Факторы, влияющие на устойчивость бактерий к высокому давлению

Факторы, влияющие на устойчивость бактерий к высокому давлению

Можно выделить следующие основные факторы, влияющие на устойчивость биосистем к высокому давлению.

1. Тип микроорганизмов

Грамположительные бактерии обычно более устойчивы к воздействию высокого давления, чем грамотрицательные, хотя существуют определенные исключения.

2. Условия роста и возраст микроорганизмов

Известно, что устойчивость клеток к изменению внешних условий в фазе их экспоненциального роста более низкой, чем в стационарных микробиальных фазах. Эта закономерность сохраняется также при обработке продуктов высоким давлением. В работе [37] показано, что культуры V. Vulnificus и V. Parahaemolyticus в состоянии анабиоза демонстрируют большую компрессионную резистентность, чем соответствующие активные культуры. Однако это увеличение устойчивости незначительное и существенно не влияет на параметры инактивации. В работе [38] исследовано скорость инактивации компресионноустойчивых (С9490) и компресинночувствительных (8003) штаммов Е. coli в зависимости от их физиологической активности. Фазы обоих штаммов, растут экспоненциально, не демонстрировали каких-либо различий. Однако, условия, в которых проходит развитие вегетативных форм из спор, заметно влияют на их способность сопротивляться давлению [39].

3. Кислотность среды

Выживание бактерий зависит от уровня рН среды [38, 51, 40]. При снижении рН чувствительность бактерий к давлению возрастает, а также замедляется восстановления сублетальных поврежденных клеток [40]. Ранее было обнаружено [11], что нейтральные значения рН больше способствуют выживанию спор под давлением, чем кислотные. Кроме того, под воздействием высокого давления на пищевые продукты происходит изменение кислотности среды. В работе [41] доказано снижение рН в яблочном соке на 0, 2 единицы при росте давления на каждые 100 МПа.

4. Состав пищевых продуктов

Состав пищевых продуктов может оказать значительное влияние на бароустойчивость бактерий. Внутренняя среда, богатая углеводами, белки и жиры, оказывает защитное влияние на микроорганизмы. Кислая среда повышает их чувствительность к давлению, а также инактивирует поврежденные клетки [42]. Это делает кислотосодержащие продукты, такие как фруктовые соки, идеальными кандидатами для технологий обработки высоким давлением, так как даже мягкие технологические условия дают хорошие результаты.

5. Факторы давления и времени обработки

Увеличение давления, продолжительности обработки и температуры приводит к росту процента инактивированных бактерий. Споровые формы бактерий наиболее эффективно уничтожаются при 500-700 МПа и 90-110°С. Есть минимальное давление, под действием которого не наблюдается заметной инактивации клеток при любой длительности его воздействия на микробиологическую среду [11]. Гидростатическое давление от 100 до 300 МПа часто инициирует прорастания спор [43]. В работах[44, 45] было показано, что степень инактивации зависит не только от величины давления, но и от скорости его роста.

6. Температура

Отклонение температуры обработки от комнатной (20°С) до низшей или высшей приводит к росту летальности бактерий, однако в случае повышенных температур (45-50°С) их инактивация проходит более интенсивно. Применение температур 90-110°С и давлений 500-700 МПа способно вызвать полную инактивацию спор Clostridium Botulinum, которые демонстрируют значительную устойчивость как к высокому давлению, так и к повышенной температуре [46, 47]. Во время быстрой компрессии продуктов в рабочей камере температура среды может значительно возрастать, в результате чего в некоторых случаях отпадает необходимость предварительного нагрева.

Проблемы, сдерживающие развитие новой технологии

Новая технология обработки продуктов питания высоким давлением успешно применяется для достижения стерилизации продуктов с сохранением текстуры и пищевых свойств. При этом результаты существенно превосходят те, что дают традиционные методы консервации. Однако существует ряд проблем, сдерживающих развитие технологии обработки высоким давлением [48].

Первая проблема - это неопределенность в выборе физических параметров воздействия, поскольку различные сочетания давления, температуры и времени выдержки могут давать одинаковый конечный результат. Например, есть множество данных [49] из комбинаций влияния температуры и давления на E. coli [50, 51] и Listeria monocytogenes [52], кинетика и механизм инактивации которых достаточно хорошо изучены многими исследователями (широкое описание данных у разных авторов связаны со сложностью объектов и плохой воспроизводимостью экспериментов [53]).

Сейчас считается, что высокое гидростатическое давление приводит к инактивации микроорганизмов из-за изменений в морфологии клеток, нарушению клеточных мембран и биохимических реакций. К морфологическим изменениям, которые наблюдаются при увеличении давления, можно отнести сжатия газовых вакуолей, изменение размеров клетки, отделения клеточной мембраны от стенки клетки, сжатие клеточной мембраны, модификация ядер и внутриклеточных органелл, выход внутриклеточного материала во внеклеточное пространство [54]. Однако, в работах [44, 55] показано, что в некоторых случаях клетки инактивированных бактерий механически не повреждаются воздействием давления. Таким образом, механизм инактивации до конца не понятный. Критическими факторами при инактивации микроорганизмов высоким давлением является их тип и стадия развития, уровень давления, время обработки, время сжатия и декомпрессии, температура обработки, начальная температура продукта и рН продукта. Однако, как уже отмечалось, различные комбинации этих факторов могут привести к одним и тем же конечных результатов. Такая неоднозначность делает невозможным использование набора этих параметров для планирования и оптимизации процесса обработки продуктов высоким давлением.

Другая проблема - до сих пор отсутствуют общепринятые критерии, определяющие качество обработки давлением того или иного объекта. При традиционной термообработке обычно используют параметры D и Z, характеризующие устойчивость того или иного штамма при термоинактивации. Определению D и Z-значений при обработке продуктов высоким давлением посвящено множество работ [56-58], однако база данных D и Z-значений для обработки высоким давлением различных микроорганизмов пока отсутствует. Кроме того, сами по себе эти параметры разработаны для оценки совместного действия температуры и времени без учета давления. Нужен новый набор параметров, характеризующих объект обработки. Например, в [59] предлагается использовать распределение Ферми для моделирования летального действия давления

                                      (1. 1)

где S(Р) - доля микроорганизмов, выживших в зависимости от давления обработки Р; Р_с - критический уровень давления, при котором доля выживших составляет 0, 5; к - константа, определяющая крутизну кривой выживания вблизи Р_с. Эта формула удачно интерполирует экспериментальные данные, хотя и не имеет под собой никаких физических оснований[60].