Ενότητα 3: Μικροβιολογία προϊόντων που υφίστανται θερμική επεξεργασία

Παρουσίαση με θέμα: "Ενότητα 3: Μικροβιολογία προϊόντων που υφίστανται θερμική επεξεργασία"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Ενότητα 3: Μικροβιολογία προϊόντων που υφίστανται θερμική επεξεργασία
Μικροβιολογία Τροφίμων και Μικροβιολογική Ανάλυση Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής

2 Η θέρμανση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη θανάτωση των μικροοργανισμών
Η θερμική επεξεργασία είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την καταστροφή των μικροοργανισμών και την αδρανοποίηση των ενζύμων Για την μικροβιολογία τροφίμων, η θερμοανθεκτικότητα ενός μικροβίου είναι ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά του.

3 Παστερίωση Ήπια θερμική επεξεργασία που έχει σαν σκοπό να παρατείνει την διάρκεια συντήρησης του παστεριωμένου προϊόντος Αδρανοποιεί τα ένζυμα Kαταστρέφει τα περισσότερα βλαστικά κύτταρα των μικροοργανισμών (βακτήρια, ζύμες, μύκητες)

4 Παστερίωση Επιβιώνουν τα σπόρια των σπορογόνων μικροοργανισμών (Bacillus, Clostridium) Μπορούν να επιβιώσουν μη σπορογόνα γένη όπως Lactobacillus, Streptococcus

5 Παστερίωση Θερμ. oC Χρόνος 63 30 min 72 15 sec 89 1 sec 90 0,5 sec 94 0,1 sec 100 0,01 sec Παστερίωση του γάλακτος επιτυγχάνεται με διάφορους συνδυασμούς θερμοκρασίας-χρόνου Στόχος είναι η καταστροφή των πιο θερμοάντοχων μη σπορογόνων παθογόνων μικροοργανισμών: Mycobacterium turbeculosis Προκαλεί φυματίωση Coxiella burnetti Προκαλεί πυρετό Q

6 Εμπορική Αποστείρωση H αποστείρωση καταστρέφει όλες τις βλαστικές μορφές των μικροοργανισμών και των σπορίων τους Στα τρόφιμα: Η θερμική επεξεργασία που απαιτείται για αποστείρωση θα υποβάθμιζε τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά του τροφίμου Εφαρμόζεται εμπορική αποστείρωση έχει σαν στόχο την εξάλειψη των παθογόνων μικροοργανισμών και κυρίως των σπορίων του Clostridium botulinum Μπορεί να επιβιώσουν πιο ανθεκτικά σπόρια ή θερμόφιλα βακτήρια αλλά δεν εκβλαστάνουν σε φυσιολογικές συνθήκες συντήρησης

7 Στην εμπορική αποστείρωση επιτυγχάνεται η συντήρηση του συσκευασμένου προϊόντος σε ερμητικά κλεισμένο περιέκτη (πχ κονσέρβα) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος

8 Καμπύλη θερμικής καταστροφής
Θεωρητικά, η καταστροφή των βακτηρίων και των σπορίων με την επίδραση της θερμότητας είναι λογαριθμική και περιγράφεται με την εξίσωση N=N0*e-kt N=αριθμός μ.ο. που επιβιώνουν μετά από χρόνο t Νο=αρχικός αριθμός μικροοργανισμών K=ρυθμός θερμικής καταστροφής ανά μονάδα χρόνου t= χρόνος θερμικής επεξεργασίας

9 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Χρόνος και θερμοκρασία θέρμανσης Αριθμός μικροοργανισμών Είδος μικροοργανισμών Θερμοκρασία επώασης Φάση ανάπτυξης μικροοργανισμού pH Ενεργότητα νερού Σύνθεση του τροφίμου Ανασταλτικές ουσίες Βακτηριοσίνες

10 Χρόνος και θερμοκρασία θέρμανσης
Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα Χρόνος και θερμοκρασία θέρμανσης Όσο αυξάνεται ο χρόνος θέρμανσης σε μία ορισμένη θερμοκρασία τόσο αυξάνεται το ποσοστό καταστροφής των μικροοργανισμών Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία μειώνεται ο χρόνος που απαιτείται για την καταστροφή ενός ορισμένου πληθυσμού μικροοργανισμών Θερμ. oC C.botulinum (6x1010 σπόρια σε pH 7) Θερμόφιλα βακτήρια (1,5x105 σπόρια/ml σε pH 6,1) Χρόνος θερμικής καταστροφής (min) 100 260 1140 105 120 110 36 180 115 12 60 5 17

11 Χρόνος και θερμοκρασία θέρμανσης
Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα Χρόνος και θερμοκρασία θέρμανσης Το μέγεθος δοχείου και η σύνθεση του (μέταλλο, πλαστικό, γυαλί) επηρεάζει τον χρόνο που απαιτείται για να επιτευχθεί παστερίωση ή αποστείρωση Τα μεγαλύτερα σε μέγεθος δοχεία απαιτούν περισσότερο χρόνο.

12 Αριθμός μικροοργανισμών
Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα Αριθμός μικροοργανισμών Όσο μεγαλύτερος ο αριθμός των μικροοργανισμών τόσο μεγαλύτερη η θερμοανθεκτικότητα τους Οι μικροοργανισμοί παράγουν προστατευτικές ουσίες, κυρίως πρωτεΐνες Στους μεγάλους πληθυσμούς μικροοργανισμών μπορεί να υπάρχουν και μικροοργανισμοί με διαφορετική θερμοανθεκτικότητα

13 Είδος μικροοργανισμών
Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα Είδος μικροοργανισμών ψυχρόφιλοι Καταστροφή στους 40oC Ψυχρότροφοι Ευαίσθητοι μεσόφιλοι Καταστροφή στους 50oC μεσόφιλοι Καταστροφή στους 60oC Θερμοάντοχοι μεσόφιλοι Καταστροφή στους 70oC

14 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Θερμοκρασία επώασης Η ανθεκτικότητα των μικροοργανισμών αυξάνει όταν η θερμοκρασία επώασης πλησιάζει την άριστη Τα σπόρια από θερμόφιλους μικροοργανισμούς είναι πιο θερμοανθεκτικά από τα σπόρια των φυχρόφιλων ή ψυχρότροφων μικροοργανισμών

15 Θερμοκρασία επώασης Παραδείγματα:
Τα σπόρια του C.botulinum που σχηματίζονται στους 37oC είναι πιο θερμοανθεκτικά από τα σπόρια που παράγονται στους 28 ή24oC Η Salmonella enterica ορότυπος Senftenberg 775W (ένα θερμοανθεκτικό παθογόνο στέλεχος) όταν αναπτύσσεται στους 44oC παρουσιάζει 3 φορές μεγαλύτερη θερμοανθεκτικότητα από ότι όταν αναπτύσσεται στους 35oC

16 Φάση ανάπτυξης μικροοργανισμού
Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα Φάση ανάπτυξης μικροοργανισμού Στην λογαριθμική φάση μικρότερη θερμοανθεκτικότητα Στην λανθάνουσα φάση και την φάση στασιμότητας, μεγαλύτερη θερμοανθεκτικότητα

17 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
pH Οι μικροοργανισμοί είναι περισσότερο θερμοανθεκτικοί σε τιμές pH περίπου 7 Μείωση θερμοανθεκτικότητας Μείωση θερμοανθεκτικότητας Παράδειγμα: οι τομάτες σε pH 3,9 πρέπει να υποστούν θερμική επεξεργασία στους 100oC για 34 λεπτά για να καταστραφεί ένας ορισμένος αριθμός σπορίων ενώ σε pH 4,8 πρέπει να υποστούν θέρμανση στους 100oC για 110 λεπτά

18 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Ενεργότητα νερού (aw) Οι μικροοργανισμοί είναι λιγότερο θερμοανθεκτικοί σε θέρμανση σε τρόφιμα με υψηλή aw λόγω ταχύτερης αποδιάταξης των πρωτεινών

19 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Σύνθεση του τροφίμου Σάκχαρα: παρουσία σακχάρων προκαλεί αύξηση της θερμοανθεκτικότητας (μείωση της aw) Πρωτείνες: έχουν προστατευτική επίδραση (πχ πεπτόνες, εκχύλισμα ζύμης, αλβουμίνη) Λίπη: έχουν προστατευτική επίδραση Παράδειγμα: η θερμοανθεκτικότητα του E.faecalis είναι μεγαλύτερη σε χοιρινό κρέας που περιέχει 3% λίπος παρά σε βοδινό με 1,5% λίπος Λιπαρά οξέα με μεγάλο αριθμό ατόμων άνθρακα ασκούν μεγαλύτερη προστατευτική επίδραση

20 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Σύνθεση του τροφίμου Σε τρόφιμα με υψηλή περιεκτικότητα σε σάκχαρα και λιπαρά πχ κρέμα, σοκολάτα η θερμοανθεκτικότητα αυξάνει πολύ Παράδειγμα: Η τιμή D70 της Salmonella enterica ορότυπος Senftenberg 775W είναι 6-8 ώρες σε σοκολάτα γάλακτος ενώ σε γάλα είναι μόνο λίγα δευτερόλεπτα

21 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Σύνθεση του τροφίμου Άλατα: ορισμένα άλατα (πχ NaCl) μειώνουν την aw και επομένως αυξάνουν την θερμοανθεκτικότητα ενώ άλλα (πχ άλατα μαγνησίου και ασβεστίου) αυξάνουν την aw και μειώνουν την θερμοανθεκτικότητα

22 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Ανασταλτικές ουσίες Η θερμοανθεκτικότητα των μικροοργανισμών μειώνεται όταν η θέρμανση γίνεται παρουσία βακτηριοστατικών ουσιών Η προσθήκη νιτρωδών αλάτων ή SO2 μειώνει την θερμοανθεκτικότητα των μικροοργανισμών σε ένα τρόφιμο που υφίσταται θερμική επεξεργασία και αυξάνει τον χρόνο συντήρησης του

23 Παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοανθεκτικότητα
Βακτηριοσίνες Η νισίνη παρεμποδίζει την ανάπτυξη των σπορίων μετά την εκβλάστηση τους Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μείωση της θερμικής επεξεργασίας που απαιτείται για την επίτευξη εμπορικώς αποστειρωμένων κονσερβοποιημένων τροφίμων χαμηλής οξύτητας αποτρέποντας την αλλοίωση από θερμόφιλα σπορογόνα βακτήρια

24 Θερμοανθεκτικότητα μικροοργανισμών
Μεσόφιλοι και θερμόφιλοι>ψυχρόφιλοι Θερμόφιλα σπορογόνα>μεσόφιλα σπορογόνα>μη σπορογόνα βακτήρια Θετικά κατά gram>αρνητικά κατά gram Κόκκοι>ραβδία Βακτήρια με κάψα ή σε συσσωματώματα είναι πιο θερμοανθεκτικά Βακτήρια με υψηλή περιεκτικότητα σε λιπίδια είναι πιο θερμοανθεκτικά

25 Μηχανισμός θερμικής καταστροφής βακτηρίων
Αποικοδόμηση πρωτεινών (ονομάζεται και μετουσίωση ή αποδιάταξη) Διάσπαση νουκλεικών οξέων (DNA, RNA) Καταστροφή της κυτταρικής μεμβράνης

26 Η θερμική επεξεργασία είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την καταστροφή των μικροοργανισμών λόγω αποικοδόμησης των πρωτεϊνών, αδρανοποίησης (αποδιάταξης) των ενζύμων και διάρρηξης των κυτταρικών μεμβρανών Ένζυμο που έχει αποδιαταχτεί λόγω θερμοκρασίας, έχει αλλάξει η διαμόρφωση του ενεργού του κέντρου και έχει αδρανοποιηθεί Ενεργό ένζυμο Η θέρμανση μεταβάλλει την ρευστότητα της κυτταρικής μεβράνης με αποτέλεσμα την διαρροή ιόντων μέσα και έξω από την μεμβράνη

27 Θερμοανθεκτικότητα σπορίων
Σπόρια βακτηρίων Τα σπόρια του Geobacillus stearothermophilus είναι πολύ θερμοανθεκτικά: μπορούν να επιβιώσουν μετά από θέρμανση στους 100oC για 20 min Μπορεί να προκαλέσουν επίπεδη οξίνιση στα χαμηλής οξύτητας κονσερβοποιημένα τρόφιμα Η θερμοανθεκτικότητα των βακτηριακών ενδοσπορίων οφείλεται κυρίως στο ότι διατηρούν πολύ χαμηλή ενεργότητα νερού στον κεντρικό πρωτοπλάστη που περιέχει το DNA

28 Σπόρια βακτηρίων Η παρουσία δισθενών κατιόντων (Ca2+, Mg2+, Mn2+) συμβάλλει στην θερμοανθεκτικότητα Η παρουσία πρωτεινών μικρού μοριακού βάρους διαλυτές στα οξέα (small acid-soluble proteins- SASP) περιβάλλουν το DNA του σπορίου και το προστατεύουν κατά την θερμική επεξεργασία

29 Σπορογόνα βακτήρια με σημασία στην μικροβιολογία τροφίμων
Bacillus B.cereus B. coagulans Geobacillus stearothermophilus Ονομάζεται και Bacillus stearothermophilus Το πιο θερμοανθεκτικό βακτηριακό σπόριο Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της αποστείρωσης σε αυτόκαυστα Clostridium C.botulinum type A, B, E C.thermosaccharolyticum C.sporogenes C. perfrigens

30 Bacillus subtilis: σπορογόνο βακτήριο με σημασία στην μικροβιολογία τροφίμων

31 Θερμοανθεκτικότητα σπορίων
Σπόρια ζυμών Οι βλαστικές μορφές ζυμών καταστρέφονται στους 55-60oC για 10-20min Τα περισσότερα ασκοσπόρια ζυμών καταστρέφονται στους 60oC για 10-15min Τα θερμοάντοχα ασκοσπόρια καταστρέφονται στους 100 oC για λίγα λεπτά

32 Σπόρια μυκήτων

33 Σπόρια μυκήτων Οι βλαστικές μορφές μυκήτων καταστρέφονται στους 60oC για 5-10min Τα περισσότερα σπόρια μυκήτων καταστρέφονται στους 65-70oC για 10-15min Τα σπόρια των μυκήτων είναι ανθεκτικά στην ξηρή θέρμανση και ορισμένα θερμοάντοχα σπόρια δεν καταστρέφονται σε ξηρή θέρμανση στους 120oC για 30min

34 Ιοί Επιβιώνουν από την παστερίωση του γάλακτος
Δεν επιζούν συνήθως από την θερμική επεξεργασία που εφαρμόζεται στα κονσερβοποιημένα τρόφιμα

35 Θερμική καταστροφή μικροοργανισμών: σημαντικές παράμετροι
Θερμική καταστροφή μικροοργανισμών: σημαντικές παράμετροι D-τιμή Z-τιμή F-τιμή Χρόνος θερμικής καταστροφής Επεξεργασία 12D

36 Χρόνος Δεκαδικής μείωσης D-τιμή (D-value)
Είναι ο χρόνος (min) που απαιτείται για να ελαττωθεί ο πληθυσμός ενός μικροοργανισμού μετά από θέρμανση σε μία ορισμένη θερμοκρασία κατά 90% ή κατά ένα λογαριθμικό κύκλο (log cycle) μείωση κατά 1 λογαριθμικό κύκλο σημαίνει πχ μείωση από (104) μικροοργανισμούς σε (103)

37 Παράδειγμα: D100=1 min σημαίνει ότι το 90% των σπορίων ή των κυττάρων ενός μικροοργανισμού καταστρέφονται με θέρμανση στους 100oC για 1 min, δηλαδή μειώνεται ο πληθυσμός κατά 1 λογαριθμικό κύκλο Δηλ. ένας πληθυσμός 105 (log105=5) κυττάρων θα μειωθεί στα 104 (log104=4) κύτταρα

38 BIOΛOΓIA TΩN MIKPOOPΓANIΣMΩN – ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

39 Η τιμή D διαφέρει ανάλογα με το είδος και το στέλεχος του μικροοργανισμού: όσο πιο θερμοανθεκτικός είναι ο μικροοργανισμός τόσο μεγάλη είναι η τιμή D Σπόρια θερμόφιλων βλαστικάκύτταρα

40 BIOΛOΓIA TΩN MIKPOOPΓANIΣMΩN – ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ

41 Βλαστικές μορφές (z~5oC)
D min Salmonella sp. D65 Salmonella senftenberg Staphylococcus aureus Escherichia coli 0.1 Ζύμες και Μύκητες Listeria monocytogenes D60 Campylobacter jejuni D55 1.1 Βακτηριακά ενδοσπόρια (z~10oC) D121 G.stearothermophilus 4-5 C.thermosaccharolyticum 3-4 Desulfomaculum nigrificans 2-3 B.coagulans C.botulinum types A & B C.sporogenes C.botulinum type E D80 D110 <1 sec

42 Η τιμή D εξαρτάται και από το υπόστρωμα που βρίσκεται ο μικροοργανισμός
Μικροοργανισμός Υπόστρωμα Θερμο- κρασία οC D-τιμή Salmonella senftenberg 775W Κρέμα Κοτόπουλο με σάλτσα 60 11,3 9,6 Salmonella manhattan 2,4 0,40

43 Z-τιμή εκφράζει την μεταβολή της θερμοκρασίας που απαιτείται ώστε να μεταβληθεί κατά 10 φορές (1 λογαριθμικό κύκλο) η D-τιμή Παράδειγμα: Αν η z-τιμή=10oC σημαίνει ότι αν η D90 ενός μικροοργανισμού είναι 30min τότε για να μειωθεί η D στο 1/10 δηλαδή στα 3 min πρέπει η θερμοκρασία θέρμανσης να αυξηθεί κατά 10 βαθμούς δηλαδή στους 100 oC

44 Η τιμή Ζ εκφράζει την κλίση της καμπύλης της θερμικής καταστροφής (thermal death time curve)
Πρακτικά, η τιμή Ζ δείχνει πόσο ευαίσθητος είναι ένας πληθυσμός από μικροοργανισμούς (βλαστικά κύτταρα ή σπόρια) σε αλλαγές της θερμοκρασίας Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή Z τόσο πιο θερμοανθεκτικός είναι ο μικροοργανισμός

45

46 F-τιμή (F value): o ισοδύναμος χρόνος (min) της θερμικής επεξεργασίας (συνήθως στους 121oC) που χρειάζεται για να καταστραφεί ένας συγκεκριμένος πληθυσμός σπορίων ή βλαστικών κυττάρων ενός οργανισμού σε ένα τρόφιμο Η F-τιμή συνήθως ορίζεται στην τιμή 12D δηλαδή στον χρόνο που χρειάζεται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία για να μειωθεί κατά 12 λογαριθμικούς κύκλους το πιο θερμοανθεκτικό σπορογόνο μεσόφιλο είδος μικροοργανισμού σε μία κονσέρβα (οργανισμός-στόχος).

47 F-τιμή όρος που χρησιμοποιείται στην κονσερβοποίηση
εκφράζει το ολοκλήρωμα της θερμικής επεξεργασίας που δέχονται όλα τα σημεία της συσκευασίας (πχ κονσέρβα) ώστε να επέλθει καταστροφή του μικροοργανισμού. Μία επεξεργασία που έχει F121=4 σημαίνει ότι ο συνδυασμός χρόνου και θερμοκρασίας που εφαρμόζεται είναι ισοδύναμος με στιγμιαία θέρμανση στους 121οC, διατήρηση της θερμοκρασίας για 4 λεπτά και μετά στιγμιαία ψύξη

48 Η F-τιμή εξαρτάται από την z-τιμή
Αν η z-τιμή=10oC τότε 1 min στους 111oC έχει τιμή F121=0,1 Αν η z-τιμή=5oC τότε 1 min στους 111oC έχει τιμή F121=0,01 Για τα σπόρια η z-τιμή είναι συνήθως 10oC και η F121 που προσδιορίζεται ονομάζεται F0

49 Η τιμή Fo μετράει το θανατηφόρο αποτέλεσμα μίας θερμικής επεξεργασίας
Για τον προσδιορισμό της τιμής Fo που απαιτείται για μία συγκεκριμένη θερμική επεξεργασία, πρέπει να γνωρίζουμε το D121 του οργανισμού στόχου και τον αριθμό των δεκαδικών μειώσεων που είναι απαραίτητες F0=D121 (logN0-logN) N0=αρχικός αριθμός κυττάρων Ν=τελικός αριθμός κυττάρων Η τιμή Fo είναι διαφορετική στα διάφορα τρόφιμα

50 Eπεξεργασία 12-D Στα χαμηλής οξύτητας κονσερβοποιημένα τρόφιμα (pH≥4,6) o μικροοργανισμός στόχος της θερμικής επεξεργασίας είναι τα σπόρια Clostridium botulinum των τύπων Α και Β Στα τρόφιμα αυτά θεωρείται ότι πρέπει να εφαρμόζεται η ελάχιστη θερμική επεξεργασία ώστε να μειωθεί η πιθανότητα επιβίωσης των πιο ανθεκτικών σπορίων του Clostridium botulinum κατά 12 λογαριθμικούς κύκλους (logN0- logN=log1012-log1=12) Αυτή ονομάζεται επεξεργασία 12-D η «botulinum cook»

51 Eπεξεργασία 12-D Αν η D121 του Clostridium botulinum είναι 0,21 λεπτά τότε η επεξεργασία 12-D θα έχει Fo=0,21*12=2.52 Η επίδραση της εφαρμογής αυτής της Fo σε ένα προιόν όπου κάθε κονσέρβα περιέχει 1 σπόριο Clostridium botulinum (No=1) θα έχει σαν αποτέλεσμα να επιβιώνει 1 σπόριο σε μία κονσέρβα κάθε 1012 κονσέρβες Άλλο παράδειγμα:  αν υπάρχουν σπόρια σε μία κονσέρβα και εφαρμοστεί επεξεργασία 12 D τότε ο αρχικός πληθυσμός σπορίων (104 σπόρια) θα μειωθεί θεωρητικά σε ζωντανά σπόρια ανά κονσέρβα ή θεωρητικά σε 1 ζωντανό σπόριο ανά 108 κονσέρβες προιόντος (1 σπόριο ανά 100 εκατομμύρια κονσέρβες).

52 Όξινα κονσερβοποιημένα τρόφιμα
Θεωρούνται τα τρόφιμα που έχουν pH<4,6 Στα τρόφιμα αυτά δεν επιβιώνουν και δεν παράγουν τοξίνη τα σπόρια του Clostridium botulinum Οι μικροοργανισμοί στόχοι είναι οι θερμοάντοχοι μύκητες: Neosartorya fischeri Talaromyces flavus Και το βακτήριο Alicyclobacillus acidoterrestris

53 Χρόνος θερμικής καταστροφής TDT-Thermal Death Time
Ο χρόνος που απαιτείται για να επιτευχθεί η αποστείρωση ενός υποστρώματος που περιέχει γνωστό αριθμό βλαστικών κυττάρων ή σπορίων σε μία ορισμένη θερμοκρασία