Wpływ czynników środowiska na procesy życiowe drobnoustrojów.
Oddziaływanie środowiska i drobnoustrojów ma charakter wzajemny.
Drobnoustroje powodują zmiany w środowisku natomiast warunkują aktywność drobnoustrojów.
Warunki środowiska decydują o wzroście i procesach rozmnażania się drobnoustrojów.
Do głównych czynników środowiskowych wpływających na aktywność drobnoustrojów zalicza się:
Woda – wilgotność środowiska
Temperatura – różne gatunki drobnoustrojów wykazują najwyższą aktywność w różnych temperaturach jednak najliczniejsza grupa rozwija się w temperaturze od 15°C do 25°C
Promieniowanie – większość rodzajów promieniowania niszczy drobnoustroje (ultrafiolet) drobnoustroje są nieodporne na ultra dzięki.
Odczyn środowiska – kwaśność pH, ciśnienie osmotyczne, związki chemiczne itp.
Wpływ wody na procesy życiowe drobnoustrojów.
Aby drobnoustroje mogły się rozwijać dynamicznie w sposób prawidłowy, nieodzownym składnikiem jest wysoka wilgotność ich środowiska bytowania (drobnoustroje pobierają substancje odżywcze ze środowiska w postaci wodnych roztworów i wydalają produkty wymiany materii oraz substancje szkodliwe i zbędne również w postaci wodnego roztworu.
Wilgotność środowiska konieczna dla utrzymania aktywności bakterii wynosi 30%, natomiast wilgotność środowiska konieczna dla rozwoju pleśni wynosi ok.15%.
Niezbędność wody w rozwoju drobnoustrojów wykorzystywana jest jako jedna z metod utrwalania
żywności. Ograniczając wilgotność poniżej wartości krytycznej dla drobnoustrojów hamujemy lub zatrzymujemy ich rozwój (nieodporne na niską wilgotność środowiska są głównie formy wegetatywne, czyli dojrzałe bakterie). Ograniczenie wilgotności środowiska powoduje przejście bakterii wegetatywnych do postaci przetrwalnikowej, tak mogą bytować przez bardzo długi okres czasu.
Obecność wody decyduje także o ciśnieniu osmotycznym w środowisku.
Wewnątrz komórki panuje stosunkowo wysokie ciśnienie osmotyczne, nadające jej odpowiednią prężność.
Zmieniając ciśnienie osmotyczne podłoża można wywołać negatywne zjawiska wewnątrz komórkowe.
1. Zmniejszając ciśnienie osmotyczne np. przez dodanie soli lub cukru, wywołuje się
zjawisko PLAZMOLIZY – jest to odciąganie wody z komórki, czyli ze środowiska o niższym ciśnieniu osmotycznym do środowiska o ciśnieniu wyższym powodując śmierć komórki.
2. Zwiększając ciśnienie osmotyczne, np. przez umieszczenie komórki w wodzie destylowanej, powoduje zjawisko PLAZMOTYZY – jest to gwałtowne przenikanie wody do wnętrza komórki powodujące pęcznienie komórki, połączone często z rozerwaniem błony komórkowej.
Wyróżnia się również drobnoustroje przystosowane do życia w środowisku o dużym stężeniu, są to tzw. drobnoustroje HALOFILNE.
Wyróżnić można dwie grupy tych drobnoustrojów:
· Bezwzględne halofile rozwijające się w środowisku tylko o dużym stężeniu
· Względne halofile
rozwijające się w środowisku zarówno o stężeniu dużym jak i normalnym
Modyfikacja wilgotności środowiska bytowania drobnoustrojów w procesach technologicznych.
Regulowanie wilgotności środowiska jest wykorzystywane jako proces w technologii żywności mający na celu pobudzenie aktywności drobnoustrojów lub ograniczenie jej.
Cele te są osiągane przez zwiększenie lub zmniejszenie wilgotności środowiska.
Zwiększenie wilgotności środowiska a aktywność drobnoustrojów.
W celu pobudzenia np. procesów fermentacyjnych stosuje się na skalę przemysłową modyfikację środowiska poprzez podniesienie temperatury środowiska do poziomu optymalnego dla rozwoju określonych grup drobnoustrojów (komory
fermentacyjne).
Procesy zwiększania wilgotności środowiska stosowane są głównie podczas produkcji piekarsko-ciastkarskiej.
Ograniczenie wilgotności środowiska a procesy technologiczne.
W przemyśle spożywczym obniżenie wilgotności środowiska stosowane jest jako jedna z metod utrwalania żywności - im mniejszy procent wilgoci surowca lub produktu tym mniejsza aktywność znajdujących się w nich drobnoustrojów.
Wyróżnia się bardzo dużo metod utrwalania poprzez odwadnianie surowca; do najczęstszych zaliczyć można suszenie konwekcyjne, rozpyłowe, osmotyczne (kandyzowanie), suszenie sublimacyjne (liofilizacja).
Suszenie konwekcyjne – polega na zmniejszeniu wilgotności środowiska drobnoustrojów poprzez
odparowanie określonej ilości wody przy wykorzystaniu ruchu gorącego powietrza.
Proces ten wykorzystywany jest w przetwórstwie owoców i warzyw do uzyskiwania takich surowców jak suszone jabłka, śliwki, figi, daktyle, itp.
Suszenie konwekcyjne może przebiegać dwoma podstawowymi metodami:
a) Metody naturalne
b) Stosowanie suszarek owiewowych
Suszenie rozpyłowe – dotyczy surowców w stanie płynnym lub półpłynnym.
Proces ten polega na uzyskaniu suchej masy poprzez odparowanie wody z rozpylonej cieczy.
Metodę tą wykorzystuje się min. W przetwórstwie mleczarskim w produkcji mleka w proszku, w przetwórstwie owocowo – warzywnym do produkcji „napojów w proszku” oraz w przemyśle jajczarskim do produkcji jaj w
proszku.
Suszenie rozpyłowe przebiega przy wykorzystaniu tzw. Suszarek rozpyłowych.
Odbywa się to na tej zasadzie, że ciecz jest wtłaczana do bębna suszarki w postaci rozpylonej (aerozolu), drobne cząsteczki cieczy dostają się pod wpływ gorących strumieni powietrza, woda przechodzi w parę wodną a na dno suszarki opada sucha masa w postaci proszku.
Suszenie osmotyczne – wykorzystywane jest głównie w przetwórstwie owocowo-warzywnym do produkcji owoców i warzyw kandyzowanych.
W procesie tym wykorzystuje się zjawisko osmozy.
W praktyce proces ten polega na stopniowym zwiększaniu gęstości syropu, w którym zanurzone są owoce, gdy wzrasta gęstość syropu przewyższając gęstość soków komórkowych soki te przenikają do
środowiska syropu powodując zmniejszenie wilgotności surowca, z kolei syrop przenika do wnętrza owocu dążąc do wyrównania ciśnienia pomiędzy środowiskiem wewnętrznym a zewnętrznym.
Suszenie sublimacyjne – przebiega przy zastosowaniu zjawiska liofilizacji, czyli przejścia wody z postaci lodu bezpośrednio w parę wodną.
Suszenie liofilizacyjne przebiega w specjalnych suszarkach sublimacyjnych.
Metoda ta stosowana jest w większości branż przemysłu spożywczego do suszenia np. owoców, warzyw, mięsa i jego przetworów, produktów piekarskich, itp.
Produkty uzyskane tym sposobem po ponownej rehydratacji, czyli uwodnieniu zachowują większość cech produktu świeżego.
Modyfikowanie temperatury i gęstości
środowiska drobnoustrojów jako proces technologii żywności.
Oprócz utrwalania żywności opartych na zmniejszeniu wilgotności środowiska bytowania drobnoustrojów w technologii wykorzystywane są również metody inaktywizacji drobnoustrojów poprzez zmianę temperatury, zmianę gęstości środowiska, zmianę kwasowości oraz metod polegających na wprowadzeniu do środowiska substancji pochodzenia chemicznego niszczących lub uszkadzających drobnoustroje.
Metody utrwalania żywności uogólniając podzielić można na trzy grupy:
a) Metody biologiczne – obniżenie kwasowości, stosowanie fermentacji alkoholowych
b) Metody fizyczne – ocieplanie lub ochładzanie środowiska, odwadnianie środowiska
c) Metody chemiczne –
stosowanie konserwantów chemicznych.
Metody utrwalania żywności polegające na wykorzystaniu metabolitów polegają na wyprodukowaniu w żywności takich substancji, które nie są szkodliwe dla ludzi, a uniemożliwiają rozwój innych drobnoustrojów.
Do takich metabolitów można zaliczyć alkohole otrzymywane poprzez fermentację alkoholową oraz kwas mlekowy wytwarzany przez bakterie kwasu mlekowego, które stosowane są do zakwaszania żywności.
Fermentacja mlekowa
Fermentacja mlekowa polega na wyhodowaniu w żywności (np. kapuście) bakterii kwasu mlekowego, które wykorzystują kwas mlekowy obniżając pH w środowisku.
W takich warunkach nie mogą wytwarzać się bakterie z grupy proteolitycznych, czyli bakterii
gnilnych, które doprowadzają do psucia się żywności.
Obniżenie kwasowości, czyli wzrost pH prowadzi do rozwoju bakterii masłowych i innych bakterii proteolitycznych.
Mikroflora doprowadza do ukiszenia warzyw i składa się z różnych drobnoustrojów, które można podzielić na hemofermentatywne, heterofermentatywne, i paciorkowce.
Kwas mlekowy obniża pH kiszonek 4-3, 5% i nadaje mu trwałość szczególnie w obniżonej temperaturze. W takim kwaśnym środowisku mogą się rozwijać tylko bakterie pleśniowe, które żywią się bakteriami mlekowymi.
Fermentacja alkoholowa
Utrwalanie soków dla zakładów wytwarzających wódkę gatunkową odbywa się przez dodanie alkoholu etylowego (96% spirytusu), soków owocowych o zawartości
16-20%, alkoholu.
Otrzymuje się w ten sposób półprodukty do wyrobu wódek – win-soki.
Metoda utrwalania ciepłem
Termiczna inaktywacja drobnoustrojów następuje dopiero po przekroczeniu temperatury maksymalnej dla ich wzrostu a więc po osiągnięciu tzw. Minimalnej temperatury letniej.
Powoduje ona denaturację białka i niszczenie enzymów w komórkach drobnoustrojów.
Niszczenie drobnoustrojów po osiągnięciu temperatury letniej nie następuje natychmiast, lecz przebiega w tempie malejącym i zależy od wielu czynników, z których na szczególną uwagę zasługują rodzaj i forma drobnoustrojów, warunki środowiskowe i dawka ciepła niszczącego.
Rodzaj drobnoustrojów i forma występowania decydują o ich odporności
na ogrzewanie.
Ciepłoodporność jest cechą zależną nie tylko od rodzaju, ale gatunku a nawet szczepu.
Niszczenie termiczne drobnoustrojów może być prowadzone w ogrzewanym środowisku wodnym (ciepło wilgotne) lub w gorącym suchym (ciepło suche).
Ciepło wilgotne działa bardziej skutecznie w niszczeniu drobnoustrojów niż ciepło suche głównie ze względu na wysoki współczynnik oddawania ciepła przez środowisko wodne i szybszą denaturyzację białka.
Z niszczenia charakterystycznych mikroorganizmów wynikają dwa różne wnioski:
a) Im większa jest początkowa liczba drobnoustrojów w naczyniu tym dłużej trzeba ogrzewać surowiec.
b) Teoretycznie niemożliwym jest zniszczenie wszystkich komórek, ponieważ wymaga to
nieograniczenie długiego czasu ogrzewania.
W technologii żywności występują różne operacje cieplne, w których jest stosowana temperatura zabójcza dla drobnoustrojów jak np. gotowanie, pieczenie, smażenie, tostowanie.
Do operacji cieplnych zaliczamy:
Termizacja – polega na ogrzewaniu żywności w temperaturze 55-60°C przez ok. 15s.
Jest ona stosowana np. do przedłużenia trwałości mleka surowego.
Pasteryzacja – określana jest jako łagodne ogrzewanie żywności w temperaturze nie przekraczającej 100°C.
Ma ona na celu zniszczenie chorobotwórczych drobnoustrojów, przedłużenie trwałości produktu.
Sterylizacja cieplna – jest to proces przeznaczony do zniszczenia wszystkich mikroorganizmów
(komórek) wegetatywnych, przetrwalników i zarodników.
W zależności od sposobu przeprowadzania sterylizacji rozróżniamy:
a) Sterylizacja sucha – gorące powietrze o temperaturze ok. 170°C.
b) Sterylizacja mokra.
Stosowanie niskich temperatur w utrwalaniu
Chłodzenie i zamrażanie polega na obniżeniu temperatury i przechowywaniu w niej żywności przy odpowiedniej wilgotności pomieszczeń i wymianie powietrza.
Metody te mają duże znaczenie w przemyśle spożywczym.
W porównaniu z innymi metodami niska temperatura hamuje procesy życiowe drobnoustrojów, lecz na ogół nie powoduje ich wyginięcia.
Jest to powszechnie stosowana metoda jako bardzo dobra metoda konserwowania żywności.
Rozróżnia
się:
Chłodzenie – czyli stosowanie temperatury w granicach od 0°C do 4°C
Chłodzenie jest to wymiana ciepła między produktem spożywczym a ośrodkiem chłodzącym towarzyszy temu odparowanie pewnej ilości wody i przenoszenie ciepła z głębszych warstw powierzchni.
Urządzenia chłodnicze są niezbędne w procesach technologicznych nieomal wszystkich produktów spożywczych.
Wyróżnić możemy cztery rodzaje urządzeń chłodniczych:
a) Chłodnie składowe
b) Chłodnie przyzakładowe
c) Chłodnie dystrybucyjne
d) Chłodzone środki transportu.
Zamrażanie – czyli stosowanie temperatury, co najmniej -18°C.
Zamrażanie polega na obniżeniu temperatury produktu do temperatury niższej niż punkt zamrażania soków
komórkowych lub danego roztworu.
Tworzą się wówczas kryształki lodu na skutek całkowitego lub częściowego odprowadzenia wody.
W zamrażalnictwie stosuje się dwie metody zamrażania:
a) Zamrażanie powolne
b) Zamrażanie szybkie
· Zamrażanie powolne – trwające kilkanaście godzin w temperaturze do kilkudziesięciu godzin w temperaturze od –10°C do –20°C. Przy tej temperaturze działalność enzymów drobnoustrojów nie zostaje odpowiednio szybko wstrzymana i mogą one wywołać zmiany jakości produktu.
· Zamrażanie szybkie – polega na obniżeniu temperatury produktu do -20°C a nawet do –30°C w ciągu 3-4 godzin, a w niektórych przypadkach nawet w ciągu kilku minut.
Produkty chłodzone przechowuje się krótko
natomiast produkty mrożone nadają się do dłuższego przechowywania.
Produkty mrożone nie ulegają zmianie dopóki znajdują się w chłodni. Jednak wyjęte i rozmrożone psują się pod wpływem drobnoustrojów pozostałych przy życiu.
