Влажность

На жизнедеятельность микроорганизмов большое влияние оказывает влажность среды. Вода входит в состав их клеток (до 85%) и поддерживает тургорное давление в них. Питательные вещества, могут проникать внутрь клетки лишь в растворенном состоянии, и в растворенном виде удаляются из клетки продукты обмена. Все химические реакции протекающие в клетках, требуют также наличие водной среды. Поэтому, обезвоживание субстрата (продукта), и клеток микроорганизмов, приводит к задержке их развития, они остаются недеятельными, хотя и могут сохранять жизнеспособность. При увеличении влажности жизнедеятельность микроорганизмов восстанавливается.

Микроорганизмы в зависимости от их отношения к влажности среды делятся на гидрофитов (влаголюбивых), мезофитов (средневлаголюбивых) и ксерофитов (сухолюбивых). Большинство бактерий и дрожжей гидрофиты. Многие мицелиальные грибы - мезофиты, но среди них встречаются как гидрофиты, так и ксерофиты. Для бактерий минимальная влажность субстрата, в частности, пищевых продуктов, при которой они еще могут развиваться, составляет 20-30%, для мицелиальных грибов - 11-13%,т.е. они могут расти на едва увлажненных субстратах.

Для развития микроорганизмов важна не абсолютная величина, т.е. общее содержание влаги в субстрате, а ее доступность. Химически связанная вода, например, в коллоидах клетки (белках, полисахаридов и других), недоступна для микроорганизмов, в частности она не может служить растворителем питательных веществ. Микроорганизмы развиваются только при наличии доступной влаги. Доступность, содержащейся в субстрате (продукте), влаги носит название активности воды - (a_w). Этот показатель выражает отношение давления паров воды над данным субстратом (P) к давлению паров воды над чистой водой (P₀) при одной и той же температуре:

a_w= P/ P₀

Значение активности воды (a_w) лежит в интервале от 0 до 1 и характеризует относительную влажность субстрата. Активность дистиллированной воды равна 1, активность воды абсолютно обезвоженного вещества равна 0.

Показатель активности воды является более надежной характеристикой качества влаги, необходимой для роста микроорганизмов, чем абсолютная величина влажности субстрата (продукта), которая изменяется в зависимости от относительной влажности воздуха. Микроорганизмы могут осуществлять жизнедеятельность при a_w=0,999…0,62. Более низкая активность воды в субстрате задерживает развитие микроорганизмов. Для каждого микроорганизма существуют минимальные значения a_w (критический предел), ниже которых его развитие прекращается. Для большинства бактерий, в том числе и спорообразующих, a_w=0,95…0,90, за исключением галофилов (солелюбивых), у которых a_w =0,75. Для большинства дрожжей a_w =0,88 , за исключением осмофилов, для которых a_w =0,8, за исключением ксерофитных, у которых a_w =0,65. Таким образом, чтобы затормозить развитие большинства бактерий в продукте и предотвратить его порчу, активность воды в нем следует снизить до 0,8; для предотвращения развития дрожжей - до 0,7; мицелиальных грибов - до 0,6.

Существуют различные пути снижения активности воды с целью сохранения пищевых продуктов от микробной порчи: сушка, вяление, добавление в продукт различных растворимых веществ (сахара, соли), а также замораживание.

В высушенном состоянии многие микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в течение длительного времени. Например, брюшнотифозные бактерии, многие стафилококки и микрококки, молочнокислые бактерии могут сохраняться в сухом виде неделями и месяцами, а уксуснокислые бактерии отмирают быстро. Устойчивые к высушиванию многие дрожжи, и особенно споры бактерий и мицелиальных грибов; в высушенном состоянии споры сохраняют способность к прорастанию в течение десятков лет.

На этом свойстве основано хранение производственных культур микроорганизмов. Например, широко применяют сухие закваски молочнокислых бактерий в производстве кисломолочных продуктов, маргарина, в медицине. До двух лет сохраняют активность и часто применяются сушеные дрожжи в производстве пива, хлеба.

Для сохранения сухих продуктов и чистых культур микроорганизмов без порчи необходимо поддерживать определенное значение температуры и относительной влажности воздуха в складских помещениях.

При сублимационной сушке (высушивание под высоким вакуумом в замороженном состоянии) качество и пищевая ценность продуктов (витамины, вкусовые и биологические достоинства) сохраняются значительно лучше. Однако микроорганизмы хорошо переносят такое высушивание и даже после многолетнего пребывания в этом состоянии сохраняют жизнеспособность. Поэтому к продуктам, подвергающимся такой обработке, следует предъявлять строгие санитарно-гигиенические требования.

Осмотическое давление.

Для жизнедеятельности микроорганизмов большое значение имеет осмотическое давление среды, которое 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. 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.

Концентрация водородных ионов

Концентрация водородных ионов (рН) в среде обитания является важным фактором, определяющим возможность роста и размножения микроорганизмов. Водородный показатель реакции среды рН показывает степень её кислотности (рН от 7 до 1) или щелочности (рН от 7 до 14). Нейтральная реакция среды соответствует рН 7.

В природных условиях прокариоты (бактерии) могут развиваться в диапазоне рН от 1 до 11. В зависимости от отношения к рН среды их можно разделить на три группы: нейтрофилы, ацидофилы и алкалофилы.

Нейтрофилы предпочитают нейтральную реакцию среды, оптимальный рН для их роста составляет 6,8-7,3, минимальный -4, максимальный-9. Подавляющее большинство бактерий относятся к нейтрофилам (гнилостные бактерии, возбудители отравлений, бактерии группы кишечной палочки и др.)

Ацидофилы (кислотолюбивые) развиваются при оптимальном рН 4 и выше (уксуснокислые и другие бактерии, продуцирующие органические кислоты).

Алкалофилы (щелочелюбивые) развиваются при оптимальном рН 9 и выше (некоторые представители бактерий кишечной группы - холерный вибрион и др.).

Споры бактерий обычно более устойчивы к изменениям рН, чем вегетативные клетки.

У большинства эукариот (мицелиальных грибов и дрожжей) оптимальный рН для их роста равен 4,5-6. Минимум рН для дрожжей составляет 3, для грибов - 1,5; максимальный для дрожжей - 8,5, для грибов - 10, т.е. мицелиальные грибы могут расти в более широком диапазоне рН, чем дрожжи.

Указанные предельные значения рН могут значительно колебаться в зависимости от других условий среды. В кислой среде усиливается действие других неблагоприятных факторов.

Если рН не соответствует оптимальной величине, то микроорганизмы не могут нормально развиваться даже при наличии всех необходимых питательных веществ, так как рН оказывает большое влияние на активность ферментов клетки и проницаемость её стенки.

Для бактерий кислая реакция среды более опасна, чем щелочная. Особенно неблагоприятна среда для развития гнилостных бактерий, оптимальный рН которых лежит в слабощелочной области (рН 7,5).

Губительное действие на микроорганизмы некоторых органических кислот (например, уксусной, бензойной, масляной) может быть обусловлено не только неблагоприятной концентрацией водородных ионов, но и токсичностью недиссоциированных молекул кислот. Установлено, например, что уксусная кислота в количестве 0,5-2% оказывает бактерицидное действие. Молочнокислый стрептококк прекращает размножаться в субстрате, содержащем молочную кислоту, при рН 4,7-4,4, а в присутствии уксусной - при рН 5,1- 4,8.

Неодинаковое отношение микроорганизмов к реакции среды является одной из причин наблюдаемой в природных условиях смены одних форм микроорганизмов другими. Зная, отношение различных микроорганизмов к реакции среды, и регулируя рН, можно подавлять или стимулировать их развитие, что имеет большое практическое значение. Так, неблагоприятное действие кислой среды на гнилостные бактерии положено в основу хранения некоторых пищевых продуктов в маринованном и квашеном виде.

Окислительно-восстановительные условия среды.

Молекулярный кислород является одним из важнейших факторов внешней среды, определяющим направление биохимических реакций, осуществляемых микроорганизмами в энергетическом обмене. Отношение микроорганизмов к содержанию кислорода в среде определяется наличием у тех или иных окислительно-восстановительных ферментов, ответственных за энергетический обмен.

Окислительно-восстановительные условия в среде характеризуются окислительно-восстановительным потенциалом - rН₂¹, выражающим степень аэробности среды, или степенью насыщения её кислородом.

В среде, окислительные свойства которой соответствуют насыщению её кислородом, rН₂ равен 41. В среде с высокими восстановительными условиями, соответствующими насыщению среды водородом, rН₂ равен 0. При равновесии окислительных и восстановительных процессов в среде rН₂

ниже 28, то это указывает на большую или меньшую восстановительную способность среды, а выше 28 - не её окислительную способность.

Облигатные анаэробы живут при rН₂ от 0 до 12-14; факультативные анаэробы - при rН₂ от 0 до 20-30.

Для аэробов нижний предел rН₂ около 12-15, а значение rН₂ выше 30 неблагоприятно и для них.

Окислительно-восстановительный потенциал среды влияет не только на рост и размножение микроорганизмов, но и на их биохимическую активность.

Регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно затормозить или вызвать активное развитие той или групп микроорганизмов. Возможно, например, вызвать рост анаэробов в присутствии воздуха путём добавления редуцирующих веществ, снижающих окислительно-восстановительный потенциал среды. И наоборот, можно культивировать аэробов в анаэробных условиях, повысив rН₂ среды, вводя в неё вещества, обладающие окислительными свойствами.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмы могут изменять окислительно-восстановительный потенциал среды, выделяя в неё различные

продукты обмена.

При консервировании, например, грибов в домашних условиях для предотвращения развития палочковидной спорообразующей анаэробной

бактерии - возбудителя ботулизма - Clostridium botulinum, банки следует заполнять не полностью, а оставлять некоторое воздушное пространство. Тогда имеющийся О₂ будет препятствовать прорастанию спор. В виноделии для предотвращения развития аэробных микроорганизмов-вредителей (пленчатых дрожжей, уксуснокислых бактерий) необходимо следить за полным заполнением ёмкостей с вином с целью предотвратить поступление необходимого для их развития О₂.