Ενότητα 7: Μικροβιολογία προϊόντων που υφίστανται αφυδάτωση Μικροβιολογία Τροφίμων και Μικροβιολογική Ανάλυση Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής

Η διαδικασία της αφυδάτωσης μειώνει την aw του τροφίμου σε επίπεδα που παρεμποδίζουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών

ενεργότητα του νερού aw Η ενεργότητα του νερού (aw) είναι το μέτρο του διαθέσιμου νερού στα τρόφιμα και ορίζεται ως ο λόγος της τάσης ατμών του νερού σε ένα τρόφιμο, P, προς την τάση ατμών των καθαρού νερού, P0, στην ίδια θερμοκρασία: aw = Ρ / P0 Η μετακίνηση των υδρατμών από ένα τρόφιμο προς στον αέρα εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε υγρασία, τη σύνθεση του τροφίμου, τη θερμοκρασία και την υγρασία.

Αφυδατωμένα τρόφιμα Τρόφιμα που έχουν υγρασία μέχρι 25% Eνεργότητα νερού (aw) μεταξύ 0,00-0,60 Η aw αποξηραμένων τροφίμων είναι συνήθως πολύ χαμηλότερη από την ελάχιστη τιμή για τη μικροβιακή ανάπτυξη Συνεπώς, τα αποξηραμένα προϊόντα είναι μικροβιολογικά σταθερά. Εάν αυξηθεί η υγρασία του περιβάλλοντος ή μειωθεί η θερμοκρασία, η συμπύκνωση υγρασίας πάνω στην επιφάνεια του προϊόντος επιτρέπει την ανάπτυξη μούχλας.

Τρόποι αφυδάτωσης Ξήρανση στον ήλιο Λυοφιλίωση (lyophilization ή freeze drying) Εκνέφωση (spray drying) Αφυδάτωση σε δίσκους (drum drying) Με εξάτμιση (evaporation)

Η αφυδάτωση συντηρεί το τρόφιμο αφαιρώντας το διαθέσιμο νερό, δηλαδή μειώνοντας την aw. Ο θερμός αέρας αφαιρεί το νερό μέσω εξάτμισης. Η λυοφιλίωση αφαιρεί το νερό μέσω εξάχνωσης μετά την κατάψυξη. Αυτές οι διαδικασίες μειώνουν την aw του τροφίμου αναστέλωντας την ανάπτυξη των μικροοργανισμών

Λυοφιλίωση Η λυοφιλίωση συνδυάζει δύο μεθόδους συντήρησης. Παγώνει το τρόφιμο (-30οC) και έπειτα αφυδατώνει το κατεψυγμένο τρόφιμο μέσω εξάχνωσης με ήπια θέρμανση του πάγου υπό κενό. Δηλαδή, το νερό μεταβαίνει από την κατάσταση πάγου στην κατάσταση ατμού χωρίς να υγροποιηθεί. Αυτός είναι ένας ήπιος τρόπος για να αφαιρεθεί το νερό. Κατά τη λυοφιλίωση, το μέτωπο της εξάχνωσης μετακινείται προς το εσωτερικό του τροφίμου και ο πάγος εξαχνώνεται εκεί όπου έχει δημιουργηθεί. Έτσι, οι διαλύτες μένουν εντός του τροφίμου στις αρχικές τους θέσεις, και το τρόφιμο διατηρεί την αρχική του δομή. Το ποσοστό της υγρασίας των λυοφιλιωμένων τροφίμων είναι 2-8% και η αw 0,10-0,25 Ως αποτέλεσμα, τα λυοφιλιωμένα τρόφιμα ενυδατώνονται ταχύτατα μέχρι το 90 έως 95% της αρχικής τους υδατοπεριεκτικότητας.

Λυοφιλίωση προβιοτικού βακτηρίου

Η λυοφιλίωση των τροφίμων επηρεάζει τους μικροοργανισμούς μειώνοντας την aw κατά την κατάψυξη και κατά την εξάχνωση του πάγου. Η έκταση της κυτταρικής φθοράς σε αυτές τις δύο φάσεις μπορεί να διαφέρει. Η επιβίωση των μικροοργανισμών επίσης εξαρτάται από τη σύνθεση του λυοφιλιωμένου τροφίμου. Οι υδατάνθρακες, οι πρωτεΐνες και οι κολλοειδείς ουσίες συνήθως είναι προστατευτικές.

Η βιωσιμότητα των κυττάρων μειώνεται με αργό ρυθμό κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης των λυοφιλιωμένων τροφίμων. η μεγάλη επιφάνεια των λυοφιλιωμένων τροφίμων τα καθιστά ευάλωτα στην οξείδωση κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης. Η συσκευασία λυοφιλιωμένων τροφίμων σε αδρανείς ατμόσφαιρες καθυστερεί την οξείδωση. Η υδατοστεγής συσκευασία εμποδίζει την επανενυδάτωσή τους.

Συντήρηση καθαρών καλλιεργειών Η λυοφιλίωση είναι η βέλτιστη επεξεργασία για την επιβίωση των κυττάρων κατά τη συντήρηση μικροβιακών καλλιεργειών (stock cultures). Η χαμηλή θερμοκρασία αφυδάτωσης, τα προστατευτικά πρόσθετα (όπως η γλυκερόλη και τα στερεά συστατικά άπαχου ξηρού γάλακτος) στο μικροβιακό εναιώρημα, και η αποθήκευση των λυοφιλιωμένων καλλιεργειών υπό συνθήκες κενού, αυξάνουν τη βιωσιμότητα. Τα gram θετικά βακτήρια επιβιώνουν της λυοφιλίωσης καλύτερα σε σχέση με τα gram αρνητικά βακτήρια.

Χαρακτηριστικές aw διαφόρων τροφίμων Πρόσθετοι παράγοντες συντήρησης (όπως μειωμένο pH, συντηρητικά και παστερίωση) απαιτούνται για τη μικροβιολογική τους σταθερότητα. Οι διάφοροι μικροοργανισμοί έχουν διαφορετικές απαιτήσεις σε aw.

Χαρακτηριστικές aw διαφόρων τροφίμων Τρόφιμο aw Φρέσκα ωμά φρούτα, λαχανικά, κρέας, ψάρια ≥0,98 Μαγειρεμένο κρέας, ψωμί 0,95-0,98 Αλίπαστα αλλαντικά, τυριά 0,91-0,95 Ζυμούμενα αλλαντικά, σιρόπια 0,87-0,91 Ρύζι, φασόλια, ρεβύθια 0,80-0,87 Μαρμελάδες 0,75-0,80 Γλυκίσματα 0,65-0,75 Αποξηραμένα φρούτα 0,60-0,65 Αφυδατωμένος φιδές, μπαχαρικά, γάλα σε σκόνη 0,20-0,60

Περιεκτικότητα σε υγρασία διαφόρων ξηρών ή αφυδατωμένων προϊόντων τροφίμων όταν η aw είναι 0,7 στους 20°C Τρόφιμο % περιεκτικότητα σε υγρασία Σιτηρά 4-9 Γάλα σε σκόνη 7-10 Κακάο σε σκόνη Ολόκληρο αυγό σε σκόνη 10-11 Αποβουτυρωμένο γάλα σε σκόνη 10-15 Αποξηραμένο κρέας χωρίς λιπαρά Ρύζι και σπόροι οσπρίων 12-15 Αφυδατωμένα λαχανικά 12-22 Αποξηραμένες σούπες 13-21 Αποξηραμένα φρούτα 18-25

Η μείωση της aw αυξάνει τη φάση προσαρμογής στην καμπύλη ανάπτυξης των μικροοργανισμών μειώνει το ρυθμό ανάπτυξης και μειώνει τον αριθμό των κυττάρων που φτάνουν στη στατική φάση.

Ομάδες μικροοργανισμών Ελάχιστες τιμές ενεργότητας νερού (κατά προσέγγιση) για την ανάπτυξη μικροοργανισμών σε διάφορες ομάδες τροφίμων Ομάδες μικροοργανισμών Τιμές Ενεργότητας νερού (aw) Τα περισσότερα αλλοιωγόνα βακτήρια 0,90 Οι περισσότερες αλλοιωγόνες ζύμες 0,88 Οι περισσότεροι αλλοιωγόνοι μύκητες 0,80 Αλόφιλα βακτήρια (Halophilic bacteria) 0,75 Ξηρόφιλοι μύκητες (Xerophilic moulds) 0,61 Οσμόφιλες ζύμες (Osmophilic yeasts)

Σχέση μεταξύ aw, ανάπτυξης μικροοργανισμών και διάρκειας ζωής τροφίμου Οργανισμός που αναστέλλεται aw Tρόφιμα Διάρκεια ζωής Clostridium botulinum Salmonella Τα περισσότερα βακτήρια 1,00 Τα περισσότερα φρέσκα τρόφιμα, κρέατα, ψάρια, φρούτα και λαχανικά Ημέρες Staphylococcus aureus (αναεροβίως) Οι περισσότερες ζύμες Staphylococcus aureus (αεροβίως) 0,90 0,85 Αλίπαστα αλλαντικά Εβδομάδες Οι περισσότεροι μύκητες (μούχλες) 0,80 Σιρόπια, Παστά τρόφιμα Μήνες Αλόφιλα βακτήρια 0,70 Αποξηραμένα τρόφιμα Χρόνια Οσμώφιλες ζύμες και μύκητες 0,60

gram αρνητικά βακτήρια: συνήθως απαιτούν την υψηλότερη aw. Τα gram αρνητικά βακτήρια, όπως το Pseudomonas spp. και τα περισσότερα Enterobacteriaceae, συνήθως αναπτύσσονται μόνο σε aw μεγαλύτερη από 0,96 και 0,93 αντίστοιχα

Τα gram θετικά μη σπορογόνα βακτήρια είναι λιγότερο ευαίσθητα στη μειωμένη aw. Ορισμένα Micrococcaceae αναπτύσσονται κάτω από μια aw ίση με 0,90. Οι σταφυλόκοκκοι είναι μοναδικοί μεταξύ των τροφογενών παθογόνων επειδή μπορούν να αναπτύσσονται σε μια ελάχιστη aw ~0,86. Ωστόσο ο Staphylococcus δεν παράγει τοξίνες κάτω από aw 0,93. Πολλά Lactobacillaceae έχουν ελάχιστη aw κοντά στο 0,9

Σπορογόνα βακτήρια Τα περισσότερα σπορογόνα βακτήρια αναπτύσσονται σε aw >0,93. Για σχηματισμό σπορίων η ελάχιστη τιμή είναι aw>0,90 Η σπορογένεση και η εκβλάστηση των σπορίων του Bacillus cereus γίνεται σε aw από 0,97 έως 0,93. Η ελάχιστη aw για τη σπορογένεση και εκβλάστηση των σπορίων του Clostridium perfringens βρίσκεται μεταξύ του 0,97 και του 0,95.

Οι ζύμες αναπτύσσονται σε aw >0,88 (χαμηλότερη aw από των βακτηρίων) Τα είδη που είναι ανθεκτικά στην αλατότητα, όπως το: Debaryomyces hansenii, Hansenula anomala και Candida pseudotropicalis, αναπτύσσονται καλά σε αλίπαστα κρέατα και πίκλες σε συγκεντρώσεις NaCl μέχρι 11% (aw = 0,93). Ορισμένα ξηροανθεκτικά είδη (όπως το Zygosaccharomyces bailii και το Zygosaccharomyces bisporus) αναπτύσσονται και αλλοιώνουν τρόφιμα, όπως μαρμελάδες, μέλι και σιρόπια, τα οποία έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε σάκχαρα (και αντιστοίχως χαμηλή aw).

Οι κοινότερες ξηροανθεκτικές μούχλες ανήκουν στο γένος Eurotium. Οι νηματοειδείς μύκητες (μούχλες) αναπτύσσονται σε τιμές aw >0,80, (χαμηλότερες σε σχέση με τις ζύμες και τα τροφογενή βακτήρια) Οι κοινότερες ξηροανθεκτικές μούχλες ανήκουν στο γένος Eurotium. ελάχιστη aw τους για να αναπτυχθούν είναι 0,71 έως 0,77, ενώ η βέλτιστη aw είναι 0,96. Οι πραγματικά ξηρόφιλες μούχλες, όπως ο Monascus (Xeromyces) bisporus, δεν αναπτύσσονται σε aw >0,97 έως 0,99.

Παραγωγή μυκοτοξινών Η σχέση της aw με την ανάπτυξη και την δημιουργία τοξινών από τις μούχλες (μυκοτοξινών) είναι σύνθετη. Οι μύκητες μπορούν να αναπτύσσονται, αλλά να μην παράγουν τοξίνες, υπό πολλές συνθήκες

Ελάχιστες aw για αλλοιωγόνους και μυκητοξινογενείς μύκητες Μικροοργανισμός Ελάχιστη aw για ανάπτυξη Ελάχιστη aw για παραγωγή μυκοτοξίνης Botrytis cinerea 0.93 Rhizopus stolonifer Aspergillus glaucus 0.70 Aspergillus flavus 0.82 0.83-0.87 Aspergillus parasiticus 0.87 Aspergillus ochraceus 0.77 0.85 Penicillium cyclopium 0.82-0.85 0.87-0.90 Zygosaccharomyces rouxii 0.62 Xeromyces bisporus 0.61

Ελάχιστη απαιτούμενη aw Ελάχιστη απαιτούμενη aw για την ανάπτυξη τροφογενών μικροβίων στους 25°C Ομάδα μικροοργανισμών Ελάχιστη απαιτούμενη aw Πλειοψηφία των βακτηρίων 0,91-0,88 Πλειοψηφία των ζυμών 0,88 Κοινές μούχλες (μύκητες) 0,80 Αλόφιλα βακτήρια 0,75 Ξηροανθεκτικές μούχλες 0,71 Ξηρόφιλες μούχλες και ωσμόφιλες ζύμες 0,62-0,60

Τα αφυδατωμένα τρόφιμα με τιμές aw από 0,80-0,85 αλλοιώνονται σε χρονικό διάστημα 1-2 εβδομάδων κυρίως από μύκητες

Μηχανισμοί που βοηθούν την ανάπτυξη σε χαμηλές aw Τα ποικίλα όρια aw ως προς την ανάπτυξη των βακτηρίων και των μυκήτων αντανακλούν τους μηχανισμούς που βοηθούν στην ανάπτυξή τους σε χαμηλές aw. Τα βακτήρια προστατεύουν τους εαυτούς τους από την ωσμωτική καταπόνηση συσσωρεύοντας ενδοκυτταρικά συμβατούς διαλύτες. Οι συμβατοί διαλύτες εξισορροπούν την ενδοκυτταρική aw των κυττάρων με εκείνη του περιβάλλοντος, αλλά δεν παρεμβαίνουν στον κυτταρικό μεταβολισμό. Ορισμένα βακτήρια συσσωρεύουν ιόντα Κ+ και αμινοξέα, όπως προλίνη. Οι αλοάντοχοι και ξηροανθεκτικοί μύκητες συγκεντρώνουν πολυόλες, όπως γλυκερόλη, ερυθριτόλη και αραβιτόλη

Ελάχιστη aw παρουσία NaCl Ελάχιστη aw παρουσία γλυκερόλης Μικροοργανισμός Ελάχιστη aw παρουσία NaCl Ελάχιστη aw παρουσία γλυκερόλης Ελάχιστη aw παρουσία σακχαρόζης Pseudomonas fluorescens 0.97 0.95 Escherichia coli 0.935 Cl.botulinum τύπου Α Cl.botulinum τύπου B 0.94 Cl.botulinum τύπου E Cl.perfringens 0.93 Bacillus cereus 0.92 Bacillus subtilis 0.90 Staphylococcus aureus 0.86 0.89 Listeria monocytogenes

Πριν την αφυδάτωση Κατά την αφυδάτωση Μικροβιολογία των αφυδατωμένων προιόντων στα διάφορα στάδια της επεξεργασίας τους Πριν την αφυδάτωση Τα προιόντα πρέπει να έχουν χαμηλό μικροβιακό φορτίο κατά την αφυδάτωση και αυτό επιτυγχάνεται με επεξεργασίες όπως ζεμάτισμα φρούτων και λαχανικών, παστερίωση γάλακτος, θέρμανση κρέατος, εμβάπτιση φρούτων σε θερμό διάλυμα αλκάλεως 0,1- 1,5% ή επεξεργασία με διοξείδιο του θείου Κατά την αφυδάτωση Απομακρύνεται η υγρασία και μειώνεται η aw. Το ποσοστό καταστροφής των μικροοργανισμών επηρεάζεται από: το είδος και το πληθυσμό των μικροοργανισμών, την μέθοδο και τον βαθμό αφυδάτωσης Το είδος του προιόντος (pH, σύσταση, ανασταλτικές ουσίες, κτλ)

Μικροβιολογία των αφυδατωμένων προιόντων στα διάφορα στάδια της επεξεργασίας τους Κατά την αποθήκευση Αλλοίωση από μύκητες όταν υπάρχει υψηλή σχετική υγρασία στον χώρο αποθήκευσης Οι πληθυσμοί των κυττάρων μειώνονται κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης, επειδή τα τραυματισμένα κύτταρα που δεν μπορούν να ανανήψουν σε χαμηλές aw πεθαίνουν προοδευτικά Κατά την ενυδάτωση Το ενυδατωμένο προιόν θεωρείται ευαλλοίωτο και πρέπει να καταναλώνεται αμέσως ή να διατηρείται σε ψύξη Οι παθογόνοι μικροοργανισμοί που επιβιώνουν σε αφυδατωμένα προιόντα μπορεί κατά την ενυδάτωση να αναπτυχθούν και να προκαλέσουν τροφική δηλητηρίαση.

Με την αφυδάτωση καταστρέφονται ορισμένοι μικροοργανισμοί Επιβιώνουν όμως πολλά θετικά και αρνητικά κατά gram βακτήρια, σπόρια βακτηρίων, ζυμών και μυκήτων. Γι’αυτό είναι σημαντικό η ολική μεσόφιλη χλωρίδα των τροφίμων πριν την αφυδάτωση να μην ξεπερνά το 105/γρ Δεν πρέπει να υπάρχουν κολοβακτηριοειδή και παθογόνοι μικροοργανισμοί

Τρόφιμα μέσης περιεκτικότητας σε υγρασία (Intermediate Moisture Foods), IMF Τρόφιμα που έχουν υγρασία μέχρι 15-50% Και ενεργότητα νερού (aw) μεταξύ 0,60-0,85

Τρόφιμα μέσης περιεκτικότητας σε υγρασία Μέλι Συμπυκωνμένοι χυμοί φρούτων Μαρμελάδες Ορισμένα ζυμούμενα αλλαντικά Παστουρμάς Αφυδατωμένα φρούτα Γλυκίσματα Παρασκευάσματα δημητριακών

Αναστελλεται η ανάπτυξη των αρνητικών κατά Gram και των περισσότερων θετικών κατά Gram βακτηρίων Εξαίρεση ορισμένοι μικρόκοκκοι, εντερόκοκκοι, γαλακτοβάκιλλοι, Kocuria, σπορογόνα βακτήρια

Η αναστολή ανάπτυξης των μικροοργανισμών επιτυγχάνεται και με την συνδυασμένη δράση: Του pH Του οξειδοαναγωγικού δυναμικού Των συντηρητικών ουσιών (και ορισμένων υγροσκοπικών ουσιών) Της ανταγωνιστικής μικροχλωρίδας Των χαμηλών θερμοκρασιών αποθήκευσης Της παστερίωσης ή άλλης μορφής επεξεργασία