На развитие и жизнедеятельность микроорганизмов влияет ряд факторов, основными из которых являются: физические – температура, влажность среды, осмотическое давление, различные формы лучистой энергии; химические – химический состав и реакция среды, окислительно- восстановительные условия среды; биологические – взаимодействие микроорганизмов с другими организмами.

Влияние физических факторов

Температура среды. Хранение пищевых продуктов в холодильниках основано на использовании низких температур.

Различные виды микроорганизмов могут развиваться лишь в определенных температурных пределах. Наиболее низкая температура, при которой могут еще развиваться микроорганизмы, называется минимальной, наиболее высокая– максимальной, а температура, при которой развитие данных микроорганизмов протекает наиболее интенсивно, считается оптимальной. Указанные три температурные точки называются кардинальными точками температуры.

Оптимум жизненной активности у большинства микроорганизмов, важных для пищевой технологии, находится в интервале температур от 20 до 40° С, а понижение температуры в различной степени сокращает эту активность для определенных групп и видов микроорганизмов. Температурный минимум развития микроорганизмов 10 ÷ –10° С, а для некоторых плесеней еще ниже. При температуре ниже минимальной видимое проявление жизненной активности микроорганизмов прекращается, однако они не всегда погибают. Отдельные микробные клетки сохраняют жизнедеятельность при температуре жидкого азота (–196° С) и даже жидкого водорода (–242° С).

По отношению к температуре все микроорганизмы можно подразделить на такие группы: термофилы, мезофилы и психрофилы. Кардинальные температуры роста различных микроорганизмов следующие, °C:

Термофилы (теплолюбивые микроорганизмы) лучше развиваются при относительно высоких температурах. К ним относятся, например, некоторые молочнокислые микроорганизмы (болгарская, ацидофильная палочки и др.).

К мезофилам принадлежит большинство бактерий, грибов и дрожжей. Мезофилами являются также возбудители ряда заболеваний и отравлений. Они хорошо развиваются как при высоких (50–65° С), так и низких (0° и даже ниже) температурах. Такие широкие температурные пределы развития характерны для многих плесневых грибов и некоторых гнилостных бактерий, встречающихся в природе.

Психрофилы (холодолюбивые микроорганизмы) хорошо развиваются при относительно низких температурах. Это некоторые плесени, гнилостные бактерии и др.

Изменение температуры среды существенно влияет на скорость роста и продолжительность жизни микроорганизмов.

Понижение температуры ниже оптимума влияет менее резко, чем ее максимальное повышение. Переход за пределы максимума вызывает интенсивное отмирание микроорганизмов, тогда как снижение температуры ниже минимума обычно лишь замедляет или приостанавливает жизнедеятельность, и микроорганизмы переходят в анабиотическое состояние, т. е. состояние «скрытой жизни». В таких условиях они могут временно сохранять свою жизнеспособность и при повышении температуры вновь возвращаться к активной жизни. Таким образом, действие низких температур менее эффективно для сохранения пищевых продуктов, чем действие высоких температур, способных к уничтожению всей микрофлоры. Отмирание микроорганизмов при нагревании наступает вследствие происходящих необратимых изменений в клетке, основными из которых являются денатурация белков протоплазмы и разрушение ферментов. Губительное действие на микроорганизмы высоких температур широко используется в практике хранения пищевых продуктов.

Однако инактивация микроорганизмов действием высоких температур сопровождается существенными изменениями качества продуктов, а холодильная обработка и хранение продуктов не изменяют резко их пищевых свойств.

Наиболее устойчивы к низким температурам споры плесневых грибов и дрожжи, менее – бактерии. При низких температурах микроорганизмы развиваются очень медленно. Некоторые бактерии при температуре ниже 2–5° С полностью прекращают свое развитие, а молочнокислые не растут уже при 10° С. Однако многие микроорганизмы сохраняют свою жизнедеятельность при низких отрицательных температурах в течение длительного времени.

Губительное действие низких температур заключается, главным образом, в нарушении структуры протоплазмы и обмена веществ в клетке. Под влиянием холода в клетках микроорганизмов изменяются вязкость цитоплазмы и дисперсность белковых частиц, затвердевают липоиды, содержащиеся в верхнем слое протоплазмы, понижается гидрофильность коллоидов, снижается скорость внутриклеточных химических реакций, в связи с чем нарушается нормальный ход биохимических процессов обмена веществ. Гибель микроорганизмов при замораживании происходит наиболее интенсивно при температурах от – 5 до – 12° С. Это объясняется тем, что при образовании льда происходит обезвоживание протоплазмы клеток и дегидратация ее коллоидов, а также увеличивается скорость прохождения биохимических процессов, которые существенно влияют на жизнедеятельность микроорганизмов.

Возможно и механическое разрушение клеток кристаллами льда.

В результате исследований, проведенных за последние годы, установлено, что быстрое понижение температуры до значений, близких к нулю, вредно или даже губительно для ряда живых клеток. Постепенное охлаждение в том же интервале и длительное пребывание при достигнутой таким путем температуре не приносит вреда. Это явление, названное температурным шоком, присуще высшим растениям, но наблюдается также у многих низших организмов, чувствительных к быстрому охлаждению.

Шоковые явления объясняются тем, что при быстрой кристаллизации замерзающей влаги повышается концентрация растворов электролитов в клетке, что может нарушить жизненное равновесие и вызвать гибель клетки.

Для оценки эффективности действия низкой температуры на клетки необходимо учитывать длительность их пребывания при этой температуре. Установлено также, что быстрое оттаивание при температуре, оптимальной для жизнедеятельности микробных клеток, благоприятно для их выживания, что объясняется сокращением времени действия опасной концентрации электролитов при плавлении льда и диффузионных перемещениях.

Следовательно, гибель клеток микроорганизмов при действии низких температур – это следствие анормальных биохимических и физиологических процессов, которые могут привести к уничтожению клеток, если они не приспособились к неблагоприятным условиям внешней среды.

Влажность среды. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов большее значение имеет влажность среды. В клетках большинства микроорганизмов содержится 75– 90% влаги; в спорах воды значительно меньше. Микроорганизмы могут развиваться только при достаточной влажности среды; с понижением влажности среды развитие микроорганизмов замедляется или же прекращается совсем.

Плесневые грибы способны расти при меньшем содержании влаги, чем бактерии. Минимальная влажность среды, при которой возможно развитие плесневых грибов, – 12– 15%, бактерий – 20–30%.

Многие микроорганизмы обладают большой выносливостью к высушиванию: споровые и многие бесспоровые бактерии. Так различные стафилококки, туберкулезные и брюшно-тифозные бактерии сохраняются в сухом виде неделями и месяцами, молочнокислые бактерии – месяцами и даже годами. Эта особенность молочнокислых бактерий позволяет применять их в виде так называемых сухих заквасок для получения молочнокислых продуктов.

Осмотическое давление. В естественных благоприятных условиях микробы живут в средах с разнообразным содержанием растворенных веществ, а следовательно, и с различным осмотическим давлением. В зависимости от внешних условий внутриклеточное осмотическое давление у различных микроорганизмов колеблется в широких пределах – от 50 до 200 атм.

Многие микроорганизмы весьма чувствительны к нарушению привычной концентрации и связанного с ней осмотического давления питательной среды. Изменение концентрации среды выше или ниже определенного предела нарушает нормальный обмен веществ между клеткой и внешней средой.

Увеличение содержания поваренной соли в среде до 1– 3% тормозит размножение многих микроорганизмов, а при повышении концентрации до 20–25% оно почти полностью приостанавливается. Однако многие паратифозные бактерии даже при 20%-ной концентрации соли остаются жизнеспособными.

Лучистая энергия. На микроорганизмы губительно влияют некоторые формы лучистой энергии, что используют для предотвращения микробной порчи пищевых продуктов. В основе действия лучистой энергии лежат химические или физические изменения, происходящие как в самих микроорганизмах, так и в окружающей среде.

В природе микроорганизмы постоянно подвергаются действию солнечного света. Ультрафиолетовые лучи – наиболее активная часть солнечного спектра – обладают значительной химической и биологической активностью. Под их действием синтезируются и разлагаются некоторые сложные органические соединения, коагулируются белки и активируются ферменты, гибнут многие микроорганизмы.

Эффективность воздействия УФ-лучей на микроорганизмы зависит от дозы облучения, т. е. от количества поглощенной энергии, определяемое бактерицидной мощностью источника излучения, расстоянием от источника до облучаемого объекта и продолжительностью облучения. Количество поглощенной энергии выражается в микроваттах на единицу поверхности в единицу времени.

Для обезвреживания сред с помощью УФ-лучей применяют аргоно-ртутные лампы низкого давления, называемые бактерицидными лампами.

Ультрафиолетовые лучи могут широко применяться для обезвреживания воздуха холодильных камер, тары, оборудования.

Стерилизация пищевых продуктов с помощью УФ-лучей затруднена из-за малой проникающей способности, поэтому действие этих лучей проявляется только на поверхности облучаемых продуктов. Исследования, проведенные проф. Н. А. Головкиным и другими, показывают, что ультрафиолетовое облучение в сочетании с охлаждением удлиняет сроки хранения мяса и мясных полуфабрикатов в 2–3 раза.

Установлено, что бактерии, вызывающие ослизнение мяса, очень чувствительны к УФ-лучам; за 1–2 мин облучения лампами БУВ-30 на расстоянии 40 см 95–99% всех микроорганизмов отмирает.

Интенсивность отмирания в воде различных бактерий и бактериальных спор в зависимости от времени при одних и тех же условиях облучения показана на рис. 8.

Рис. 8. Отмирание различных бактерий под действием ультрафиолетовых лучей:
1 – Bad. f Iuorescens; 2 – Bad. coll; 3 – Micrococcus cartdicans;
4 – Вас. subtilis (споры); 5 – Вас. megatherium (споры); 6 – Sarcina ftava.

Под влиянием лучистой энергии УФ-лучей наиболее легко отмирают болезнетворные бактерии, для которых требуется дозировка в 25–50 раз меньше по сравнению с плесенями. Губительное действие их оказывается эффективным не только при непрерывном, но и периодическом облучении. Таким образом, действие УФ-лучей носит кумулятивный характер, т. е. перерыв в облучении не приостанавливает процессы разрушения, начавшиеся в организме под влиянием УФ-лучей, а усугубляется последующими дозами облучения.

Ультрафиолетовое облучение в сочетании с холодом, имеет наибольший эффект, так как неблагоприятные для развития микроорганизмов температурные условия делают их более чувствительными к губительным действиям УФ-лучей.

Под влиянием облучения пищевые продукты приобретают бактериостатический эффект: приостанавливается рост бактерий, а некоторые из них, которые попадают на облученные продукты, отмирают. С понижением температуры хранения продолжительность бактериостатического эффекта увеличивается, что способствует увеличению продолжительности хранения скоропортящихся пищевых продуктов.

Новые методы обработки пищевых продуктов с помощью ионизирующего излучения основаны на процессах ионизации молекул и атомов, возникающих в результате воздействия энергии рентгеновских лучей, ускоренных электронов γ-и β-лучей.

Влияние химических факторов

Реакция среды. Реакция среды значительно влияет на жизнедеятельность микроорганизмов, так как под ее воздействием может изменяться биохимическая активность микроорганизмов и направленность биохимических превращений. Изменение реакции среды влияет на электрический заряд поверхности клетки, в связи с чем изменяется ее проницаемость для отдельных ионов, происходит смещение внутриклеточной реакции. Смещение внутриклеточной реакции отражается на степени дисперсности коллоидов протоплазмы, на их абсорбционных свойствах и т. д.

Для большинства плесеней и дрожжей наиболее благоприятна слабокислая среда (рН = 3,0–6,0), для бактерий – нейтральная или слабощелочная (рН = 6,5–8,0). Однако указанные предельные значения рН среды не являются постоянными величинами и могут значительно колебаться в зависимости от условий среды и физиологических особенностей самих микроорганизмов. Установлено, например, что некоторые микроорганизмы сами могут изменять реакцию среды, выделяя в числе продуктов обмена какую-либо органическую кислоту. При этом одни микроорганизмы при накоплении в среде известного количества кислоты постепенно погибают, другие – способны регулировать реакцию среды, образуя при соответствующих условиях вещества, которые подкисляют или подщелачивают среду, препятствуя тем самым сдвигу рН в сторону, неблагоприятную для их развития. Так, дрожжи в благоприятной для них кислой среде вырабатывают главным образом нейтральный продукт – этиловый спирт. В нейтральной среде они образуют вначале уксусную кислоту, которая снижает рН среды до величины, благоприятной для их развития, а затем начинается выработка этилового спирта.

Зная отношение различных микроорганизмов к реакции среды и регулируя рН, можно подавлять или стимулировать их развитие.

Окислительно-восстановительные условия среды. Развитие микроорганизмов, их биохимическая активность взаимосвязаны с окислительно-восстановительными условиями среды, которые зависят от соотношения в ней окисленных и восстановленных веществ. Это соотношение выражается величиной окислительно-восстановительного потенциала (Eh), которая, в свою очередь, зависит от рН среды. Различные микроорганизмы имеют разные оптимум, минимум и максимум окислительно-восстановительного потенциала, определяющего их развитие. Регулируя окислительно-восстановительные условия в среде, можно не только затормозить или вызвать активное развитие той или иной группы микроорганизмов, но и изменить их физиологическую активность. Например, можно добиться роста анаэробов в присутствии воздуха, добавляя вещества, снижающие окислительно-восстановительный потенциал среды (аскорбиновая кислота), и, наоборот, культивировать аэробов в анаэробных условиях, повысив окислительно- восстановительные условия среды. Исследования показали, что изменение окислительно-восстановительных условий среды влияет и на характер биохимических процессов, вызываемых микроорганизмами.

Влияние биологических факторов

Взаимоотношения между живущими в одних и тех же условиях организмами могут быть чрезвычайно разнообразными. Бывает сожительство двух или нескольких организмов приносит им взаимную пользу. Такое явление называется симбиозом. Между симбионтами происходит частичный обмен продуктами жизнедеятельности. Примером симбиоза может служить совместное существование молочнокислых бактерий и дрожжей: молочнокислые бактерии, продуцируя молочную кислоту, создают условия, благоприятные для роста дрожжей, а продукты жизнедеятельности дрожжей стимулируют жизнедеятельность молочнокислых бактерий.

Очень распространены между микроорганизмами и такие взаимоотношения, когда жизнедеятельность одних микробов способствует развитию других. Этот тип взаимоотношений называется метабиозом. Например, микроорганизмы, расщепляющие натуральные белки на более простые соединения, создают возможность для развития других микробов, которые усваивают только продукты распада белка.

Между микроорганизмами могут быть также антагонистические взаимоотношения, когда один вид микробов неблагоприятно действует на другой или даже вызывает его гибель. Например, молочнокислые бактерии являются антагонистами гнилостных бактерий, так как продукт обмена первых – молочная кислота – тормозит развитие последних.

Встречается форма взаимоотношений, когда совместная жизнь приносит выгоду только одному организму, т. е. когда один организм развивается за счет другого. Эта форма называется паразитизмом. Паразитами являются различные возбудители болезней человека, животных, растений.

Использование факторов внешней среды
для защиты пищевых продуктов от порчи

Пищевые продукты являются хорошей питательной средой для многих микроорганизмов и поэтому легко подвергаются порче под воздействием различных бактерий, дрожжей и плесеней. В связи с этим одной из главных задач сохранения пищевых продуктов является борьба с микроорганизмами.

Поскольку жизнедеятельность микроорганизмов зависит от условий внешней среды, то, изменяя эти условия, можно регулировать активность развития микроорганизмов и их жизнедеятельность. Так, используя низкие температуры (охлаждая и замораживая продукты), удаляя воду из продуктов ниже предела, необходимого для развития микробов (высушивая продукты), повышая кислотность продуктов (добавляя лимонную или уксусную кислоту), создают условия, при которых развитие микроорганизмов в продуктах приостанавливается, и они становятся нежизнедеятельными, Однако микроорганизмы (особенно бактерии) чрезвычайно пластичны, а высокая скорость их размножения позволяет получить большое количество новых поколений за сравнительно короткий промежуток времени.

Низкие температуры по-разному влияют на различные виды микроорганизмов. Некоторыё из них, попадая в оптимальные условия после длительного воздействия низких температур, теряют способность к развитию или развиваются чрезвычайно слабо; другие, наоборот, развиваются хорошо. Отсюда следует практический вывод, что при всех условиях холодильной обработки и хранения пищевых продуктов следует ограждать их от заражения микроорганизмами, строго соблюдая санитарно-гигиенический режим.

Для более успешной борьбы с микроорганизмами и улучшения условий холодильного хранения продуктов прибегают к комбинированному воздействию холода и углекислоты, холода и озона или ультрафиолетовых лучей.

На развитие микроорганизмов при низких температурах влияет реакция среды, т. е. концентрация водородных ионов. Развитие каждого вида микроорганизмов возможно только в строго определенных границах реакции среды. Следует помнить, что большинство пищевых продуктов обладает значительной буферностью, что затормаживает скорость изменения концентрации водородных ионов и влияет на продолжительность активного действия отдельных видов микроорганизмов, требующих определенных пределов концентрации водородных ионов для своего развития.

Кроме реакции среды на микроорганизмы угнетающе или губительно действуют многие химические соединения. Их действие основано на реакциях взаимодействия химических соединений с протоплазмой, в результате которых нарушается строение клетки, что приводит ее к гибели. Это свойство используют на практике, применяя различные дезинфицирующие средства (хлорная известь, антисептол, озон) для обезвреживания воздуха, строительных конструкций холодильников, тары, производственного оборудования и инвентаря.