№3. «Вплив факторів зовнішнього середовища (фізичних, хімічних факторів) на розвиток мікроорганізмів».
Розвиток і життєдіяльність мікроорганізмів нерозривно пов’язані з умовами зовнішнього середовища. Залежно від біологічних особливостей мікроорганізмів і природи впливаючого чинника зовнішнє середовище може надавати сприятливу або несприятливу дію на розвиток мікроорганізмів.
Без розуміння взаємодії між середовищем і мікроорганізмами неможливо ефективно використовувати їх у виробничих процесах
Фізичні чинники
Розрізняють наступні фізичні чинники: вологість середовища, концентрацію розчинених речовин і осмотичний тиск середовища, температуру, променисту енергію, струми надвисокої частоти, ультразвук, механічні дії, тиск.
Вологість середовища. Вологість робить вирішальний вплив на розвиток мікроорганізмів. У мікробних клітинах міститься не менше 75-85 % води. Живильні речовини поступають в клітину у вигляді водних розчинів, з водою видаляються з клітини продукти її життєдіяльності.
Зростання і розмноження мікроорганізмів залежать не від абсолютного змісту води, а від кількості вільної води в живильному субстраті, тобто активності води (показник аw).Розмноження більшості бактерій відбувається при аw не нижче 0,94-0,9, дріжджів – при aw = 0,88 4-0,85, а цвілевих грибів при aw= 0,8 4-0,65. При зменшенні вологості субстрата (висушуванні) активність води знижується, і розмноження мікроорганізмів сповільнюється, а при змісті вологи нижче певного рівня порушується осмотичний характер живлення, і життєдіяльність мікроорганізмів повністю припиняється.
У висушеному стані мікроорганізми не розвиваються, але можуть зберігати свою життєздатність тривалий термін. Висушування ж, пов’язане з втратою мікробною клітиною життєво необхідної кількості води (зв’язаної), спричиняє за собою загибель мікроорганізмів.
Найбільш стійкі до висушування спори бацил і клостридій, добре захищені від втрати зв’язаної води, вони можуть зберігати життєздатність (здібність до проростання) протягом десятків років. Неспороутворюючі бактерії менш стійки до обезводнення. Ступінь їх стійкості до висушування залежить від родових і видових властивостей мікроорганізмів і техніки висушування. Наприклад, оцтовокислі і нітрифікуючи бактерії, деякі патогенні бактерії (лептоспіри, холерний вібріон, пастерелли і ін.) при висушуванні відмирають швидко (через декілька днів). Стафілококи, стрептококи, туберкульозні і черевнотифозні палички стійкіші до висушування і можуть зберігати життєздатність у висушеному вигляді тижнями. Молочнокислі бактерії переносять висушування протягом декількох місяців.
Стійкість мікроорганізмів, особливо хвороботворних бактерій, до висушування значно підвищується за наявності білкових субстратів (молоко, кров, сироватка, мокрота і ін.).
Життєздатність мікроорганізмів зберігається триваліший термін при висушуванні із замороженого стану під вакуумом в порівнянні з висушуванням в повітряному середовищі. Цей метод висушування широко застосовується при тривалому зберіганні музейних культур мікроорганізмів, створенні живих вакцин, ферментів, вітамінів і інших біологічних препаратів.
‘Гак як при висушуванні припиняються розвиток і розмноження мікроорганізмів, то його широко використовують для консервації швидкопсувних харчових продуктів (м’яса, риби, фруктів, овочів і ін.), лікарських рослин, кормів і т. д. Але оскільки у висушених продуктах завжди містяться багато життєздатних мікробних кліток, їх неможна зберігати при високій вологості повітря, оскільки зволоження вище за відому межу створює умови для розвитку мікроорганізмів, що спричиняє за собою псування продуктів. Наприклад, при відносній вологості повітря понад 70-75 % на поверхні висушених продуктів може досить швидко розвиватися цвіль.
Концентрація розчинених речовин і осмотичний тиск середовища. Концентрація розчинених речовин і осмотичний тиск середовища істотно впливають на життєдіяльність мікроорганізмів. Обмін речовин між мікробною клітиною і зовнішнім середовищем залежить від співвідношення концентрацій розчинених речовин в живильному середовищі і цитоплазмі клітки. У природних умовах мікроорганізми адаптувалися до існування в середовищах з певним осмотичним тиском, тому внутріклітинний осмотичний тиск у різних мікроорганізмів коливається в широких межах (від декількох десятих доль мегапаскаля до декількох десятків мегапаскалів).
Багато мікроорганізмів дуже чутливі до підвищених концентрацій розчинених речовин і пов’язаного з ними високого осмотичного тиску субстрата. Зміна концентрації вище певної межі порушує нормальний обмін речовин між мікробною клітиною і зовнішнім середовищем; відбувається обезводнення (плазмоліз) клітки, припиняється надходження в неї живильних речовин. Розвиток мікробної клітини припиняється, тобто вона переходить в стан анабіозу, і надалі може загинути. Розмноження мікроорганізмів, найбільш чутливих до підвищеного осмотичного тиску зовнішнього середовища (осмонестійкі), гальмується при вмісті хлориду натрію в субстраті понад 1-2%. При концентраціях хлориду натрію 6-8 % розмноження таких мікроорганізмів повністю припиняється.
Окрім осмонестійких мікроорганізмів є мікроби, які легко пристосовуються до зміни осмотичного тиску субстрата (осмотолерантні, або осмостійкі). Осмотолератні мікроби здатні розвиватися як при невисокому осмотичному тиску, так і в середовищах з відносно високим осмотичним тиском (змістом солі і цукру 8-10 %) і зберігати життєздатність в анабіозі тривалий термін (місяці і більш) в середовищах з великим змістом солі і цукру (15-20 %).
Відомі також мікроорганізми, які гарно розвиваються тільки в субстратах з високим осмотичним тиском (осмофільні). Осмофільні мікроби, що розмножуються при високих концентраціях хлориду натрію, називаються галофітами (солелюбивими). Ці мікроорганізми мешкають в солоних озерах, морях; серед них зустрічаються різні бактерії, дріжджі і цвілеві гриби. Багато хто з галофітів є збудниками псування солоних продуктів (солонини, бекону, риби і ін.), а також шкур.
Концентрації хлориду натрію, при яких припиняється життєдіяльність деяких мікроорганізмів, приведені нижче.
Мікроорганізми Концентрації хлориду натрія %
Молочнокислий стрептокок (Sir. laclis) 2-5
Синьогнійна паличка (Ps. руосуаneа) 5
Кишкова паличка (Е. coli) 6-8
Паличка протея (Proteus vulgaris) 7-10
Педіококки (Pediococcus cerevisiae) 9 -10
Сарцина жовта (Sarcina flava) 10-12
Сінна паличка (Вас. sublilis) 10-15
Дріжджі роду торула (Torula) 20
Лієчная цвіль (Aspergillus) 17-18
Гроновидна цвіль (Penicillium) 19-20
Мікрокок рожевий (Micrococcus roseus) 20-25
Концентровані розчини куховарської солі і цукру, що пригнічують розвиток гнильних бактерій, молочнокислих бактерій і інших мікроорганізмів, широко використовують в промисловості і в побуті для консервації харчових продуктів (посол м’яса і риби, приготування варення з цукром, згущеного молока з цукром і ін.), шкур і кишкової сировини.
Температура. Найбільш важливим чинником зовнішнього середовища, що визначає життєдіяльність мікроорганізмів, є температура. Розвиток мікробів можливо тільки при певних температурах, які неоднакові для різних видів і груп мікроорганізмів. Для кожного виду мікробів існують три температурні границі (кардинальні температури), в межах яких вони здатні розвиватися: оптимальна, мінімальна і максимальна.
Оптимальною температурою є температура, при якій мікроорганізми ростуть і розмножуються найінтенсивніше, вона відповідає так званій «фізіологічній нормі мікробів»(В. Л. Омелянській).
Мінімальною температурою вважається така температура, нижче за яку мікроорганізми не здатні розвиватися. Клітини переходять в стан анабіозу: їх життєві функції припиняються, проте вони відновлюються за відповідних температурних умов і наявності живильного субстрата.
Максимальна температура є граничною, вище за яку зростання мікроорганізмів не відбувається. Життєві функції клітин ослабляються, або вони ж можуть загинути зовсім.
Таким чином, при мінімальній і максимальній температурних межах ще можливо слабкий розвиток мікроорганізмів (сповільнене зростання і розмноження), а за їх межами воно повністю припиняється. Для різних видів мікроорганізмів ці температурні межі неоднакові (табл. 1).
Таблиця 1
|
Мікроорганізми Молочнокислий стрептокок |
Температура, 0C Min 8-10 |
Температура,0C Оптимальна 30-35 |
Температура,0C max 40 |
|
Сінна паличка |
5-10 |
30-35 |
45-50 |
|
Кишкова паличка |
10 |
37 |
45-50 |
|
Паличка ботулініум |
10-12 |
28-35 |
55 |
|
Паличка сибірської виразки (Нас. anlliracis) |
12 |
37 |
45 |
|
Болгарська паличка (Lbm. bulgaricum) |
20 |
45 |
55 |
|
Бацилюс аеротермофілюс (Вас. aerothermophilus) |
15 |
55 |
70 |
|
Флуорестюючі бактерії (Ps. fluorescens) |
0-2 |
25-30 |
40 |
|
Дріжджі роду торулопсис |
-5÷2 |
25-30 |
40 |
|
Лієчная цвіль (Aspergillus |
7-10 |
33-37 |
40-43 |
|
Гроновидна цвіль (Penicillium) |
-5÷2 |
25-27 |
30-35 |
|
Цвіль роду різопус (Rhszopus) |
-10÷8 |
10-15 |
28-30 |
По відношенню до температури (пристосованості до життя при певних температурах) мікроорганізми умовно підрозділяють на три фізіологічні групи: психрофіли (холодолюбиві), від греч. психрос (psichros) – холодний, філейн (philein) – любити; мезофіли (що розвиваються при середніх температурах), мезос (mеsos) – середній; термофіли (теплолюбиві), від греч. термос – (termos) – теплий. Температурні межі їх зростання приведені табл. 2.
Таблиця 2
|
Фізіологічна група мікроорганізмів |
Мінімальна температура,0С |
Оптимальна температура,0С |
Максимальна температура,0С |
|
Психрофіти |
-7-0 |
10-35 |
30-40 |
|
Мезофіли |
10 |
25-35 |
40-45 |
|
Термофіли |
20-45 |
40-70 |
55-84 |
Вищезгадані кардинальні температури можуть бути зрушені в ту або іншу сторону під впливом умов існування мікроорганізмів. Наприклад, в південних районах деякі бактерії (молочнокислі і ін.) мають вищий температурний оптимум зростання, чим такі ж види мікроорганізмів, що мешкають в середній смузі і північних районах. Це свідчить про широку пристосовність мікроорганізмів.
Психрофільні мікроорганізми розвиваються при відносно низьких температурах. До даної групи умовно відносять всі мікроорганізми, які добре ростуть при 0 0С в межах 2 тижнів і мають тривалість генерації в логарифмічній фазі зростання при цій температурі не більше 48 ч.
Температурний оптимум різних представників групи психрофілов неоднаковий. Існує багато мікроорганізмів (деякі гнильні бактерії, цвіль, дріжджі), які мають оптимальну температуру розвитку 25-30 0С, але досить швидко розмножуються також при температурі, близькій до 0 0С. Тому групу психрофільних мікроорганізмів умовно підрозділяють на дві підгрупи: облігатіні психрофіли, що мають оптимальну температуру зростання нижче 20 0С; факультативні (умовно-психрофільні, або психротрофні) – оптимальна температура зростання вище 20 0С.
Психрофільні мікроорганізми є мешканцями північних морів, ґрунту полярних районів, стічних вод, льодовиків, холодильників. До ним відносяться бактерії, що світяться, залізобактерії, деякі види неспорових гнильних бактерій, цвілевих грибів, дріжджів, актиноміцетів.
Мезофільні мікроорганізми, що добре розвиваються при середніх температурах (10-45 0С), є найбільш поширеною і найчисленнішою групою. У неї входять більшість сапрофітних мікробів (гнильні бактерії, збудники молочнокислого і інших типів бродіння, дріжджі, цвілеві гриби, актиноміцети і ін.), а також всі патогенні мікроорганізми.
Термофільні мікроорганізми розвиваються при відносно високих температурах. Температурні межі представників цієї групи неоднакові. Тому розрізняють екстремальні термофіли, що мають найбільш високі кардинальні температури (оптимум 70 0С, максимум 74-84 0С і мінімум 40-45 0С); облігатні термофіли, що розвиваються при 30-82 0С (оптимум 55-65 0С); евритермні термофіли, які здатні добре розвиватися не тільки при високих, але і при середніх температурах (оптимум 40-50 0С, мінімум 20-25 0С).
Окрім термофільних при високих температурах можуть розвиватися деякі види мезофільних мікроорганізмів (факультативні термофіли або термотолерантні мезофільні види), які мають температурний оптимум розвитку 25-37 0С, але можуть рости і при 55 0С.
Термофільні мікроорганізми мешкають в гарячих мінеральних джерелах, в ґрунтах районів з жарким кліматом, на рослинах, в травному тракті тварин і людини. Існує велика група термофілів, які називають термогенними. Життєдіяльність цих мікроорганізмів супроводжується виділенням великої кількості теплоти і горючих газів: метану і водню, які можуть викликати самозаймання рослинної маси. Термогенні мікроорганізми беруть активну участь в самонагреванії сіна, зерна, виляску, листя тютюну, джуту; вони грають велику роль в біотермічному знезараженні гною і силосуванні кормів.
Високі і низькі температури роблять різний вплив на мікроорганізми. Низькі температури, тобто температури, лежачі нижче за температурний мінімум (особливо низькі позитивні, тобто вище 0 0С), звичайно не викликають загибелі мікробів. При низьких температурах відбувається уповільнення або повне припинення процесів обміну речовин мікробних клітин із зовнішнім середовищем, унаслідок чого припиняються їх зростання і розмноження. Вони переходять в стан анабіозу, в якому можуть існувати багато місяців, і знову починають зростання і розмноження при створенні нормальних температурних умов і наявності відповідного живильного середовища. Життєздатність багатьох мікроорганізмів зберігається при температурі, близькій до абсолютного нуля. При температурі рідкого водню ( – 253 0С) спори багатьох бацил і клостридій не гинуть протягом декількох діб, а бактерії черевного тифу зберігають життєздатність до 24 ч. При температурі рідкого повітря (- 170÷190 0С) збудники туберкульозу залишаються життєздатними протягом 8 днів, кишкова паличка – більше 2 ч. Протягом декількох місяців витримує заморожування при -32 0С холерний вібріон. Віруси особливо стійкі до низьких температур. Наприклад, вірус енцефаліту, вірус грипу і ін. не знижують своєї патогенності при -70 0С протягом 6-12 міс.
Відмирання мікроорганізмів при низьких температурах можливо унаслідок їх старіння або голодування під час тривалого знаходження в стані анабіозу. При температурах нижче 00С (заморожування) руйнуючу дію на мікроорганізми спричиняють кристали льоду і підвищений осмотичний тиск, що утворюється в клітині при замерзанні води. Згубно діють на мікроби повторне заморожування і відтавання.
Стійкість мікроорганізмів до заморожування залежить від виду мікроорганізму і фізіологічного стану клітин. Так, чутливіші мікробні клітини в логарифмічній фазі зростання. Повільне заморожування при температурах від 0 до – 10 0С згубніше для мікроорганізмів, чим швидке глибоке (нижче – 20 0С), при якому не відбувається перетворення кристалів (вода перетворюється на склоподібну некристалічну масу, що не порушує структуру клітин). У продуктах з високою вологістю і нижчим рН мікроорганізми гинуть швидше.
При високих температурах, тобто при температурі більш максимальної, різко знижуються життєві функції клітин, оскільки зменшується ферментативна активність і порушуються осмотичні процеси, що протікають в клітинах. При подальшому підвищенні температури відбуваються необоротні зміни (денатурація білків цитоплазми, інактивація ферментів) і мікроорганізми втрачають життєздатність.
Стійкість мікроорганізмів до високих температур залежить від особливостей середовища, в якому вони знаходяться у момент нагрівання. У вологому середовищі всі мікроорганізми відмирають швидше, ніж в сухому нагрітому повітрі, оскільки денатурація білків прискорюється при високій і сповільнюється при зниженій вологості. У кислому середовищі денатурація білків наступає швидше, ніж в нейтральній.
Термостійкість мікроорганізмів залежить також від виду мікробів і фізіологічного стану клітин. Наприклад, всі неспороутворюючі бактерії і вегетативні клітини спорових бактерій менш термостійкі і гинуть досить швидко при 60-70 0С, тоді як спори бацил і клостридій можуть витримувати тривале нагрівання до 100 0С. Коки дещо більш термостійкі, чим неспорові паличкоподібні бактерії. Клітини дріжджів і міцелій цвілевих грибів менш термостійкі, ніж клітини неспорових бактерій. Молоді клітини менш стійкі до високих температур, чим старі.
Згубна дія високих температур на мікроорганізми широко використовується для їх знищення. Існує два різновиди термічної обробки: пастеризація і стерилізація, які застосовуються в мікробіологічній практиці при підготовці живильних середовищ і посуду, в медицині і ветеринарії, а також широко використовуються для підвищення збереження різних харчових продуктів.
Пастерізация – це нагрівання продукту від 63 до 90 0С. Тривалість пастеризації залежить від виду продукту, місткості тари, температури і триває від декількох секунд до 10-30 хв. При пастеризації гинуть не всі мікроорганізми; спори більшості бацил і клостридій, а також деякі неспорові термофільні і мезофільні термостійкі бактерії залишаються життєздатними.
Стерилізація – це нагрівання продукту від 100 до 120 0С протягом 20-40 хв. При стерилізації повинні гинути всі мікроорганізми. У м’ясній промисловості стерилізацію застосовують для виробництва м’ясних і м’ясо-рослинних баночних консервів.
Промениста енергія. Промениста енергія – це енергія, що розповсюджується в просторі у вигляді електромагнітних хвиль різної довжини. До випромінювань, що надають найбільш значну дію на мікроорганізми, відносяться світлова енергія (сонячне світло) і іонізуючі випромінювання (рентгенівські промені, гамма-промені, бета-частки, альфа-частки).
Сонячне світло. Енергія сонця необхідна тільки для життєдіяльності фотосинтезуючих мікроорганізмів (зелених і пурпурних бактерій), які за допомогою пігментів перетворюють світлову енергію на доступну біохімічну і використовують її потім для синтезу компонентів клітин. На інші мікроорганізми сонячне світло спричинює несприятливу дію.
Пряме сонячне світло володіє бактерицидними властивостями і вбиває більшість мікроорганізмів протягом декількох годин. До розсіяного світла мікроорганізми менш чутливі. Він не викликає загибелі, але пригнічує розвиток мікроорганізмів, тому в лабораторіях прийнято культивувати і зберігати культури мікроорганізмів в темноті.
Бактерицидна дія на мікроорганізми прямого сонячного світла обумовлено дією сонячних променів з короткою довжиною хвилі – ультрафіолетової і блакитної частини спектру. Сонячне світло не надає прямого руйнуючої дії на клітини. Під впливом сонячних променів відбуваються внутріклітинні фотохімічні процеси з утворенням гідроксильних радикалів і інших високо реактивних речовин, що діють згубно на мікробну клітину. Ультрафіолетові промені (УФ-промені) з довжиною хвилі 200 -300 нм володіють найбільшою фотохімічною і біохімічною активністю.
У присутності анілінових фарб (еозин, метиленовий блакитний і ін.) посилюється бактерицидна дія світла (фотодинамічний ефект).
Чутливість мікроорганізмів до сонячного світла різна. Зі всіх груп мікроорганізмів найбільш чутливі до УФ-променів бактерії. Неспороутворюючи бактерії і вегетативні клітини спорових бактерій в 4-5 разів чутливіші до опромінювання, ніж спори бактерій. Серед неспороутворюючих бактерій найбільш стійкі до дії УФ-променів – пігментні коки, у яких пігмент знаходиться в протоплазмі (сарцини, стафілококи), а найбільш чутливі – пігментні бактерії, що виділяють пігмент в навколишнє середовище.
Мікроби-сапрофіти більш стійкіші в порівнянні з патогенними до дії прямих сонячних променів. Патогенні мікроорганізми дуже чутливі до УФ-променів. Тому велике значення сонячного світла як природнього, широко поширеного знезаражуючого чинника зовнішнього середовища (повітря, води природних водоймищ, верхніх шарів ґрунту і т. д.) При опромінюванні поверхні чашки Петрі з живильним середовищем, на якому посіяні бактерії черевною тифу, на ділянках, не захищених від дії світла чорним папером, вони гинуть через 1-1,5 ч.
Ультрафіолетове опромінювання з використанням ртутно-кварцових (бактерицидних ламп) широко застосовується для дезинфекції повітря в лікувальних установах, холодильних камерах, виробничих приміщеннях, поверхонь устаткування, апаратури, тари і т. д. В харчовій промисловості найчастіше застосовують лампи ультрафіолетового світла з довжиною хвилі 253,7 нм.
Іонізуюче опромінювання. Рентгенівські промені, гамма-промені, бета-частки і альфа-частки є найбільш короткохвильовими електромагнітними випромінюваннями, які володіють проникаючою здатністю і здатністю викликати іонізацію внутріклітинного середовища.
Рентгенівські промені (самі короткохвильові електромагнітні коливання) характеризуються найбільшою проникаючою здатністю.
Продукти ядерного розпаду – альфа-частки (високошвидкісні ядра гелію), бета-частки (катодні промені) і гамма-промені (короткохвильові рентгенівські промені) – відрізняються один від одного за своєю природою і властивостям, зокрема по здатності проникати через різні речовини. Найменшою проникаючою здатністю і найбільшою масою і енергією хімічної і біологічної дії володіють альфа-частки; дещо більшу проникаючу здатність, але значно меншу біологічну активність мають бета-частки. Найменша активність, але найбільша проникаюча здатність у гамма-променів.
Згубна дія іонізуючих випромінювань на мікроорганізми обумовлюється іонізацією внутріклітинних речовин. При проходженні іонізуючих випромінювань через клітину деякі атоми в результаті поглинання енергії випускають електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони. Вільний електрон відразу приєднується до нейтрального атома, який перетворюється на негативно заряджений іон. Виникають пари іонів. Оскільки зміна електронної структури атомів призводить до зміни хімічних зв’язків, іонізація супроводжується руйнуванням молекулярних структур.
Ефект дії іонізуючого випромінювання залежить від дози випромінювання. При достатньо високій дозі випромінювання наступає загибель мікроорганізмів. Якщо доза не летальна (не смертельна), то виникають інші зміни, що зачіпають головним чином ферментні системи і генетичну структуру клітки. Дуже малі дози і короткочасна дія цих випромінювань прискорюють розвиток мікроорганізмів і активізують їх життєдіяльність, тобто надають стимулюючий ефект. Порівняно з вищими тваринами і рослинними організмами всі мікроби менш чутливі до випромінювань. Смертельна доза випромінювань для бактерій в сотні і тисячі разів вище, ніж для тварин.
Стійкість мікроорганізмів до іонізуючих випромінювань різна. Дріжджі і цвілеві гриби менш чутливі, ніж бактерії, спори бактерій стійкіші, ніж вегетативні клітини.
Бактерицидні властивості ядерних випромінювань використовують для стерилізації лікувальних препаратів і харчових продуктів, обробки біологічних препаратів (вакцин, сироваток). Проте унаслідок іонізації погіршується якість продукту.
Струми надвисокої частоти. Електромагнітні випромінювання надвисокої частоти (СНЧ) володіють бактерицидною дією, тобто викликають загибель мікроорганізмів. Загибель мікробів відбувається унаслідок селективного виділення теплоти безпосередньо в мікробній клітині, тобто тепломеханічної дії струмів СНЧ.
Загибелі мікробів сприяє також те, що максимальна напруженість поля створюється на межі розділу клітини і навколишнього середовища.
На ефективність бактерицидної дії струмів СНЧ істотно впливає швидкість нагріву. Збільшення швидкості нагріву веде до зниження бактерицидної дії ВНЧ на мікроорганізми. Наприклад, при швидкості СНЧ-нагреву 0,5 і 1 0С/с кишкова паличка гине при 65 0С. Тоді як при швидшому нагріві (4 і б 0С/с) клітини даного виду мікроорганізму гинуть тільки при 70 0С.
На відміну від звичайних способів теплової обробки при СНЧ-нагріві харчових продуктів не виявляються теплозахисні властивості білків, жирів і інших речовин, оскільки електромагнітна енергія акумулюється безпосередньо мікробною клітиною. Тому при СНЧ-нагріві відмирання мікроорганізмів відбувається швидше і при менш високих температурах, що дозволяє понизити температуру теплової обробки продуктів і поліпшити їх якість. Струми надвисокої частоти застосовуються для теплової обробки харчових продуктів тільки в скляній тарі, оскільки через метал вони не проникають.
Ультразвук. Ультразвуком звичайно називають пружні коливання з частотою більше 20 кГц, не сприймані вухом людини. Ультразвукові хвилі надають згубну дію на мікроорганізми, оскільки володіють великою механічною енергією і можуть викликати в озвучуваному середовищі ряд фізичних, електрохімічних і біологічних явищ. Під впливом ультразвукового випромінювання в цитоплазмі мікробних клітин утворюється кавітационна порожнина (бульбашка), заповнена парами рідини. У кавітационій бульбашці виникає високий тиск, що досягає десятків і сотень мегапаскалів, що приводить до руйнування (дезінтеграція) цитоплазматичних структур мікробних клітин. Крім того, виникнення і розвиток кавітації супроводжується різким підвищенням температури і виникненням в кавітаціоній порожнині електричною поля високою напруги. Може виникнути електроний пробій, що приведе до випромінювання ультрафіолетової частини спектру і утворенню високореактивних гідроксильних радикалів.
Бактерицидна дія ультразвука залежить від інтенсивності звуку і кавітації. При високій інтенсивності звуку розпад мікробних клітин відбувається надзвичайно швидко. Крім того, на бактерицидну дію УЗ-хвиль впливають як склад дисперсного середовища (чим вищий зміст ліпідів, вуглеводів і особливо білків, тим нижче бактерицидний ефект), так і концентрація мікробних клітин (чим менша концентрація, тим вище бактерицидна дія ультразвука).
Стійкість мікроорганізмів до дії УЗ-хвиль різна. Вегетативні форми бактерій чутливіші, ніж спори, швидше гинуть паличкоподібні форми і повільніше – кокові бактерії. Чим менші розміри мікробної клітини, тим вище її стійкість до дії ультразвуку.
Ультразвук в даний час застосовується для стерилізації харчових продуктів, виготовлення вакцин, вилучення внутріклітинних ферментів, токсинів, вітамінів, РНК, ДНК і інших компонентів кліток.
Механічні дії. Механічні дії спричинюють різний вплив на мікроорганізми. Слабкі і рідкісні струси сприятливо діють на їх розвиток; триваліші, сильніші і частіші механічні дії можуть привести до руйнування і загибелі мікроорганізмів, але не вірусів. Механічна дія на клітини прискорюється при додаванні до культури мікроорганізмів піску, склоподібних намист, подрібненого скла і ін. Найбільш чутливі до механічних струсів ґрунтові бактерії, наприклад капустяна паличка (Вас. megatherium), а стійкі мікроорганізми, бактерії, що постійно мешкають в проточних водоймищах, наприклад флуоресціюючі.
Самоочищення річок частково відбувається унаслідок механічних струсів при швидкому перебігу води. Механічні дії використовуються для отримання деяких складових частин мікробних клітин (білків, ферментів і ін.).
Тиск. Підвищений тиск чинить дуже слабку дію на мікроорганізми. Є глибоководні мікроорганізми морів і океанів, які живуть і розмножуються при дуже високому гідростатичному тиску, що досягає сотень мегапаскалей. При експериментальних дослідженнях різні бактерії, дріжджі і цвілеві гриби витримували тиск близько 300 MПа. Більш чутливіші мікроорганізми до різкого переходу від високого тиску до низького.
Хімічні чинники
Основними хімічними чинниками, що впливають на життєдіяльність мікроорганізмів, є рН середовища, окислювально-відновні умови середовища і отруйні хімічні (антисептичні) речовини.
РН середовища. Від величини водневого показника істотно залежить життєдіяльність мікроорганізмів. Іони водню впливають на електричний заряд колоїдів клітинної оболонки. При значному зрушенні рН в кислу або лужну сторону може змінитися знак заряду поверхні клітини, що призведе до зміни проникності клітинної стінки для різних молекул і іонів живильного субстрата, отже, порушиться нормальний процес обміну речовин. Зміна рН впливає на ступінь дисперсності колоїдів цитоплазми, активність ферментів і інтенсивність біохімічної діяльності мікроорганізмів, що каталізується ними. Наприклад, дріжджі в кислому середовищі утворюють в основному етанол (етиловим спирт) і незначну кількість гліцерину, а в лужному середовищі вихід етанолу знижується і збільшується утворення гліцерину.
Життєдіяльність кожного виду мікроба можлива тільки при певних значеннях рН середовища. Розрізняють оптимальний, мінімальний і максимальний рН, характерні для різних видів і груп мікроорганізмів (табл. 3).
Таблиця 3
|
Мікроорганізми |
Мінімальний рН |
Оптимальний рН |
Максимальний рН |
|
Молочнокислий стрептокок |
3,5-4 |
6,8-6,9 |
8 |
|
Кишкова паличка |
4-4,5 |
6,5-7,4 |
8-9 |
|
Палочка протея |
4,4-4,9 |
6,5-7,5 |
8,4-9,4 |
|
Чудова паличка |
5 |
6,5 |
8 |
|
Сінна палочка |
4,5 |
6,7 |
8,5 |
|
Палочка перфрингенс |
5,8 |
6,8 |
8,5 |
|
Палочка нутрифікус |
5,8 |
6,0-7,6 |
8,5 |
|
Палочка ботулінум |
5 |
6,5-7,5 |
9 |
|
Лієчна цвіль |
1,5 |
3-8 |
11,6 |
|
Различние дріжджі |
3 |
5-6 |
7 |
Для цвілевих грибів і дріжджів найбільш сприятливе кисле середовище (рН=3÷б). Більшість цвілей здатні розвиватися в широкому діапазоні рН від 0,5 -1,2 до 11. Її патогенні і гнильні бактерії краще ростуть в нейтральному або слаболужному середовищі (pH=6÷7,5). Гнильні бактерії дуже чутливі, а молочнокислі і оцтовокислі бактерії відносно стійкі до підвищеної кислотності середовища.
Неоднакове відношення мікроорганізмів до рН середовища – одна з причин антагонізму між ними і зміни одних груп мікробів іншими. Несприятлива дія кислого середовища на гнильні бактерії використовують при консервації харчових продуктів.
Окислювально-відновні умови середовища. Розвиток мікроорганізмів, їх біохімічна активність знаходяться в тісному зв’язку з окислювально-відновними умовами середовища, залежними від співвідношення в ній відновлених і окислених речовин. Це співвідношення характеризується окислювально-відновним потенціалом, який прийнято позначати умовним символом Величина є негативним логарифмом концентрації атомів водню в середовищі. гН2 коливається від 0 (при насиченні середовища воднем) до 42 (при повному насиченні середовища киснем).
Облігатні анаеробні мікроорганізми розвиваються при низькому гН2, (від 0 до 14), факультативні анаероби – при від 0 до 30, аеробні мікроби – від 11 до 35.
Регулюючи окислювально-відновні умови середовища, можна вплинути на інтенсивність розвитку мікроорганізмів і спрямованість біохімічних процесів, що викликаються ними. Наприклад, при додаванні в живильне середовище акцепторів водню (метиленового блакитного, резазурина) можливе зростання аеробів в безкисневому середовищі, шляхом штучного зниження гН2 середовища можна добитися розвитку анаеробів у присутності повітря. Ароматоутворюючі молочнокислі бактерії при гН2, близькому до 0, утворюють в основному молочну кислоту, а при гН2 = 6÷8 разом з молочною кислотою і ароматичні речовини. Тому при виготовленні живильних середовищ необхідно враховувати не тільки склад живильних речовин, активну реакцію середовища (рН), але і її окислювально-відновний потенціал (rН2).
Отруйні хімічні (антисептичні) речовини. Відомо багато неорганічних і органічних речовин, що спричиняють несприятливу дію на мікроорганізми. З неорганічних з’єднань сильними отрутами для мікробів є солі важких металів (свинцю, міді, цинку, срібла, золота, ртуті), різні окислювачі (хлор, хлорне вапно, хлорамін, йод, бром, перманганат калія, пероксид водню, озон, Н2S, CO, C02, NH3 і ін.), мінеральні кислоти – борна, сірчана, хлористоводнева (соляна), азотна та інші, луги – гідроксид натрію, гідроксид калію і ін. З органічних сполук згубну дія на мікроорганізми можуть надавати формалін, фенол, крезол і їх похідні, фарбники, органічні кислоти – саліцилова, масляна, оцтова, бензойна і ін., диетиловий ефір, спирти жирного і ароматичного ряду – пропіловий, бутиловий, аміловий, етанол і ін., ефірні масла, смоли і дубильні речовини.
Характер і сила дії на мікроорганізми хімічних речовин залежить, від їх концентрації, тривалості безпосереднього контакту з мікробами, умов середовища, в якому ця дія протікає (pН, хімічний склад, температура), а також від стійкості мікроорганізмів до хімічних речовин.
В дуже малих дозах майже всі хімічні отрути (окрім солей важких металів) діють як подразники і можуть стимулювати розмноження мікробів. При підвищенні концентрації вони починають спочатку пригнічувати зростання і розмноження мікроорганізмів (бактеріостатична дія), а потім діють бактерицидно, тобто викликають загибель мікробних клітин.
На відміну від інших хімічних отрут солі важких металів володіють олігодинамічною дією (олігос – малий, дінаміс – сила) – навіть в дуже малих концентраціях, непіддатливих хімічному виявленню, згубно діють на мікробні клітини. Так, посуд з срібла, посріблені предмети, посріблений пісок при контакті з водою повідомляють їй бактерицидні властивості по відношенню до багатьох видів бактерій і вірусів, цим пояснюється тривале зберігання води в свіжому стані («свята вода»). На олігодинамічній дії іонів срібла заснований метод очищення і дезинфекції води за допомогою фільтрів з посрібленого піску. Хімічні речовини, які згубно діють на мікроби в невеликих концентраціях, називають антисептичними, або дезинфікуючими.
Отруйні хімічні речовини згубно діють на мікроорганізми тільки при безпосередньому контакті з ними. Присутність в субстраті білків (сеча, гній, мокрота, гній і т. д.) затрудняє доступ отрути до мікробних клітин, внаслідок чого сповільнюється знезараження об’єкту. Підвищена температура (більше 40 0С) підсилює, а низька температура (1-5 0С) різко знижує бактерицидну активність хімічних отрут.
Механізм згубної дії антисептичних речовин полягає в тому, що в результаті взаємодії хімічної отрути з речовинами цитоплазми в ній відбуваються необоротні зміни, що порушують нормальний перебіг процесів життєдіяльності і що приводять до загибелі клітини. Фенол, крезол і їх похідні спочатку ушкоджують клітинну стінку, а потім і білки клітин (з’єднуючись з білками, утворюють міцні, нерозчинні у воді комплекси). Солі важких металів (срібло, мідь, цинк і ін.) викликають коагуляцію білків клітини. Олігодинамічна дія срібла і інших важких металів полягає в тому, що позитивно заряджені іони металів адсорбуються негативно зарядженою поверхнею бактерій і змінюють проникність їх цитоплазматичної мембрани. При цьому відбувається порушення живлення і розмноження мікробів.
Окислювачі діють на сульфгідрильні групи активних білків; сильніші окислювачі впливають і на інші групи (фенольні, тіоетілові, індольні і амінні). Формалін (40 %-й розчин формальдегіду) приєднується до аміногруп білків і викликає їх денатурацію. Органічні спирти, діетиловий ефір, ацетон руйнують поліпептидну оболонку клітини. Неорганічні кислоти і луги гідролізують білки клітини. Ціаністі з’єднання, діоксид вуглецю і сірководень інактивують ферменти клітки.
Багато мікроорганізмів володіють виборчою чутливістю до певних хімічних отрут: одна і та ж речовина може надавати неоднакову дію на різні види мікробів. Наприклад, багато мікробів дуже чутливі до високої концентрації СО2, тоді як так звані капнеїчні бактерії (бруцелли бичього типа), навпаки, мають потребу для свого розвитку в підвищеному вмісті діоксиду вуглецю. Грамнегативні бактерії менш чутливі до деяких анілінових фарбників, чим грампозитивні.
Спори володіють значно більшою стійкістю до дії багатьох хімічних отруйних речовин, ніж вегетативні форми бактерій. З неспороутворюючих мікробів до багатьох хімічних отрут менш чутливі стафілококи і туберкульозна паличка.
Багато отруйних (антисептичні) речовин використовуються в медицині, ветеринарії і харчовій промисловості як дезинфікуючі речовини для знищення хвороботворних мікробів або технічно шкідливої, небажаної мікрофлори. В м’ясній промисловості застосовують хлорне вапно, хлорамін, гипохлорит натрію, дихлорізоцианурат натрію, тріхлорізоцианурову кислоту, гідроксид натрію, карбонат натрію, сульфанол, тринатрійфосфат.
При багатократному застосуванні дезінфікуючих речовин в невеликих, поступово зростаючих концентраціях мікроби можуть адаптуватися, і їх стійкість до цих антисептичних речовин підвищується.
Фізичні і хімічні чинники широко використовуються в практиці для знищення мікроорганізмів. У зв’язку з цим необхідно з’ясувати значення термінів: «асептика», «антисептика», «дезинфекція».
Асептика – це заходи, направлені на запобігання потрапляння мікробів з навколишнього середовища в рани, в харчові продукти, в живильні середовища при посіві чистих культур мікробів, з використанням фізичних (УФ-промені, високі температури і ін.) і хімічних засобів.
Антисептика – знищення за допомогою фізичних або хімічних засобів мікробів, що потрапили в продукти, на устаткування, в рану і ін. На принципі антисептики засновано копчення м’ясних і рибних продуктів. При копченні продукт просочується летючими антисептичними речовинами диму (продуктами неповною згорання деревини) – смолами, фенолом, крезолом, формальдегідом і іншими, що надають згубно діє на мікроорганізми.
Дезинфекція, або знезараження, – знищення на об’єкті (устаткуванні, інвентарі, в приміщенні, ґрунті і т. д.) патогенних і сапрофітних, технічно шкідливих для даного виробництва мікроорганізмів з використанням фізичних і хімічних засобів.
Питання для самоконтролю.
Як поділяють фактори зовнішнього впливу на мікроорганізми? Які є фізичні чинники, що впливають на ріст, розмноження та загибель мікроорганізмів? Які є хімічні чинники?
Реферати
Читати далі