МИКРОБИОЛОГИЯ
Микробиология – наука, изучающая живые организмы микроскопических размеров, такие как бактерии, грибы (плесневые грибы и дрожжи), водоросли, простейшие и вирусы.
Вехи развития микробиологии
- Антони ван Левенгук, 1632–1723 гг., голландец-самоучка, соорудил микроскоп, через который мог наблюдать бактерии. Левенгука назвали «отцом микроскопии».
- Луи Пастер, 1822–1895 гг., французский химик, открывший способ тепловой обработки, который теперь называется пастеризацией.
- Роберт Кох, 1843–1910 гг., немецкий врач, лауреат Нобелевской премии 1905 года по медицине, открывший патогенные (болезнетворные) бактерии, такие как туберкулезная палочка и бактерии холеры. Кроме того, он разработал оригинальные методы безопасного изучения этих организмов.
- Александр Флеминг, 1881–1955 гг., британский микробиолог, профессор и лауреат Нобелевской премии 1945 года по медицине, открывший пенициллин (1929 г.), эффективный против многих бактерий, но не против туберкулеза.
- Уоксмэн, 1888–1973 гг., американский миколог, микробиолог и лауреат Нобелевской премии 1952 года по медицине, открывший стрептомицин, эффективный против многих бактерий, включая туберкулез.
Микробиология
Микробиология изучает организмы настолько малые, что их можно увидеть только с помощью микроскопа. Их размер исчисляется в микрометрах (мкм).
1 мкм = 0,001 мм
Микрооранизмы в природе
Микроорганизмы живут везде – в атмосфере, в воде, на растениях, животных и в почве. Поскольку они разлагают органический материал, они играют важную роль в природном цикле. Наиболее обильно микроорганизмы представлены в местах, где они могут найти много питательных веществ, влажность и температуру, подходящие для их роста. Учитывая, что условия, способствующие выживанию и росту многих микроорганизмов, –это как разте условия, в которых обычно живут люди, неизбежно то, что мы живем среди множества микробов. Ниже перечислены ключевые особенности различных групп микроорганизмов, см. таблицу 4.1.
Микроорганизмы
Группы | Разброс размеров |
---|---|
Простейшие | 5 – 200 µm |
Водоросли | 5 µm – несколько метров |
Грибы | |
Дрожжи | 5 – 10 µm |
Плесень | от 5–10 µm до нескольких метров |
Бактерии | 0.5 – 5 µm |
Вирусы | 0.015 – 0.2 µm |
Простейшие
- Одноклеточные, мелкие водные организмы
- Могут перерабатывать твердые фрагменты пищи
- В конце концов сами становятся пищей для рыбы и более крупных животных
- Обычно не являются причиной испорченной пищи
- Некоторые простейшие являются пищевыми патогенами, переносятся через воду
- Некоторые простейшие являются патогенами, переносимыми насекомыми
Водоросли
- Одно- или многоклеточные организмы, часто обнаруживаемые в воде
- Содержат хлорофилл и способны к фотосинтезу
- Используются в качестве пищевой добавки и в фармацевтических препаратах
- Некоторые являются источником агар-агара для микробиологических сред
- Некоторые вырабатывают токсичные вещества
- Обычно не являются причиной испорченной пищи
Дрожжи
- Одноклеточные овальной или круглой формы
- Часто обнаруживаются в разных условиях: почва, растения и фрукты
- Используются в пищевой промышленности и в производстве алкогольных напитков
- Приводят к порче пищевых продуктов, особенно пищи с высокой кислотностью
Плесени
- Многоклеточные с множеством особенностей
- Всегда есть в почве, но также их можно обнаружить в воде и воздухе
- Играют роль в разложении многих материалов
- Полезны в промышленном производстве многих продуктов, включая пенициллин
- Могут вызывать заболевания людей, животных и растений
- Приводят к порче пищевых продуктов, особенно пищи с высокой кислотностью
Бактерии
- Высоко вариабельная группа микроорганизмов
- Их можно обнаружить почти во всех средах обитания
- Многие вызывают заболевания, остальные играют важную роль в естественном круговороте элементов, таким образом способствуя плодородию почвы
- Используются в промышленности для производства ценных соединений
- Многие могут быть причиной порчи продуктов, другие, наоборот, используютсявпроизводстве пищи
Вирусы
- Могут размножаться только внутри живых клеток, т. е. являются паразитами
Сапрофиты = микроорганизмы, живущие в мертвом органическом материале
Паразиты = микроорганизмы, обитающие в живых животных и растениях
Биотехнология
Концепция «биотехнологии» – довольно недавно созданный термин для обозначения техники рационального использования биологических процессов. Биотехнология имеет историю, предшествующую современным научным дисциплинам микробиологии, биохимии итехнологии производства на тысячи лет.
До конца девятнадцатого столетия эти процессы были в основном связаны с пищей и прежде всего – с сохранением пищевых продуктов.
Микробные процессы до сих пор играют значительную роль в пищевой промышлености, однако биотехнология в современном понимании широко связана с промышленным применением полезных свойств живых клеток или компонентов клеток с целью производства множества веществ, таких как ферменты, гормоны и некоторые вакцины. Для достижения этого необходимо применять знания биологических наук – биохимии, микробиологии, клеточной биологии, молекулярной биологии и иммунологии – наряду с другими методами, такими как технология создания приборов, технология промышленных процессов, методы разделения смесей и аналитические методы.
Этот раздел в основном посвящен микроорганизмам, значимым для молока и производства молока, однакотакже здесь описываются специфические вирусы под названием бактериофаги. Бактериофаги являются причиной серьезныхтрудностейвпроизводстве продуктов, гдетребуется участие микроорганизмов для получения особого вкуса, текстуры или других свойств.
Бактерии
Бактерии одноклеточные микроорганизмы, в нормальных условиях размножающиеся бинарным делением, т. е. расщеплением клетки на две части. Бактерии в основном классифицируют по внешнему виду их клеток. Однако чтобы иметь возможность увидеть бактерии, необходим микроскоп с примерно 1000-кратным увеличением.
Кроме того, бактерии можно окрашивать, и наиболее широко используемый метод окраски был открыт датским бактериологом Грамом и получил его имя. Бактерии в зависимости от окрашивания по методу Грама разделяются на две главные группы: грамотрицательные бактерии красного цвета, и грамположительные бактерии синего цвета.Такие различия в окраске связаны с разной структурой клеточной капсулы, что обусловливает разные свойства двух групп бактерий.
Морфология бактерий
Морфология – это изучение строения бактерий. В это понятие входят форма, размер, структура клетки, подвижность (возможность двигаться в жидкой среде), спорообразование и инкапсуляция.
Форма бактерий
Существует много различных форм бактериальных клеток. Однако все формы имеют три основные характеристики, которые можно отличить глазом: сферические, палочко- и спиралевидные.
Сферические бактерии носят название «кокки», когда они упорядочиваются в пары, их называют диплококками (рис. 4.2 а), а при упорядочивании в длинные цепочки – стрептококками (б). Кокки могут упорядочиваться нетипично – в кластеры наподобие виноградной грозди (в) или в группы по четыре клетки, или наподобие куба (г).
Палочковидные бактерии варьируют как по длине, так и по толщине. Многие из них формируют цепи тем же способом, что и представители видов Bacillus (рис. 4.3). Латинское слово «bacilli» означает «маленькие палочки».
Спиральные бактерии могут быть различной длины и толщины. Кроме того, варьируется количество оборотов спирали. Среди наиболее крупных бактерий – спиральные бактерии с множеством оборотов, нередки экземпляры до 20 мкм.
Клеточная структура и функции бактерий
Наименьшая единица жизни с функциональной и структурной точки зрения – это клетка, а бактериальные клетки имеют самое простое клеточное строение. Бактериальная клетка относитсякпрокариотическим. Клетки иных организмов, включая грибы, водоросли, простейшие, растения и клетки животных, – эукариотические. Наименьшее количество структурных компонентов бактериальной клетки относительно невелико. Клеточная стенка – единственная твердая структура бактерии. Она придает клетке форму. Бактерии с толстой клеточной стенкой – грамположительные, бактерии с тонкой клеточной стенкой – грамотрицательные. Клеточная мембрана определяет, какие вещества находятся внутри и за пределами клетки. Через клеточную мембрану могут проходить только водорастворимые вещества. Таким образом, в отсутствие воды между клеткой и средой не происходит обмена, а также нет роста бактерии. Содержимое бактериальной клетки довольно четко подразделяется на две части: цитоплазма и хромосома. Хромосома – переносчик генетической информации в ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислоте. В принципе, бактерия содержит только одну хромосому, т. е. одну молекулу ДНК. Информация в ДНК кодирует ферменты, синтезируемые в цитоплазме. На снимках, полученных с электронного микроскопа, цитоплазма часто выглядит зернистой. Фактически источником формирования компонентов клетки являются рибосомы, состоящие из белков и РНК – рибонуклеиновой кислоты. В дополнение к обособленным структурным компонентам (рис. 4.4) в цитоплазме существует множество растворенных веществ: продукты распада, витамины, кофакторы и структурные блоки для синтеза компонентов клетки.
Функции клеточных структур
Клеточная придает клетке
стенка специфическую форму
Клеточная активный транспорт
мембрана питательных веществ и метаболитов
Цитоплазма место синтеза составных частей клетки
Хромосомы переносчики генетической информации
Подвижность бактерий
Многие кокки и бациллы способны к движению в жидких питательных средах. Они толкают вперед сами себя посредством жгутиков, которые представляют собой длинные жесткие нити наподобие отростков, выходящих из цитоплазматической мембраны (рис. 4.5). Длина и количество жгутиков у разных видов бактерий варьируются. Обычно бактерии двигаются со скоростью от одной до десяти длин клетки в секунду. Возможно, одними из самых быстрых бактериальных клеток являются бактерии холеры; они могут двигаться со скоростью 30 длин клетки в секунду.
К прокариотам относятся все бактерии.
- Простая клеточная организация
- Вокруг генетического материала, представленного одной молекулой ДНК, нет защитной мембраны
К эукариотам относятся грибы, водоросли, простейшие, растения и животные
- Сложная клеточная организация
- Несколько молекул ДНК (генетический материал) окружены мембраной, т.е. существует обособленное (истинное) ядро
Спорообразование
Формируют споры лишь несколько родов бактерий: наиболее известные – Bacillus и Clostridium. Спорообразование – способ защиты клетки от неблагоприятных условий среды, например перегрева, дезинфектантов, засухи или недостатка питательных веществ. На рис. 4.6 показаны некоторые виды спорообразования. Когда родительская клетка формирует спору, она может сохранять свою исходную форму либо увеличиваться посередине или с одного конца, в зависимости от того, где расположена эндоспора. В течение процесса спорообразования вегетативная часть бактериальной клетки умирает. Постепенно клетка разлагается и спора высвобождается. При наступлении благоприятных условий спора снова превращается в вегетативную клетку, начиная размножение. Споры – дремлющие клетки, в которых отсутствуют метаболические процессы, поэтому они не могут размножаться. Они могут выживать в сухом воздухе в течение многих лет, кроме того, они менее чувствительны к химическим стерилизаторам, антибиотикам, высушиванию и ультрафиолетовому излучению. Также устойчивы они и к нагреванию: разрушить споры можно при кипячении их при температуре 120 °C в течение 20–30 минут. Тем не менее все спорообразующие вегетативные клетки бактерий, как и любые другие бактериальные клетки, разрушаются кипячением при 100 °C за несколько секунд.
Инкапсуляция
Многие бациллы и кокки окружены капсулой из плотной слизи. Это позволяет им более стойко переносить высушивание. Рост таких бактерий в молоке делает его тягучим и липким. В обоих случаях этот феномен приводит к образованию кисломолочных продуктов.
Факторы роста бактерий
Питательные вещества
Для роста бактериям необходимы определенные питательные вещества. Потребность в веществах варьируется среди различных бактерий. К основным источникам питания относятся органические соединения, содержащие белки, жиры и углеводы. Кроме того, для роста необходимы следовые количества витаминов и микроэлементов. Органические вещества наряду с формированием структур клетки также являются источником энергии. Все вещества должны быть растворимы в воде и иметь низкий молекулярный вес, т. е. состоять из очень малых молекул, чтобы иметь возможность проникнуть через цитоплазматическую мембрану и быть переработанными бактерией. В связи с этим бактериям необходим доступ к воде. Некоторым микроорганизмам не хватает способности высвобождать ферменты для разложения сложных веществ за пределами клетки. Они вынуждены использовать вещества, уже разложенные другими микроорганизмами. Если обе стороны этого взаимодействия получают выгоду, такой вид взаимоотношений называется симбиозом. Когда какой-то организм вырабатывает вещества, подавляющие жизнедеятельность других микроорганизмов, процесс называется антибиоз.
Симбиоз.
Постоянная форма взаимодействия организмов, где каждый зависит от другого в своем существовании.
Антибиоз.
Форма противодействия организмов, когда один организм вырабатывает вещества, подавляющие рост других микроорганизмов.
Активность воды
Рост и обмен веществ микроорганизмов требует наличия воды в доступной форме. Наиболее удобный способ измерения доступности воды – активность воды, аw. В пище aw можно снизить посредством увеличения концентрации растворимых веществ в жидкой части пищи, либо путем удаления чистой воды, либо путем добавления растворимых веществ извне. Некоторые молекулы воды ориентируются вокруг растворимых молекул, остальные абсорбируются в нерастворимых составляющих пищи. В обоих случаях вода становится менее доступной для других химических реакций.
Дегидратация – метод сохранения пищи, который заключается в снижении аw путем удаления воды. При засолке и засахаривании снижение аw достигается добавлением растворимых веществ, после чего пища сохраняется долгое время неиспорченной. Даже небольшое уменьшение аw достаточно для сохранения пищи в сочетании с другими способами.
Определения активности воды
Aw продукта или раствора равняется отношению давления насыщенного водяного пара над продуктом (p) к давлению насыщенного водяного пара чистой воды (p0) при одной и той же температуре. Когда раствор становится более концентрированным, давление насыщенного водяного пара падает, и aw становится значительно ниже максимального значения 1 для чистой воды.
Влияние активности воды на рост бактерий
Многие микроорганизмы, включая патогенные бактерии, наиболее активно растут при aw в диапазоне 0,99–0,98. Ниже этих значений aw скорость роста снижается, а длительность lag-фазы возрастает (рис. 4.7). Большинство микроорганизмов, содержащихся в пищевых продуктах, растет с наибольшей скоростью при aw = 0,98 и выше. Тот же интервал значений aw имеет отношение к молоку и напиткам в целом. Несколько грамотрицательных бактерий наиболее конкурентоспособны благодаря своей скорости роста, т. е. при их наличии они доминируют над остальной микробной флорой. В молоке, например, грамотрицательные бактерии часто перекрывают грамположительные.
В интервале aw между 0,98 и 0,93 грамположительные бактерии Lactobacillus, Bacillus и Micrococcus доминируют,заисключениемнесколькихвидовбактерийгруппыкишечныхпалочек, которые могут присутствовать. Пищевые бактериальные патогены (Salmonella, C. botulinum и C. perfringens) не могут размножаться. Напротив, рост Staphylococcus при aw = 0,94 происходит с 50 % скоростью. В этом интервале возможна порча низкокислой пищи плесенью, при этом она может конкурировать с бактериальной флорой.
При значениях При значениях aw между 0,93 и 0,85 возможные группы микроорганизмов, участвующих в порче продуктов, – кокки, плесень и дрожжи. Единственный бактериальный патоген, растущий в этом интервале, – S. aureus. Пища с промежуточным показателем влажности производится с значением aw < 0,85 с целью подавить рост S. aureus.
В интервале aw между 0,85 и 0,60 порчу продукта могут вызывать несколько видов плесневых грибов и дрожжей. В этом интервале наиболее распространенные продукты – джемы и желе – защищены от порчи высокими концентрациями сахара. В данном интервале aw выработка микотоксина невозможна.
При aw < 0,60 не может расти ни один микроорганизм. Такая пища полностью защищена от дальнейшей порчи микробами. Необходимо подчеркнуть, что, как следует из вышесказанного, такая пища может содержать живые микроорганизмы, включая патогены и/или токсины.
Температура
Температура – наиболее важный фактор, влияющий на рост, размножение и порчу пищи (рис. 4.8). Бактерии могут развиватьсятольковопределенномтемпературном интервале, который варьируется от одного вида к другому. В принципе, бактерии могут расти в температурном интервале между точкой замерзания воды и температурой, при которой белки цитоплазмы денатурируют. Оптимальная температура находится где-то между максимумом и минимумом температур, т. е. верхним и нижним пределом. Это температура, при которой бактериальный штамм размножается наиболее активно.
Температуры ниже минимальных останавливают рост бактерий, но не убивают их. При температурах, близких к точке замерзания воды, жизненные функции бактерий почти полностью приостанавливаются. Поскольку клетки имеют в составе большое количество воды, она замерзает при такой температуре. Когда это происходит, бактерии не могут больше абсорбировать питательные вещества через клеточную мембрану.
Если температура поднимается выше максимальной, бактерии быстро погибают. Большинство клеток погибает в течение нескольких секунд при выдерживании в температуре 70 °C, однако некоторые могут выживать и при 80 °C в течение 5 минут, при этом не образуя спор.
Необходимо гораздо больше тепла, чтобы уничтожить бактериальные споры, сухой жар в этом менее эффективен, чем влажный. Обработка в течение 30 мин при температуре 120 °C обеспечивает разрушение всех спор, но в сухом жаре необходимо выдерживать бактерии при 160 °C в течение 2 часов, чтобы гарантировать разрушение всех спор.
Классификация по температуре
В соответствии с предпочитаемым для жизни интерваломтемператур бактерии можно поделить на следующие категории (рис. 4.9): Психрофилы (холодолюбивые) бактерии могут расти при 0 °C с оптимальной температурой 12–15 °C, максимальной – ниже 20 °C.
Психротрофы (холодостойкие) бактерии – штаммы мезофильных бактерий, которые способны размножаться при температуре коммерческих холодильных установок с оптимальной температурой роста 20–30 °C.
Мезофильные бактерии размножаются при минимальной температуре около 10 °C, их оптимальный температурный интервал – 30–35 °C, а максимальная для них температура – до 50 °C. Без сомнения, это самый распространенный температурный интервал для роста бактерий. Приблизительно 90 % всех бактерий может расти в данном интервале температур.
Термофилы (теплолюбивые) бактерии растут при оптимальных температурах 55–65 °C. Минимальная температура роста 37 °C, максимум находится около отметки 70 °C.
Для молочной индустрии наибольший интерес представляют психротрофные бактерии, поскольку в фермерском и рыночном молоке микробная активность протекает притемпературе 7 °C и ниже.
Кислород
Многие микроорганизмы нуждаются в свободном кислороде для окисления питательных веществ и выработки энергии для поддержания своих жизненных процессов. Полное окисление органических соединений приводит к образованию CO2 и воды. Многие микроорганизмы могут использовать воздух при атмосферном давлении, они называются аэробными микроорганизмами. Другие получают энергию из питательных веществ без необходимости в кислороде, такие микроорганизмы называются анаэробными.
Есть некоторые бактерии, которые потребляют кислород, если он доступен, но при этом они могут расти и в отсутствие свободного кислорода. Такие бактерии являются факультативно анаэробными. Анаэробные и факультативно анаэробные бактерии обычно получают энергию путем ферментативного расщепления органических соединений. С химической точки зрения это называется неполным окислением, посредством которого образуются побочные органические продукты, например молочная кислота, получаемая из лактозы, таблица 4.2.
Для большинства организмов, нуждающихся в кислороде, т. е. аэробных, удаление кислорода или воздуха является способом контролирования или предотвращения их роста. Примером того служит вакуумная и газовая упаковка, а также использование материалов, выступающих в качестве воздушного барьера.
Анаэробные бактерии погибают, если подвергаются действию атмосферного кислорода хотя бы какое-то время.
Бактерии по отношению к кислороду
Группа бактерий | Отношение к кислороду |
---|---|
Аэробы | Микроорганизмы, использующие O2 для роста, могут переносить O2 в атмосферных концентрациях и более 21%. |
Микроаэрофилы | Микроорганизмы, способные использовать O2 для роста, но только в концентрации O2, меньшей, чем атмосферная, например 21 %. |
Анаэробы | Микроорганизмы, неспособные к O2-зависимому росту, либо не растущие в присутствии кислорода в атмосферной концентрации. Получают энергию путем ферментативного расщепления. |
Факультативные | Микроорганизмы, растущие одинаково хорошо как в кислородной, так и в бескислородной среде. Многие могут расти аэробным способом и анаэробным с помощью ферментации. |
Свет
Свет необходимтолько для фотосинтезирующих клеток, которые захватывают световую энергию. Микроорганизмы, включая большинство бактерий, склонны к гибели при воздействии прямых солнечных лучей. Ультафиолетовая часть спектра солнечного света вызывает химические изменения в структуре ДНК и белков бактерий.
Ультафиолетовый свет часто используется для дезинфекции воздуха в помещениях. Однако его не используют для дезинфекции пищи, поскольку изменения могут коснуться и ее.
pH - влияние кислотности на рост
Большинство естественных сред обитания бактерий имеет диапазон кислотности pH между 5 и 9, поскольку этот диапазон является оптимальным для роста большинства микроорганизмов. Большинство плесневых грибов и дрожжей лучше всего растут вслабокислых средах с реакцией pH от 5 до 6, а для бактерий оптимальными условиями будут нейтральная или слабощелочная среда.
Свежее молоко в норме имеет pH между 6,65 и 6,85. Плесень и дрожжи обычно хорошо растут при значениях pH 3 или даже 2. Большинство пищевых продуктов, не подвергшихся обработке, имеет уровень pH немного ниже нейтрального, т. е. является слабокислым. Фруктовые соки в основном являются сильнокислыми продуктами (рис. 4.10).
Размножение бактерий
Обычно бактерии размножаются посредством бинарного деления. На рис. 4.11 процесс размножения показан графически. Каждая клетка растет до критического размера, по достижении которого она разделяется на две самостоятельные клетки.Тип организации клеток, по которому происходит характерная группировка бактерий, обычно остается постоянным для того или иного вида. Группировка клеток может происходить в форме цепей, пар или комков. В связи с этим такая особенность используется для описания различных видов.
Скорость размножения
В благоприятных условиях цикл размножения бактерий может происходить за 20–30 минут. Темп размножения можно рассчитать по формуле справа. Со временем генерации 0,5 часа одна бактерия/мл в молоке становится 1 миллионом бактерий в 1 мл молока в течение 10 часов.
При оптимальных условиях в пище может образоваться от 100 до 1000 млн бактерий/мл. На этой стадии темп роста будет подавляться недостатком питательных веществ, а также накоплением токсичных продуктов распада. Репродукция в конце концов останавливается, и огромное количество бактерий гибнет. В реальности неблагоприятные условия, такие как низкая температура хранения или низкий уровень pH, будут ограничивать и замедлять темп роста бактерий в пище.
Кривая роста бактерий
Рис. 4.12 показывает кривую роста бактерий, помещенных на субстрат методом инокуляции. Вначале следует некоторая задержка, перед тем как бактерии начнут размножаться, потому что им требуется время, чтобы приспособиться к новой среде обитания. Фаза развития (а) называется lag-фазой. Причиной lag-фазы может бытьтакже процесс восстановления культуры. Например, перед инокуляцией среду хранили при низкой температуре.
Длительность lag-фазы зависит от того, насколько жизнедеятельность бактерий была подавлена в момент инокуляции.
По окончании lag-фазы бактерии начинают размножаться в логарифмической прогрессии. Фаза (b) называется log-фазой или экспоненциальной фазой.
Попрошествии определенного времени вкультуре накапливаются токсические метаболиты.
При этом темп размножения постепенно замедляется, в то время как бактерии продолжают погибать, поэтому между гибелью клеток иформированием новых устанавливается равновесие. Эта фаза (c) называется стационарной. В следующей фазе(d) формирование новых клеток прекращается полностью, и существующие клетки постепенно погибают. В конце концов культура почти полностью истощается. Эта фаза называется стадией отмирания.
Форма кривой, т. е. длительность различных фаз и перепад кривой на каждой фазе, варьируется в зависимости оттемпературы, наличия питательных веществ и других параметров роста, а также в зависимости от вида бактерий.
Биохимическая активность
Благодаря биохимической активности микроорганизмы способны приводить в негодность пищу и вызывать болезни животных и растений. Некоторые микроорганизмы обладают биохимической активностью, которая используется в пищевых процессах, т. е. в производстве сыра, йогурта, масла и т. д. Активность отдельно взятого микроорганизма обусловлена набором ферментов, которые он способен выделять.
Также эти ферменты определяют, какие питательные вещества он будет потреблять, какие продукты разлагать, и, следовательно, какие конечные продукты он будет выделять.
В микроорганизмах существует множество различных биохимических и ферментативных систем. В отношении молока и молочных продуктов следующие системы являются наиболее важными. Они могут быть подразделены по продукту разложения и производимым эффектам.
Наиболее важные биохимические и ферментативные системы в бактериях молочных продуктов – это те, которые отвечают за следующие эффекты:
- Разложение углеводов
- Разложение белков
- Разложение жира
- Разложение лецитина
- Синтез красителя
- Образование слизи и шляма
- Синтез одорантов
- Восстановление кислорода
- Заболевания
Разложение углеводов
Углеводы или сахара имеют общую формулу Cm(H2O)n и изначально считались гидратами углерода. Существуют моно-, ди- и полисахариды. Полисахариды состоят из длинных цепей одного или нескольких сахаров, например целлюлоза, крахмал или хитин. Ферменты конкретного микроорганизма определяют, какие углеводы он может разложить и в каком объеме. В молоке гидролиз дисахарида лактозы приводиткобразованиюглюкозыигалактозы. Их можно полностью разложить до диоксида углерода и воды (окислительный метаболизм), но в большинстве случаев происходит процесс ферментации.
Ферментация обычно приводит к образованию различных продуктов,таких как органические кислоты (молочная, масляная и т. д), спирты (этиловый спирт, бутиловый спирт и т. д.) и газы (диоксид углерода, водород и т. д.), таблица 4.3.
Микробное расщепление углеводов
Наличие кислорода | CO2 + вода + энергия |
---|---|
Отсутствие кислорода | |
Алкогольная ферментация | Этанол + CO2 |
Бутировая ферментация | Бутировая кислота + CO2 + H2 |
Молочнокислая ферментация | |
Гомоферментная | Молочная кислота |
Гетероферментная | Молочная кислота + этанол + уксусная кислота + CO2 |
В процессе деятельности микроорганизмов наиболее важными способами ферментации являются:
- Алкогольная ферментация углеводов до спирта и газа. Для примера можно привести разложение лактозы до этилового спирта и диоксида углерода. Алкогольная ферментация обычно происходит в анаэробных условиях и в основном производится дрожжами.
- Молочнокислая гомоферментация лактозы с образованием молочной кислоты как единственного конечного продукта. Эта реакция используется в производстве сыра, йогурта и других молочнокислых продуктов.
- Гетероферментация лактозы, которая дает молочную кислоту, уксусную кислоту, диоксид углерода и этанол.
- Колиформное брожение (смешанные кислоты и бутандиол) лактозы, которое дает широкий спектр продуктов, таких как молочная, уксусная кислоты, янтарная и муравьиная кислоты, бутандиол, этиловый спирт, диоксид углерода и водород.
- Маслянокислая ферментация происходит в строго анаэробных условиях единственным штаммом бактерий Clostridium.
При маслянокислой ферментации лактоза расщепляется на масляную кислоту, диоксид углерода, водород и, в некоторых случаях, бутиловый спирт.
Как правило, ферментация углеводов в молоке приводит к образованию кислоты (закисанию) и, в некоторых случаях, к газообразованию (зависит от типа бактерии).
- путем гидролиза
- алкогольная ферментация
- молочнокислая ферментация
- колиформный тип ферментации
- бутировая ферментация
Разложение белков
Процесс, при котором белок расщепляется на составные части, называется протеолизом. Протеазы, такие как реннин, пепсин итрипсин, – основные ферменты, участвующие в процессе. Эти ферменты расщепляют белки до пептидов, которые затем разлагаются различными пептидазами до более мелких пептидов или свободных аминокислот. Аминокислоты могут быть повторно использованы для синтеза белка в клетке; однако также они могут быть окислены либо ферментированы.
Белки и составляющие их аминокислоты включают большое количество элементов и содержат углерод, водород, кислород, серу, азот и фосфор. Таким образом, разложение белков приводит к образованию гораздо более широкого спектра кислот, спиртов, газов (азот, диоксид углерода, сероводород и аммиак) и других соединений. Разложение белка практически всегда приводит к образованию аммиака, являющегося основанием и обладающего сильным запахом, рис. 4.13.
Три аминокислоты – цистеин, цистин и метионин – содержат в составе серу и при разложении образуют сероводород, также имеющий сильный запах наподобие протухших яиц. Разложение белка в жидком молоке имеет место в двух важных процессах – пептонизации, и состоит из:
- a) коагулирования (сладкого в противоположность кислому), или свертывания, молока ренниноподобными ферментами. Этот порок в молоке называется сладким свертыванием и довольно часто происходит при неправильном хранении пастеризованного молока (в слишком теплых условиях);
- b) протеолиза белка, приводящего к образованию аммиака, являющегося основанием. Степень протеолиза в сыре говорит о его зрелости и возрасте, а оценивается она по содержанию в нем свободных от азота кислот и аммиака. Вголубом или плесневом сыре протеолиз происходит очень быстро, что приводит к образованию большого количества аммиака.
Протеолиз = Разложение белков
Разложение жира
Процесс, в котором жир расщепляется ферментами, называется липолиз. Липаза – основной фермент, участвующий в этом процессе. В процессе липолиза жир гидролизуется до глицерина и одной, двух или трех отдельных молекул жирных кислот, рис. 4.14. Многие из жирных кислот являются летучими и дают сильный запах. Примером является масляная кислота, дающая характерный прогорклый вкус.
В чистом виде жир не может разлагаться микроорганизмами, но жир в водяных эмульсиях, или жир, контактирующийсводой, расщепляется многими микроорганизмами. Для ферментативного гидролиза необходима вода. Молочный жир в виде масла или сливок – водная эмульсия, содержащая белки, углеводы, минералы ит. д, что иногда делает его даже более восприимчивым к ферментативному разложению.
Многие бактерии и плесени, разлагающие белки, также разрушают жиры путем окисления.
Липолиз = Разложение жира
Разложение лецитина
Лецитин, фосфолипид, содержащийся вмембранах, окружающих жировые капли, –химическое соединение глицерина, двух жирных кислот, фосфорной кислоты и холина, органического основания. Штаммы бактерии Bacillus cereus продуцируют фермент лецитиназу, который гидролизует лецитин до диглицерида и фосфатидил-холина. Мембраны жировых шариков разрушаются, иэто приводит к образованию нестабильной жировой эмульсии, что часто заметно на поверхности молока или сливок в виде комочков или хлопьев. Сливки или молоко с таким дефектом носят название «разбитых».
Дальнейший распад холина до триметиламина приводит к появлению рыбного запаха и привкуса.
Образование пигмента и окраски
Процесс образования окраски называется хромогенезом, а организм, участвующий в этом процессе, – хромогенным.
Эта особенность метаболизма наблюдается у определенных микроорганизмов. В некоторых продуктах процесс образования пигмента более выражен и происходит при комнатной или более низкой температуре. Для хромогенеза аэробные условия являются благоприятными.
Есть два вида пигментов:
- эндопигмент, окрашивающий клетку;
- экзопигмент, проникающий через клеточную стенку в окружающий субстрат.
Существует три основные цветовые группы:
- каротиноиды (желтый, зеленый, кремовый или золотой краситель);
- антоцианы (красный);
- меланины (коричневый или черный пигмент).
Названия микроорганизмов часто содержат указание на цвет, который они образуют.
Пример: Staphylococcus aureus = золотистый стафилококк
Хромогенез = Продуцирование окраски обусловлено хромогенными бактериями.
Часто вид организма называется по цвету красителя, который он продуцирует, например:
Albus = белый
Luteus = желтый
Cirteus = лимонно-желтый
Roseus = розовый или красный
Aureus = золотистый
Viloaceum = фиолетовый
Nigra = черный или коричневый
Выработка слизи
Многие бактерии продуцируют мукус (или слизь) из полисахаридов, которые значительно повышают вязкость, т. к. хорошо растворимы в воде и в питательной среде. Это используется в получении некоторых продуктов, таких как йогурт и «långfil», шведское тягучее молоко.
Образование запаха
Некоторые микроорганизмы являются причиной сильных, в том числе неприятных, запахов. Ниже представлен список организмов и связанных с их жизнедеятельностью оттенками запахов:
- Плесени - плесневый запах
- Актиномицеты - землистый
- Дрожжи - запах брожения
- Псевдомонады - фруктовый/рыбный запах
- Бактерии группы кишечной палочки - запах навоза, скотного двора или нечистот
- Lactococcus lactis var. maltigenes - солодовый запах
Патогены в сыром молоке
Многие микроорганизмы могут вызывать пищевое отравление (патогенные микроорганизмы) в результате интоксикации и/или инфекции. Интоксикация предполагает образование токсинов в пище перед ее употреблением. Инфекция означает закрепление, активный рост и размножение таких микроорганизмов в организме человека.
Часто для инфекции необходимо огромное количество бактерий, но иногда, как в случае с Escherichia coli, O157:H7 (EHEC), минимальной дозой инфицирования (МДИ) может быть всего одна бактерия.
Патогены в молоке
Инфекционные | Формирующие токсины |
---|---|
Mycobacterium bovis | Bacillus cereus |
Mycobacterium tuberculosis | Clostridium perfringens |
Escherichia coli (некоторые штаммы) | Staphylococcus aureus (некоторые штаммы) |
Listeria monocytogenes | |
Salmonella | |
Campylobacter | |
Corynebacterium diphteriae |
Патогенные бактерии являются причинами заболеваний у человека, животных и растений.
Изучение бактерий
Бактерии присутствуют в природе в чрезвычайно большом количестве, состоящем из множества разных видов. С целью изучения характеристик конкретных видов необходимо отделить их от других видов. Для этих целей существуют лабораторные процедуры. Рост клеточной массы одного вида бактерий в лабораторной емкости (такой как чашка Петри) называется чистой культурой. Чтобы сохранить культуру чистой и предотвратить попадание других видов, нужно постоянно принимать меры предосторожности. Это достигается использованием стерильной техники. Бактерии культивируются в питательном бульоне или агаре. Тип питательной среды зависит от вида бактерии. Типичные питательные вещества – это смесь белков, пептидов, сахара, минеральных солей и кофакторов. Чтобы получить питательный агар, желеобразная полужидкая субстанция, называемая агаром, добавляется в бульон. Микроогранизмы, культивируемые на агаровом субстрате, растут как колонии. В благоприятных условиях одна клетка делится с образованием клеточной массы, называемой КОЕ (колониеобразующая единица), которую можно заметить невооруженным глазом. Путем разведения оригинального образца, посева на агар и подсчета колоний можно вычислить количество бактерий. Эта хорошо изученная техника подсчета бактерий, дрожжей и плесеней получила название «Подсчет колоний». С использованием селективных сред с агаром, позволяющих расти только специфическим группам бактерий, может быть продемонстрировано присутствие разных типов бактерий.
- Чистая культура
- Стерильная техника
- КОЕ, колониеобразующая единица
- Подсчет колоний
Идентификация и классификация бактерий
В попытке классифицировать множество различных групп существующих бактерий их ранее делили на семейства, роды и виды тем же способом, что и высшие растения и животных.
В зоологиии ботанике это происходит в соответствии с внешними характеристиками индивида (внешний вид). Схожий принцип изначально применялся и для бактерий, однако скоро стало ясно, что группировка бактерий по размеру, форме, образу жизни и подвижности недостаточна. Кроме этих различимых извне характеристик, также было необходимо учитывать метаболизм организмов (взаимоотношения с различными углеводами, белками, жирами и т. п.), а также восприимчивость бактерий к окраске. С получением информации по этим параметрам стало возможно различать идентичные микроорганизмы в системе классификации бактерий.
Латинские названия бактерий в этой системе в настоящее время используются повсеместно. У каждой бактерии есть два названия. Первое представляет собой род, к которому принадлежит бактерия, второе описывает вид, часто указывая на конкретное свойство или происхождение бактерии. См. выше раздел «Образование пигмента и окраски».
Отнесение бактерии к тому или иному роду выполняется с помощью сочетания различных биохимических тестов и морфологического анализа, включая реакцию Грама.
Для идентификации бактерий были предложены новые методы, основанные на структуре ДНК. Наиболее важна среди них – ПЦР – полимеразная цепная реакция. Метод напрямую идентифицирует бактерии по виду. На сегодняшний день данный метод постоянно используется для идентификации патогенных микроорганизмов. Спектроскопия в инфракрасной области с преобразованием Фурье (FTIR) – метод, сравнивающий несколько различных компонентов бактерий на молекулярном уровне с банком данных по видам.
Наиболее авторитетным в этом плане является руководство Берджи – «Определитель бактерий», 9-е издание, 1994 г., идентифицирующее несколько тысяч видов. Однако эти виды представляют собой только малую часть существующих в природе бактерий. Остается еще много работы, и, без сомнения, будущие издания «Определителя бактерий» станут более объемными.
- Количество бактерий обнаружено
- Группы 35
- Семейства 550
- Виды 4500
Бактерии в молоке
От коровы
Молоко условно стерильно в момент его секреции в вымени. Однако незадолго до того, как оно покинет вымя, молоко обсеменяется бактериями, проникающими через канал соска. Обычно эти бактерии безвредны и их не так много: до нескольких сотен на мл.
Однако, в случае бактериального воспаления вымени (мастит) молоко очень сильно заражается бактериями и может быть непригодно для употребления. Это состояние причиняет корове много страданий.
В канале соска всегда присутствует определенная концентрация бактерий, но большинство вымывается в начале доения. Рекомендуется сдаивать первые порции молока с каждого соска в отдельную емкость с черным покрытием.
На темной поверхности хлопья в молоке, полученном от заболевших животных, хорошо заметны.
Заражение на ферме
В процессе обработки молока на ферме оно может быть загрязнено различными микроорганизмами, в основном бактериями. Степень загрязнения и состав популяции бактерий зависят от чистоты условий содержания коровы и чистоты поверхностей, с которыми молоко вступает в контакт, например ведро доильного аппарата, фильтр, транспортный бидон или резервуар и мешалка. Поверхности, смачиваемые молоком, обычно гораздо больший источник заражения, чем вымя.
Когда коров доят руками, бактерии могут попасть в молоко через руки дояра, корову, подстилку или окружающий воздух. Количество микробов, попадающих в молоко, напрямую зависит от навыка и чистоплотности дояра и того, каким образом ухаживают за коровой. Большинство этих источников заражения отсутствует при машинном доении, однако появляется другой источник – доильный аппарат. Если доильное оборудование недостаточно хорошо очищается, этим путем в молоко может попасть огромное количество бактерий.
Чистота коровьих сосков и вымени сильно влияет на состав микроорганизмов в молоке.
Бактерии в сыром молоке
Молоко очень питательно и подвержено заражению и росту широкого спектра бактерий. Фермерское молоко может содержать от нескольких тысяч бактерий в мл, если оно с чистой фермы, и до нескольких миллионов на мл, если на ферме плохие стандарты чистки, дезинфекции и охлаждения. Ежедневная мойка и дезинфекция доильного оборудования, таким образом, – наиболее решающий фактор в бактериологической чистоте молока. В оптимальных условиях вполне возможно достичь концентрации бактерий менее чем 20 000 КОЕ (колониеобразующих единиц) на 1 мл. Быстрое охлаждение до температуры ниже 4 °С в большой степени способствует качеству фермерского молока. Этот прием замедляет рост бактерий в молоке, значительно улучшая таким образом его характеристики хранения.
Влияние температуры на развитие бактерий в сыром молоке показано в графике на рис. 4.18.
При концентрации более 300000КОЕ/мл скорость развития бактерий при повышении температуры и эффект охлаждения до 4 °C весьма значительны. Охлаждение до 4 °C, а иногда и ниже – до 2 °C, одновременно с доением позволяет поставлять молоко с интервалом до двух дней при условии изолированного молочного контейнера.
Принципиально существует три основных источника обсеменения: из организма коровы, с сосков и вымени и от любых поверхностей, с которыми молоко соприкасается. Наиболее часто спектр микроорганизмов в сыром молоке хорошего качества (< 20 000 КОЕ/мл) ограничен несколькими видами бактерий, см табл. 4.5.
Присутствие основных групп бактерий в сыром молоке высокого качества.
Группа | Присутствие, % |
---|---|
Micrococcus (микрококк) | 30 – 99 |
Streptococcus (стрептококк) | 0 – 50 |
Аспорогенные грам-полож. Палочки | <10 |
Грам-отриц. Палочки | <10 |
Спорообразующие | <10 |
Другие | <10 |
Бактерии в пастеризованном молоке
HTST-пастеризация молока (высокотемпературная кратковременная) уничтожает нетеплоустойчивые микроорганизмы. Выживают спорообразующие бактерии, коринебактерии и несколько других грамположительных палочек и кокков. Эта относительно устойчивая к нагреванию флора называется «термостойкой группой». В молоке хорошего качества количество термостойких бактерий обычно 200–300 КОЕ/мл.
Количество грамотрицательных бактерий в HTST-пастеризованном молоке зависит от реинфекции через источники воды, такие как протекание, или от других антисанитарных условий. Поскольку многие грамотрицательные бактерии довольно хорошо растут при температуре холодильника, они способны испортить HTST-пастеризованное молоко за несколько дней. Поэтому, необходим постоянный мониторинг грамотрицательных бактерий.
Грибы
Грибы –это группа микроорганизмов, которую часто можно обнаружить в природе на растениях, внутри животных и человека. Различные виды грибов значительно отличаются по строению и способу размножения. Грибы могут быть круглой, овальной или нитевидной формы. Нити грибов могут формировать сеть, заметную невооруженным глазом, например в виде плесени на пищевых продуктах. Грибы подразделяют на дрожжевые и плесневые.
Грибы разделяют на:
- дрожжи;
- плесени.
Дрожжи
Дрожжи – одноклеточные организмы сферической, эллиптической или цилиндрической формы. Размер клеток дрожжей значительно варьируется. Пивные дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, имеют диаметр 2–8 мкм и длину 3–15 мкм. Некоторые дрожжевые клетки других видов могут достигать размеров 100 мкм. Дрожжи, как и плесени, значительно сложнее по своей структуре, чем бактерии. Они состоят из цитоплазмы и четко обособленного ядра, окруженного ядерной мембраной, рис. 4.19. Клетка окружена клеточной стенкой и клеточной мембраной, которая проницаема для питательных веществ, проникающих внутрь, и для продуктов жизнедеятельности, выходящих наружу. Клетка содержит вакуоли, служащие хранилищами резервных питательных веществ и продуктов жизнедеятельности, передтем как они будут выделены клеткой. Жировые включения и фрагменты углеводов заключены в цитоплазме. Также в цитоплазме есть тончайшая сеть мембран, называемая эндоплазматический ретикулум, митохондрии (место выработки энергии для роста клетки), а также рибосомы.
Дрожжи могут вызывать порчу сыра и масла.
Воспроизведение дрожжей
Дрожжевые клетки обычно размножаются почкованием, как показано на рис. 4.20, хотя,другие способы репродукции также имеют место. Почкование – бесполый процесс. Маленькая почка развивается на клеточной стенке родительской клетки. Цитоплазма перераспределяется от родительской клетки к отростку. Постепенно почка и родительская клетка разделяются с формированием двухслойной стенки. Новая клетка не всегда отделяется от родительской и может оставаться прикрепленной к ней до тех пор, пока она не продолжит формирование новых почек. Новая клетка также может формировать почки на своей поверхности. Это приводит к гигантским скоплениям клеток, прикрепленных друг к другу. Многие виды дрожжей воспроизводятся половым путем, как показано на рис. 4.21, с формированием спор, аскоспор и базидиоспор (не путать с бактериальными спорами). Две клетки сливаются водну, их ядратакже объединяются. В последствии происходит разделение ядерного материала на 8 аскоспор, формирующихся внутри клеток, каждая из спор содержит схожий набор молекулДНК. Когда споры созревают, они высвобождаются и прорастают, формируя новые клетки, затем воспроизводящиеся бесполым путем – почкованием.
Условия роста дрожжей
Среда и питательные вещества
Дрожжи так же нуждаются в питательных веществах, как другие живые организмы. Они обычно обильно растут в средах, где есть сахара, например в фруктах, цветах, коре дерева. Несколько видов являются патогенными для животных и человека. Основными организмами, вызывающими порчу фруктовых соков, являются дрожжи. Подобно бактериям, дрожжи обладают системой внутри- и внеклеточных ферментов, способных расщеплять крупные молекулы субстрата до молекул, пригодных для метаболизма клетки. В лаборатории дрожжи культивируют в богатых сахарами средах с pH 5–6.
Дрожжи лучше всего растут в кислых средах.
Влажность
Подобно бактериям, для жизни дрожжи нуждаются в доступе к воде, но дрожжам требуется ее меньше, чем бактериям. Некоторые виды могут расти в средах с очень малым содержанием воды, таких как мед или варенье.
Кислотность
Дрожжи могут расти в средах со значениями pH 3–7,5. Оптимальный уровень pH находится в пределах 5–6.
Температура
Клетки дрожжей обычно не растут при температурах ниже точки замерзания воды или выше 47 °C. Оптимальная температура для них обычно – 20–30 °C. Многие роды дрожжей включают психротрофные штаммы, например Candida, Cryptococcus, Rhodotorula и Torulopsis. Растущие клетки обычно погибают при выдерживании в температуре 52–58 °C в течение 5–10 мин. Споры (аскоспоры) более устойчивы, но также погибают при выдерживании в температуре 60–62 °C в течение нескольких минут.
Кислород
Дрожжи обладают способностью расти как в отсутствии, так и в присутствии атмосферного кислорода, т. е. дрожжи относятся к факультативным анаэробам. В отсутствие кислорода дрожжи расщепляют сахар до спирта и воды, в то время как в присутствии кислорода расщепление идет до диоксида углерода и воды. Дрожжи растут быстрее в присутствии кислорода.
Важные факторы для роста дрожжей
- питательные вещества
- влажность
- кислотность
- температура
- кислород
Классификация дрожжей
Дрожжи разделяются на три группы в соответствии со способностью образовывать споры (аскоспоры и базидиоспоры). Штаммы, формирующие споры, принадлежат к группам Ascomycetes и Basidiomycetes. К группе Fungi imperfecti относятся те виды, которые не образуют спор, а размножаются в основном почкованием.
Значение дрожжей
За одним исключением, дрожжи относятся к нежелательным микроорганизмам с точки зрения молочной промышленности. Русский кисломолочный продукт, кефир, ферментируется смешанной культурой дрожжей и молочнокислых бактерий в виде скоплений зерновидной формы. В остальных случаях дрожжи могут привести к серьезным дефектам образования молочных продуктов, включая сыр и масло. В пивоварении, виноделии, хлебной и перегонной промышленности дрожжи, напротив, вносят очень ценный вклад.
Плесени
Категория плесеней включает в себя весьма разнородную группу многоклеточных нитевидных грибов. Плесени состоят из нитевидных скоплений клеток, называемых гифами. Масса гиф, заметная невооруженным глазом, называется мицелием. Гифы обычно ветвятся и иногда образуют поперечные сообщения между нитями. Гифы – вегетативная часть организма плесени, часто бесцветная, секретирует ферменты, с помощью которых расщепляет пищевые продукты (рис. 4.22). По мере роста колонии плесени, гифы и мицелий разрастаются радиально от центра образования колонии.
Воспроизведение плесеней
Плесени воспроизводятся путем спор различныхтипов. Воспроизводство протекает как половым, так и бесполым путем у одних и тех же видов. Споры бесполого размножения обычно с толстой стенкой, относительно устойчивой к высушиванию. У некоторых штаммов образуются очень стойкие споры полового размножения. Плесень может довольно долго находиться в дремлющем состоянии. Конидии, споры бесполого размножения, представляют собой наиболее распространенный способ воспроизводства плесеней, поскольку они обычно образуются вне вероятных количествах. Они очень малых размеров и массы и переносятся ветром. Это происходит повсеместно и ежедневно, часто представляя проблему для молочной промышленности.
Метаболизм плесеней
Метаболизм плесеней в большой степени напоминает метаболизм дрожжей. Они хорошо снабжены ферментами, которые используют для расщепления множества органических субстратов. С точки зрения молочной промышленности особенный интерес представляет воздействие плесени на жир и белок. Рост мицелия плесени проиллюстрирован на рис. 4.24.
Влажность
Плесени могут расти в продуктах с очень низким содержанием воды, извлекая ее из влажного воздуха.
Активность воды (aw)
Плесени менее восприимчивы к низким значениям aw по сравнению с любыми другими микроорганизмами. Некоторые могут переносить высокое осмотическое давление при высоких концентрациях сахара и соли, например в варенье или сгущенном молоке.
Кислород
Обычно плесени растут в аэробных условиях. Кислород необходим для образования конидий и роста мицелия.
Температура
Оптимальная температура для роста большинства плесеней лежит между 20 и 30 °C.
Кислотность
Плесени способны расти на средах со значениями pH от 3 до 8,5. Тем не менее многие виды предпочитают кислую среду, например сыр, йогурт, цитрусы и фруктовые соки.
Значение плесени для молочной промышленности
Как и дрожжи, плесени не выживают при обычных температурах пастеризации, 72–74 °C втечение10–15секунд, за исключением видов с теплостойкими спорами полового размножения. Наличие таких микроорганизмов нежелательно и является признаком вторичного обсеменения. Плесени представлены множеством семейств. Некоторые, имеющие большое значение в молочной промышленности: Penicillium и молочная плесень Geotrichum candidum.
Дрожжи – факультативные анаэробные микроорганизмы.
Плесени – строго аэробные организмы
(с несколькими исключениями)
Penicillium
Род Penicillium – один из самых распространенных типов плесени. Спорообразующие гифы у этого семейства ветвятся на верхушке, напоминающей кисточку. Зеленая плесень, широко распространенная в природе, принадлежит этому семейству. Некоторые виды пенициллов играют важную роль в производстве молочных продуктов. Их широкие возможности в расщеплении жиров и белков сделали их главными производителями голубого сыра, камамбера и т. д. Плесень голубого сыра носит название Penicillium roqueforti, а плесень камамбера – Penicillium camemberti. См. рис. 4.23
Молочная плесень
Молочная плесень Geotrichum candidum – один из видов, пограничных между плесенями и дрожжами. Процесс размножения этой плесени напоминает дрожжи; наружная часть гиф задействована в процессе, напоминающем почкование. Ее структура показана на рис. 4.25. Эта плесень встречается на поверхности молока в виде тонкой бархатистой белой пленки. Эта плесень участвует в процессе созревания полумягких и мягких сыров.
Она может вызывать прогорклость масла. Плесени на поверхности сыра и масла могут быть причиной изменения цвета и появления нежелательного привкуса. Необходима строгая гигиена в процессе производства молока, чтобы избежать осеменения продукта плесенями. Стены и потолок, например, необходимо тщательно очищать, чтобы не допустить их осеменение плесенью.
Бактериофаги
Туорт, английский ученый, обнаружил еще в 1915 г., что некоторые культуры стафилококков разрушаются и погибают сами по себе. Пару лет спустя Д'Эррель, канадский ученый, после схожих наблюдений выдвинул гипотезу, что этот феномен может быть связан с невидимыми организмами, пожирающими бактерии. Он назвал их бактериофагами.
Таким образом, бактериофаги – вирусы, т. е. паразиты бактерий. Сами по себе они способны существовать вне клетки, однако рост и размножение происходят только внутри бактериальной клетки. У них четко определенный хозяин, т. е. единичные виды или штаммы бактерий.
Структура бактериофагов
Бактериофаги, или фаги, значительно варьируются по размеру, и чтобы их увидеть, необходим электронный микроскоп. Один из крупнейших бактериофагов – T-фаг, поражающий Escherichia coli и родственных бактерий. У Т-фагов есть «голова» и «хвост», а их размер варьируется от 0,03 до 0,3 мкм. Схематическое изображение фага показано на рис. 4.26.
Воспроизводство фагов
Фаги активно атакуют растущие бактерии, внутри которых они имеют возможность размножаться. Бактерии постепенно разрушаются, высвобождая группу от 10 до 200 новых фагов из одной бактерии для атаки новых жертв. Схема размножения фагов показана на рис. 4.27.
Фаг прикрепляется к поверхности хозяина (1), затем впрыскивает свою ДНК внутрь клетки. Клеточный «механизм» образует новые копии фаговых ДНК и белков фага (2, 3). Сборка новых фагов происходит внутри бактериальной клетки (4), которая затем лизируется (5), и зрелые фаги выходят наружу.
Заключение
Огромное разнообразие бактерий, дрожжей и плесени, а также широкий спектр их активности очень важны для жизни на планете в целом и в особенности для человека. Микроорганизмы в почве и воде ответственны за разложение доступных источников питательных веществ до простейших молекул, которые могут поглощаться растениями. Этим они косвенно оказывают услугу и животному царству, включая человека. Человек, кроме того, получает выгоду от микроорганизмов напрямую. Молочнокислые микроорганизмы могут быть, например, использованы для предохранения корма для скота (силоса) от паразитов. Схожий принцип применяется для приготовления определенной пищи, такой как квашеная капуста, зеленые оливки или огурцы. Микроорганизмы играют первостепенную роль в производстве многих молочных продуктов, таких как йогурт, сыр и масло. Отбор правильных видов микроорганизмов – важный фактор в повышении качества этих продуктов. Микроорганизмы, используемые в производстве молочных продуктов, обычно поставляются компаниями, специализирующимися на получении и распространении микроорганизмов в строго контролируемых гигиенических условиях. Микроорганизмы, используемые в молочной промышленности, называются закваской. Закваска – это, например, смесь молочнокислых микроорганизмов, производящих молочную кислоту путем ферментации лактозы молока. Однако важнее всего то, чтобы качество закваски по прибытии на завод поддерживалось благодаря высоким стандартам гигиены, а в дальнейшем при использовании на всех значимых этапах производственной цепи применялась стерильная техника. В связи с этим необходимо отметить, что молоко может содержать следовые количества антибиотиков, попавших в молоко из организма коров, перенесших мастит; наиболее часто встречающийся антибиотик – пенициллин. Несмотря на нормы, в которых указывается, что молоко коров, которых лечили антибиотиками, не должно использоваться на заводе, вы можете столкнуться с достаточно высоким содержанием антибиотиков в молоке из грузовой цистерны, добавленных в молоко, чтобы остановить или замедлить начало действия микроорганизмов. Рис. 4.28 демонстрирует влияние даже небольших остаточных количеств пенициллина на наиболее распространенные закваски.
Сырое молоко обычно обсеменено бактериофагами. Поэтому важно, чтобы молоко, используемое для закваски, обычно обезжиренное молоко, было нагрето до температуры 90 °C в течение 30 минут, чтобы инактивировать содержащиеся в нем фаги. На рис. 4.29 показано, что происходит, если это не сделано или если молоко повторно обсеменяется фагами впоследствии. Время, необходимое одной «неинфицированной» бактерии для воспроизведения четырех новых бактерии, составляет две генерации. В тот же самый период один фагинфицирует одну бактерию, которая высвобождает 150 новых фагов за время одной генерации. Эти фаги инфицируют 150 новых бактерий, ивследующую генерацию высвобождается уже 22 500 новых фагов. Вот почему закваска, инфицированная фагами, внезапно становится непригодной для использования через короткое время.
Было бы неправильным идеализировать роль микроорганизмов и не упомянутьтот факт, что некоторые из них – патогенные микроорганизмы – являются злейшими врагами человечества. В связи с использованием антибиотиков угроза человечеству становится все более и более серьезной. Некоторые патогены в настоящее время резистентны ко всем существующим антибиотикам. Необходимо напомнить, что без многих полезных микроорганизмов жизнь для человека и многих других живых существ была бы невозможна. В большинстве стран правительства издали законы,требующие пастеризации промышленно произведенного молока для широкого потребления. Обычное сочетание времени/температуры для пастеризации – 72 °C в течение 15–20 с. При этом уничтожаются все патогены. Чтобы избежать повторного обсеменения, необходимо прежде всего строго соблюдать правила гигиены.