Концентрація розчинених речовин у середовищі і осмотичний тиск

Важливе значення для життєдіяльності мікроорганізмів має осмотичний тиск середовища, величину якого визначають концент­рації розчинених у ньому сполук. В нормі осмотичний тиск всередині клітини завжди вищий‚ ніж в оточуючому її середовищі. Вода, яка надходить у клітину ззовні, створює пружний стан – тургор‚ за якого цитоплазма щільно прилягає до мембрани і розтягує її. У стані тургору клітини нормально здійснюють процеси життєдіяльності. Зміна звичайної концентрації середовища призводить до порушення обміну у клітинах мікроорганізмів‚ припинення їхньої життєдіяль­ності і загибелі. Високі концентрації деяких речовин‚ в тому числі і пожив­них‚ створюють високий осмотичний тиск у середовищі. При цьому клітини мікроорганізмів втрачають здатність поглинати з нього воду‚ протоплазма зневоднюється‚ об’єм клітини зменшується‚ обмін при­­пиняється. Це явище називають плазмолізом. У середовищі з низь­ким осмотичним тиском‚ тобто малою концентрацією розчи­не­них у ній речовин‚ вода‚ навпаки‚ надходить всередину клітини. Відбу­ва­ється надмірне насичення нею цитоплазми – плазмоптиз‚ який при­­зводить до розриву цитоплазматичної мембрани та клітинної стінки.

Підтримання клітинами мікроорганізмів оптимального тиску від­бувається завдяки здатності їх до осморегуляції. Цитоплазматична мембрана регулює проникнення у клітину і вихід з неї розчинених у середовищі речовин‚ зберігаючи тим самим осмотичну рівновагу.

Оптимальною концентрацією для розвитку мікроорганізмів є вміст цукру або солі у середовищі 0‚5 %.

Мікроорганізми‚ які зберігають життєздатність у середовищах з високим осмотичним тиском називають осмофілами. Мікроорганізми‚ які витримують високий осмотичний тиск‚ але краще розвиваються при нормальному тиску, називають осмотолерантними.

Нездатність більшості мікроорганізмів розвиватись на середо­вищах з високими концентраціями солі і цукру використовують для зберігання товарів і при переробці сировини. Цей метод консер­ву­вання базується на їхній властивості створювати високий осмотич­ний тиск. Так‚ 1 %-ний розчин солі створює осмотичний тиск 6‚1 атм‚ глюкози – 1,2 атм‚ цукрової тростинки – 0‚7 атм.

Розмноження багатьох мікроорганізмів сповільнюється при
1–3 %-ній концентрації солі у середовищі‚ а при 20–25%-ній майже повністю припиняється. Малостійкими до солі є кишкова паличка‚ збудники ботулізму і сальмонельозу‚ деякі паратифозні бактерії. Токсин ботулізму сольові розчини не розкладають. Осмофільні мікро­організми‚ які ростуть на середовищах з високою концентрацією солі називають галофілами (солелюбними). Помірні галофіли ростуть при концентрації солі від 2 до 20 %‚а екстремальні – від 12 до 36 %. Стій­кість деяких мікроорганізмів до дії кухонної солі наведено у табл. 2.

Таблиця 2

Концентрація кухонної солі‚ при якій зупиняється
ріст мікроорганізмів

Мікроорганізми	Концентрація хлористого натрію‚ %
Молочнокислий стрептокок	2–5
Болгарська паличка	2–3
Кишкова паличка	6–8
Протей	7–10
Сінна паличка	10–15
Сарцина жовта	10–12
Плісеневі гриби роду аспергіліус	17–18
Плісеневі гриби роду пеніциліум
Мікрокок рожевий	20–25

Багато галофільних мікроорганізмів викликають псування солоних харчових продуктів та шкіри. Вони зустрічаються також у солоних озерах‚ морях, засолених ґрунтах. Причиною почервоніння засоленої риби ("фуксину") є галофітні бактерії Halobacterium salinarium, які містять червоний пігмент і потрапляють у продукт з сіллю.

При консервуванні, для отримання більш надійних результатів, м’ясо солять у 30 %-ному розчині солі‚ рибу – у 15–20 %-ному‚ або натирають сухою сіллю при укладанні в тару. На концентрацію солі‚ яка необхідна для призупинення розвитку мікро­організмів, значно впливає реакція середовища та температура. У соло­них продуктах в кислому середовищі (рН 2‚5) ріст дріжджів призупиняється при концентрації солі 14 %‚а у нейтральному (рН 7‚0) – при 20 %. Для пригнічення росту плісеневих грибів при температурі 0°С достатньо
8 % солі‚ а при 20°С необхідно 12 %. Вплив солі на мікроорганізми підсилюється за наявності нітратів і нітритів. У розчинах цукру мікроорганізми гинуть лише при кон­центрації його 65–70 %. Зустрі­чаються осмофільні дріжджі й гриби‚ які живуть у середовищах з концентрацією цукру до 80 %. Вони є при­чиною пліснявіння і зброджування варення‚ повидла‚ джему‚ меду‚ цукрового сиропу‚ згущеного молока.

Підвищити стійкість консервованих товарів можна шляхом термічної обробки їх у герметичній тарі (пастеризація‚ стерилізація) та наступним зберіганням при знижених температурах.

Променева енергія

Видиме світло (380–800 нм) на більшість мікроорганізмів діє згубно. У деяких плісеневих грибів у темноті добре розвивається міце­лій‚ а спори не утворюються. Світло необхідне тільки фото­синтезуючим мікроорганізмам. Вони поглинають його і перетво­рюють світлову енергію у хімічну‚ яку використовують для синтезу окремих компонентів клітини.

Ультрафіолетові промені (20–400 нм) є найбільш активною частиною сонячного спектру. Вони поглинаються білками та нукле­їно­вими кислотами мікроорганізмів і викликають у них незворотні зміни‚ інактивують ферменти. Найбільшу бактерицидну дію на мікро­організми мають УФ-промені з довжиною хвилі 250–260 нм. Загибель мікроорганізмів може бути також наслідком дії УФ-променів на субстрат‚ у якому утворюються такі шкідливі речовини як перекис водню‚ озон тощо.

Ефективність дії УФ-променів на мікроорганізми залежить від кількості поглинутої ними енергії‚ тобто дози опромінення‚ яка визначається бактерицидною силою джерела опромінення‚ відстанню від джерела до об’єкту і тривалістю опромінення. Має також значення ступінь забруднення мікробами субстрату‚ його температура і рН.

Не всі мікроорганізми під дією УФ-променів гинуть одночасно. Кулясті бактерії гинуть швидше‚ ніж паличкоподібні‚ молоді клітини раніше від старих‚ вегетативні клітини швидше від спор‚ патогенні мікроби раніше‚ ніж сапрофіти. Серед неспороутворюючих бактерій найбільш стійкими до дії УФ-променів є пігментоутворюючі стафіло­коки і сарцини‚ у яких пігмент знаходиться у протоплазмі‚ а найбільш чутливими – бактерії‚ у яких пігмент виділяється в оточуюче середовище. Щоб знищити неспорові бактерії необхідно 5 хвилин дії на них УФ-променів‚ спори і дріжджі – 10–25 хв‚ плісеневі гриби – 50–75 хв. При обробці повітря УФ-променями впродовж 6 годин
гине до 80 % бактерій і плісеневих грибів. Під впливом
УФ-променів з довжиною хвилі 260–300 нм дуже швидко інакти­вуються віруси.

Малі дози УФ-променів стимулюють ріст деяких мікроорга­нізмів‚ більш високі‚ що не викликають їх загибелі‚ можуть зміню­вати морфологічні‚ фізіологічні та біохімічні властивості‚ впливати на спадковість. Враховуючи це, можна отримати мутанти мікро­організмів з високою здатністю продукувати біологічно активні речо­вини‚ ферменти‚ антибіотики.

Бактерицидна дія УФ-променів з використанням ртутно-квар­цевих бактерицидних ламп знайшла широке практичне застосування для дезінфекції повітря у лікувальних закладах та виробничих при­міщеннях (маслоробні‚ сироварні‚ м’ясопереробні цехи)‚ в холо­диль­них камерах‚знезаражування поверхні обладнання‚апаратури‚ посуду‚ пакувальних матеріалів‚ тари‚ при розливі‚ фасуванні й пакуванні хар­чових продуктів. УФ-опромінення м’ясних товарів у поєднанні з холодом продовжує терміни їхнього зберігання у 2–3 рази. Під впливом ультрафіолету через дві хвилини гине до 99 % гнильних бактерій‚ які викликають ослизнення м’яса. В останні роки УФ-про­мені успішно використовують для дезінфекції питної води‚ стерилізації вакцин‚ сироваток‚ плодових соків і вин. У харчовій промисловості переважно застосовують лампи УФ-світла з довжиною хвилі 253‚7 нм.

Використання УФ-променів з метою стерилізації харчових продуктів обмежене через їхню низьку проникливість. Практично відбувається тільки поверхнева стерилізація або стерилізація у дуже тонкому шарі. У таких продуктах як молоко‚ вершкове масло‚ жири УФ-промені погіршують їх споживчі властивості.

Інфрачервоні промені негативно діють на мікроорганізми при обробці ними харчових продуктів‚ оскільки їхня енергія перетво­рюється у теплову.

Лазерне випромінювання – це пучок електромагнітних проме­нів в діапазоні від інфрачервоного до ультрафіолетового спектрів. Його одержують за допомогою оптичних квантових генераторів – лазерів. Під впливом цього випромінювання підвищується темпера­тура‚ відбувається коагуляція білка і розпад клітин. Руйнівна дія лазерних променів на мікроорганізми залежить від сили випромі­нювання‚ дов­жини хвилі‚ тривалості імпульсів‚ властивостей сере­довища і опромі­нюваного об’єкту. За даними А.А.Кудряшової спори мікро­організмів більш стійкі до лазерного випромінювання‚ ніж вегетативні клітини.

Рентгенівські промені – це короткохвильові електромагнітні випромінювання з довжиною хвилі 0‚005–2 нм‚ що мають високу про­никаючу здатність. У малих дозах (0‚5 Гр) вони можуть стимулювати ріст деяких мікроорганізмів. При підвищенні дози до 3–5 Гр змі­нюються морфологічні та фізіологічні властивості мікроорганізмів‚ затримується‚ а згодом і припиняється їх ріст та розмноження клітин. До рентгенівських променів більш чутливими є клітини мікро­орга­нізмів у стадії ділення або росту, а також молоді. Стійкими є грамдодатні бактерії‚ дріжджі‚ гриби‚ спори‚ віруси.

Радіоактивне випромінювання вилучають радіоактивні речо­ви­ни. До них відносять α-промені (високошвидкісні ядра гелію)‚
β-промені або катодні промені (високошвидкісні електрони) і
γ-промені (короткохвильові рентгенівські промені)‚ що відрізняються один від одного природою і властивостями‚ зокрема здатністю про­никати через різні речовини. Під впливом радіоактивного випромі­нювання у мікроорганізмів порушується обмін речовин у клітинах‚ руйнуються молекулярні структури і ферменти. Ефективність дії залежить від дози опромінення. Дуже малі дози радіоактивних променів і короткочасна їх дія прискорюють ріст мікроорганізмів‚ активізують їх життєдіяльність‚ тобто мають стимулюючий ефект.

За стійкістю до радіоактивного випромінювання А.А.Кудряшова поділяє мікроорганізми на групи: радіочутливі – з летальною дозою до 5 КГр‚ відносно радіостійкі – до 10 КГр‚ мезорадіостійкі – до 15 КГр‚ радіостійкі – до 20 КГр і високорадіостійкі – більше 20 КГр. Радіо­стійкість деяких видів мікроорганізмів наведена у табл.3.

Найбільш чутливими до радіоактивних променів є психрофільні та грамвід’ємні бактерії – збудники псування м’ясних і рибних продуктів. Високу радіостійкість мають мікрококи (особливо до
γ-променів)‚ спори бактерій і грибів та віруси. Ураження мікро­організмів радіоактивними променями залежить від дози опромінення за одиницю часу‚ віку клітин‚ температури‚ складу середовища. Деякі мікроорганізми здатні відновлювати життєздатність після радіоа­ктивного випромінювання.

Таблиця 3

Радіостійкість мікроорганізмів

Мікроорганізми	Доза опромінення‚ яка знижує кількість мікроорганізмів у 10 раз‚ КГр
Escherichia coli	0,2 – 0,4
Proteus vulgaris	0,1 – 0,2
Salmonella typhimurium	0,2 – 0,7
Streptococcus aureus	1,7 – 2,7
Bacillus subtilis	1,3 – 3,0
Clostridium perfringens	1,2 – 2,0
Clostridium botulinum	1,1 – 1,7
Saccharomyces vini	0,39 – 0,63
Aspergillus niger (спори)	1,9
Penicillium expansum	2‚8

Для обробки харчових продуктів з метою запобігання їхнього швидкого псування найбільш придатні γ-промені‚ що мають най­більшу проникливу здатність. Джерелом їх є ізотопи ⁶⁰Со і ¹³⁷Cs. Радіаційну обробку харчових продуктів проводять різними дозами опромінення. Радисидація – це обробка у дозах‚ достатніх для загибелі патогенних для людини мікроорганізмів (4–6 КГр). Радуризація – це обробка хар­чових продуктів з метою зменшення у них чисельності мікроорга­нізмів‚ що викликають їх псування і втрату маси (6–10 КГр). Вона проводиться з метою промислової стерилізації харчових продуктів в умовах, що викликають повторне інфікування їх мікроорганізмами (10–50 КГр). Радіобіологічний ефект при обробці харчових продуктів залежить від їхнього хімічного складу і агрегатного стану‚ поглинутої ними дози радіоактивних променів та їх сили‚ від складу і чисель­ності мікрофлори. У деяких продуктів обробка γ-променями викликає зміну кольору‚ запаху‚ смаку‚ пом’якшення тканин. У цих випадках рекомендують знизити дозу опромінення і продовжити зберігання в умовах холодильника.

За рішенням Міжнародних організацій, таких як ВОЗ (Всесвітня організація охорони здоров’я при ООН)‚ ФАО (Продовольча і сільськогосподарські організації при ООН)‚ МАГАТЕ (Міжнародне агентство з атомної енергії при ООН)‚ Об’єднаного комітету екс­пертів в опромінених харчових продуктах не повинно бути патоген­них мікроорганізмів‚ мікробних токсинів і токсичних речовин‚ що можуть утворюватися в результаті опромінення.

Перелік харчових продуктів‚ які дозволено опромінювати радіо­активними променями, затверджений міжнародними організаціями.
В Україні у кожному окремому випадку дозвіл видають органи охорони здоров’я.

Ультразвук

Ультразвук – це звукові хвилі з частотою понад 20000 коливань за секунду (20 КГр)‚ які не може сприймати людина. Ультразвукові хвилі характеризуються великим запасом механічної енергії‚ проник­ністю через тверді і газоподібні середовища‚ викликаючи у них при цьому ряд фізичних‚ електрохімічних і біохімічних явищ. При дії ультразвуку на мікроорганізми спостерігається розрив клітини або клітинної мембрани‚ відрив джгутиків у паличкоподібних форм. Природа згубної дії ультразвукових хвиль на мікроорганізми повністю ще не вивчена. Встановлено‚ що під впливом ультра­зву­кових хвиль в цитоплазмі мікробної клітини утворюється кавітаційна порожнина (пухирець)‚ заповнена парами рідини. В момент закриття кавітаційного пухирця виникає сильна ударна хвиля‚ яка майже миттєво пошкоджує мікроорганізми. Крім цього‚ виникнення кавітації супроводжується різким підвищенням температури.

Бактерицидна дія ультразвуку на мікроорганізми починає виявлятися при інтенсивності 0‚5–1‚0 Вт/см² і частоті коливань в межах кількох десятків КГр. Вона залежить від інтенсивності звуку‚ кавітації‚ хімічного складу середовища‚ його в’язкості і температури‚ кількості мікроорганізмів. При високій інтенсивності ультразвуку і більш високій температурі розпад мікробних клітин відбувається швидше. Чим більший вміст у середовищі білків‚ вуглеводів і ліпідів‚ тим слабша бактерицидна дія. Бактерицидний ефект вищий при меншій концентрації в об’єкті мікробних клітин (табл. 4).

Під дією ультразвукових хвиль швидше гинуть вегетативні клітини паличкоподібних бактерій‚ повільніше – кулясті бактерії та дріжджі. Досить стійкими є спори. Ступінь чутливості мікро­орга­нізмів до ультразвуку залежить від їхнього виду.

Таблиця 4

Вплив ультразвуку на кишкову паличку при
інтенсивності 5 Вт/см² і частоті коливань 450 кГц

Вихідна кількість бактерій в 1 мл води	Відмирання бактерій при дії на них ультразвуку‚ %
15 с	30 с	60 с	120 с
				-
		–
		–

Ультразвук використовують переважно для стерилізації пит­ної води‚ рідких харчових продуктів‚ таких як молоко‚ соки‚ вино‚ пиво‚ а також з метою виділення з клітин мікробних ферментів‚ віта­мінів‚ токсинів‚ окремих структур (ДНК‚ РНК‚ ядер‚ рибосом‚ мітохондрій та ін.).

Метод стерилізації за допомогою ультразвукових хвиль на практиці застосовують обмежено з техніко-економічних причин та через зниження якості деяких продуктів.

Магнітне поле

У мікроорганізмів, як і в інших живих істот, встановлений маг­нітотропізм. Рух деяких мікроорганізмів відбувається за магнітним меридіаном: у північній півкулі – на північ‚ а у південній – до проти­лежного полюса. Окремі мікроскопічні гриби можуть рости в силових лініях магнітного поля. Це пояснюється наявністю у них білків‚ ферментів, в молекулах яких є атоми заліза з феромагнітними влас­тивос­тями. У клітинах магніточутливих мікроорганізмів знайдено органели-магнітосоми‚ у складі яких є залізо.

Встановлено‚ що будь-яка зміна напруги геомагнітного поля спри­чинює зміни морфологічних‚ культуральних і біохімічних влас­тивостей мікроорганізмів. Магнітне поле можна розглядати як екологічний фактор‚ що визначає певний перебіг біологічних процесів‚ які сприяють появі або тимчасовому зникненню різних хвороб на Землі.

Радіохвилі

Радіохвилі – це електромагнітні хвилі різної довжини: ультра­короткі – менше 10 м‚ короткі – 10–50 м та довгі – сотні метрів і більше. В результаті проходження радіохвиль через середовище у ньому виникає перемінний струм високої частоти (ВЧ) і ультрави­сокої частоти (УВЧ)‚ при цьому електрична енергія переходить у теплову. Мікроорганізми гинуть в результаті теплового ефекту. Довгі хвилі практично не впливають на мікроби. Бактерицидну дію мають короткі і ультракороткі хвилі.

У полі струмів високої і ультрависокої частот об’єкт нагріваєть­ся рівномірно і одночасно у всіх точках впродовж декількох секунд.
В УВЧ-полі склянка води закипає через 2–3 с‚ 1 кг риби вариться
2 хв‚ 1 кг м’яса – 2‚5 хв‚ курка – 6–8 хв.

УВЧ-енергія є перспективним способом теплової обробки харчових продуктів і може використовуватися для пастеризації та стерилізації компотів‚ соків‚ джемів‚ желе‚ пива та інших продуктів‚ а також для варіння‚ випікання‚ розігріву‚ витоплювання тваринних жирів‚ висушування. При УВЧ-нагріванні харчових продуктів‚ на відміну від звичайної теплової обробки‚ не виявляються теплозахисні властивості білків‚ жирів та інших речовин‚ оскільки електромагнітна енергія акумулюється безпосередньо мікробною клітиною. У зв’язку з цим мікроорганізми гинуть швидше і при менш високих температурах Це дозволяє знизити температуру теплової обробки продуктів‚ зберегти їх смак і аромат‚ консистенцію‚ вітамінність‚ якість, порівняно з паровою стерилізацією в автоклавах.

Стерилізацію струмами високої частоти проводять тільки для продуктів у скляній тарі‚ бо через метал вони не проникають. На ефек­тивність бактерицидної дії УВЧ-струму значно впливає швид­кість нагрівання: збільшення її знижує бактерицидну дію. В цілому‚ ефект дії на мікрофлору у порівнянні з традиційними способами термічної обробки практично однаковий.

Електричний струм

Електричний струм не має сильної дії на мікроорганізми. Знижена напруга струму пригнічує життєздатність мікробів. Електричний струм високої напруги, проходячи через середовище, може викликати електроліз деяких компонентів і утворення таких сполук‚ як кисень‚ хлор‚ кислоти тощо‚ які негативно впливають на мікроорганізми. Електроліз використовують для дезінфекції води та знезараження стічних вод.

При високій напрузі струму підвищується температура‚ яка обумовлює загибель мікроорганізмів.

Гідростатичний тиск

Мікроорганізми добре розвиваються в умовах невисокого тиску. Більшість їх витримує тиск 65 МПа впродовж години.

По відношенню до тиску мікроорганізми поділяють на баро­то­лерантні‚ які добре розмножуються при нормальному атмосферному тиску і переносять високий тиск та барофільні – стійкі до високого тиску. Більшість мікроорганізмів гине при тиску 600–700 МПа. Дріжджі зберігають бродильні властивості при тиску 50 МПа‚ а життєздатність при 80 МПа. Глибоководні бактерії морів і океанів живуть і розвиваються на глибині до 10 км при тиску 90–100 МПа. Спори бактерій переносять тиск 2000 МПа. Зустрічаються мікро­організми‚ що виживають при тиску 3000 МПа і патогенні віруси‚ які витримують 5000 МПа.

Деякі мікроби в умовах звичайного атмосферного тиску не можуть розвиватися і вимагають підвищеного тиску. Бактерії‚ дріжд­жі та плісеневі гриби чутливі до різкого переходу від високого тиску до низького. При згубній дії високого тиску на мікроорганізми у їхніх клітинах відбувається денатурація білків‚ інактивація ферментів‚ збільшення в’язкості середовища і підвищення дисоціації іонів.

Для знищення мікроорганізмів у харчових продуктах викорис­товувати лише тиск неефективно.

Механічна дія

Механічне часте і тривале струшування згубно діє на більшість мікроорганізмів. Незначні поштовхи часом стимулюють їх ріст. Найбільш чутливими до механічної дії є ґрунтові бактерії‚ наприклад, капустяна паличка Bac. megatherium‚ стійкими – рухливі бактерії і віруси. Заморожені бактерії під впливом механічного стру­шування руйнуються швидше.

У природних умовах самоочищення гірських і швидкоплинних рік‚ струмків та інших водоймищ частково відбувається внаслідок механічного руйнування клітин мікроорганізмів сильними потоками води. Це явище підтверджується в лабораторних умовах. Так‚ якщо струшувати колбу з водою, у якій є мікроби‚ то через деякий час спостерігається механічне руйнування клітин. При наявності у колбі піску‚ подрібненого скла чи скляних кульок мікроби гинуть швидше.

Механічну дію на мікроорганізми використовують для отримання деяких складових частин мікробних клітин‚ а саме білків‚ ферментів та ін.

Невагомість

Досліджено‚ що невагомість сповільнює ріст мікроорганізмів. На орбітальній станції "Салют-6" бактерії сінної палички Bac. subtilis на однаковому середовищі і за однакової температури розвивалися на 30 % повільніше‚ ніж на Землі. Є думка‚ що земне тяжіння забезпечує перемішування клітин і покращує умови метаболізму, чого немає у космосі.