Vliv prostředí na růst a množení mikrobiálních populací patogeny a kazící mikroflóra

Transkript

1 Vliv prostředí na růst a množení mikrobiálních populací patogeny a kazící mikroflóra

2 Potraviny nejsou sterilní!!!! Kontaminace člověkem Vzduch, půda, voda Potraviny Nakládání a příprava potravin konzumenty Výroba, zpracování, marketing

3 Výskyt mikroorganismů Půda Voda Atmosféra Rostliny Živé organismy (zvířata, lidé)

4 Faktory ovlivňující růst mikroorganismů v potravinách Vnitřní : živiny, ph, redox potenciál, vodní aktivita,antimikrobiální aktivity Vnější: vlhkost, teplota, atmosféra Implicitní: specifická růstová rychlost, synergismus, antagonismus, komensalismus Technologické: krájení, mytí, balení, záření, pasteurizace

5 Vlivy na růst mikroorganismů Teplota ph prostředí Vodní aktivita Oxidoredukční potenciál Povrchové napětí Záření Hydrostatický tlak Elektrický proud Ultrazvuk Záření Mechanické vlivy Působení antimikrobiálních látek Biologické vlivy

6 Vnitřní faktory Živiny potraviny ideální zdroje ph Redox potenciál Vodní aktivita Antimikrobiální látky

7 Zdroj energie Živiny Materiál k tvorbě a obnově buněčných struktur C,O,N,S,P Fe, Mg, K, Ca, Na Stopové prvky Zn, Cu, Co Speciální požadavky autotrofní, auxotrofní atd.

8 ph prostředí Pro bakterie a kvasinky je rozmezí poměrně úzké, u většiny plísní podstatně širší Bakterie? Kvasinky? Plísně?

9 ph prostředí min opt max B.subtilis 4,3 6,0-7,5 8,5 S. cerevisiae 3,0-3,8 4,2-5,0 7,3-7,5 A.niger 1,2 3,0-8,0 11,0

10 ph prostředí Bakterie v trávicím traktu Kyselinotvorné bakterie Hnilobné velmi citlivé ůči nízkému ph Vnější ph ovlivňuje regulační procesy metabolismu v buňce Alkalické prostředí tvorba glycerolu u kvasinek Neutralizací kyselin se zvyšuje tvorba kys. mléčné V koncentrovaných cukerných roztocích se tvoří kys. máselná na úkor acetonu a butanolu Odolnost vůči zvýšeným teplotám spory ph 4,3

11 ph Bakterie slabě kyselé až slabě alkalické ph Kvasinky preferují kyselé prostředí Plísně tolerují velmi široké rozmezí

12 Oxidoredukční potenciál Oxidoredukční potenciál je dán přítomností oxidačních nebo redukčních činidel Oxid.čin.: kyslík, dusičnany, železité ionty, peroxidy, železnaté ionty, vodík, sloučeniny se sulfhydrylovou skupinou nebo s reaktivními dvojnými vazbami Redukční činidla : cystein, askorbová kyselina, CO 2, vodík, thioglykolát sodný)

13 Oxidoredukční potenciál Oxidační redukční potenciál E H je rozdíl potenciálu mezi platinovou elektrodu umístěnou do daného prostředí a normální vodíkovou elektrodou Silně oxidační látky pozitivní Silně redukční negativní Aerobní mikroorganismy pozitivní Anaerobní mikroorgansimy - negativní

14 Redox potenciál - Eh

15 Vodní aktivita Potřeba vody je vyjádřena vodní aktivitou prostředí, ve kterém se buňky mohou rozmnožovat Vodní aktivita roztoku a H 2 0 čili a w se rovná poměru tlaku vodních par nad tímto roztokem k tlaku vodních par nad destilovanou vodou

16 Aktivita vody - a w Snížení aktivity vody: odstranění využitelné vody sušením, uzením, odpařením, mražením zvýšení obsahu tuku zvýšení koncentrace rozpuštěných látek v prostředí (cukry - sacharosa, NaCl) zvýšení osmotického tlaku (hypertonické prostředí) difuze vody z buňky do prostředí zastavení metabolizmu až smrt buňky

17 Vodní aktivita Vztah vodní aktivity ke koncentraci rozpuštěné látky N w a w = N w + N s N w - počet molů vody N s počet molů rozpuštěné látky

18 Vodní aktivita Vodní aktivita vody je 1 Bakterie 0,99 0,93 (0,65 0,63) halofilní 15%,halotolerantní 10% NaCl (Micrococcus, Staphylococcus) Kvasinky 0,91-0,88 Osmotolerantní 0,73 (60% sacharosa) Zygosaccharomyces rouxii, Z. bailii) Plísně nižší než b. a kv., vyjímka vodní plísně Osmofilní plísně 0,60 A. glaucus

19 Vodní aktivita Sušení Zvýšení koncentrace rozpuštěných látek odpařováním Sacharosa 50-70% Chlorid sodný 10-15% Vnitrobuněčný tlak 0,35 do 0,6 MPa Osmofilní 30 MPA

20 Aktivita vody - aw

21 Působení antimikrobiálních látek Zastavení rozmnožování mikrobistatické Usmrcení mikrobicidní Bakteriostatické, bakteriocidní Fungistatické, fungicidní Nižší koncentrace - stimulační účinek

22 Působení antimikrobiálních látek Rozdělení : 1. Látky poškozující strukturu buňky nebo její funkci penicilin, polyenová antibiotika (Streptomyces) buněčná stěna rozpuštědla tuků, anionaktivní tenzidy, polyenová antibiotika (Bacillus), fenoly, inhibitory transportu cytoplasmatická membrána formadehyd, silná oxidační činidla, silná redukční činidla bílkoviny chloramfenikol, erythromycin ribozomy bakterií cyklohexiimid ribozomy kvasinek 2. Látky působící na mikrobiální enzymy těžké kovy (Hg) 3. Látky reagující s DNA alkylační činidla, deaminační činidla,cytostatika, mitomycin C

23 Antimikrobiální enzymy Bakteriolytické 1. N-acetylhexosaminidázy katalyzují štěpení glukosidických vazeb sacharidů peptidoglykanu 2. N-acetylmuramyl-L-alaninamidázy katalyzují štěpení mezi sacharidovou a peptidovou částí peptidoglykanu 3. Endopeptidázy hydrolyzují peptidové vazby peptidoglykanu 4. Ostatní chitinázy, ß-glukanázy

24 Antimikrobiální enzymy Oxidoreduktázy Glukozooxidázy jsou produkovány některými plísněmi, podstata cytotoxicity spočívá v tvorbě peroxidu vodíku (oxidace glukózy na kys. glukonovou a H 2 O 2 ) Laktoperoxidázy se vyskytují např. ve slinách, mléce (oxidace thiokyanátu na hyperthiokyanát) Laktoferrin je glykoprotein tvořící komplexy s ionty železa

25 Implicitní faktory Specifická růstová rychlost individuální vlastnost geneticky kódovaná Synergismus spolupráce více druhů Antagonismus negativní ovlivňování různých typů mezi sebou Komensalismus -jedna populace využívá jinou bez jejího poškozování - jeden má ze vztahu prospěch zatímco druhý není ovlivněn

26 Biologické vlivy Komensalismus volné sdružení mikroorgansimů jež si ani neprospívají ani neškodí Mikroflora úst, kůže Syntrofismus (synergismus) určité mikroorganismy mohou žít v prostředí pouze v přítomnosti jiných Aerobní x anaerobní Kefírová kultura Symbiosa vzájemné soužití mikroorganismů prospěšné pro oba Řasy a houby Antagonismus- jeden druh působí nepříznivě na ostatní BMK a hnilobné bakterie Producenti antibiotik a citlivé druhy - Streptomyces Parazitismus- jeden organismus využívá vnitrobuněčných intermediátu metabolismu jiného mikroorgansimu Plísně na na konidích Aspergillus niger Saprofytismus růst na dumřeluých tělech rostlin nebo živočichů Metabiosa produkty jedněch organismů jsou postupně využívány jinými Kvasinky-alkohol a octové bakterie - ocet

27 Vnější faktory relativní vlhkost teplota atmosféra

28 Relativní vlhkost prostředí Vysoká relativní vlhkost ovlivňuje a w potraviny (význam balení) Čím vyšší je teplota, tím nižší musí být relativní vlhkost prostředí a naopak

29 relativní vlhkost Relativní vlhkost vzduchu udává poměr mezi okamžitým množstvím vodních par ve vzduchu a množstvím par, které by měl vzduch o stejném tlaku a teplotě při plném nasycení. Udává se v procentech (%). Relativní vlhkost se též někdy označuje jako poměrná vlhkost.

30 Teplota Tři základní body teploty: Minimální nejnižší teplota, při níž se daný druh rozmnožuje ještě zjistitelnou rychlostí Optimální rozmnožuje se nejvyšší rychlostí Maximální- nejvyšší teplota, při které je daný druh ještě schopen se rozmnožovat

31 Teplota Stanovení minimální teploty je poměrně obtížné postupně klesá Optimální cca o 30 o C vyšší než minimální Maximální o cca 5-10 o C vyšší než optimální Teplotní šok syntéza heat shock proteins Optimální teplota růstu x optimální teplota pro ostatní pochody v buňce ts- mutanty permisivní teplota - restriktivní teplota

32 Teplota Psychrofilní opt. tep. nižší než 20 o C a rostou při teplotách 0 5 o C - psychrotrofní se rozmnožují dosti rychle při teplotách 0-10 o C bez ohledu na optimální teplotu Pseudomonas, Micrococcus, Flavobacterium Mesofilní minimální teplota vyšší než 5 o C a optimální nižší než 45 o C bakterie 37 o C, kvasinky 30 o C

33 Teplota Termofilní opt. tepl.45 o C a vyšší o C, B. stearothermophilis 80 o C, archebakterie více než 100 o C Nerozmnožují se při teplotách kolem o C rody: Bacillus, Clostridium (C. thermosacharolyticum) Lactobacillus (L.delbrueckii var. bulgaricus) Thermoactinomyces, Thermomonospora

34 Teplota Termální smrtící teplota- nejkratší doba pro usmrcení mikroorganismu za dané teploty Vztah mezi letální teplotou a dobou potřebnou k usmrcení mikroorganismu je dána letalitní křivkou Technická sterilace nekyselých konzerv ( Bacillus coagulans, termofilní druhy) Kyselé konzervy?

35 Teplota Smrtící (letální) teplota nejnižší teplota, při které je mikroorganismus usmrcen během určité doby (10 min.) Mesofilní: o C, po dobu min. Sporotvorné: 120 o C, po dobu min. Spory kvasinek a plísní : o C, 10 min. Phialospora, Paecilomyces, Byssochlamys

36 Teplota Chladový šok Staphylococcus aureus poměrně odolný B. stearotermophilus na 20 o C ztrácí životnost C. perfringens na 4 o C (95% buněk odumírá) Pomalé zmrazování Rychlé zmrazení Zmrazené potraviny!!!

37 Vliv teploty Arrheniův zákon, původně navržený k popisu závislosti specifické reakční konstanty chemických reakcí na teple, není zcela adekvátní pro popis účinku teploty na růst bakterií. Mikrobiologové se pokusili použít modifikovanou verzi tohoto zákona na růst bakterií tak, že nahradili konstantu reakční rychlosti, konstantou růstové rychlosti, ale takto upravené vztahy zcela nevystihují reálná data, neboť graf ukazující závislost logaritmu konstanty růstové rychlosti proti reciproké absolutní teplotě má jako výsledek křivku, a nikoli přímku.

38 Hodnota D Mnoho druhů mikroorganismů jsou patogeny, schopné vyvolávat onemocnění ostatních organismů. Proces sterilizace, jakým je tepelné působení je ničí. D-hodnota odpovídá délce času nutného k decimálnímu snížení počtu. Čas nutný za dané teploty k usmrcení 90% mikroorganismů. Je-li snížení množství organismů o jeden řád, pak zůstává živých pouze 10% z původní populace. Obecně, každý tepelně odolný organismus má svou jedinečnou D-hodnotu. Uvádíme-li D hodnoty je nutné vyznačit teplotu pro kterou byly naměřeny jako dolní index. Např. hypotetický organismus byl redukován o 90% po vystavení teplotě 62 stupňů Celsia po 2 minuty, tudíž tato D-hodnota by s měla psát jako D 62C = 2 (minuty).

39 Závislost devitalizace na čase (pro jednu T)

40 dn dt D dn ( t 2 t 1 ) /(log N 1 log N 2 ) dt výpočet hodnoty D dn/dt Rychlost odumírání dn/dt = cn počet živých buněk klesá D = (t 2 t 1 )/ logn 1 -logn 2 N počet živých buněk, c- konstanta

41 Z- hodnota Z-hodnota organismu je teplota,ve stupních Fahrenheita nebo Celsiuse, která je nutná ke změně počtu organismů o jeden log cyklus 1 řád Je to reciproká hodnota logaritmu D hodnoty děleného teplotou, pro kterou byla D hodnota získaná. Také ji lze jednoduše definovat jako teplotu nutnou ke snížení D hodnoty o jeden řád (log). Zatímco D-hodnota udává čas nutný při určité teplotě k usmrcení organismu, z-hodnota vyjadřuje rezistenci organismu ke změně teploty. Z-hodnota umožňuje vypočítat tepelný proces, máme-li jednu D- hodnotu a z-hodnotu. Jestliže zvýšení o 10 F změní křivku o jeden řád (log), pak z- hodnota je 10. Máme li D-hodnotu 4.5 min při 150 F, můžeme vypočítat D-hodnotu pro 160 F dělením tohoto času deseti, snížením o 1 log. Nová D-hodnota pro 160 F je 0.45 minutes. To znamená, že každé zvýšení teploty o10 F bude snižovat D- hodnotu o1 log. Naopak, snížení o 10 F bude zvyšovat D-hodnotu o 1 log. Takže, D- hodnota pro teplotu 140 F bude 45 min.

42 Hodnota Z Z = (T 2 T 1 )- (logd 1 logd 2 )

43 Hodnoty D pro E.sakazakii

44 Složení atmosféry Skladování potravin v řízené atmosféře plynů má ochranný účinek Vakuově balené potraviny (v obalech nepropustných pro kyslík) CO 2 brání růstu aerobní mikroflóry, používá se při skladování ovoce a zeleniny, nesmí se používat pro potraviny s vysokým obsahem tuku, protože má silné oxidační účinky a způsobuje žluknutí tuků

45 Složení atmosféry Skladování potravin v řízené atmosféře plynů má ochranný účinek Vakuově balené potraviny (v obalech nepropustných pro kyslík) CO 2 brání růstu aerobní mikroflóry, používá se při skladování ovoce a zeleniny, nesmí se používat pro potraviny s vysokým obsahem tuku, protože má silné oxidační účinky a způsobuje žluknutí tuků

46 Hydrostatický tlak Zvýšení tlaku MPa zpomalení růstu MPa rozmnožování se zastaví Působení tlaků zmírní teplota o C moře - barofilní barotolerantní 60 MPA negativní působení na syntézu buněčné stěny 5-60 MPa anomalie v dělení buněk, replikace DNA, prodloužení lag fáze Usmrcení : MPa (minuty až hodiny) spory Bacillus MPa/hod

47 Faktory ovlivňující růst mikroorganismů v potravinách Vnitřní faktory Implicitní faktory Vnější faktory Faktory související s konečným zpracováním a úpravou

48 Faktory související s konečným zpracováním a Krájení úpravou Mytí Balení Ozařování Pasterace

49 Povrchové napětí Povrchové napětí a špatná smáčelivost - blanka (křís) Plísně Tenzidy: Anionaktivní tenzidy (mýdla) Kationaktivní tenzidy Neionogenní tenzidy (Tween)

50 Povrchové napětí Anionaktivní - ve vyšších koncentracích poškozují cyt.m., denaturace bílkovin, alkyl sulfáty, alkylsulfonáty Kationaktivní ve velmi nízkých koncentracích mají silné antimikrobiální účinky, smáčecí účinnost poměrně malá, kvarterní amoniové nebo pyridiniové soli

51 Záření Elektromagnetické záření o různých vlnových délek Infračervené záření a Hertzovy vlnynejdelší vlnové délky nemají smrtící účinek na mikroorganismy, působí tepelnými účinky Viditelné světlo ( nm) UV záření ( nm) letální účinek 265 nm NK, malá pronikavost

52 Záření Roentgenovo záření, γ-záření, kosmické záření (kratší než 10 nm), silné mutagenní a letální účinky, působí na DNA, vyvolávají tvorbu volných radikálů a oxiranu)- indukují zlomy chromozomů Nejcitlivější jsou G - bakterie, kvasinky a plísně oddolnější, vysoká odolnost Deinococcus radiodurans, D. radiophilus, D. proteolyticus) Mikroorganismy odolnější než člověk (až 4x) Vliv přítomnosti kyslíku (-), zmrazení, vysušení

53 Elektrický proud Střídavý el.proud intensita ma nemá vliv Stejnosměrný el.proud nepřiznivě působí elektrolytickými účinky

54 Ultrazvuk Zvukové vlny o frekvenci vyšší než 20 khz, působí letálně jsou-li intenzivní (10 W/cm 2 ) tzv. Kavitační ultrazvuk- pulsace buněčných membrán a plasmy Nejcitlivější jsou dlouhé tyčinkové a vláknité mikroorganismy, koky a kvasinky poměrně odolné nemá 100% -ní letální účinek Nekavitační ultrazvuk (1 MHz a s nízkým rozkmitem) se používá k lékařským účelům

55 Mechanické vlivy Mechanické rozrušení buněk Abrazivní materiál Rozmrazování a rozmrazování zmrazení a protlačení úzskou štěrbinou za pomoci vysokého tlaku- drcení 80-90% buněk

56 Hydrostatický tlak Většina mikroorganizmů se rozmnožuje za normálního atmosférického tlaku. Zvýšení tlaku na MPa rozmnožování zpomaluje a MPa zcela zastavuje. Některé bakterie se dobře rozmnožují i při tlaku 60 MPa barofilní x barotolerantní (v hlubinách moří)

57 Technologie překážek Kombinací různých faktorů vzniká řada překážek, které musí mikroorganizmy překonat. I když jednotlivé faktory nejsou dostatečné k zabránění růstu MO, jejich kombinací dochází k zesílení účinku. Čím nepříznivější překážka, tím vyšší úsilí musí mikroorganizmy vyvinout.

58 FAO/WHO definice probiotik Jsou to živé mikroorganismy, které ve vhodném množství přispívají ke zdravotnímu prospěch hostitele. [1] Bakterie mléčného kvašení BMK/LAB a bifidobakterie jsou nejčastější typy mikrobů užívaných jako probiotika; ale také některé kvasinky a bacily mohou pomáhat. Probiotika jsou obvykle konsumovány jako součást fermentovaných potravin obsahujících aktivní živé kultury; jako je jogurt nebo jako potravní doplňky.

59 Nejčastější probiotické kultury Pro obchodní účely jsou nejčastěji používány následující rody:lactobacillus a Bifidobacterium. Probiotické kmeny Lactobacillus sp. jsou L. acidophilus, L.johnsonii, L.casei, L.rhamnosus, L.gasseri, a L.reuteri. Kmeny Bifidobacterium sp. jsou hlavně B.bifidum, B.longum, a B.infantis.

60 Ukázka působení prebiotik

61

62 Mikroorganismy ve vodě Psychrofilní a psychrotrofní druhy Manipulační mikroflora Enterobacteriaceae Staphylococcus Kontaminace sladké a mořské vody

63 Bakterie ve vzduchu Gram pozitivní tyčinky a koky Bacillus, Micrococcus, Corynebacterium, Streptomyces Kvantitativní stanovení Význam pigmentů Souvislosti s kažením potravin

64 Plísně ve vzduchu Penicillium, Aspergillus (nesmáčenlivé spory) Fusarium (smáčenlivé spory) Cladosporium herbarum Aktivní šíření spor

65 Mikroorganismy v půdě Nejbohatší výskyt všech typů mikroorganismů bakterie, kvasinky, plísně, protozoa, řasy Clostridium, Bacillus, Enterobacter, Escherichia, Micrococcus, Alcaligenes, Pseudomonas, Actinomycetes, Streptococcus, Leuconostoc, Flavobacterium, Proteus

66 Mikroorganismy rostlin Běžně se vyskytující mikroorganismy: Cladosporium, Botrytis cinerea (plíseň), Aureobasidium pullulans ( černá kvasinka) Sporobolomyces, Bullera, Kloeckera apiculata, Pichia membranofaciens G- tyčinky: Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Micrococcus G+bakterie: Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Bacillus

67 Člověk jako zdroj mikroorganismů Kůže Trávicí ústrojí - probiotické bakterie Výkaly