Факторы внешней среды постоянно влияют на жизнедеятельность микроорганизмов. При благоприятных условиях наблюдаются быстрый рост и размножение микробов. В условиях, неблагоприятных для жизнедеятельности, развитие замедляется, и далее может наступить их гибель. Факторы внешней среды, оказывающие влияние на микроорганизмы, подразделяют на физические, химические и биологические.
Физические факторы. К физическим факторам внешней среды, влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся температура, влажность, свет и др.
Влияние температуры. Микроорганизмы могут переносить значительные колебания температуры. Для нормальной жизнедеятельности микробной клетки необходима определенная температура. Различают три температурные точки: оптимальную, минимальную и максимальную, при которых может проявляться их жизнедеятельность различной интенсивности. Оптимальная температура та, при которой наиболее интенсивно растут и развиваются микроорганизмы. Минимальная температура - это самая низкая, при которой еще возможно развитие микробов. Ниже этой температуры микроорганизмы снижают свою биохимическую активность, но не погибают, а переходят в анабиотическое состояние, т.е. состояние скрытой жизни, напоминающее зимнее оцепенение многих хладнокровных (лягушек, змей, ящериц). Максимальная - это самая высокая температура, при которой еще возможны рост и развитие микроба. Выше максимальной температурной точки микроб погибает.
В зависимости от температуры, к которой микроорганизмы приспособились в процессе длительной эволюции, их подразделяют на психрофилы, мезофилы и термофилы.
Психрофилы (холодолюбивые) способны развиваться при низкой температуре. Оптимальной для них является температура 15-20 °С, минимальной 0-10, максимальной 30-35 °С. К этой группе относятся некоторые представители кокковой микрофлоры, плесневые грибы, железобактерии и др., вызывающие порчу продуктов при хранении в холодильниках.
Мезофилы - группа микроорганизмов, которые развиваются при средних температурах. Оптимальной для них является температура 30-37 °С, минимальной 10, максимальной 43-50°С. К этой группе относятся многие плесневые грибы, дрожжи, гнилостные и все патогенные микроорганизмы.
Термофилы (теплолюбивые) - микробы, развивающиеся при сравнительно высокой температуре. Оптимальной для них является температура 50-60 °С, минимальной 35, максимальной 75-85 °С. Термофилы являются основными возбудителями порчи мясных и мясорастительных консервов, принимают участие в самонагревании силоса, влажного зерна, сена, хлопка, муки и др. Некоторые термофильные микробы (споровые палочки) сохраняют жизнедеятельность при температуре выше 85 °С.
Микроорганизмы весьма устойчивы к охлаждению и замораживанию. Некоторые виды бактерий и плесневых грибов выдерживают температуру жидкого воздуха (- 190 °С) и жидкого водорода (- 253 °С). Очень устойчивыми к низкой температуре являются вирусы. При низкой температуре все же происходит ряд изменений, которые могут привести к гибели микроба. Скорость отмирания микробов при замораживании зависит от вида микроба, температуры замораживания, кратности замораживания и оттаивания, вида и продолжительности хранения продукта в замороженном состоянии и др.
Высокая температура, вызывающая гибель микробной клетки, называется летальной. Губительное действие высокой температуры обусловливается повреждением коллоидного состояния плазмы, денатурацией белка с последующей коагуляцией его, а также нарушением ферментативных систем. Большинство неспоровых микробов погибают во влажной среде при температуре 60-70 °С за 15-30 мин, при температуре 85 °С - за 3-5 и при температуре 100°С - моментально. Весьма устойчивыми к высокой температуре являются споры бацилл. Споры некоторых микроорганизмов выдерживают кипячение от нескольких минут до нескольких часов.
Влияние влажности. Минимальная влажность, необходимая для жизнедеятельности бактерий, 30 %, для плесневых грибов - 15 %. Различные виды микроорганизмов не в одинаковой степени чувствительны к высушиванию, при котором происходит потеря воды, в результате чего наступает гибель клетки. Наиболее чувствительны к высушиванию неспорообразующие микробы. Споры обладают высокой устойчивостью к высыханию, сохраняясь в высушенном состоянии в течение нескольких лет. Высушивание используют как один из методов сохранения скоропортящихся продуктов. В мясной промышленности метод высушивания нашел широкое применение для консервирования мяса, колбас, мясокостной муки и т.д.
Лиофильная сушка (высушивание при низкой температуре и разрежении) способствует длительному сохранению микроорганизмов. Этот метод используют в промышленности для получения сухих вакцин (живых), консервирования мяса и эндокринного сырья, приготовления органопрепаратов и заквасок для кисломолочных продуктов.
Влияние света. Прямые солнечные лучи, особенно ультрафиолетовые, оказывают бактерицидное действие. Микробная клетка вегетативных форм погибает на солнечном свету через несколько минут. Рассеянный свет не оказывает столь губительного действия на микробов, но при длительном воздействии может постепенно тормозить их рост и развитие.
Ультрафиолетовое облучение применяют на предприятиях мясной промышленности для обеззараживания воздуха, поверхности оборудования и различных предметов с помощью бактерицидных ламп.
Влияние излучений. Микроорганизмы более устойчивы к воздействию рентгеновских и гамма-лучей; смертельная доза для них в сотни и тысячи раз больше, чем для животных. Рентгеновское и гамма-излучение в малых дозах и при непродолжительной экспозиции оказывают стимулирующее действие на рост и размножение микробов. Большие дозы рентгеновских лучей инактивируют ферменты, замедляют рост и предотвращают размножение микробов.
Влияние ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны обладают значительной механической энергией, способной инактивировать ферменты, токсины, разрушать микробную клетку. Смертельное воздействие на бактерии и вирусы начинает проявляться при озвучивании среды с частотой колебаний около 100 тыс. Гц. Ультразвук может быть использован для стерилизации и пастеризации продуктов, очистки и дезинфекции оборудования, тары, сточных вод.
Влияние давления. Микроорганизмы устойчивы к высоким давлениям. Микробы обнаружены на дне глубоких морей и океанов, где давление достигает более 90 МПа (900 кгс/см 2), некоторые дрожжи, плесневые грибы выдерживают давление 300 МПа (3000 кгс/см 2).
Химические факторы. Микробная клетка реагирует на самое незначительное количество химического вещества в среде. Так, если в каплю воды, содержащую подвижные бактерии, опустить капилляр, наполненный раствором пептона (питательного для микробов вещества), то через некоторое время можно заметить скопление микроорганизмов у отверстия капилляра. Это так называемый положительный химиотаксис - бактерии движутся навстречу привлекающему их веществу. Если же капилляр будет заполнен щелочью или кислотой, то бактерии уходят от диффундирующего в воду ядовитого для них вещества, т.е. наблюдается отрицательный химиотаксис.
Действие химических веществ на микроорганизмы проявляется не в одинаковой степени. Как правило, малые концентрации не только не вызывают гибели микробов, а даже стимулируют их рост и развитие.
Большие концентрации химических веществ действуют на микроорганизмы бактериостатически или бактерицидно, вызывая их гибель. Химические вещества, вызывающие гибель микроорганизмов, получили название дезинфицирующих. Эффективность действия химических веществ зависит от химической природы этого вещества, его концентрации, температуры, реакции среды, вида микроорганизма и др. Вещества, применяемые для уничтожения микробов, должны быть в растворенном состоянии. Чем легче вещество адсорбируется микробной клеткой, тем сильнее его действие. Химические вещества в зависимости от их действия на микробную клетку можно разделить на следующие группы:
вещества, повреждающие только клеточную стенку, не изменяющие внутренней структуры микроба (мыла, жирные кислоты);
вещества, вызывающие повреждение оболочки и клеточных белков (фенол, крезол и их производные);
вещества, вызывающие денатурацию белков (формальдегид - 40%-ный раствор формалина);
вещества, вызывающие инактивацию ферментов (соли тяжелых металлов - соли ртути, меди, серебра и др.).
Наиболее чувствительными к химическим веществам являются микробы, не образующие спор, вегетативные формы. Споровые формы довольно устойчивы к воздействию различных химических веществ. Для их уничтожения необходимо готовить горячие растворы высокой концентрации химических веществ. Так, споры сибиреязвенной палочки погибают в 5%-ном растворе фенола только за 14 сут, в то время как вегетативные формы этого возбудителя гибнут от такой концентрации за несколько секунд.
При выборе дезинфицирующих веществ для уничтожения микробов необходимо учитывать вид микроорганизма. Например, вирусы очень чувствительны к щелочам, возбудитель сибирской язвы - к хлору и формальдегиду, а возбудители туберкулеза устойчивы к воздействию кислот и щелочей.
Реакция среды (рН - показатель концентрации водородных ионов) оказывает влияние на рост и развитие микроорганизмов. Жизнедеятельность различных видов микробов возможна только при определенном рН. Большинство микроорганизмов развиваются в слабощелочной среде (рН 7,2-7,6), дрожжи и плесневые грибы лучше культивируются при рН 3-6. Меняя реакцию среды, можно регулировать интенсивность развития и биохимическую активность микробов. При снижении рН до 5 гнилостные бактерии не развиваются, в то время как при такой реакции наиболее активно проявляется ферментативная активность дрожжей.
Биологические факторы. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы находятся в различных взаимоотношениях между собой и с другими организмами. Эти взаимоотношения в процессе длительной эволюции складывались в соответствии с общебиологическим законом симбиоза (сожительства) живых существ. В природе взаимоотношения между микробами и другими организмами существуют в виде различных форм симбиоза, метабиоза и антагонизма.
Комменсализм - это такая форма симбиоза, при которой один организм живет и развивается за счет другого, не причиняя ему вреда. Например, кишечная палочка, некоторые виды стафилококков, стрептококков и других микробов обитают на поверхности или в полостях человека и животного.
Мутуализм - такое сожительство, когда оба организма получают взаимную выгоду, не причиняя друг другу вреда, например сожительство клубеньковых бактерий с бобовыми растениями.
Метабиоз - такое взаимоотношение между микроорганизмами, при котором в процессе последовательного развития одних микробов создаются благоприятные условия для жизнедеятельности других.
Антагонизм - такое взаимоотношение микробов, при котором совместное существование микробных видов оказывается невозможным, т.е. один вид микроба препятствует росту другого, задерживая его развитие, либо вызывает полную гибель.
9.2. Влияние физических факторов на микроорганизмы
Температура - один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность размножения микроорганизмов.
Микроорганизмы могут расти и проявлять свою жизнедеятельность в определенном температурном диапазоне, и в зависимости от отношения к температуре делятся на психрофилы, мезофилы и термофилы. Температурные диапазоны роста и развития микроорганизмов этих групп приведены в таблице 9.1.
Разделение микроорганизмов на 3 группы весьма условно, так как микроорганизмы могут приспосабливаться к несвойственной им температуре.
Таблица 9.1
|
Группа микроорганизмов |
Т(°С) максим. |
Т(°С) оптим. |
Отдельные представители |
|
|
1.Психрофилы (холодолюбивые) |
Бактерии, обитающие в холодильниках, морские бактерии |
|||
|
2. Мезофилы |
Большинство грибов, дрожжей, бактерий |
|||
|
3.Термофилы (теплолюбвые) |
Бактерии, обитающие в горячих источниках. Большинство образуют устойчивые споры |
Температурные пределы роста определяются терморезистентностью ферментов и клеточных структур, содержащих белки.
Среди мезофилов встречаются формы с высоким температурным максимумом и низким минимумом. Такие микроорганизмы называют термотолерантными.
Действие высоких температур на микроорганизмы. Повышение температуры выше максимальной может привести к гибели клеток. Гибель микроорганизмов наступает не мгновенно, а во времени. При незначительном повышении температуры выше максимальной микроорганизмы могут испытывать «тепловой шок» и после недлительного пребывания в таком состоянии они могут реактивироваться.
Механизм губительного действия высоких температур связан с денатурацией клеточных белков. На температуру денатурации белков влияет содержание в них воды (чем меньше воды в белке, тем выше температура денатурации). Молодые вегетативные клетки, богатые свободной водой погибают при нагревании быстрее, чем старые, обезвоженные.
Термоустойчивость - способность микроорганизмов выдерживать длительное нагревание при температурах, превышающих температурный максимум их развития.
Гибель микроорганизмов наступает при разных значениях температур и зависит от вида микроорганизма. Так, при нагревании во влажной среде в течение 15 мин при температуре 50-60 °С погибает большинство грибов и дрожжей; при 60-70 °С - вегетативные клетки большинства бактерий, споры грибов и дрожжей уничтожаются при 65-80° С. Наибольшей термоустойчивостью обладают вегетативные клетки термофилов (90-100 °С) и споры бактерий (120 °С).
Высокая термоустойчивость термофилов связана с тем, что, во первых, белки и ферменты их клеток более устойчивы к температуре, во вторых, в них содержится меньше влаги. Кроме того, скорость синтеза различных клеточных структур у термофилов выше скорости их разрушения.
Термоустойчивость спор бактерий связана с малым содержанием в них свободной влаги, многослойнойоболочкой, в состав которой входит кальциевая сольдипиколиновой кислоты.
На губительном действии высоких температур основаны различные методы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах. Это кипячение, варка, бланширование, обжарка, а также стерилизация и пастеризация. Пастеризация – процесс нагревания до 100˚С при котором происходит уничтожение вегетативных клеток микроорганизмов. Стерилизация - полное уничтожение вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Процесс стерилизации ведут при температуре выше 100 °С.
Влияние низких температур на микроорганизмы. К низким температурам микроорганизмы более устойчивы, чем к высоким. Несмотря на то, что размножение и биохимическая активность микроорганизмов при температуре ниже минимальной прекращается, гибели клеток не происходит, т. к. микроорганизмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни) и остаются жизнеспособными длительное время. При повышении температуры клетки начинают интенсивно размножаться.
Причинами гибели микроорганизмов при действии низких температур являются:
Нарушение обмена веществ;
Повышение осмотического давления среды вследствие вымораживания воды;
В клетках могут образоваться кристаллики льда, разрушающие клеточную стенку.
Низкая температура используется при хранении продуктов в охлажденном состоянии (при температуре от 10 до -2 °С) или в замороженном виде (от -12 до -30 °С).
Лучистая энергия. В природе микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию солнечной радиации. Свет необходим для жизнедеятельности фототрофов. Хемотрофы могут расти и в темноте, а при длительном воздействии солнечной радиации эти микроорганизмы могут погибнуть.
Воздействие лучистой энергии подчиняется законам фотохимии: изменения в клетках могут быть вызваны только поглощенными лучами. Следовательно, для эффективности облучения имеетзначение проникающая способность лучей, которая зависит от длины волны и дозы.
Доза облучения свою очередь определяется интенсивностью и временем воздействия. Кроме того, эффект воздействия лучистой энергии зависит от вида микроорганизма, характера облучаемого субстрата, степени обсемененности его микроорганизмами, а также от температуры.
Низкие интенсивности видимого света (350-750 нм) и ультрафиолетовых лучей (150-300 нм), а также низкие дозы ионизирующих излучений либо не влияют на жизнедеятельность микроорганизмов, либо приводят к ускорению их роста и стимуляции метаболических процессов, что связано с поглощением квантов света определенными компонентами или веществами клеток и переходом их в электронно-возбужденное состояние.
Более высокие дозы излучений вызывают торможение отдельных процессов обмена, а действие ультрафиолетовых и рентгеновских лучей может привести к изменению наследственных свойств микроорганизмов мутациям, что широко используется для получения высокопродуктивных штаммов.
Гибель микроорганизмов под действием ультрафиолетовых лучей связана:
С инактивацией клеточных ферментов;
С разрушением нуклеиновых кислот;
С образованием в облучаемой среде перекиси водорода, озона и т.д.
Следует отметить, что наиболее устойчивыми к действию ультрафиолетовых лучей являются споры бактерий, затем споры грибов и дрожжей, далее окрашенные (пигментированные)клетки бактерий.Наименее устойчивы вегетативные клетки бактерий.
Гибель микроорганизмов под действием ионизирующих излучений вызвана:
Радиолизом воды в клетках и субстрате. При этом образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси, которые, вступая во взаимодействие с другими веществами клетки, вызывают большое количество реакций, не свойственных нормально живущей клетке;
Инактивацией ферментов, разрушением мембранных структур, ядерного аппарата.
Радиоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах, причем микроорганизмы значительно радиоустойчивей высших организмов (в сотни и тысячи раз). Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений споры бактерий, затем грибы и дрожжи и далее бактерии.
Губительное действие ультрафиолетовых и рентгеновских γ-лучей используется на практике.
Ультрафиолетовыми лучами дезинфицируют воздух холодильных камер, лечебных и производственных помещений, используют бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей для дезинфекции воды.
Обработка пищевых продуктов низкими дозами гамма-излучений называется радуризацией.
Электромагнитные колебания и ультразвук. Радиоволны. Это электромагнитные волны, характеризующиеся относительно большой длиной – от миллиметров до километров и частотами от 3·10 4 до 3·10 11 герц.
Прохождение коротких и ультрарадиоволн через среду вызывает возникновение в ней переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.
Гибель микроорганизмов в электромагнитном поле высокой интенсивности наступает в результате теплового эффекта, но полностью механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы не раскрыт.
В последние годы сверхвысокочастотная электромагнитная обработка пищевых продуктов все более широко применяется в пищевой промышленности (для варки, сушки, выпечки, разогревания, размораживания, пастеризации и стерилизации пищевых продуктов). По сравнению с традиционным способом тепловой обработки время нагревания СВЧ-энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз, в связи с чем полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства продукта.
Ультразвук. Ультразвуком называют механические колебания с частотами более 20000 колебаний в секунду (20 кГц).
Природа губительного действия ультразвука на микроорганизмы связана:
С кавитационным эффектом. При распространении в жидкости УЗ-волн происходит быстро чередующееся разряжение и сжатие частиц жидкости. При разряжении в среде образуются мельчайшие полые пространства - «пузырьки», заполняющиеся парами окружающей среды и газами. При сжатии, в момент захлопывания кавитационных «пузырьков», возникает мощная гидравлическая ударная волна, вызывающая разрушительное действие;
с электрохимическим действием УЗ-энергии. В водной среде происходит ионизация молекул воды и активация растворенного в ней кислорода. При этом образуются вещества, обладающие большой реакционной способностью, которые обуславливают ряд химических процессов, неблагоприятно действующих на живые организмы.
Благодаря специфическим свойствам ультразвук все более широко применяют вразличныхобластях техники и технологии многихотраслей народного хозяйства. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), мойки и стерилизации стеклянной тары.
Микроорганизмы — это наименьшие формы жизни, которые можно наблюдать только с помощью микроскопа. Они повсеместны (они обитают в почве, водах, живых макроорганизмах), и на их жизненные процессы влияет ряд факторов в окружающей среде. Физические факторы, которые наиболее сильно влияют на температуру, энергию, окружающий рН, осмотическое и атмосферное давление, звуковые волны и т. д.
Температура
Одним из основных факторов, влияющих на жизнеспособность бактерий, является температура окружающей среды. Их существование происходит в определенном температурном диапазоне: минимальном, оптимальном и максимальном.
В зависимости от этого различные типы бактерий подразделяются на следующие три основные группы:
- Психофилы (от психроса — холодные) — холодолюбивые бактерии. Их оптимальная температура роста составляет от 10°С до 15°С, но может быть умножена на 0-30°С. Они обычно обитают в водах и почвах в Арктике и Антарктике и в потоках таяющих ледников. В морях Арктики обнаружены бактериальные виды, которые размножаются при -5°С. Некоторые патогенные бактерии, такие как Listeria monocytogenes и Y. enterocolitica, являются жизнеспособными при 4°С, как это обычно бывает, в домашних холодильниках.
- Мезофилы — это бактерии, которые растут при умеренных температурах от 20 до 40°С. Их максимальный температурный диапазон составляет 10-45°С. Большинство типов бактерий являются мезофильными и включают в себя некоторых почвенных и водных обитателей, нормальной микрофлоры и всех видов животных и бактерий, вызывающих заболевания.
- Термофилы определяются как теплокровные бактерии. Их оптимальная температура роста составляет от 45°С до 70°С, а их максимальный диапазон, при котором они остаются жизнеспособными, составляет 25-90°С. Термофилы обычно встречаются в термальных источниках и компосте. Молочнокислые бактерии также относятся к термофилам.
Существуют также гипертермофильные бактерии, которые развиваются при очень высоких температурах. Их оптимальная температура роста составляет от 70 до 110°С. Они включают представителей Археи, которые находятся вблизи гидротермальных отверстий на больших глубинах в океанах.
Оптимальная температура развития для данного типа бактерий соответствует условиям, в которых клеточный метаболизм наиболее эффективен. Высокие температуры, которые превышают максимум для данного типа бактерий, повреждают метаболизм клеток, и они умирают. Большая часть патогенных бактерий, грибов и всех вирусов погибает при 50-60°С в течение от нескольких минут до 1 часа. Споры бацилл являются наиболее устойчивыми формами жизни и умирают со скоростью. более 100°С в течение 2 часов и более (C. butulinum — более 5 часов). Высокая температура воды или водяного пара повреждает микроорганизмы путем коагуляции и денатурации белков (особенно чувствительных ферментов), денатурации ДНК и нарушения целостности клеток. В сухой стерилизации, где высокая температура влияет на микроорганизмы в воздухе, микробы умирают из-за окисления органического вещества в ячейке и из-за повышенного уровня электролита.
Низкие температуры также влияют на жизнедеятельность бактерий, замедляя или останавливая клеточный метаболизм, увеличивая вязкость (плотность) цитоплазмы и ограничивая проницаемость плазматической мембраны. В большинстве бактерий ниже 0°С метаболическая активность клеток прекращается и переходит в состояние анаболизма. Замораживание большинства микроорганизмов в подходящей среде и при температурах от -20 до -70°С, а также в жидком азоте (-196°С) сохраняется в течение длительного периода времени. Это делается в специализированных лабораториях с целью сохранения ценных видов бактерий.
Влияние температуры окружающей среды на микроорганизмы обычно используется в медицинской практике. Биологические материалы, которые принимаются для микробиологического тестирования, хранятся и транспортируются при оптимальной температуре для подозреваемого патогена, бактериальная культура также требует поддержания подходящей температуры. Влажное тепло широко используется для стерилизации медицинских инструментов и термостойких расходных материалов.
Излучние
Излучение, которое повреждает микроорганизмы, представляет собой коротковолновый электромагнитный спектр — ионизирующее излучение и ультрафиолетовые лучи. Их эффект объясняется появлением фотохимических реакций в клетках и молекулярной ионизацией из-за накопления частиц высокой энергии.
Ионизирующее излучение с разрушающим воздействием на микробные агенты включает гамма-лучи, исходящие из Со-60 и Се-137, рентгеновское излучение и корпускулярное излучение (бета-частицы и электроны высокой энергии). Они обладают высокой проникающей способностью, значительной энергией и оказывают прямое и косвенное воздействие. Эффект прямого повреждения достигается при высоких дозах излучения, непосредственно влияющих на бактериальную хромосому, клеточные ферменты, ряд макромолекул с необратимыми изменениями. Косвенный эффект имеет первостепенное значение, так как вода преобладает в клетках. Рентгеновские лучи и гамма-лучи представляют собой высокоэнергетическое излучение, которое может вызывать электрон от атомов, что приводит к ионизации молекул. В результате образуются реакционноспособные свободные радикалы — водород (* H), гидроксил (* OH) и т. д., из которых в клетках образуются окислители, такие как пероксид водорода и пероксид водорода. В свою очередь, они непосредственно повреждают ряд важных макромолекул, наиболее чувствительной ДНК. Декомпозиция макромолекулы ДНК является наиболее распространенной причиной гибели клеток, поскольку она часто содержит только одну копию данного гена. Растительные бактериальные формы, их споры и грибы обычно умирают в дозе около 1,2 Мрад. Несколько вирусов нуждаются в дозе 2,5 Мрад.
Ультрафиолетовое излучение используется как гермицид (микробицид) как в промышленности, так и в медицине более ста лет. Наиболее сильным воздействием на микроорганизмы являются ультрафиолетовые лучи с длиной волны 250-260 нм, что соответствует их максимальному поглощению от оснований молекулы ДНК. Квантовая энергия, переносимая ультрафиолетовыми лучами (UVL), не приводит к ионизации, но инициирует фотохимические реакции. Последний индуцирует ковалентное присоединение соседних оснований тимина в молекуле ДНК, и когда они являются частью двух комплементарных цепей, связывание прекращает репликацию хромосомы, и микробы разрушаются. При более низких дозах ультрафиолетового излучения этот процесс вызывает мутации. Исследование случаев низкодозного облучения (УФЛ) Escherichia coli выявило наличие все большего числа устойчивых к бактериофагу мутантов.
рН среды и осмотическое давление
Реакция окружающей среды, оптимальная для большинства патогенных микроорганизмов (бактерии и вирусы), является нейтральной или слегка щелочной — pH 7-7,5. Некоторые бактерии, такие как туберкулез, требуют слабокислой среды (рН 6,8), холеры, плесени и дрожжей — щелочных сред (pH 8-9). Изменение реакции среды сильно влияет на метаболическую активность микроорганизмов, которая широко используется в пищевой и фармацевтической промышленности.
Микроорганизмы могут быть отнесены к одной из следующих групп на основе значений рН, необходимых для их оптимального развития:
- Нейтрофилы — лучше развиваются при рН от 5 до 8.
- Ацидофильный — рН 5,5 подходит.
- Алкалифилы — оптимальный рН выше 8,5.
Осмос представляет собой диффузию молекул воды через мембрану из зоны более высокой концентрации воды (меньшая концентрация растворенного вещества) в область с более низкой водной концентрацией или более высокой концентрацией растворенного вещества. Осмотическое давление определяется в основном концентрацией растворенного вещества в данной среде.
Изотоническая среда с определенной концентрацией солей необходима для нормального хода жизни в бактериальных клетках. 0,5% растворы NaCl используются в питательных средах для достижения изотактичности. В океанах и морях микроорганизмы выдерживают значительно более высокие осмотические давления — до 29% NaCl.
Для сохранения пищевых продуктов для предотвращения роста микроорганизмов используются растворы с высоким осмотическим давлением (более 50% сахара или 20% NaCl). Болезни стафилококков (S. aureus) могут выжить в 15% -ной среде NaCl.
Сушка и звуковые волны
Сушка воздействует на различные микроорганизмы в разной степени. Патогенными микроорганизмами, которые особенно чувствительны к потере внутриклеточной воды, являются гемофильные бактерии, члены рода Nayera (менингококки, гонококки), T. pallidum и другие. Вирусы, подверженные сушке, включают вирусы гриппа и парагриппа, ВИЧ, риновирусы и другие. Устойчив к обезвоживанию — вирионы холеры (до 2 дней), шигеле (до 7 дней) и туберкулезные бактерии (от 3 месяцев до 1 года). Высокая устойчивость к потере внутриклеточной жидкости — это споры бактерий (бациллы сибирской язвы — до 50 лет) и грибы.
Лиофилизация — это процесс, в котором микроорганизмы высушиваются при низких температурах и в вакууме. Процесс включает размещение микробных агентов в защитной жидкости, а затем замораживание со скоростью. От -20 до -70°С и помещают в вакуумную среду в специальном лиофилизированном аппарате. Вакуум вызывает сублимацию воды в микроорганизмах, и они высыхают как антибиотик, но остаются жизнеспособными в течение нескольких лет. Лиофилизация служит для сохранения важных бактериальных и вирусных штаммов, а также для производства живых вакцин.
Только ультразвуковые волны могут влиять на рост и развитие микроорганизмов. Ультразвуковые волны, рассеянные в жидкой среде, вызывают усадку и расширение окружающей среды, что приводит к образованию пузырьков в цитоплазме (кавитация). Эти пузырьки оказывают высокое давление на оболочку клетки, что приводит к разрушению клеток. С другой стороны, ультразвуковая энергия может вызвать ионизацию и диссоциацию молекул воды с образованием реактивных радикалов. Ультразвук используется для механической очистки медицинских и стоматологических инструментов, но не для стерилизации, так как некоторые из микроорганизмов выживают с помощью этого метода.
Кислород
Бактерии характеризуются широким спектром требований к содержанию кислорода в их среде разработки. Они могут быть сгруппированы следующим образом:
- Связанные (обязательные) аэробы — микроорганизмы, которые развиваются только в присутствии кислорода. Они получают энергию через аэробное дыхание.
- Микроаэрофилы — низкая концентрация кислорода (от 2% до 10%) требуется для их жизнедеятельности, а ее более высокие концентрации являются тормозящими. Они получают энергию через аэробное дыхание.
- Смешанные анаэробные микроорганизмы — растут только в бескислородных средах и часто умирают в их присутствии. Они деградируют питательные вещества с анаэробной или ферментацией.
- Аэротрольные анаэробы, подобно анаэробным пудингам, не могут использовать кислород для извлечения энергии, но могут выжить в кислородной среде. Они известны как связывающие ферментеры, потому что они используют только процесс ферментации для извлечения энергии из пищи.
- Дополнительные анаэробные микроорганизмы — развиваются в присутствии или в отсутствие кислорода, но обычно более активны в кислородной среде. Они получают свою энергию через аэробное дыхание (в присутствии кислорода), но также используют ферментацию или анаэробное дыхание, в отсутствие этого. Большинство бактерий факультативно анаэробны.
Жизнедеятельность микроорганизмов зависит от условий существования. Благоприятными условиями их существования является влажность, тепло, наличие питательных веществ. Тормозят развитие микроорганизмов высушивание, кислая среда, низкие температуры, отсутствие питательных веществ и др. Искусственно регулируя условия существования микробов, можно прекратить их размножение или уничтожить их.
Большинство пищевых продуктов по химическому составу является благоприятной средой для существования микробов. Поэтому хранить пищевые продукты можно только при неблагоприятных условиях для микроорганизмов. Говоря о влиянии физических факторов окружающей среды на микроорганизмы, подразумевают условия внешней среды, влияющие на их развитие и делят таковые на три основные группы: физические, химические и биологические. К физическим условиям (факторам) относятся: температура, влажность среды, концентрация веществ, растворенных в среде; излучение.
Влияние температуры на микроорганизмы.
Развитие всех микроорганизмов возможно при определенной температуре. Известны микроорганизмы, способные существовать при низких (-8°С и ниже) и при повышенных температурных условиях, например, обитатели горячих источников поддерживают жизнедеятельность при температуре 80-95°С. Большинство микробов предпочитает температурные пределы 15-35°С. Различают:
- оптимальную, наиболее благоприятную для развития температуру;
- максимальную, при которой прекращается развитие микробов данного вида;
- минимальную, ниже которой микробы прекращают развитие.
По отношению к уровню температуры микроорганизмы разделяют на три группы:
- психрофиты – хорошо растут при пониженных температурах,
- мезофиллы – нормально существуют при средних температурах,
- термофилы – существуют при постоянно высоких температурах.
Микробы сравнительно быстро приспосабливаются к значительным изменениям температуры. Поэтому незначительное снижение или повышение уровня температуры не гарантирует прекращения развития микроорганизмов.
Влияние высоких температур.
Температуры, значительно превышающие максимальные, вызывают гибель микроорганизмов. В воде большинство вегетативных форм бактерий при нагревании до 60°С погибают за час; до 70°С — за 10-15 минут, до 100°С — за несколько секунд. В воздухе гибель микроорганизмов наступает при значительно более высокой температуре — до 170°С и выше в течение 1-2 часов. Споровые формы бактерий значительно устойчивее к нагреванию, они могут выдерживать кипячение в течение 4-5 часов.
Методы пастеризации и стерилизации основаны на свойстве микробов погибать под действием высоких температур. Пастеризация — осуществляется при температуре 60-90°С, при этом погибают вегетативные формы клеток, а споровые остаются жизнеспособными. Поэтому пастеризованные продукты следует быстро охлаждать и хранить в условиях охлаждения. Стерилизация — это полное уничтожение всех форм микроорганизмов, включая споровые. Стерилизацию осуществляют при температуре 110-120°С и повышенном давлении.
Однако споры не погибают мгновенно. Даже при 120°С гибель их наступает через 20-30 минут. Стерилизуют пищевые консервы, некоторые медицинские материалы, субстраты, на которых выращивают микроорганизмы в лабораториях. Эффект стерилизации зависит от количественного и качественного состава микрофлоры объекта стерилизации, его химического состава, консистенции, объема, массы и др.
Влияние низких температур.
Чаще всего действие низких температур связано не с гибелью микроорганизмов, а с торможением и прекращением их развития. Низкую температуру микроорганизмы переносят значительно лучше. Многие болезнетворные микробы, попадающие в окружающую среду, способны переносить суровые зимы, не теряя болезнетворности. Наиболее негативно на развитие микроорганизмов влияет температура, при которой замерзает содержимое клетки.
Тормозящее действие низких температур на микробы используют для хранения различных продуктов в охлажденном виде при температуре 0-4°С, и замороженном – при температуре — 6-20°С и ниже. Действие низких температур в замороженных продуктах усиливает влияние повышенного осмотического давления. Поскольку большая часть воды перешла в лед, в оставшейся жидкой части воды оказались все растворенные вещества, содержавшиеся в массе продукта. Это вызывает повышенное осмотическое давление, которое, в свою очередь, тормозит развитие микробов.
Замораживание используют для хранения мяса, рыбы, плодов, овощей полуфабрикатов, кулинарных изделий, готовых блюд и др. Прекращение развития микробов действует только до тех пор, пока продолжается действие низкой температуры. При повышении температуры начинается бурное развитие и размножение микробов, что вызывает порчу пищевых продуктов.
Следовательно, низкая температура только замедляет биохимические процессы, не имея стерилизующего эффекта. Многократное замораживание одних и тех же продуктов способствует быстрому приспособлению микробов к низким температурам и усиливает их жизнеспособность. Поэтому надо предотвращать колебания температуры во время хранения продуктов.
Непременным условием жизнедеятельности микроорганизмов является наличие в среде капельножидкой воды. В высушенном состоянии микробы остаются бездеятельными, хотя и могут сохранить свою жизнеспособность. В высушенном состоянии микробы не могут расти и размножаться, так как нарушается осмотический характер процесса питания: при отсутствии воды, необходимой для растворения питательных веществ, они не могут проникнуть внутрь микробной клетки. Минимум влажности, при котором возможно развитие бактерий, 25-30%. Менее требовательны к влаге плесневые грибы. Они развиваются на субстратах и при 10-15% влажности (особенно пеницилловые и аспергилловые плесени).
Для развития микробов важно не общее содержание влаги, а доступность ее для процесса питания. Если вода химически связана с субстратом (содержится, например, в кристаллогидратах, где ее количество строго определенное) и может быть удалена либо химическим воздействием, либо прокаливанием, то такая вода для микробов недосягаема: химически связанная вода не может служить растворителем питательных веществ. Микроорганизмам, как уже указывалось, необходима капельножидкая вода, удерживающаяся в продуктах силами смачивания и капиллярности.
Содержание капельножидкой воды в пищевых продуктах зависит от свойств продукта и окружающей температуры. Чем выше температура окружающего воздуха, тем более влажным должен быть субстрат, чтобы на его поверхности могли развиваться микроорганизмы, и наоборот. Высушивая продукт, мы получаем возможность предохранить его от микробного воздействия; поэтому сушка является наиболее простым методом консервирования.
Различные микроорганизмы по-разному переносят высушивание. Одни микробы весьма чувствительны к влаге и при высушивании сравнительно быстро погибают. К этой группе относятся, например, уксуснокислые бактерии, нитрифицирующие и азотфиксирующие почвенные бактерии, некоторые патогенные микроорганизмы - холерный вибрион, чумная палочка - и некоторые гнилостные микробы. Другие же микроорганизмы могут сохраняться в высушенном состоянии довольно продолжительное время, а третьи в высушенном состоянии сохраняют свою жизнеспособность даже десятки лет. Для сохранения жизнеспособности микробов при высушивании немаловажное значение имеют технические условия высушивания. Установлено, что особенно долго микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в том случае, если они высушиваются вместе с питательным субстратом. Есть данные о том, что в высушенных комочках земли жизнеспособность спор сохраняется до 93 лет. Молочнокислые бактерии в высушенном состоянии не теряют способности к развитию в течение 10 лет, что позволяет применять их «сухие закваски» при изготовлении . Очень долго (2 года и более) сохраняют свою жизнеспособность многие клетки в высушенных хлебных дрожжах.
В настоящее время широко применяется метод сохранения производственных культур микроорганизмов и вакцин путем быстрого высушивания их в вакууме в средах специального состава.
Сушка овощей и плодов осуществляется в широком производственном масштабе и имеет большое народнохозяйственное значение. Особенно большое распространение получила промышленная сушка овощей: картофеля, капусты, свеклы, моркови, белых кореньев, лука, зеленого горошка, грибов. Из плодов и ягод сушат виноград, абрикосы, семечковые плоды и сливы. Меньшее значение имеют сушеные продукты животного происхождения: яичный порошок, сухое молоко, сушеное мясо, вяленая рыба. Содержание влаги при сушке для различных видов фруктов практически необходимо снизить до 15-20%, для овощей - до 12-14%. Высушивать другие продукты можно и до меньшего содержания влаги - 4-5%.
В зависимости от скорости и условий высушивания, характера высушиваемого сырья и вида микроорганизмов на поверхности сушеных продуктов могут остаться самые разнообразные зародыши микробов. В сушеной капусте, например, находили до 15 млн. зародышей на 1 г продукта, а в яичном порошке, полученном на американских заводах, еще больше - от 18 до 20 млн. зародышей на 1 г.
Обычно микрофлора сушеных фруктов и овощей представлена спорами плесневых грибов Aspergillus, Penicillium, но могут встречаться и бактерии кишечнотифозной группы Escherichia coli, Salmonella enteritidis, S. gartneri и некоторые другие. Наличие в сушеных продуктах (а также концентратах) разнообразных микробов приводит к тому, что небольшое, даже местное, увлажнение этих продуктов влечет за собой быстрое развитие микробов, чаще всего плесневых грибов, реже развитие бактерий и порчу продуктов. Поэтому хранить сушеные фрукты, овощи, концентраты следует в герметической упаковке во избежание поглощения влаги из воздуха.
Действие температуры
Температура среды является мощным физическим фактором, определяющим не только интенсивность развития, но и возможность существования микроорганизмов. Для каждого микроба существует определенный температурный интервал, вне границ которого данный микроорганизм погибает.
Все микроорганизмы в зависимости от положения на температурной шкале оптимума их роста и развития принято делить на три группы: психрофилы, мезофилы, термофилы.
Психрофильные микроорганизмы (от греческого psychria - холод, phileo - люблю) - холодолюбивые микроорганизмы, в основном встречающиеся в северных морях, в почвах тундры и т.д. В процессе эволюции эти микроорганизмы приспособились к жизни при низких температурах. Оптимум их развития лежит между 10 и 20°С, максимум равен 30-35 °С, минимум - от 0 до -7 °С и даже ниже.
К психрофильным микроорганизмам относятся бактерии, способные развиваться в холодильниках, на охлажденных продуктах и вызывающие их порчу. Это преимущественно неспорообразующие грамотрицательные подвижные и неподвижные палочки родов псевдомонас и ахромобактер (Pseudomonas и Achromobacter). При минусовых температурах могут развиваться и некоторые плесени, особенно Cladosporium и Thamnidium, прекращающие свою жизнедеятельность лишь при температуре около -10°С.
Термофильные (от греческого therme - тепло, жар), или теплолюбивые, микроорганизмы также довольно широко распространены в природе. Их находят не только в песках Сахары или в воде горячих минеральных источников, где они свободно живут при температуре 50-60°С. Термофилов повсеместно можно встретить в почве, в воде, в кишечнике человека и животных, так как они обладают очень устойчивыми спорами. Оптимальная температура для развития термофилов лежит между 50 и 60°С (иногда даже выше), минимум - около 30°С и максимум - между 70 и 80 °С.
К термофильным микробам относят Вас. aerothermophilus, Вас. calfactor, Вас. coagulans, Вас. thermodiastaticus, Cl. thermosaccharolyticum, отдельных представителей плесневых грибов рода Aspergillus и Penicillium и некоторые другие виды микроорганизмов. К группе термофильных причисляют и так называемых термогенных микробов, способных возбуждать экзотермические реакции. Термогенные микроорганизмы являются виновниками саморазогревания сена, зерна, хлопка, навоза и других органических материалов. Они играют большую роль в «табачном брожении» - в ферментации табака, протекающей в тюках табака при 54 °С и значительно улучшающей аромат и горючесть табака.
Биотермогенез (саморазогревание) навоза, обусловленный экзотермическими реакциями микробной природы, широко используется в парниках, теплицах, оранжереях для обогрева растений.
Однако между психрофилами и мезофилами, мезофилами и термофилами нельзя провести резкой границы. Имеется целый ряд переходных форм, одинаково хорошо развивающихся как при низких, так и при сравнительно высоких температурах. Таких микробов называют психротолерантными или термотолерантными (от латинского tolerantia - терпение). Указанные группы микробов как бы безразличны к теплу и холоду. Термотолерантные микробы, имея оптимум для развития около 30 °С, обнаруживают очень высокий максимум (55-60 °С). Психротолерантные микробы при оптимуме около 20 °С свободно развиваются и при очень низких температурах, близких к нулю и ниже. В табл. 1 приведены кардинальные температуры (в °С) роста и развития некоторых микробов (по литературным данным).
Точное определение кардинальных температурных точек для отдельных видов микроорганизмов является довольно трудной задачей, так как для различных жизненных функций микроба кардинальные температуры оказываются различными. В частности, оптимальная температура роста и размножения микробов не всегда совпадает с оптимальной температурой спорообразования, брожения или накопления кислот в среде. Например, микроорганизмы молока Streptococcus lactis наиболее интенсивно растут при 34 °С, а для брожения лучшей температурой для них является 40 °С. Температурный оптимум роста большинства плесневых грибов лежит между 25-30 °С, а для спорообразования им нужна более высокая температура: 35-40 °С. Плесневой гриб Aspergillus niger лучше всего растет при 35 °С, а продуцирует лимонную кислоту из сахара больше всего при температуре 20-25 °С.
Часто можно наблюдать явление, что оптимальная температура для развития одного вида микробов оказывается неподходящей для развития другого вида этого же рода и семейства.
Для одного и того же вида микроба в зависимости от места его обитания кардинальные температурные точки могут оказаться различными. Явление несовпадения температурных максимумов для некоторых видов почвенных бактерий отмечено Е. Н. Мишустиным. Он указывает, что для бактерий, выделенных из южных почв, температурный максимум оказывается более высоким и они образуют более термоустойчивые споры, чем представители этого же вида из северных почв.
По сравнению с другими живыми организмами микробы гораздо лучше переносят колебания температуры. Сенная палочка, например, способна развиваться в любой климатической зоне, так как свободно переносит температуры от 6 до 55 °С. Для других сапрофитных форм этот диапазон несколько сужен - от 10-15 до 40-45 °С. Только патогенные микроорганизмы имеют максимум и минимум, очень близко расположенные к оптимуму. Температурный интервал для их развития не превышает 5-10 °С.
Если длительно выращивать микроорганизмы при постоянно повышающейся или понижающейся температуре, то удается переместить кардинальные точки этих микробов. Подобным образом, например, были выведены холодостойкие расы дрожжей.
Зная отношение тех или иных микроорганизмов к температуре, можно в лабораторных условиях культивировать их при оптимальных для них температурах. Это дает возможность подробно изучить физиологические свойства и установить возможность применения и максимально выгодные условия при использовании в практической жизни биохимических реакций, возбуждаемых данными микроорганизмами.
Влияние на микроорганизмы низких и высоких температур
Высокие и низкие температуры влияют на микроорганизмы по-разному. Как правило, микроорганизмы не переносят высоких температур и погибают при этом более или менее быстро. Низкие же температуры оказывают смертельное (летальное) действие в том случае, если замерзает среда, в которой содержатся микробы, или если наблюдаются резкие скачки температуры при многократно повторяющемся замораживании и оттаивании. Однако отмирание микроорганизмов при охлаждении протекает гораздо медленнее, чем в условиях нагревания.
Низкие температуры, ниже минимума и даже близкие к абсолютному нулю, вызывают у большинства микробов так называемый анабиоз - «состояние скрытой жизни», напоминающее зимнее оцепенение многих холоднокровных животных (лягушек, змей, ящериц и пр.). В литературе, например, имеются очень интересные сведения о том, что в трупах мамонтов, пролежавших в мерзлой земле несколько десятков тысяч лет, были найдены споры и жизнеспособные гнилостные бактерии.
Холодоустойчивость различных микроорганизмов может колебаться в очень широких пределах. Были проделаны многочисленные опыты по замораживанию микробов. Споры бактерий и плесеней выдерживались в течение полугода (и даже более) при температуре жидкого воздуха (-190 °С); споры плесеней подвергались охлаждению в условиях вакуума до температуры жидкого водорода (-253 °С) в течение 3 дней, но и после такого замораживания они сохранили способность к развитию и размножению. Особенно устойчивыми к замораживанию оказываются споры бацилл. Выдерживают низкие температуры более или менее продолжительное время и некоторые бесспоровые микроорганизмы. Дифтерийные коринебактерии переносят замораживание 3 месяца. Брюшнотифозные бактерии длительно сохраняются во льду. Кишечная палочка сохраняет свою жизнеспособность и после 20-часового выдерживания при температуре жидкого воздуха.
Исследованиями установлено, что скорость отмирания микроорганизмов при замораживании зависит от их видовой принадлежности, возраста культуры, химического состава среды и влажности воздуха в камерах замораживания. Ф. М. Чистяков, Г. Л. Носкова, 3. 3. Бочарова, И. Брукс и другие установили, что если в замораживаемых продуктах сохраняется капельножидкая вода, то отдельные разновидности Penicillium glaucurn и Cladosporium herbarum будут развиваться даже при -8 °С. Чем выше кислотность замораживаемой среды, чем более высокой будет в ней концентрация растворенных веществ, тем быстрее погибают микроорганизмы. Так, при резком снижении температуры от 0 до -12 °С в кислых средах с высокой концентрацией растворенных веществ быстрее всего погибают бактерии кишечной группы и протея. Однако фекальный стрептококк в этих условиях сохраняет свою жизнеспособность. Высокая влажность воздуха в холодильных камерах создает благоприятные условия для развития плесеней и бактерий.
Большая выживаемость микробов при охлаждении и замораживании не противоречит, однако, современной тенденции холодильного хранения продуктов. Дело в том, что низкие температуры приостанавливают гнилостные и бродильные процессы, хотя и не делают продукт стерильным. Кроме того, при низких температурах качество продукта все же сохраняется дольше, так как при этом снижается отрицательное действие других, немикробиальных факторов. В частности, резко замедляется действие ферментов. Плоды и овощи без заметного ухудшения их качества можно хранить в охлажденном состоянии в течение нескольких месяцев. Сохранить продукты от порчи при понижении температуры можно, однако, только временно, пока продолжается действие холода. После оттаивания (дефростации), особенно при неправильном размораживании, когда нарушается целость тканей и наблюдается вытекание клеточного сока (в мясе, рыбе и пр.), микробы, сохранившие свою жизнеспособность, начнут интенсивно размножаться, что очень быстро вызывет порчу продукта. Поэтому к продуктам, направляемым на холодильное хранение, следует предъявлять строгие санитарно-гигиенические требования.
Высокие температуры, как указывалось, микроорганизмы переносят значительно хуже, чем охлаждение. Повышение температуры, выходящее за пределы максимума, всегда в конечном счете приводит к смерти микробной клетки. И чем выше температура, тем быстрее погибает микроб. Отмирают микроорганизмы не все одновременно. При воздействии на микробы высоких температур большое значение имеет степень нагревания, его продолжительность, вид микроорганизма и химический состав субстрата.
При кратковременном нагревании до температур, лишь незначительно превышающих максимум, у микробов наблюдается подобное анабиозу «тепловое окоченение»: все жизненные процессы в клетке приостанавливаются. Однако при быстром снижении температуры до пределов оптимума происходит восстановление функциональной деятельности микроба - его оживление. Но длительное пребывание микроорганизма в состоянии теплового окоченения приводит к летальному исходу. Например, гриб Penicillium glaucum, имеющий температурный максимум 34 °С, погиб при 35 °С через месяц. Споры Cladosporium herbarum настолько были ослаблены 50-дневной выдержкой при 35 °С, что прорастание их наблюдалось лишь спустя 11 дней.
Губительное действие высоких температур на микроорганизмы связано с термолабильностью белков. Известно, что нагревание вызывает денатурацию белка - его необратимое свертывание. На температуру денатурации белка очень сильно влияет процентное содержание в нем воды. Чем меньше воды в белке, тем более высокие температуры необходимы для его свертывания. Поэтому молодые вегетативные клетки микробов, богатые водой, погибают при нагревании быстрее, чем старые клетки, потерявшие определенное количество воды.
Высокие температуры вызывают необратимые изменения в живой цитоплазме микробных клеток, нарушают ее тонкие конструкции и течение биохимических реакций. Гибель микроорганизма при этом неизбежна, так как невозможно восстановить функциональные свойства живого вещества у его цитоплазмы, как нельзя вернуть первоначального состояния белку круто сваренного яйца.
Летальные температуры различны не только для различных микробов, но даже клетки одного и того же вида, выращенные в разных условиях, погибают разновременно. Многие микробы вне жидкого субстрата в подсушенном состоянии (зародыши в пыли или на стенках сухих сосудов) оказываются весьма термоустойчивыми. Они способны выдержать длительное нагревание при температурах, превышающих максимум их развития. В жидких же средах они сравнительно легко погибают. Очень высокую термоустойчивость проявляют споры бацилл и особенно споры термофильных микроорганизмов. Это объясняется тем, что споры содержат меньше воды, чем вегетативные клетки, да к тому же большая ее часть находится в связанном состоянии. Кроме того, споры покрыты плотной, труднопроницаемой оболочкой. Содержащиеся в спорах липоидные компоненты оказывают защитное действие при свертывании белка. Предполагают, что цитоплазма термофильных микробов построена из весьма термоустойчивых белков. Дрожжи и плесени гораздо менее устойчивы к нагреванию. Они сравнительно быстро погибают уже при 65-80 °С. Существуют, правда, виды плесневых грибов, выдерживающие нагревание до 100 °С, но кратковременное.
Большинство неспорообразующих бактерий погибает при температуре 60 °С в течение 30-60 мин. При более высоких температурах они гибнут быстрее. При действии сухого жара при 160-170 °С в течение 1-1,5 ч и нагревании при 120,6 °С под давлением пара 2 ат (19,6-104 н/м2) в течение 20-30 мин погибают как вегетативные клетки, так и споры всех микроорганизмов. Субстрат становится стерильным.
На губительном действии высоких температур на микроорганизмы основано производство стерилизованных баночных консервов. При консервировании пищевых продуктов приходится учитывать химический состав среды - ее кислотность, наличие в среде поваренной соли, жира - и многие другие факторы, влияющие на термоустойчивость микробов и их спор.
Следует иметь в виду, что в субстратах среди общей массы микробов всегда встречаются отдельные клетки с сильными индивидуальными отклонениями от средней термоустойчивости, характеризующей данный вид: бывают как менее, так и более устойчивые. В силу этого при нагревании в одних и тех же условиях не все микроорганизмы погибают одновременно. Могут сохраниться отдельные клетки данного вида, оказавшиеся более стойкими. Чем сильнее продукт загрязнен микробами, тем вероятнее присутствие в нем большего количества таких термоустойчивых особей, тем дольше нужно вести нагрев для их полного уничтожения. В пищевой промышленности использование высоких температур для уничтожения микробов осуществляется двумя способами - пастеризацией и стерилизацией.
Пастеризация. Продукт прогревают при температурах от 65 до 80 °С в течение нескольких минут. Продолжительность пастеризации зависит от вида продукта и температуры. При пастеризации уничтожаются лишь вегетативные клетки микробов; споры бактерий, а также клетки некоторых термофильных микроорганизмов при этом могут сохраниться. Для предупреждения порчи пастеризованных продуктов и задержки прорастания спор сохранившихся микробов такие продукты следует хранить в охлажденном состоянии. Пастеризацию применяют для молока, вина, фруктовых соков и некоторых других продуктов. Иногда используют кратковременный нагрев до температуры 90-100°С в течение нескольких секунд (мгновенная пастеризация, или лампоризация).
Стерилизация. Стерилизация предполагает уничтожение всех без исключения микроорганизмов и их спор - абсолютное обеспложивание. К стерилизации прибегают при изготовлении питательных сред для микробиологического анализа, при подготовке лабораторной посуды и в медицине (при подготовке хирургических инструментов, лекарственных веществ для инъекции и пр.). Осуществляют стерилизацию либо сухим жаром (в сушильных шкафах), либо перегретым паром под давлением (в автоклавах), либо текучим паром (в кипятильниках Коха).
Для консервирования пищевых продуктов длительное нагревание при высоких температурах практически оказалось неприемлемым. Невозможно для всех пищевых продуктов установить раз и навсегда такой режим стерилизации (температуру и продолжительность нагрева), при котором погибли бы абсолютно все как вегетативные клетки, так и споры микробов. Это объясняется тем, что жесткий режим стерилизации вызывает разваривание продуктов, разложение химических веществ, входящих в состав сырья. Вкус продуктов ухудшается, пищевая ценность снижается. Кроме того, универсальный режим стерилизации для всех консервов невозможен еще и потому, что даже у одного и того же вида микробов наблюдаются колебания в термоустойчивости отдельных экземпляров. Приходится учитывать разнообразное влияние различных факторов: химический состав среды, форму, размеры и материал тары, в которую расфасовывается продукт при стерилизации, и некоторые другие факторы. Овощи и фрукты, например, опасно нагревать даже до 100°С. так как они при этом теряют свою естественную консистенцию, резко изменяются в цвете, теряют аромат и вкус и пр. Даже стойкие к нагреванию продукты - мясо и рыба - при длительном нагревании снижают свои вкусовые качества.
Так как в задачу консервирования входит получение доброкачественных продуктов, по возможности сохранивших свои натуральные свойства или по крайней мере близкие к натуральным, сохранение пищевой ценности сырья - его вкуса, аромата, цвета, содержания витаминов и пр., то разработка режимов стерилизации является важным вопросом в технологии и микробиологии консервного производства.
Режимы стерилизации разрабатываются и устанавливаются в зависимости от: 1) активной кислотности продукта; 2) степени зрелости сырья; 3) объема и материала тары; 4) консистенции продукта; 5) степени загрязнения продукта микроорганизмами и качественного состава микрофлоры.
Таким образом, микробиологический контроль консервного производства не может ограничиться одним лишь микробиологическим анализом. Микробиолог должен хорошо знать технологический процесс, режимы обработки продуктов на каждом этапе производства, в любой точке технологической линии. Он должен уметь намечать пути и средства воздействия на ход любой технологической операции. Результаты наблюдений и микробиологического анализа должны немедленно доводиться до сведения технолога, мастера, рабочих для быстрого исправления нарушений и улучшения санитарной и технологической обработки продуктов. Только при таком условии микробиологический контроль консервного производства становится по-настоящему действенным и оперативным в борьбе за повышение качества продукции.
Действие различных форм лучистой энергии на микроорганизмы
Исследованиями установлено, что некоторые виды излучений оказывают на микроорганизмы стерилизующее действие. Этими формами лучистой энергии являются: солнечный свет, ультрафиолетовые лучи, лучи Рентгена, радиоактивные излучения, ультракороткие радиоволны. Эффективность воздействия различных лучей зависит от дозы облучения. Кроме того, весьма существенную роль играет при этом и длина волны, проницаемость среды, интенсивность и продолжительность облучения. Малые дозы облучения могут даже активировать отдельные жизненные функции микробных клеток (например, рост клетки, обмен веществ). Высокие же дозы облучения, как правило, действуют летально.
Механизм летального действия лучистой энергии на микроорганизмы объясняют либо непосредственным действием лучей на цитоплазму клетки, либо действием их на питательную среду. Прямое воздействие связано с непосредственным поглощением нуклеиновыми кислотами энергии излучения. При этом происходит повреждение нуклеиновых кислот. Вследствие высокого содержания воды в теле микробов происходит ионизация клеточного вещества, образуются высокореактивные группы типа гидроксильных, которые, взаимодействуя с белками клетки, вызывают энергичный процесс окисления и разрушают живое вещество.
Косвенное воздействие связано с превращениями, происходящими в питательной среде. Предполагается, что при облучении в питательном субстрате возбуждаются химические реакции, подобные тем, которые наблюдаются в живой цитоплазме. При этом образуются вредные для микроорганизмов вещества, питательный субстрат становится токсичным, непригодным для развития микробов.
Действие света
Воздействию света постоянно подвергаются все микроорганизмы, населяющие земную поверхность. Для фототрофных организмов, содержащих в клетках пигмент типа хлорофилла, свет является необходимым условием питания и жизни. Используя энергию солнечных лучей в процессе ассимиляции, фототрофные микроорганизмы строят из пищи вещества собственной природы. Ненормально развиваются в темноте плесени: они дают хорошо развитый мицелий, но совершенно не образуют спор.
Бесцветные сапрофиты в энергии солнечных лучей не нуждаются, наоборот, свет оказывает на них вредное влияние, подавляющее их развитие. Губительным является свет для многих болезнетворных микроорганизмов. Быстро погибают под действием прямых солнечных лучей брюшнотифозные и туберкулезные палочки, холерный вибрион, а из сапрофитов - палочка «чудесной крови». Одинаково чувствительными к солнечным лучам оказываются и вегетативные клетки и споры многих микробов.
Наглядно демонстрирует летальное действие солнечных лучей на микробы опыт В. И. Палладина. Питательную среду в чашках Петри он засевал сибиреязвенными бациллами, затем некоторое время подвергал чашки воздействию прямого солнечного света с последующим помещением их в термостат для выращивания. В тех чашках, которые подвергались лишь кратковременному действию солнца, наблюдался обильный рост колоний. Но чем дольше находились чашки Петри под воздействием солнечных лучей, тем все более ослабевал рост микробов. Основная масса их погибла за 10-20 мин облучения. После 70-минутной выдержки на солнечном свету в чашках не выросло ни одной колонии.
Неблагоприятное действие света на рост и развитие микробов обусловливает необходимость выращивать в лабораториях культуры микробов в темноте. Не следует хранить на свету и питательные среды. Питательная желатина, например, подвергнутая в течение некоторого времени воздействию прямых солнечных лучей, становится непригодной для выращивания микробов.
Большое значение имеет солнечный свет для самоочищения рек. В прозрачную воду солнечные лучи проникают на глубину до 2 м. Однако при наличии в воде мути их проникающая способность резко снижается. В сильно загрязненную воду световые лучи могут проникнуть лишь на глубину до 0,5 м. В почве действие света также сказывается только в поверхностном слое - на глубине 2-3 мм.
Ультрафиолетовые лучи
Наибольшим бактерицидным эффектом обладают ультрафиолетовые лучи (УФ-лучи) с длиной волны 2500-2600 А. Установлено, что к УФ-лучам споры более устойчивы, чем вегетативные клетки. Легче переносят облучение ультрафиолетовыми лучами также спорообразующие и окрашенные формы микробов. Сенная палочка, например, в 5-10 раз устойчивее к облучению УФ-лучами, чем кишечная палочка. Довольно хорошо противостоят облучению ультрафиолетовыми лучами дрожжи и плесневые грибы. Они, по-видимому, способны вырабатывать против УФ-лучей защитные вещества (жировые или восковые). Споры плесеней более устойчивы к облучению, чем мицелий.
Добавление к среде флюоресцирующих красок (эозина, эритрозина и др.) усиливает действие УФ-лучей. Это явление получило название фотодинамического эффекта. До настоящего времени УФ-лучи для консервирования пищевых продуктов применялись мало, потому что их проникающая способность незначительна. Летальное действие их ограничивается обычно микробами, находящимися на поверхности облучаемых объектов.
Бактерицидный эффект УФ-лучей зависит от продолжительности и интенсивности облучения, от температуры, pH среды, а также от «концентрации» микробов на единице поверхности продукта (обсемененности продукта микробами). Действие будет тем сильнее, чем больше продолжительность и интенсивность облучения, чем выше температура и кислотность среды и чем меньше микробов на поверхности продукта.
В последние годы УФ-лучи получили применение для дезинфекции воздуха холодильных камер, воздуха производственных и лечебных учреждений, для дезинфекции питьевой воды. Для этой цели используются специальные бактерицидные лампы. Хорошие результаты получены при сочетании облучения мяса и мясопродуктов УФ-лучами и охлаждения: оказалось возможным удлинить сроки холодильного хранения этих продуктов в 2-3 раза. Особенно чувствительными к действию УФ-лучей оказались бактерии ослизнения мяса. Они погибают уже через 1-2 мин облучения. Бактерии группы кишечной палочки и споры плесневых грибов погибают через 10 мин облучения (при использовании УФ-лучей с длиной волны 2920А).
Можно использовать УФ-лучи для ускорения процесса созревания мяса в условиях повышенных температур, когда ускоряется действие ферментов, размягчающих мясо, а развитие бактерий порчи мяса приостанавливается облучением. Применяют УФ-лучи при процессе старения сыра, производят с их помощью стерилизацию оберток для мясных и сырных продуктов, используют их при асептическом розливе напитков, облучают поверхность хлебобулочных изделий, что предупреждает развитие плесеней на их поверхности.
Нельзя использовать УФ-лучи для дезинфекции сливочного масла и молока, так как в этих продуктах УФ-лучи вызывают химические реакции, ухудшающие их вкусовые и пищевые свойства.
Инфракрасные (тепловые) лучи в отличие от ультрафиолетовых обладают гораздо меньшим бактерицидным эффектом. Действие инфракрасных лучей связано, по всей вероятности, с нагреванием облучаемой среды.
Лучи Рентгена
Рентгеновы лучи, или, как их еще называют, Х-лучи, представляют собой электромагнитные колебания с очень малой длиной волны - от нескольких сотых А до 20 А. Благодаря малой длине волны они слабо поглощаются веществами и обладают очень сильной проникающей способностью.
Использование для стерилизации рентгеновых лучей показало, что микроорганизмы к ним более выносливы, чем высшие организмы. При небольших дозах облучения у микробов даже наблюдается более интенсивное протекание отдельных жизненных функций. С повышением дозы облучения угнетающее действие рентгеновых лучей начинает проявляться сильнее: в культурах появляются уродливые клетки, рост микробов замедляется или они теряют способность к размножению. При еще более сильном облучении микроорганизмы гибнут. Устойчивость различных видов микробов к действию рентгеновых лучей неодинакова. Быстрее всего гибнут вирусы. Бактерии обладают большей устойчивостью, а дрожжи и плесени еще более устойчивы к лучам Рентгена.
Радиоактивные излучения
При распаде атомов радиоактивных элементов возникают, как известно, три типа излучений: альфа-, бета- и гамма-излучения. Наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи. Источниками гамма-излучений может быть радиоизотоп кобальта Со60 или цезий-137. Действие гамма-лучей аналогично действию рентгеновых лучей. При малых дозах облучения они стимулируют отдельные жизненные функции (например, рост клеток). Опыты М. Н. Мейселя показали, что при малых дозах облучения подавляется размножение дрожжевых клеток, но на рост такие дозы не влияют. Дрожжевые клетки продолжают расти, но не почкуются: возникают гигантские особи, в несколько раз крупнее исходных.
Сравнительно недавно были открыты бактерии, живущие в атомном реакторе, где радиация в 2000 раз выше смертельной для человека. Установлено, что летальное действие гамма-лучей на микроорганизмы проявляется лишь при дозах облучения, в сотни и тысячи раз превышающих смертельную дозу для животных. Для гибели кишечной и дизентерийной палочек требуется доза в 600 000 рентген, а для дрожжей и спор - даже 1 500 000-4 000 000 рентген.
Применение ионизационных излучений для стерилизации пищевых продуктов в настоящее время тщательно изучается как в Советском Союзе, так и за рубежом. Гамма-лучи предполагается использовать для холодной лучевой стерилизации консервов, бактериологических препаратов, медикаментов и других, особенно в тех случаях, когда нежелательно тепловое воздействие на продукт или препарат. Метод ионизационной стерилизации имеет ряд преимуществ: он не изменяет качества продукта вследствие денатурации его составных частей (белков, полисахаридов, витаминов), которая происходит при тепловой стерилизации. Кроме того, процесс может быть осуществлен быстро, непрерывно, с высокой степенью автоматизации. Однако вопрос о безвредности пищевых продуктов после такой стерилизации еще недостаточно выяснен.
Токи высокой и ультравысокой частоты (ВЧ и УВЧ)
Стерилизующим эффектом обладают ультракороткие электромагнитные волны с длиной волны менее 10 м (токи ВЧ и УВЧ). В последние годы их все чаще стали использовать для стерилизации пищевых продуктов. Гибель микроорганизмов в стерилизуемой среде может быть объяснена на основании следующего явления. Под действием электрической энергии генерируемого в электромагнитном поле тока высокой частоты заряженные частицы среды (ионы и электроны) приходят в быстрое колебательное движение. Поглощаемая при этом электрическая энергия переходит в тепловую, обусловливая почти мгновенное разогревание среды до 90-120 °С. И микроорганизмы погибают в результате такого быстрого повышения температуры.
Характер нагревания среды токами высокой частоты резко отличается от обычных способов нагрева, при которых тепло распространяется путем конвекции от горячих слоев к холодным. При облучении ультракороткими электромагнитными волнами благодаря возникающим токам ВЧ продукт нагревается сразу во всех точках - объемно. А в зависимости от строения и диэлектрической постоянной отдельные части неоднородного продукта могут быть нагреты до разного уровня (избирательно, или селективно). Вода в стакане под действием токов ВЧ закипает за 2-3 сек. Во фруктовых компотах сироп можно нагреть до кипения, а фрукты будут оставаться холодными.
Использование токов ВЧ и УВЧ для стерилизации фруктовых и ягодных консервов дает возможность значительно повысить их качество, так как срок нагревания резко сокращается - до 1-3 мин; фрукты и ягоды не развариваются, сохраняют свою консистенцию, натуральный вкус и аромат. В консервах при вполне достаточной стерильности превосходно сохраняются витамины. При стерилизации токами ВЧ и УВЧ продукт необходимо расфасовывать в стеклянную тару, так как через жесть (металл) электромагнитные волны не проникают.
Действие ультразвуковых волн (УЗ-волн или УЗ)
Упругие звуковые колебания, частота которых превышает 20 000 герц, т.е. лежит за пределами частот, воспринимаемых человеческим ухом, получили в акустике название ультразвука. Новейшие современные ультразвуковые излучатели дают возможность получать ультразвуковые волны с частотой порядка 300 млн. гц и выше. От обычных звуковых волн ультразвуковые отличаются значительно меньшей длиной волны и очень большой интенсивностью. Они несут с собой громадный запас механической энергии. Объекты, которые подвергались ультразвуковому воздействию, называются «озвученными».
УЗ-волны могут быть использованы в пищевой промышленности для смешения и гомогенизации продуктов, фильтрации, предотвращения накипеобразования, для стерилизации и пастеризации продуктов, а также для очистки, мойки и дезинфекции оборудования и тары.
Исследования стерилизующего и пастеризующего действия УЗ-волн показали, что УЗ-колебания малой мощности при кратковременном озвучивании не вызывают отмирания микробов. Не погибают микроорганизмы и при продолжительном воздействии слабых УЗ-волн. Кратковременное озвучивание среды УЗ-колебаниями малой мощности способствует механическому разделению скоплений микробных клеток: пакеты сарцин, цепочки стрептококков, скопления стафилококков распадаются на отдельные жизнеспособные клетки; каждая клетка образует новую колонию. Летальное действие УЗ-волн на бактерии и вирусы начинает проявляться при их интенсивности от 1 вт/см2 * с. частотой колебаний порядка сотен килогерц. А при озвучивании мощными УЗ-колебаниями наблюдается почти мгновенный разрыв клеточных оболочек, разрушение внутреннего содержимого микробной клетки, вплоть до полного ее растворения. Бактерии более крупные разрушаются полнее и быстрее, чем мелкие; палочковидные бактерии погибают быстрее, чем кокки. Споры бактерий более устойчивы, чем вегетативные клетки.
Стерилизующее действие УЗ-волн зависит:
1) от обсемененности продукта микробами: в слишком «густой» микробной взвеси отмирания микробов не наступает; наблюдается разогревание среды;
2) от добавления в бактериальную взвесь поверхностно-активных веществ (глицерина, лейцина, пептона и пр.): бактерицидный эффект ультразвуковых волн при этом снижается;
3) от температуры среды: чем выше температура озвучиваемых субстратов, тем сильнее действуют УЗ-волны.
Влияет на результаты озвучивания вязкость среды, ее кислотность, наличие растворенных газов, различных катионов и пр. При неизменном времени и интенсивности озвучивания отмирание микроорганизмов резко ускоряется при увеличении частоты УЗ-колебаний.
Механизм бактерицидного действия ультразвука объясняют явлением кавитации. Оно заключается в том, что в озвучиваемой среде возникают быстрые попеременные сжатия и расширения отдельных ее участков. В местах сжатия давление резко возрастает и может достичь 10 000 ат (9,81 * 108 н/м2). В местах разрежения в этот же момент происходит разрыв вещества с образованием мельчайших пустот - каверн. В озвучиваемой жидкости каверны заполняются парами данной жидкости или растворенными в ней газами. Каверны непрерывно перемещаются в озвучиваемом субстрате. На месте прежней каверны возникают зоны высокого давления, а рядом образуется новая каверна, где наблюдается почти полный вакуум. Микроорганизмы могут выдерживать очень высокие давления, но в зонах кавитации (в кавернах) происходит моментальный разрыв клеточных оболочек микробов, не выдерживающих высокого внутриклеточного осмотического давления. Не исключена возможность образования кавитационных полостей и в цитоплазме клеток, что приводит к разрушению цитоплазматических структур.
То, что в ультразвуковом поле происходит преимущественно механическое разрушение микробов, подтверждают снимки, полученные при помощи электронного микроскопа: у бактерий, подвергавшихся озвучиванию, ясно видны повреждения или даже полное разрушение клеточных оболочек и плазмолиз.
При обработке ультразвуком твердых пищевых продуктов с целью их стерилизации возможно не только уничтожение микроорганизмов, но и повреждение клеток (растительных или животных) самого сырья. Хорошие результаты получаются при озвучивании жидких пищевых продуктов: молока, соков и пр. Создание конструкций непрерывно действующих ультразвуковых генераторов, в которых происходило бы непрерывное озвучивание протекающей жидкости, принесет большие экономические выгоды.
При ультразвуковой стерилизации пищевых продуктов очень важным является установление оптимального режима озвучивания: продолжительности озвучивания, мощности УЗ-волн и их частоты. При озвучивании любых живых клеток разрывы клеточных оболочек происходят настолько быстро, что содержимое клеток переходит в окружающую среду, почти не подвергаясь разрушительному действию ультразвука. Если сочетать этот эффект с моментальным центрифугированием, то из клеток могут быть извлечены биологически активные вещества: ферменты, витамины, гормоны, токсины и пр. Подобные опыты уже проводятся в медицинской и химической практике и являются весьма перспективными для изготовления вакцин и получения биологически активных веществ, вырабатываемых живыми клетками. Это очень важно как для их изучения, так и для промышленного получения в народнохозяйственных целях. Очень хорошие результаты получают при использовании ультразвука при мойке тары, особенно возвратной.
Влияние осмотического давления
Нормально процессы питания у микроорганизмов протекают при наличии в субстрате необходимых питательных веществ не только в доступной для данного микроба форме, но и при соответствующих концентрациях, определяющих тургор в живой клетке и осмотическое давление в растворе. Выше указывалось, что очень высокая концентрация растворенных в питательной среде веществ приводит к плазмолизу микробных клеток: цитоплазма клетки теряет воду, в клетке нарушается нормальный обмен веществ, изменяется структура цитоплазмы, и в конечном итоге микробная клетка гибнет. Правда, отмирание микробов в растворах с высокой концентрацией солей наступает не сразу. Благодаря высокой проницаемости цитоплазмы некоторые микроорганизмы могут приспосабливаться к изменению осмотического давления. У дрожжей и плесеней наблюдается даже способность к активной осморегуляции: в клеточном соке этих микробов накапливаются осмотически активные резервные питательные вещества, благодаря чему они могут сохранять свою жизнеспособность в средах с довольно широкими пределами колебания осмотического давления. Способными к осморегуляции оказываются только клетки, находящиеся в состоянии активной жизнедеятельности. Голодающие клетки и клетки с нарушенным дыхательным обменом к осморегуляции не способны и при повышении осмотического давления сравнительно быстро погибают. Явление плазмолиза микробных клеток в средах с высоким осмотическим давлением лежит в основе консервирования пищевых продуктов концентрированными растворами соли и сахара.
Растворы небольшой концентрации сахара для многих микробов являются хорошей питательной средой, и гибель микробов может быть обусловлена лишь высокой концентрацией сахара, превышающей 65-70%.
При изготовлении таких консервированных продуктов, как фруктовое желе, джем, мармелад, варенье, кроме добавления высокого процента сахара, производят уваривание продукта. Осмотическое давление в средах очень сильно повышается. В варенье, например, оно достигает 4 * 107 н/м2 (400 ат). Благодаря высокому осмотическому давлению продукты, уваренные с сахаром, хорошо сохраняются. Сравнительно редко наблюдаются случаи порчи варенья или меда; связанные с развитием в продуктах так называемых осмофильных дрожжей и плесеней. Плесень Aspergillus repens может развиваться в 80%-ном сахарном сиропе. Осмофильные дрожжи рода Zygosaccharomyces не погибают и в среде с 90% сахара. В сиропе, содержащем 70% сахара, свободно развивается бактерия Вас. gummosus.
Поваренная соль, являющаяся электролитом и диссоциирующая на ионы, обладает более высокой осмотической активностью, чем сахар. Кроме того, поваренная соль, по-видимому, оказывает на микробов и некоторое токсическое (ядовитое) действие. Для предохранения от порчи многих пищевых продуктов достаточно всего около 15% соли.
К действию соли особенно чувствительны гнилостные бактерии. При 5-10% NaCl в среде прекращает развитие Proteus vulgaris и Вас. mesentericus. Рост паратифозных бактерий - возбудителей пищевых отравлений - задерживается концентрацией соли 8-9%, для приостановления развития бациллы ботулизма нужна концентрация NaCl 6,5-12%. Патогенные микроорганизмы, как правило, более чувствительны к действию крепких растворов соли, чем сапрофитные, палочковидные - более чувствительны, чем кокки. Некоторые из микрококков могут свободно развиваться в среде с 25% поваренной соли.
Солелюбивые микроорганизмы, встречающиеся в природе (галофилы и галобы), обитают обычно в воде соленых озер. Вместе с солью они могут попадать на консервируемые продукты и вызывать их порчу. Пигментобразующая солелюбивая бактерия Bact. serratum salinarium, способная развиваться даже в насыщенном растворе соли, нередко вызывает порчу соленой рыбы - так называемый «фуксин». Рыба при этом приобретает красную окраску. Некоторые пленчатые дрожжи не погибают в рассолах с 24-30% поваренной соли.
В случае посола сельди развитие галофильных микроорганизмов является желательным. Обильная микрофлора в этом случае способствует созреванию сельди - улучшает ее вкусовые качества.
Концентрации соли и сахара, необходимые для задержания роста микроорганизмов в пищевых продуктах, зависят от ряда факторов: pH среды, температуры, содержания белков. Например, для задержки роста плесеней при температуре 0°С достаточно 8% соли, но при комнатной температуре необходимо уже 12%. Развитие дрожжей в соленых продуктах подавляется в кислой среде при 14% соли, а в нейтральной - только при 20%.
Для борьбы с осмофильной микрофлорой необходимо поддерживать высокий санитарный уровень производства, а иногда и прибегать к стерилизации продуктов нагреванием.