пищевых отравлений. Кроме того, через пищевые продукты могут передаваться и возбудители инфекций – заразных заболеваний, которые непосредственно в пищевых продуктах не размножаются.

Спиртовое брожение – микробиологический процесс превращения углеводов в спирт и углекислый газ. Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, некоторыми бактериями и отдельными представителями мукоровых грибов.

В качестве источника углерода используют глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу. Крахмал дрожжи не сбраживают, так как амилолитические ферменты у них отсутствуют. Поэтому крахмалсодержащее сырье подвергают осахариванию при участии амилаз различного происхождения. Концентрация сахара 10–15 % наиболее благоприятна для большинства дрожжей. В качестве источника азота используются аммонийные соли органических кислот и аминокислоты. Происходит в анаэробных условиях при температуре 20–28 °С.

Спиртовое брожение лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина, используется в хлебопечении. Совместно с молочнокислым брожением оно применяется при производстве кваса, кефира, кумыса.

11

Молочнокислое брожение – процесс превращения углеводов молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. В основу этого деления положены конечные продукты, образуемые при гомо- и гетероферментативном молочнокислом брожении.

При гомоферментативном молочнокислом брожении образуется преимущественно молочная кислота. Это молочнокислые стрептококки:

Streptococcus lactis, S. cremoris, S. thermophilus, а также молочнокислые палочки: Lactobacillus delbrueckii, L. acidophilus, L. bulgaricus, L. ptantarum.

Конечными продуктами гетероферментативного брожения являются не только молочная кислота, но и побочные продукты: уксусная кислота, этиловый спирт, янтарная кислота, диоксид углерода, водород. К ним относятся бактерии рода Streptococcus: S. diacetilactis, S. acetoinicus; бактерии рода Lactobacillus: L. brevis, L. helveticus, а также бактерии рода Leuconostoc: L. mesenteroides, L. cremoris.

Все молочнокислые бактерии грамположительные, факультативные анаэробы. Оптимальное значение рН для развития молочнокислых бактерий около четырех. Молочнокислые бактерии образуют от 1 до 3,5 % молочной кислоты. По отношению к температуре есть мезофилы (предпочитают температуру около 30 °С) и термофилы

(Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus), оптимальной температурой для которых является температура около 40–50 °С.

Применяются при изготовлении кисломолочных продуктов, сливочного масла, маргарина, используется в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов и производстве молочной кислоты.

Многие мезофильные гетероферментативные молочнокислые бактерии и лейконосток являются вредителями в производстве спирта, пива, вина, безалкогольных напитков, сахара и др.

Пропионовокислое брожение вызывается пропионовокислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium.

Единственным источником энергии для пропионовокислых бактерий является процесс сбраживания различных веществ: моносахаридов (гексоз, пентоз), молочной, яблочной кислот, глицерина и других в пропионовую и уксусную кислоту, диоксид углерода и воду.

Это небольшие, неподвижные грамположительные палочки, не образующие спор, факультативные анаэробы. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных и в молоке. Пропионовокислое брожение используется в сыроделии, придавая сырам кисловатоострый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков углекислый газ образует «глазки» в сыре, активно синтезирует витамин В12.

12

Маслянокислое брожение – анаэробное окисление органических веществ маслянокислыми бактериями в масляную кислоту.

Маслянокислые бактерии относятся к роду Clostridium. Это крупные, подвижные грамположительные палочки, образующие устойчивые споры, при образовании которых клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки, облигатные (строгие) анаэробы.

По характеру используемых субстратов маслянокислые бактерии делятся на две группы:

сахаролитические сбраживают в основном углеводы: крахмал, гликоген, пектиновые вещества, целлюлозу (Ctostridium butyricum), протеолитические, которые разлагают белки и пептоны до аминокислот и затем их сбраживают (Clostridium sporogenes, Cl. subterminalis, C. perfringens, Cl. botulinum).

Клостридии могут вызвать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов, прогоркание масла и маргарина, увлажненной муки и других продуктов, чем наносят большой урон народному хозяйству. Борьба с маслянокислыми бактериями затруднена из-за высокой устойчивости спор.

Уксуснокислое брожение – аэробное окисление углеводов и спирта уксуснокислыми бактериями в уксусную кислоту. Таким образом, это брожение относится к неполным окислениям, или окис-

лительным брожениям.

Возбудителями уксуснокислогоброженияявляются уксуснокислые бактерии, принадлежащие к двум родам: Gluconobacter и Acetobacter. Это короткие, подвижные грамотрицательные палочки, не образующие спор. Оптимальная температура развития – 30 °С. Бактерии кислотоустойчивы, оптимальное значение рН для развития составляет 5,4–6,3. Обитают на цветах, зрелых фруктах, ягодах, овощах, в прокисших соках, пиве, вине, квашеных овощах.

Уксуснокислые бактерии используются в промышленности для получения натурального спиртового уксуса (Acetobacter aceti). Кроме того, производят также винный уксус из вина и яблочный уксус из яблочного сока. Но являются вредителями спиртового, пивоваренного, консервного производств, виноделия, производства безалкогольных напитков.

Разложение жиров. Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Процесс разложения протекает только в аэробных условиях. Вначале происходит гидролиз жира при участии фермента липазы, образуются глицерин и высшие жирные кислоты. Глицерин подвергается окислению уксуснокислыми бактериями до диоксиацетона и далее микроскопическими грибами до углекислого

13

газа и воды. Высшие жирные кислоты окисляются труднее и медленнее. В процессе окисления образуются промежуточные продукты: кетоны, альдегиды, оксикислоты, которые придают окисленному жиру прогорклый вкус.

Возбудителями разложения жира являются бактерии рода Pseudomonas, особенно флуоресцирующие, продуцирующие пигменты и мицелиальные грибы: Oidium lactis, многие виды Aspergillus,

Penicillium.

В пищевой промышленности микроорганизмы, окисляющие жиры приносят вред, вызывая порчу пищевых жиров и жира, содержащихся в различных пищевых продуктах. Многие жирорасщепляющие микроорганизмы являются психрофилами, поэтому способны развиваться при хранении пищевых продуктов в охлажденном состоянии.

Разложение белковых веществ – гниение (аммонификация) –

процесс глубокого разложения белковых веществ. Одним из конечных продуктов является аммиак, поэтому процесс гниения называют аммонификацией.

Белки – высокомолекулярные соединения, поэтому вначале они подвергаются внеклеточному расщеплению протеолитическими ферментами микроорганизмов, которые являются экзоферментами.

Расщепление белков происходит ступенчато: белки → пептоны → → полипептиды → аминокислоты.

Аэробное гниение. При белковом гниении кроме аммиака образуются диоксид углерода, сероводород и меркаптаны, обладающие запахом тухлых яиц. Сероводород и меркаптаны образуются при разложении серосодержащих аминокислот цистина, цистеина, метионина.

Возбудителями являются спорообразующие бактерии рода

Bacillus: B. mycoides (грушевидная бацилла); B. megaterium (капустная бацилла); B. mesentericus (картофельная палочка); B. subtilis (сенная палочка), а также неспорообразующие палочки: Serrate marcencens

(чудесная палочка); Proteus vulgaris (палочка протея); Escherichia coli

(кишечная палочка).

Анаэробное гниение. При этом виде гниения образуются продукты декарбоксилирования аминокислот (отщепление карбоксильной группы) с образованием дурно пахнущих веществ: индола, скатола, фенола, крезола, диаминов – птомаина и птуресцина, производные которых являются трупными ядами и могут вызывать отравления. Возбудители этих процессов – анаэробные споровые палочки, протео-

литические клостридии рода Clostridium: Cl. stridium sporogenes, Cl. subterminalis, Cl. perfringens, Cl. botulinum.

14

Гнилостные микроорганизмы наносят большой ущерб хозяйству, вызывая порчу богатых белками продуктов питания: мяса и мясопродуктов, яиц, молока, рыбы и рыбопродуктов.

В природных зонах – в воде, почве – гнилостные бактерии активно разлагают отмершие животные и растительные ткани, минерализуют белковые вещества и тем самым играют важную роль в круговороте углерода и азота.

Все патогенные микроорганизмы относятся к хемоорганогетеротрофам, которые в качестве источника углерода и азота используют органические соединения из живых клеток (паразиты). В пищевых продуктах они не размножаются, но могут длительное время сохранять свою жизнеспособность. Таким образом, пищевые продукты при неправильном технологическом режиме их производства и хранения могут служить причиной пищевых заболеваний – пищевых инфекций и пищевых отравлений.

Контрольные вопросы и задания

1.Что изучает микробиология?

2.Какую играют роль микроорганизмы в природе и технологиях?

3.Какие общие свойства характерны для микроорганизмов?

4.В чем состоит роль микроорганизмов в жизни человека?

5.Какие микроорганизмы относят к группе патогенных?

6.Чем отличается группа токсикогенных микроорганизмов?

7.Что лежит в основе профилактики пищевых заболеваний?

8.Какие условия требуются для спиртового брожения?

9.Какие микроорганизмы вызывают молочнокислое брожение?

10.Чем отличается гомоферментативное и гетероферментативное молочное брожение?

11.Вкакихусловияхосуществляетсяпропионовокислоеброжение?

12.Назовите группы клостридий.

13.Какие возбудители вызывают уксуснокислое брожение?

14.Почему уксуснокислые бактерии являются вредителями некоторых производств?

15.Какиепродуктыобразуютсяпримикробномокислениижиров?

16.Какие возбудители вызывают аэробное гниение продуктов?

17.Чем отличается анаэробное гниение от анаэробного разло-

жения?

15

18.Какие причины способствуют порче и микробному загрязнению пищевых продуктов?

19.Какими факторами определяются ферментативные возможности микроорганизмов?

20.Какие причины способствуют достаточно быстрой порче продуктов питания?

21.Какими внешними признаками сопровождаются процессы размножения микроорганизмов в продуктах питания?

22.Какие ферменты участвуют в разложении белков, полисахаридов, липидов?

16

2. ТИПИЧНЫЕ ПИЩЕВЫЕ ИНФЕКЦИИ

Патогенные микробы отличаются способностью проникать в макроорганизм, распространяться и размножаться в нем, преодолевать его защитные барьеры, вырабатывая при этом особые ядовитые вещества – токсины, многие из которых по активности превосходят наиболее известные химические яды.

Пищевые (алиментарные) заболевания – заболевания, причи-

ной которых служит пища, инфицированная токсигенными микроорганизмами или токсинами микробов. Они возникают при употреблении недоброкачественной пищи, в которой содержатся патогенные микроорганизмы.

Вместе с пищей в организм человека таким образом вносятся возбудители самых различных заболеваний – дизентерии, брюшного тифа, туберкулеза, сибирской язвы, ботулизма и др.

Различают две группы пищевых заболеваний микробной природы: пищевые инфекции и пищевые отравления (интоксикации).

Инфекция – сложный биологический процесс, возникающий в результате проникновения патогенных микробов в организм и нарушения постоянства его внутренней среды. При этом в организме происходят сложные процессы, когда он стремится восстановить прежнее состояние, уничтожить чужеродные вещества всеми своими механизмами.

Термин «инфекция» (infectio) – заражение, или инфекционный процесс, обозначает сложный биологический процесс, совокупность физиологических, патологических и адаптационных реакций, возникающих в восприимчивом макроорганизме под воздействием проникших и размножающихся в нем патогенных микроорганизмов.

Источником (резервуаром) возбудителей инфекционных заболеваний являются больные люди и животные, а также бактерионосители, выделяющие патогенные микробы во внешнюю среду. Бактерионосительство может быть кратковременным – до нескольких недель (холерный вибрион) и длительным – до десятков лет (возбудитель брюшного тифа).

Инфекционные болезни характеризуются особым признаком, не свойственным другим болезням, – они являются заразными, т. е. способными передаваться от больных лиц здоровым.

В основе этого процесса лежит паразитизм, как форма взаимоотношений между макро и микроорганизмом, при котором один

17

использует другого как источник питания и местообитания, причем оба относятся друг к другу антагонистически.

Выделяют три категории паразитов.

1. Облигатные – никогда не попадают в окружающую среду. Все фазы развития проходят в одном хозяине. Внутриклеточные – риккетсии и хламидии. Внеклеточные – микоплазмы, холерный вибрион, лептоспира.

2. Факультативные – могут находиться во внешней среде, но только кратковременно. Внутриклеточные – шигеллы, сальмонеллы, бруцеллы.

3. Случайные паразиты. Для них внешняя среда – почва, вода, растения являются нормальной средой местообитания. Паразитическая фаза существования – эпизодическая, случайная. Это так называемые

сапронозные инфекции.

Условно-патогенные микробы, или оппортунистические, оказывают патогенное влияние только в случае проникновения внутрь

вбольших количествах на фоне резкого снижения защитных сил макроорганизма. В норме они находятся на коже и слизистых, либо

вокружающей среде – продуктах, воде, почве.

Инфекционная болезнь – это индивидуальный случай инфекционного процесса, т. е. нарушение гомеостаза, внутреннего постоянства организма, характерно для каждого индивидуума, протекает со своими особенностями и зависит от трех групп факторов:

–состояния иммунной системы макроорганизма, его восприимчивости (проявления, длительность, тяжесть процесса);

–количества и качественных характеристик микроорганизма возбудителя (специфичность инфекционного процесса);

–сочетания факторов внешней среды (экологически условий). В возникновении пищевых инфекций ведущая роль

принадлежит живым микробам, пищевые продукты являются только передатчиками токсигенных микроорганизмов (табл. 1).

18

Для возникновения инфекционного процесса имеют значение количество патогенных микробов, их активность, способ заражения и место внедрения возбудителя («входные ворота инфекции»), обеспечивающие контакт возбудителя с чувствительными клетками.

Передача инфекции может осуществляться: прямым контактом от больного человека к здоровому;

косвенными путями – фекально-оральный – через воздух, воду, почву, пищевые продукты, загрязненные руки, предметы обихода; воздушно-капельный; трансмиссионным – переносчиками являются насекомые, грызуны.

Пищевые инфекции заразны и очень опасны, так как многие пищевые продукты, с которыми они могут распространяться, употребляются людьми ежедневно.

Пищевые отравления обычно незаразны. Они характеризуются острым течением и проявляются вскоре после употребления зараженной пищи, внешне, как правило, вполне доброкачественной.

Возбудителями пищевых инфекций являются патогенные микроорганизмы, к основным свойствам которых относятся:

–патогенность – потенциальная способность определенного вида микробов приживаться в макроорганизме, размножаться и вызывать определенное заболевание; степень патогенности – вирулентность – не является постоянным признаком для данного микроорганизма, и под влиянием условий внешней среды (действие света, высушивание) она может быть повышена, понижена и даже утрачена;

–токсикогенность – особенность патогенных микроорганизмов вырабатывать токсины. Токсины обуславливают болезнетворное действие микроорганизмов.

Для оценки степени вирулентности патогенных микроорганизмов устанавливают единицу вирулентности – ДСМ (доза смертельная минимальная). Это наименьшее количество живых микроорганизмов, вызывающее гибель тех или иных животных в 80 % случаев.

19

Для более определенной характеристики используют DCL (доза безусловно смертельная), вызывающую гибель всех животных.

Большое влияние на сопротивляемость организма оказывает характер питания, санитарно-гигиенические условия труда и быта, климатические и сезонные факторы, сопутствующие заболевания, состояние иммунной системы.

Пищевые инфекции возникают при активном размножении и токсинообразовании возбудителей в организме хозяина. Эти заразные заболевания передаются от одного человека к другому в основном через пищевые продукты, воду, реже иными путями.

Различают алиментарный (от лат. alimentum — пища) механизм передачи в случае при локализации возбудителя в кишечнике (брюшной тиф, дизентерия и др.). Для возникновения пищевой инфекции достаточно содержания в пище небольшого числа возбудителей. Пищевые продукты являются лишь передатчиками патогенных микроорганизмов, которые обычно в них не размножаются.

Попадание патогенного микроба в организм не всегда ведет к заболеванию. Возникновение инфекционного процесса тем вероятнее, чем агрессивнее микроб в отношении организма, т. е. чем выше его вирулентность, чем большее количество микробов одновременно проникло в организм.

Инфекционное заболевание проявляется не сразу, а через определенное время после проникновения патогенного микроорганизма. Время от внедрения его в организм до проявления первых признаков болезни называется инкубационным (скрытым) периодом. Продолжительность его зависит от вирулентности и количества внедрившихся микробов, места проникновения, состояния самого организма животного и окружающих условий.

Для существования в макроорганизме микроорганизмы должны обладать способностью к адгезии, инвазивности и агрессивности,

оказывать повреждающее воздействие на ткани и органы. Материальные носители, выполняющие эти функции, называются факторами патогенности.

Адгезию осуществляют специальные белки и тейхоевые кислоты у гр+ микроорганизмов; фимбрии или пили у гр– клеток, у микоплазм – белков выростов мембраны.

Инвазивностью (invasio) – нападением называют способность проникать через кожные покровы и распространяться внутри.

Агрессивностью – способность жить, размножаться и противостоять защите организма и распространяться в нем. Для этого они продуцируют ферменты агрессии и инвазии, к которым относят:

20