INFLUENTA FACTORILOR DE MEDIU ASUPRA MICROORGANISMELOR

CAPITOLUL V

INFLUENŢA FACTORILOR DE MEDIU

ASUPRA MICROORGANISMELOR

În procesul de nutritie si deci în cel de dezvoltare a microorganismelor, acestea sunt supuse influentelor unor factori de mediu care conditioneaza activitatea microbiana determinând fie stimularea cresterii si reproducerii fie inhibarea activitatii (inactivarea microorganismelor).

Sub actiunea mediului ambiant, ca urmare a interdependentei dintre factorii de mediu si raspunsul pe care îl dau microorganismele, s-au stabilit în timp adaptarii specifice, adaptarii care fac ca în conditiile oferite de planeta noastra s 636h715g a întâlnim microorganisme în cele mai diferite conditii ale mediului ambiant. Tot prin adaptare întâlnim si 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 si foarte rezistente la radiatii, la presiunea osmotica.

Factorii care influenteaza activitatea microorganismelor sunt clasificati astfel:

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

Factori naturali care actioneaza spontan si nedirijat si factori de productie, dirijati, care pot actiona fie stimulând cresterea (pentru microorganisme utile), fie în sensul distrugerii (în cazul microorganismelor daunatoare sau patogene).

Factori fizici:

temperatura mediului ambiant;

umezeala relativa a aerului j

diferite tipuri de radiatii (solare);

factori mecanici (corelati cu cei fizici);

efectul unor operatii folosite în scheme tehnice de fabricare care influenteaza prezenta microorganismelor: filtrare, centrifugare, agitare, presiune.

Factorii chimici se refera la efectul pe care îl au anumite substante chimice asupra microorganismelor, substante care se adauga în produsele alimentare de cele mai multe ori pentru a inhiba dezvoltarea microorganismelor, pentru cresterea conservarii si a calitatii alimentelor.

Factori intrinseci includ caractere ale alimentelor, care presupun o anumita compozitie naturala (raport între substante nutritive), o anumita structura anatomica care protejeaza sau nu produsul natural. Acesti factori sunt: cantitatea de apa libera din produsul alimentar, pH-ul si potentialul de oxidoreducere.

Factorii intrinseci explica corelatia dintre gradul de conservabilitate a produsului alimentar si tipul de alterare a acestuia.

Factori impliciti se refera la natura fenomenelor biologice conditionate de relatiile care se stabilesc între microorganismele care ajung în mod natural în acel aliment limitat cantitativ.

Separarea factorilor este fortata în sensul ca este important sa cunoastem influenta factorului izolat.

În mod natural între toate grupele de factori exista suprapuneri. Influenta este dinamica, de conexiune, astfel încât functie de ponderea pe care o are unul sau alt factor aceasta influenta se observa asupra activitatii microorganismelor.

Întelegerea mecanismelor prin care diferiti factori ai mediului actioneaza în mod specific asupra microorganismelor are importanta practica. Acesti factori sunt stimulati în conditii industriale si de cercetare fie în sensul favorizarii activitatii microbiene fie în sensul inhibarii microorganismelor care dau alterari ale alimentelor sau îmbolnaviri ale consumatorilor.

5.1 FACTORI EXTRINSECI

5.1.1 Factori fizici

Dintre factorii mediului ambiant, temperatura ocupa ponderea cea mai mare ca importanta, deoarece de la aparitia vietii pe Terra, temperatura a influentat foarte mult dezvoltarea microorganismelor si a determinat adaptari ale acestora la domeniul de temperaturi întâlnit în conditiile normale pe planeta noastra.

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

Domeniul eugenezic reprezinta domeniul de temperatura în care e posibila cresterea si dezvoltarea microorganismelor: -10^oC +90⁰C.

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

În cadrul domeniului general de temperatura, se cunosc adaptari specifice ale microorganismelor la temperaturi scazute sau spre maximul de temperatura de crestere.

Grupele de microorganisme adaptate prezinta în cadrul domeniului lor de temperatura, valori minime, optime si maxime.

T_m - Temperatura minima este temperatura la care mai poate avea loc cresterea celulelor, dar cu viteza foarte mica. Daca temperatura scade sub aceasta valoare minima are loc scaderea vitezei de metabolism si celulele se pot pastra într-o stare latenta de viata, iar în functie de rezistenta lor pot sa moara în timp.

T_o - Temperatura optima este temperatura la care cresterea este exponentiala, viteza de înmultire este maxima.

T_M - Temperatura maxima este temperatura cea mai mare la care poate avea loc cresterea si înmultirea. Daca se depaseste aceasta temperatura cu câteva grade are loc inactivarea celulelor, ca rezultat al coagularii proteinelor din citoplasma si denaturarii proteinelor si enzimelor. Temperaturile mai mari decât aceasta valoare sunt letale.

Figura 7: Dependenta viteza de crestere a microorganismelor de temperatura

În functie de temperaturile eugenezice microorganismele se clasifica astfel:

I Microorganisme psihrofile (criofile, frigofile) - adaptate sa se dezvolte în zona inferioara a domeniului general, întâlnite în sol, în zonele cu temperaturi mai scazute ale globului, în microflora apelor. Au drept caracteristice urmatoarele valori: T_m : -10 - +5^oC

T_o : 10 - 15^oC

Microorganisme psihrofile

Bacterii

Drojdii

Mucegaiuri

Pseudomonas, Flavobaterium, Alcaligenes, Acromobacter, Staphilococcus, Salmonella

Candida,

Rhodothorula,

Saccharomyces vini

Alternaria,

Cladosporium,

Botrytis

Bacteriile adaptate la temperaturi scazute prezinta anumite particularitati:

au în componenta lipide ce intra în structura peretelui celular si a membranei citoplasmatice si sunt caracterizate de un continut mai ridicat în acizi grasi nesaturati.

au o mobilitate buna;

prezinta capacitatea de a produce pigmenti cu rol protector fata de temperaturile scazute;

enzimele elaborate sunt mai active la temperaturi scazute.

În practica de laborator microorganismul este psihrofil daca, prin pastrarea la 7^oC, formeaza colonie vizibila timp de 10 zile.

II Microorganisme mezofile - au temperaturile caracteristice: T_m : 10 - 15^oC

microorganisme organotrofe (produc alterarea alimentelor la temperatura camerei);

microorganisme patogene - temperatura optima este egala cu temperatura corpului animal 36-37^oC

majoritatea drojdiilor fermentative si a mucegaiurilor.

III Microorganisme termofile - adaptate în domeniul superior eugenezic. Temperaturi caracteristice: T_m : 20 - 30^oC

T_o : 40 - 60^oC

T_M : 70 - 90^oC

Microorganismele termofile prezinta anumite proprietati specifice care explica aceasta termofilie:

proteinele si enzimele sunt termostabile si au un optim de activitate la temperaturi ridicate. Aceasta stabilitate se explica prin aceea ca în structura proteinelor exista o compactizare mai buna a aminoacizilor si în interiorul globului proteic sunt concentrati aminoacizi hidrofobi; proteinele din microorganismele termofile contin în cantitate mica cisteina si grupari SH libere;

aceste proteine au un continut mai ridicat în arginina si o concentratie mai scazuta în lizina;

acizii nucleici ai bacteriilor termofile au un procent ridicat în cuplul de guanina si citozina;

în componenta compusilor din citoplasma se afla ioni Mg²⁺ care pot forma diferite complexe asigurând cresterea rezistentei la temperatura.

Tabelul 3

Tipuri de microorganisme termofile

La cultivarea microorganismelor termofile (bacterii lactice mai ales), tinem cont de faptul ca au o viteza mai mare de crestere si ca necesita factori de crestere deoarece nu au timp sa îi sintetizeze singure.

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

a-amilaza bacteriana este activa la 90^oC si este folosita la obtinerea glucozei si a dextrinei.

Comportarea celulelor în exteriorul domeniului eugenezic

Influenta temperaturilor subminimale T < T_m

Daca temperatura de pastrare a culturii pe un mediu nutritiv este mai mica decât valoarea minima de crestere, se constata o scadere a vitezei cu care aceste microorganisme metabolizeaza substratul nutritiv.

Cu 10^o sub valoarea T_m viteza scade cu 50%. Aceasta reducere a metabolismului se explica prin aceea ca enzimele îsi reduc activitatea ca urmare a faptului ca prin scaderea temperaturii se produce o pliere a lantului de aminoacizi care determina o mascare a centrului activ al enzimelor. Acestea nu mai vin în contact cu substratul si nu îl pot asimila.

La temperaturi subminimale se reduce viteza de transport a substantelor nutritive ca urmare a reducerii permeabilitatii membranei celulare. Acest lucru se datoreaza continutului de acizi grasi care se solidifica la temperaturi scazute.

Daca temperaturile subliminale sunt negative, apa libera îngheata si nu mai serveste ca solvent pentru nutrienti.

Cunoscând comportarea celulelor au fost aplicate metode de conservare a alimentelor prin refrigerare si congelare. Ca urmare a scaderii temperaturii, viteza de metabolism scade si se prelungeste durata de pastrare a alimentelor un timp limitat.

Congelarea este folosita în industria alimentara pentru pastrarea calitatii produselor. Functie de viteza cu care se produce congelarea au loc transformari fizice si mecanice care pot sa afecteze celulele microbiene, astfel încât prin congelare se poate produce si moartea acestora; produsul congelat nu este steril si contine 60% din densitatea microflorei initiale (40% au murit datorita congelarii).

Când congelarea are loc lent, apa din celula microbiana difuzeaza în exteriorul celulei unde formeaza cristale mari de gheata, iar celula se mentine într-o stare de plasmoliza. Functie de sensibilitatea celulelor starea de plasmoliza se poate mentine timp îndelungat. Procentul de celule omorâte e mai mic. Daca congelarea lenta se face si în prezenta unor substante protectoare, celulele microbiene nu sunt afectate. Acest procedeu se foloseste la conservarea culturilor pure de microorganisme.

Când congelarea se face rapid, în medii în care nu sunt prezente substante cu efect protector, se formeaza cristale fine de gheata în interiorul si exteriorul celulelor, care pot sa aduca prejudicii mecanice asupra peretelui celular si membranei citoplasmatice conducând la distrugerea celulelor si la moartea lor.

Procentul din microflora care ramâne în stare viabila (pâna la 60%) are activitate metabolica nula.

Dupa decongelare celulele care si-au pastrat integritatea absorb cu usurinta apa si se reactiveaza, producând rapid alterarea produsului decongelat. La decongelare produsul este mai bogat în substante nutritive deoarece din celula tesutului vegetal sau animal se elibereaza mai usor suc nutritiv care avantajeaza cresterea microorganismelor.

În produs, în timpul pastrarii în stare congelata, enzimele eliberate din celulele distruse pot sa actioneze încât durata de pastrare este limitata (de la câteva luni pâna la un an), deoarece exista posibilitatea modificarii calitatii produsului congelat datorita enzimelor microbiene de tipul lipazelor care ramân active.

Comportarea celulelor la temperaturi supramaximale T > T_M

Depasirea cu 5-10^oC a temperaturilor maxime are efect letal deoarece este determina inactivarea metabolismului microbian, ca urmare a denaturarii si coagularii proteinelor.

Cunoasterea efectului letal al temperaturilor supramaximale a condus la aplicatii practice pentru cresterea duratei de pastrare a alimentelor timp îndelungat.

Formele vegetative ale bacteriilor, drojdiile si mucegaiurile sunt inactivate la t = 60-80^oC, daca se mentin timp de 10-30 min.

Ascosporii de drojdie si sporii de mucegai pot sa reziste pâna la 80^oC timp de 30 de minute.

Endosporii bacterieni (bacterii în forma sporulata) din genurile Bacillus, Clostridium, datorita structurii lor specifice si a continutului scazut în apa libera, au rezistenta mai mare la T > T_M. Pentru inactivarea lor în mediu de vapori saturati (umed) e necesara o temperatura de 120^oC, timp de 10-20 minute, iar în mediu uscat necesita la 160^oC circa 2 ore, sau la 180^oC circa 45 minute.

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

Tyndalizarea consta în pasteurizare repetata de 2-3 ori la 24 de ore alternata cu termostatarea produsului final astfel încât acesta va fi lipsit de microorganisme.

Sterilizarea este operatia folosita în industria conservelor si conduce la inactivarea endosporilor bacterieni Clostridium botulinum (cel mai rezistent dintre microorganismele facultativ patogene).

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

Microorganismele se dezvolta într-un domeniu limitat de temperatura minima si maxima. Daca se depaseste T_max cu câteva grade se produce moartea celulelor deoarece are loc denaturarea proteinelor din citoplasma. Moartea, inactivarea celulelor microbiene, este dependenta de numerosi factori biologici corelati cu natura microorganismelor. Inactivarea termica este dependenta si de starea fiziologica a celulelor (cele tinere mor mai repede decât cele mature deoarece contin mai multa apa).

Starea celulelor

Formele vegetative sunt inactivate mai repede decât formele sporulate. Este important sa cunoastem si numarul de celule ce trebuie inactivate deoarece inactivarea acestora are loc exponential: în fiecare fractiune de timp se distruge o anumita fractiune din microorganismele vii.

Inactivarea microorganismelor este dependenta si de factorii de mediu în care exista celule microbiene deoarece anumite substante pot avea rol protector asupra celulelor ( proteinele, zaharurile, grasimile).

Mediile care au pH acid se sterilizeaza mai rapid, deoarece pH-ul acid accelereaza procesul de denaturare termica a celulelor.

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