Температура среды

Температура среды – один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность развития микроорганизмов.

Каждый микроорганизм может развиваться лишь в определенных пределах температуры; для одних эти пределы узкие, для других – относительно широкие и исчисляются десятками градусов.

Для каждого организма различают три кардинальные точки: минимум – температура, ниже которой не происходит рост микроорганизмов, максимум – температура, выше которой рост не происходит; оптимум – наилучшая температура для роста микроорганизмов. Кардинальные температурные точки для размножения некоторых микроорганизмов (по данным литературы и автора) приведены в табл. 4.

По отношению к температуре микроорганизмы подразделяют на три группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы, или холодолюбивые микроорганизмы, хорошо растут при относительно низких температурах. Для них характерны: минимум в пределах от –10 до 0 °С, оптимум 10–15 °С и максимум около 30 °С. К ним относят, например, организмы, обитающие в почве полярных стран, в северных морях, океанах, на охлажденных и замороженных продуктах.

Термофилы, или теплолюбивые микроорганизмы, лучше развиваются при относительно высоких температурах. Температурный минимум для них не ниже 30 °С, оптимум 55–65 °С, максимум около 70–80 °С, а для некоторых и более. Из горячих водоисточников Камчатки выделена палочковидная неспороносная бактерия с температурным оптимумом

Таблица 4

70–80 °С, которая оставалась жизнеспособной даже при температуре воды 90 °С. Термофилы встречаются, например, в горячих водных источниках, в самонагревающихся скоплениях различных органических материалов (зерна, сена, навоза и др.), в сооружениях по переработке осадков сточных вод (см. с. 174). Обитают они в поверхностных слоях почвы, в кишечнике человека и животных; встречаются в продуктах, прошедших тепловую обработку.

Мезофилы – микроорганизмы, для которых температурный минимум около 5–10°С, оптимум 25–35 °С, максимум в пределах 45–50 °С. Одни мезофилы являются термоустойчивыми, т. е. способны развиваться при относительно высоких температурах (50–60 °С), а другие – холодоустойчивыми, или психротрофными, так как могут развиваться при температурах, близких к 0 °С и даже немного ниже.

Большинство наиболее распространенных в природе бактерий, грибов и дрожжей, в том числе многие возбудители заболеваний и отравлений человека, относят к мезофильным организмам.

Среди термофилов и психрофилов преобладают бактерии.

Оптимальные и предельные температуры для микроорганизмов обычно соответствуют оптимальным и предельным температурам активности их ферментов. Установлено, что у холодоустойчивых микроорганизмов ферменты, в частности ферменты энергетического обмена, термочувствительны. У этих микроорганизмов обнаружены ферменты с температурным оптимумом около 10 °С. Ферменты термофилов термостабильны, наиболее активны при 50–60 °С, некоторые длительно не инактивиру-ются при80–90 °С. По сравнению с мезофилами у термофилов более термостабильны белки клеток, а в цитоплазматиче-ской мембране больше липидов и несколько иной их состав.

Кардинальные температурные точки, определяющие размножение микробов и другие процессы (спорообразование, брожение и др.), для одних и тех же организмов могут быть разными. Эти температурные точки могут колебаться для одного и того же вида в зависимости от других условий развития.

Отношение микроорганизмовк высоким температурам.Повышение температуры среды по сравнению с оптимальной сказывается на микроорганизмах более неблагоприятно, чем понижение ее. Отношение микроорганизмов к температурам, превышающим максимальную для их развития, характеризует их термоустойчивость. У разных микроорганизмов она очень различна. Гибель наступает не мгновенно, а во времени. Температуры, немного превышающие максимальную, вызывают явление «теплового шока». При недлительном пребывании в таком состоянии клетки могут реактивироваться, при длительном – наступает их отмирание. Большинство бесспоровых бактерий отмирают при нагревании во влажном состоянии до 60–70 °С в течение 15–30 мин, а при нагревании до 80– 100°С – от нескольких секунд до 1–2 мин. Дрожжи и плесени погибают также довольно быстро при температуре 50– 60 °С. Исключение составляют некоторые осмофильные дрожжи, которые выдерживают нагревание до 100 °С в течение нескольких минут.

Таблица 5

Наиболее термоустойчивыми являются бактериальные споры. У многих бактерий они способны выдерживать температуру кипения воды в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий гибнут при 120–130 °С через 20– 30 мин, в сухом состоянии – при 160–170 °С через 1–2 ч. Термоустойчивость спор различных бактерий неодинакова; особенно устойчивы споры термофильных бактерий (табл. 5).

С повышением температуры ее губительное действие быстро возрастает. По данным Эсти и Мейера, споры Clostridium botulinum отмирали: при 100 °С–через 330 мин, при 105 °С – через 100, при 110 °С – через 32, при 115 °С – через 10, при 120 °С –через 4 мин.

Споры большинства дрожжей и плесеней по сравнению со спорами бактерий менее устойчивы к нагреванию и погибают довольно быстро при 65–80 °С, а споры некоторых плесеней выдерживают нагревание до 100 °С. Однако не все клетки или споры даже одного вида микроорганизмов отмирают одновременно, среди них встречаются более и менее устойчивые.

Термоустойчивость одних и тех же микроорганизмов может, кроме того, изменяться в зависимости от свойств среды (рН, концентрации и др.), в которой производится нагревание.

Отмирание микроорганизмов при нагревании во влажной среде наступает вследствие происходящих необратимых изменений в клетке. Главными из них являются денатурация белков и нуклеиновых кислот клетки, а также инактивация ферментов; возможно повреждение цитоплазматической мембраны.

Высокая термоустойчивость бактериальных спор обусловлена, по-видимому, малым содержанием в них свободной воды. Предполагается также, что устойчивость спор к высоким температурам связана с содержанием в них дипиколиновой кислоты (пиридин-2,6-дикарбоновая кислота) и кальция. Эта кислота в виде кальциевой соли обнаруживается только в термоустойчивых спорах.

При воздействии на клетки сухого жара (без влаги) гибель происходит в результате активных окислительных процессов.

На губительном действии высоких температур основаны многие приемы уничтожения микробов в пищевых продуктах и в различных других объектах, например кипячение, варка, обжарка, бланширование продуктов питания, пропаривание производственного оборудования.

В пищевой промышленности широко применяют два способа воздействия высоких температур на микроорганизмы: пастеризацию и стерилизацию.

Пастеризация – это нагревание продукта чаще при температуре 63–80 °С в течение 20–40 мин. Иногда пастеризацию производят кратковременным (в течение нескольких секунд) нагреванием до 90–100 °С. При пастеризации погибают не все микроорганизмы. Некоторые термоустойчивые бактерии, а также споры многих бактерий остаются живыми. В связи с этим пастеризованные продукты следует немедленно охлаждать до температуры не выше 10 °С и хранить на холоде, чтобы задержать прорастание спор и развитие сохранившихся клеток. Пастеризуют молоко, вино, пиво, икру, фруктовые соки и некоторые другие продукты.

Стерилизация – это нагревание при температурах, которые в течение определенного времени вызывают гибель всех вегетативных клеток микроорганизмов и их спор. Стерилизации подвергают различные баночные консервы (см. с. 239), многие предметы и материалы, используемые в медицинской и микробиологической практике. Процесс проводится при температурах 112–125 °С в течение 20–60 мин в специальных приборах – автоклавах (перегретым паром под давлением) или при 160–180° С в течение 1–2 ч в сушильных шкафах (сухим горячим воздухом).

Многочисленными исследованиями по изучению кинетики отмирания клеток во время нагревания (как и при воздействии многих других губительно действующих факторов) установлено, что отмирание во времени протекает с определенной закономерностью. Если построить график в полулогарифмической системе координат, то «кривая выживаемости» в большинстве случаев представится прямой линией (рис. 23). Такая прямая линия показывает, что при постоянной температуре в каждый последующий равный интервал времени отмирает одинаковая доля (%) клеток (спор) по отношению к числу выживших.

Таким образом, отмирание клеток имеет логарифмический порядок и может быть выражено уравнением

где К – константа процесса;

t– продолжительность воздействия;

А – начальное число бактерий;

В – число бактерий, оставшихся после воздействия данной температуры. Из уравнения следует, что эффективность стерилизации зависит от количества микроорганизмов, находящихся на стерилизуемом объекте: чем оно выше, тем больше остается живых, следовательно, для уничтожения всех потребуется длительное нагревание при данной температуре (табл. 6).

Рис. 23. Кривая выживаемости

спор Bac. aerothermophilus при

110°С (по данным В. И. Рогачева)

Логарифмическая зависимость проявляется лишь в период отмирания основной массы клеток (рис. 23, часть кривой а). Всегда имеются клетки более термостойкие, чем большинство. Отмирание их не подчиняется логарифмической зависимости, они длительно сохраняются жизнеспособными. На рис. 23 видно, что у «кривой выживаемости» наблюдается «хвост» (часть кривой б).

Таблица 6

Отношение микроорганизмов к низким температурам. Выше указывалось, что холодоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах.

При температуре среды ниже оптимальной уменьшаются скорость размножения микроорганизмов и интенсивность их жизненных процессов. При температурах, близких к минимальным, значение приобретает снижение даже на 1–2 °С. В табл. 7 и 8 показано влияние низких температур на скорость развития некоторых бактерий и плесеней (по Φ. Μ. Чистякову, Г. Л. Носковой, З. З. Бочаровой) – возбудителей порчи продуктов.

Большинство микроорганизмов не способно развиваться при температуре ниже нуля. Так, многие гнилостные бактерии и бактерии, вызывающие пищевые отравления, являются мезофи-лами и не размножаются обычно при температуре ниже 4– 5 °С; температурный минимум многих грибов также лежит в пределах от 3 до 5°С. Некоторые микроорганизмы еще более чувствительны к холоду и не растут уже при 10 °С, например болезнетворные бактерии. Несмотря на то что при указанных температурах микробы не размножаются и активная жизнедеятельность их приостанавливается, многие неопределенно долгое время остаются жизнеспособными, переходя в ана- биотическое состояние, т. е. состояние «скрытой жизни», подобное зимней спячке животных. При повышении температуры они вновь возвращаются к активной жизни.

Известно, что многие микроорганизмы легко переносят даже очень суровые зимние условия, а некоторые – временно выдерживают и значительно более низкие температуры. Кишечная и брюшнотифозная палочки в течение нескольких дней не погибают при температурах от –172 до –190 °С. Споры бактерий сохраняют способность к прорастанию даже после 10-часового

Время, сутки, от посева до появления видимого роста бактерий при температуре, °С Названия бактерий_

Таблица 7

________________________________

¹ Роста бактерий не наблюдалось даже через 9 месяцев после посева.

пребывания при –252 °С (температура жидкого водорода). Некоторые плесени и дрожжи сохраняют жизнеспособность после воздействия температуры –190 °С (температура жидкого воздуха) в течение нескольких дней, а споры плесеней – в течение нескольких месяцев. В трупах мамонтов, пролежавших десятки тысяч лет в мерзлой почве, обнаружены жизнеспособные бактерии и их споры.

Конечно, не все микроорганизмы способны длительно сохранять свою жизнеспособность при температурах ниже минимальной для их развития. Многие из них в таких условиях более или менее скоро погибают. Однако отмирание происходит значительно медленнее, чем под действием высоких температур. Причиной гибели клеток в субстратах при температурах выше их криоскопической точки (температуры замерзания) является главным образом нарушение обмена веществ клеток. Инактивируются ферменты, в связи с чем снижаются скорости внутриклеточных химических реакций, при этом отдельные реакции подавляются не в одинаковой степени.

Таблица 7

Наиболее неблагоприятное действие оказывают температуры, при которых наступает замерзание среды. При неполном замерзании (помимо указанных выше причин) вымирание микроорганизмов может быть вызвано неблагоприятным действием низкой водной активности a_w и повышенного осмотического давления среды, повреждением клеток кристаллами льда, повышением концентрации солей в клетке за счет ее обезвоживания, при этом нарушается структура цитоплазмы (изменяются ее вязкость, дисперсность белково-липоидных частиц и др.), нарушается избирательная проницаемость клеточных мембран вследствие изменения физико-химических свойств их ли-пидов. Со временем все это приводит к необратимым явлениям в клетке и ее гибели.

Низкие температуры широко применяют для сохранения скоропортящихся продуктов. Применяют два способа холодильного хранения: в охлажденном состоянии – при температуре от 10 до –2 °С и в замороженном виде – при температуре от –12 до –30 "С.

При хранении охлажденных продуктов лучше, чем при замораживании, сохраняются их натуральные свойства, однако рост на них многих микроорганизмов не исключается, а лишь замедляется. Поэтому сроки хранения охлажденных продуктов непродолжительны и зависят от температуры хранения и исходной степени обсеменения продукта психротроф-ными микроорганизмами. Чем они больше, тем меньше срок хранения.

Для удлинения сроков хранения продуктов применяют дополнительные меры воздействия на микроорганизмы, например облучение ультрафиолетовыми и гамма-излучениями, озонирование, повышение содержания в атмосфере ССЬ, создание анаэробных условий, препятствующих развитию холодоустойчивых аэробов – возбудителей порчи продуктов и др. Об эффективности применения этих способов обработки пищевых продуктов сказано в гл. 7.

При хранении продуктов в охлажденном состоянии большое значение имеет относительная влажность воздуха в помещении. При ее повышении микроорганизмы развиваются быстрее. На стенах, потолках и других поверхностях холодильных камер постоянно находится то или иное количество разнообразных микроорганизмов. Попадают они в холодильник вместе с продуктами, тарой, заносятся с поступающим охлажденным воздухом, а также людьми. Обитая в холодильнике длительное время, микробы приспосабливаются к данным условиям существования и приобретают способность развиваться при более низких температурах. Поэтому холодильные камеры необходимо содержать в чистоте, регулярно дезинфицировать и поддерживать в них требуемый температурно-влажностный режим.

При замораживании продукта отмирает значительная часть находящихся в нем микроорганизмов. При по-

Т

следующем хранений замороженного продукта выжившие отмирают в нем медленнее.

При применяемых в практике хранения температурах (не выше –12 °С) замороженные продукты длительно (месяцами) сохраняются без микробной порчи.

Замораживание не оказывает стерилизующего действия. В замороженных продуктах всегда имеются живые жизнеспособные микроорганизмы и тем больше, чем больше их содержалось на продукте перед его замораживанием.

Во время размораживания продуктов, особенно при вытекании из них сока, микроорганизмы вновь размножаются и вызывают порчу. Поэтому оттаивать замороженные пищевые продукты следует непосредственно перед употреблением.