INFLUENŢA FACTORILOR DE MEDIU

ASUPRA MICROORGANISMELOR

            În procesul de nutriţie şi deci în cel de dezvoltare a microorganismelor, acestea sunt supuse influenţelor unor factori de mediu care condiţionează activitatea microbiană determinând  fie stimularea creşterii şi reproducerii fie inhibarea activităţii (inactivarea microorganismelor).

            Sub acţiunea mediului ambiant, ca urmare a interdependenţei dintre factorii de mediu şi răspunsul pe care îl dau microorganismele, s-au stabilit în timp adaptării specifice, adaptării care fac ca în condiţiile oferite de planeta noastră s 636h715g ă întâlnim microorganisme în cele mai diferite condiţii ale mediului ambiant.  Tot prin adaptare întâlnim şi grupe de microorganisme extremofile, în care sunt incluse arhebacteriile care cresc la temperaturi foarte mari sau foarte mici , microorganisme adaptate la limite extreme ale pH-ului şi foarte rezistente  la radiaţii, la presiunea osmotică.

            Factorii care influenţează activitatea microorganismelor sunt clasificaţi astfel:

Factori extrinseci (exteriori mediului de dezvoltare a microorganismelor) care pot fi:

Factori naturali care acţionează spontan şi nedirijat şi factori de producţie, dirijaţi, care pot acţiona fie stimulând creşterea (pentru microorganisme utile), fie în sensul distrugerii  (în cazul microorganismelor  dăunătoare sau patogene).

Factori fizici:

-         temperatura mediului ambiant;

-         umezeala relativă a aerului ;

-         diferite tipuri de radiaţii (solare);

-         factori mecanici (corelaţi cu cei fizici);

-         efectul unor operaţii folosite în scheme tehnice de fabricare care influenţează prezenţa microorganismelor: filtrare, centrifugare, agitare, presiune.

Factorii chimici  se referă la efectul pe care îl au anumite substanţe chimice asupra microorganismelor, substanţe care se adaugă în produsele alimentare de cele mai multe ori pentru a inhiba dezvoltarea microorganismelor, pentru creşterea conservării şi a calităţii alimentelor.

               Factori intrinseci  includ caractere ale alimentelor, care presupun o anumită compoziţie naturală (raport între substanţe nutritive), o anumită structură anatomică care protejează sau nu produsul natural. Aceşti  factori sunt: cantitatea de apă liberă din produsul alimentar, pH-ul şi potenţialul de oxidoreducere.

Factorii intrinseci explică corelaţia dintre gradul de conservabilitate a produsului alimentar şi tipul de alterare a acestuia.

Factori impliciţi se referă la natura fenomenelor biologice condiţionate de relaţiile care se stabilesc între microorganismele care ajung în mod natural în acel aliment limitat cantitativ.

Separarea factorilor este forţată în sensul că este important să cunoaştem influenţa factorului izolat.

În mod natural între toate grupele de factori există suprapuneri. Influenţa este dinamică, de conexiune, astfel încât funcţie de ponderea pe care o are unul sau alt factor această influenţă se observă asupra activităţii microorganismelor.

Înţelegerea mecanismelor prin care diferiţi factori ai mediului acţionează în mod specific asupra microorganismelor are importanţă practică. Aceşti factori sunt stimulaţi în condiţii industriale şi de cercetare fie în sensul favorizării activităţii microbiene fie în sensul inhibării microorganismelor care dau alterări ale alimentelor sau îmbolnăviri ale consumatorilor.

5.1 FACTORI EXTRINSECI

5.1.1 Factori fizici

Dintre factorii mediului ambiant, temperatura ocupă ponderea cea mai mare ca importanţă, deoarece de la apariţia vieţii pe Terra, temperatura a influenţat foarte mult dezvoltarea microorganismelor şi a determinat adaptări ale acestora la domeniul de temperaturi întâlnit în condiţiile normale pe planeta noastră.

Microorganismele, spre deosebire de organismele superioare, s-au adaptat la un domeniu mai larg de temperatură.

Domeniul eugenezic reprezintă domeniul de temperatură în care e posibilă creşterea şi dezvoltarea microorganismelor: -10oC +900C.

Temperaturile situate în afara domeniului eugenezic formează domeniul disgenezic  în care celulele nu mai cresc sau chiar mor.

În cadrul domeniului general de temperatură, se cunosc adaptări specifice ale microorganismelor la temperaturi scăzute sau spre maximul de temperatură de creştere.

Grupele de microorganisme adaptate prezintă în cadrul domeniului lor de temperatură, valori minime, optime şi maxime.

Tm – Temperatura minimă este temperatura la care mai poate avea loc creşterea celulelor, dar cu viteză foarte mică. Dacă temperatura scade sub această valoare minimă are loc scăderea vitezei de metabolism şi celulele se pot păstra într-o stare latentă de viaţă, iar în funcţie de rezistenţa lor pot să moară în timp.

            To – Temperatura optimă este temperatura la care creşterea este exponenţială, viteza de înmulţire este maximă.

TM – Temperatura maximă este temperatura cea mai mare la care poate avea loc creşterea şi înmulţirea. Dacă se depăşeşte această temperatură cu câteva grade are loc inactivarea celulelor, ca rezultat al coagulării proteinelor din citoplasmă şi denaturării proteinelor şi enzimelor. Temperaturile mai mari decât această valoare sunt letale.

Figura 7: Dependenţa viteza de creştere a microorganismelor de temperatură

În funcţie de temperaturile eugenezice microorganismele se clasifică astfel:

I Microorganisme psihrofile (criofile, frigofile) – adaptate să se dezvolte în zona inferioară a domeniului general, întâlnite în sol, în zonele cu temperaturi mai scăzute ale globului, în microflora apelor. Au drept caracteristice următoarele valori: Tm : –10 – +5oC

To : 10 – 15oC

           TM : 20 – 25oC                                                                                                  Tabelul 2

Tipuri de microorganisme psihrofile

Microorganisme psihrofile

Bacterii Drojdii Mucegaiuri

Pseudomonas, Flavobaterium, Alcaligenes,

Acromobacter, Staphilococcus, Salmonella

Candida,

Rhodothorula,

Saccharomyces vini

Alternaria,

Cladosporium,

Botrytis

Bacteriile adaptate la temperaturi scăzute prezintă anumite particularităţi:

-         au în componenţă lipide ce intră în structura peretelui celular şi a membranei citoplasmatice şi sunt caracterizate de un conţinut mai ridicat în acizi graşi nesaturaţi.

-         au o mobilitate bună;

-         prezintă capacitatea de a produce pigmenţi cu rol protector faţă de  temperaturile scăzute;

-         enzimele elaborate sunt mai active la temperaturi scăzute.

În practica de laborator microorganismul este psihrofil dacă, prin păstrarea la 7oC, formează colonie vizibilă timp de 10 zile.

II Microorganisme mezofile  – au temperaturile caracteristice:  Tm : 10 – 15oC

                                To : 20 – 40oC

                                TM : 45oC

            Din această categorie fac parte:

-         microorganisme organotrofe (produc alterarea alimentelor la temperatura camerei);

-         microorganisme patogene – temperatura optimă este egală cu temperatura corpului animal 36-37oC

-         majoritatea drojdiilor fermentative şi a mucegaiurilor.

III Microorganisme termofile – adaptate în domeniul superior eugenezic. Temperaturi caracteristice: Tm : 20 – 30oC

                                            To : 40 – 60oC

                                            TM : 70 – 90oC

Microorganismele termofile prezintă anumite proprietăţi specifice care explică această termofilie:

-         proteinele şi enzimele sunt termostabile şi au un optim de activitate la temperaturi ridicate. Această stabilitate se explică prin aceea că în structura proteinelor există o compactizare mai bună a aminoacizilor şi în interiorul globului proteic sunt concentraţi aminoacizi hidrofobi; proteinele din microorganismele termofile conţin  în cantitate mică cisteină şi grupări SH libere;

-         aceste proteine au un conţinut mai ridicat în arginină şi o concentraţie mai scăzută în lizină;

-         acizii nucleici ai bacteriilor termofile au un procent ridicat în cuplul de guanină şi citozină;

-         în componenţa compuşilor din citoplasmă se află ioni Mg2+ care pot forma diferite complexe asigurând creşterea rezistenţei la temperatură.

Tabelul 3

Tipuri de microorganisme termofile

Microorganisme termofile

Bacterii Mucegaiuri Drojdii

Bacillus sthearotermophillus,

Clostridium termosaccharoliticum,

Lactobacillus, Streptococcus termophillus

Aspergillius   fumigatus, Mucor, Rhizopus,

Chetonium,

Peniciullium duponti

Fusarium

Candida

La cultivarea microorganismelor termofile (bacterii lactice mai ales), ţinem cont de faptul că au o viteză mai mare de creştere şi că necesită factori de creştere deoarece nu au timp să îi sintetizeze singure.

Studiul microorganismelor termofile este foarte important deoarece, prin biosinteză, s-au obţinut enzime foarte stabile care pot fi active la temperaturi ridicate (70-90oC) cu multe avantaje în utilizare.

-amilaza bacteriană este activă la 90oC şi este folosită la obţinerea glucozei şi a dextrinei.

Comportarea celulelor în exteriorul domeniului eugenezic

Influenţa temperaturilor subminimale T < Tm

Dacă temperatura de păstrare a culturii pe un mediu nutritiv este mai mică decât  valoarea minimă de creştere, se constată o scădere a vitezei cu care aceste microorganisme metabolizează substratul nutritiv.

Cu 10o sub valoarea Tm viteza scade cu 50%. Această reducere a metabolismului se explică prin aceea că enzimele îşi reduc activitatea ca urmare a faptului că prin scăderea temperaturii se produce o pliere a lanţului de aminoacizi care determină o mascare a centrului activ al enzimelor. Acestea nu mai vin în contact cu substratul şi nu îl pot asimila.

La temperaturi subminimale se reduce viteza de transport a substanţelor nutritive ca urmare a reducerii permeabilităţii membranei celulare. Acest lucru se datorează conţinutului de acizi graşi care se solidifică la temperaturi scăzute. 

Dacă temperaturile subliminale sunt negative, apa libera îngheaţă şi nu mai serveşte ca solvent pentru nutrienţi.

Cunoscând comportarea celulelor au fost aplicate metode de conservare a  alimentelor prin refrigerare şi congelare. Ca urmare a scăderii temperaturii, viteza de metabolism scade şi se prelungeşte durata de păstrare a alimentelor un timp limitat.

Congelarea este folosită în industria alimentară pentru păstrarea calităţii produselor. Funcţie de viteza cu care se produce congelarea au loc transformări fizice şi

mecanice care pot să afecteze celulele microbiene, astfel încât prin congelare se poate produce şi moartea acestora; produsul congelat nu este steril şi conţine 60% din densitatea microflorei iniţiale (40% au murit datorită congelării).

Când congelarea are loc lent, apa din celula microbiană difuzează în exteriorul celulei unde formează cristale mari de gheaţă, iar celula se menţine într-o stare de plasmoliză. Funcţie de sensibilitatea celulelor starea de plasmoliză se poate menţine timp îndelungat. Procentul de celule omorâte e mai mic. Dacă congelarea lentă se face şi în prezenţa unor substanţe protectoare, celulele microbiene nu sunt afectate. Acest procedeu se foloseşte la conservarea culturilor pure de microorganisme.

Când congelarea se face rapid, în medii în care nu sunt prezente substanţe cu efect protector, se formează cristale fine de gheaţă în interiorul şi exteriorul celulelor, care pot să aducă prejudicii mecanice asupra peretelui celular şi membranei citoplasmatice conducând la distrugerea celulelor şi la moartea lor.

Procentul din microfloră care rămâne în stare viabilă (până la 60%) are activitate metabolică nulă.

După decongelare celulele care şi-au păstrat integritatea absorb cu uşurinţă apa şi se reactivează, producând rapid alterarea produsului decongelat. La decongelare produsul este mai bogat în substanţe nutritive deoarece din celula ţesutului vegetal sau animal se eliberează mai uşor suc nutritiv care avantajează creşterea microorganismelor.

În produs, în timpul păstrării în stare congelată, enzimele eliberate din celulele distruse pot să acţioneze încât durata de păstrare este limitată (de la câteva luni până la un an), deoarece există posibilitatea modificării calităţii produsului congelat datorită enzimelor microbiene de tipul lipazelor care rămân active.

            Comportarea celulelor la temperaturi supramaximale T > TM

Depăşirea cu 5-10oC a temperaturilor maxime are efect letal deoarece este determină inactivarea metabolismului microbian, ca urmare a denaturării şi coagulării proteinelor.

Cunoaşterea efectului letal al temperaturilor supramaximale a condus la aplicaţii practice pentru creşterea duratei de păstrare a alimentelor timp îndelungat.

Formele vegetative ale bacteriilor,  drojdiile şi mucegaiurile sunt inactivate la     t = 60-80oC, dacă se menţin timp de 10-30 min.

Ascosporii de drojdie şi sporii de mucegai pot să reziste până la 80oC timp de 30 de minute.

Endosporii bacterieni (bacterii în formă sporulată) din genurile Bacillus, Clostridium, datorită structurii lor specifice şi a conţinutului scăzut în apă liberă, au rezistenţă mai mare la T > TM. Pentru inactivarea lor în mediu de vapori saturaţi (umed) e necesară o temperatură de 120oC, timp de 10-20 minute, iar în mediu uscat necesită la 160oC circa 2 ore, sau la 180oC circa 45 minute.

Pasteurizarea este tratamentul termic folosit în industria laptelui şi se caracterizează prin următorii parametri : 72-74oC/15-20 secunde, suficient pentru distrugerea patogenului periculos Mycobaterium tuberculosis.

Tyndalizarea constă în pasteurizare repetată de 2-3 ori la 24 de ore alternată cu termostatarea  produsului final astfel încât acesta va fi lipsit de microorganisme.

Sterilizarea este operaţia folosită în industria conservelor şi conduce la  inactivarea endosporilor bacterieni Clostridium botulinum (cel mai rezistent dintre microorganismele facultativ patogene).

Factori de care depinde inactivarea microorganismelor la temperaturi supramaximale T > TM

Microorganismele se dezvoltă într-un domeniu limitat de temperatura minimă şi maximă. Dacă se depăşeşte Tmax cu câteva grade se produce moartea celulelor deoarece are loc denaturarea proteinelor din citoplasmă. Moartea, inactivarea celulelor microbiene, este dependentă de numeroşi factori biologici corelaţi cu natura microorganismelor. Inactivarea termică este dependentă şi de starea fiziologică a celulelor (cele tinere mor mai repede decât cele mature deoarece conţin mai multă apă).

Starea celulelor

 Formele vegetative sunt inactivate mai repede decât formele sporulate. Este important să cunoaştem şi numărul de celule ce trebuie inactivate deoarece inactivarea

acestora are loc exponenţial: în fiecare fracţiune de timp se distruge o anumită fracţiune din microorganismele vii.

Inactivarea microorganismelor este dependentă şi de factorii de mediu în care există celule microbiene deoarece anumite substanţe pot avea rol protector asupra celulelor ( proteinele, zaharurile, grăsimile).

Mediile care au pH acid se sterilizează mai rapid, deoarece pH-ul acid accelerează procesul de denaturare termică a celulelor.

Funcţie de natura produselor şi gradul de sterilizare, se stabilesc parametri care conduc la formula de sterilizare. Regimul termic impus (10 minute la 121oC) trebuie să asigure omorârea sporilor bacterieni aparţinând speciei Clostridium botulinum care se pot înmulţi în produsul alimentar producând neurotoxine cu grad foarte înalt de toxicitate  (0,1 µg din aceste toxine pot să omoare un om de 70 kg).