Окислительно-восстановительные условия среды

Микроорганизмы различаются, как отмечалось ранее, потребностью в условиях аэрации среды. Степень ее аэробности может быть количественно охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала (Eh), который определяется обычными потенциометрическими методами. Величину Et, выражают в вольтах. Окислительно-восстановительные условия в среде обозначают также символом гН₂', величина которого вычисляется по уравнению

В среде, окислительные свойства которой соответствуют насыщению ее кислородом, гН₂ равен 41. В среде с высокими восстановительными условиями, соответствующими насыщению · среды водородом, гН₂ равен 0. При равновесии окислительных и восстановительных процессов в среде гН₂ равен 28. Если гН₂ ниже 28, то это указывает на большую или меньшую восстановительную способность среды, а если выше 28 – на ее окислительную способность.

Облигатные анаэробы живут при гН₂ не выше 12–14, но размножаются они лишь при низких значениях гН₂ – не выше 3–5. Факультативные анаэробы развиваются при гН₂ среды от 0 до 20–30. Для аэробов нижний предел гН₂ около 12–15, а значение гН₂ выше 30 неблагоприятно и для них.

Окислительно-восстановительный потенциал среды влияет не только на рост и размножение аэробных и анаэробных микроорганизмов, но и на их обмен веществ.

Регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно затормозить или вызвать активное развитие той или иной группы микроорганизмов. Возможно, например, вызвать рост анаэробов в присутствии воздуха путем добавления редуцирующих веществ (например, аскорбиновой кислоты), снижающих окислительно-восстановительный потенциал среды.

¹ Показатель гН₂ представляет собой отрицательный логарифм давления молекулярного водорода в среде (в атм), взятый с обратным знаком.

И наоборот, можно культивировать аэробов в анаэробных условиях, повысив гН₂ среды, вводя в нее вещества, обладающие окислительными свойствами.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмы могут изменять окислительно-восстановительный потенциал среды, выделяя в нее различные продукты обмена, приспосабливая тем самым среду к своим потребностям.

Химические вещества

Многие химические вещества действуют губительно на микроорганизмы. Такие вещества называют антисептиками. Их действие на микроорганизмы зависит от концентрации и продолжительности воздействия, а также от рН среды и температуры. В очень малых дозах антисептики оказывают даже благоприятное действие, стимулируя размножение или биохимическую активность микробов. С повышением концентрации антисептиков подавляется развитие микробов, а затем они быстро отмирают.

Чувствительность различных видов к одному и тому же антисептику неодинакова.

Из неорганических соединений наиболее сильно действующими на микроорганизмы являются соли тяжелых металлов, особенно соли ртути. При концентрации 1 : 1000 большинство бактерий погибает в течение нескольких минут. Споры бактерий устойчивее, они длительно (часами) сохраняются даже в более крепких (1 : 500) растворах этих веществ.

Ионы некоторых тяжелых металлов – золота, меди, и особенно серебра, присутствуя в растворах в ничтожно малых концентрациях, не поддающихся непосредственному определению, оказывают тем не менее губительное действие на микроорганизмы. Это специфическое действие называется одигодина-мическим (oligos – малый, dinamys – сила). Доказано, что в воде, находящейся в контакте с металлическим серебром, в которой не обнаруживаются обычным методом даже следы растворившегося металла, микроорганизмы, однако, погибают. Объясняется это тем, что ионы серебра адсорбируются на поверхности клетки и изменяют свойства и функции цитоплазма-тической мембраны.

Олигодинамические свойства серебра можно использовать для дезинфекции питьевой воды. Различные препараты серебра и посеребренные материалы применяют в медицине.

Бактерицидное действие проявляют многие окислители (хлор, йод, перекись водорода, марганцевокислый калий), минеральные кислоты (сернистая, борная, фтористоводородная). Отрицательно воздействуют на микроорганизмы сероводород, окись углерода, сернистый газ, углекислый газ.

Некоторые органические соединения также являются ядами для микробов, например формалин, фенолы. Вегетативные

клетки многих бактерий довольно быстро погибают в 2–5 % -ном растворе карболовой кислоты, в то время как споры некоторых бактерий в 5 %-ном растворе сохраняют жизнеспособность в течение двух недель и дольше. В различной степени губительно действуют на микроорганизмы спирты, некоторые органические кислоты, например салициловая, масляная, уксусная, бензойная, сорбиновая. Неблагоприятное воздействие этих кислот связано не со снижением рН среды, а с проникновением в клетку недиссоциированных молекул этих кислот. Бактерицидным действием обладают также эфирные масла, дубильные вещества, многие красители (генцианвиолет, бриллиантовая зелень, фуксин).

Механизм действия антисептиков различен. Многие из них нарушают проницаемость цитоплазматической мембраны, а проникая в клетку, вступают во взаимодействие с ее компонентами, в результате чего значительно нарушаются жизненные процессы. Соли тяжелых металлов, формалин, фенолы вызывают коагуляцию белковых веществ клетки и являются ферментными ядами. Спирты, эфиры растворяют липиды клеточных мембран. Хлор и озон вызывают активные окислительные процессы, не свойственные метаболизму клетки, а также разрушают многие ферментные системы.

Многие антисептики используют в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и в быту как дезинфицирующие средства для борьбы с болезнетворными микробами. Широко применяют хлор (в газообразном или жидком виде и в форме его соединений) для дезинфекции питьевой воды, тары, оборудования, инвентаря.

Антисептические вещества используют для защиты от микробных поражений текстильных материалов, древесины, бумаги и изделий из нее и других материалов и объектов.

Применение антисептиков для консервирования пищевых продуктов ограничено. Доза антисептика должна быть достаточной, чтобы обеспечить надлежащее консервирующее действие, но безвредной для человека и не влиять отрицательно на продукт. В СССР к использованию допущены немногие химические консерванты в малых дозах (от сотых до одной-двух десятых процента) и только для некоторых пищевых продуктов. Для обработки свежих плодов, овощей, плодово-ягодных полуфабрикатов применяется сернистый ангидрид (S0₂), сернистая кислота и ее соли. Соли сернистой кислоты (бисульфит калия и натрия, метабисульфит калия и др.) в виде гранул, таблеток закладывают в сохраняемую массу продукта (плодов, овощей) или в упаковочный материал. Консервирующим началом является S0₂, выделяющийся из антисептика постепенно.

Для консервирования полуфабрикатов из плодово-ягодного. сырья, рыбных консервов, кетовой икры используют бензойную кислоту и ее натриевую соль. Бензойная кислота находится

в бруснике, чернике; по-видимому, этим можно объяснить повышенную стойкость продуктов переработки этих ягод.

В последние годы в СССР и за рубежом в качестве консерванта многих пищевых продуктов (безалкогольных и алкогольных напитков, полуфабрикатов, маринадов, кулинарных изделий) все более широко применяют сорбиновую кислоту и ее соли. Эта кислота менее токсична, чем бензойная и сернистая, но более активно воздействует на микроорганизмы. В небольших количествах она находится в ягодах рябины. В дозах, допускаемых для консервирования пищевых продуктов (0,03– 0,1 %), она безвредна для людей, не придает продукту посторонних привкусов и запахов, но длительно задерживает рост плесеней, дрожжей и некоторых бактерий (группы кишечной палочки, сальмонелл). Однако на рост многих бактерий (например, молочнокислых, уксуснокислых) сорбиновая кислота в указанных концентрациях заметного действия не оказывает. Особенно эффективно ее действие в кислой среде (рН 3–4,5), когда сорбиновая кислота находится в недиссоциированном виде.

Этот консервант вводится непосредственно в продукт или им обрабатывают поверхность продукта, оберточные материалы.

Для борьбы с картофельной болезнью хлеба, для предотвращения его плесневения применяют пропионовую кислоту. Хорошие результаты дает введение в тесто солей пропионовой кислоты, или обработка ими оберточной бумаги. Рекомендуется применять этот консервант для некоторых рыбных продуктов.

Работы Я- Я. Никитинского, его учеников и ряда других исследователей доказали эффективность хранения многих скоропортящихся продуктов в атмосфере с повышенным содержанием углекислого газа.

Развитие многих плесеней – возбудителей порчи продуктов–значительно тормозится при концентрации углекислого газа около 20 %, а при 40–50 % они совсем не растут (В. С. За-горянский). Бактерии, как установлено Φ. Μ. Чистяковым, более устойчивы. Заметное угнетающее действие на многие гнилостные формы проявляется лишь при содержании углекислого газа около 40–50 %, а некоторые анаэробные спорообразующие бактерии развиваются даже при концентрации 60–80 % и более. Такое высокое содержание в атмосфере углекислого газа ухудшает качество некоторых продуктов. Наиболее целесообразно применять углекислый газ в сочетании с охлаждением продуктов. Сроки хранения мяса, птицы, колбас и других продуктов при температуре около 0 °С в атмосфере, содержащей 10–-15 % углекислого газа, превышают сроки обычного хранения при такой же температуре в 2–3 раза.

Эффективно хранение некоторых продуктов (полукопченые колбас, сыров, копченой рыбы) при периодическом озонировании их небольшими (3–10 мг/м³) дозами озона непосредственно в холодильных камерах или в камерах, озонированны?

перед загрузкой продуктов. Исследования показали эффективность хранения лука, моркови, белокочанной капусты при периодическом озонировании (небольшими концентрациями) воздуха овощехранилищ.

Озон – вещество нестойкое, распадается на молекулярный и атомарный кислород, последний является сильным окислителем и определяет дезинфицирующие свойства озона.

Поскольку чувствительность различных микроорганизмов к Одному и тому же химическому консерванту неодинакова, целесообразно применение их смеси, подбирая ее с таким расчетом, чтобы один консервант дополнял другой в отношении воздействия на микрофлору продукта.

На принципе антисептики основано копчение мясных и рыбных продуктов. При копчении продукты пропитываются летучими антисептическими веществами дыма или аналогичными антисептиками коптильной жидкости, которую применяют вместо дыма. Исследования (В. И. Курков, Йнгрэм и др.) показали, что из компонентов коптильного дыма наибольшим бактерицидным и фунгицидным действием обладают формальдегид фенолы и органические кислоты. Однако на микрофлору продукта оказывают влияние и другие факторы. При холодном копчении – некоторое обезвоживание продукта (при сушке) и повышенное содержание соли, при горячем копчении большую роль играет высокая температура.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

В естественных условиях обитания, в том числе на пищевых продуктах, совместно развиваются различные микроорганизмы. Взаимоотношения, устанавливающиеся между ними, могут быть многообразными. В одних случаях совместная жизнь двух или . нескольких видов приводит к взаимной пользе и совместно они развиваются даже лучше, чем каждый в отдельности. Такой тип взаимоотношений называется симбиозом. Между симбионтами происходит частичный обмен продуктами жизнедеятельности. Примером симбиоза может служить совместное развитие молочнокислых бактерий и дрожжей. Молочнокислые бактерии, продуцируя молочную кислоту, создают условия, благоприятные для роста дрожжей, а продукты жизнедеятельности дрожжей (например, витамины) используются молочнокислыми бактериями. Дрожжи, кроме того, потребляют кислоту, а снижение кислотности среды благоприятствует росту молочнокислых бактерий. Симбиотические взаимоотношения этих микроорганизмов используются в процессе изготовления некоторых кисломолочных продуктов (кефира, кумыса).

Если взаимная польза не выражена отчетливо, но сожительство не приносит вреда организмам, то говорят о комменсализме. Примером такой формы сожительства может служить нормальная микрофлора организма человека.

Форма взаимоотношений, когда совместная жизнь приносит выгоду только одному организму, а другому наносит вред, называется паразитизмом. Паразитами являются возбудители болезней человека, животных и растений. Примером паразитизма служит развитие бактериофага за счет живых бактерий, которые он разрушает.

Между микроорганизмами очень распространены взаимоотношения, когда жизнедеятельность одних микробов способствует развитию других или когда один живет за счет продуктов жизнедеятельности другого, не причиняя ему вреда. Этот тип взаимоотношений называют метабиозом. Например, микроорганизмы, расщепляющие белки на более простые соединения, создают возможность для развития других микроорганизмов, которые сами не могут разлагать белок и усваивают только продукты его распада. Совместным действием различных микроорганизмов обусловлена последовательность превращений одних веществ в другие, что постоянно наблюдается в природе, а также в пищевых продуктах при их микробной порче. Дрожжи, например, развиваясь в сахаристых субстратах, превращают сахар в этиловый спирт. В среде, содержащей спирт, могут развиваться уксуснокислые бактерии, окисляющие спирт в уксусную кислоту, а уксусная кислота в свою очередь используется плесенями.

Между микроорганизмами распространены также антагонистические взаимоотношения, когда один вид микробов угнетает или приостанавливает развитие другого и даже вызывает его гибель. Антагонистические взаимоотношения в мире микробов являются одним из важных факторов, определяющих состав микрофлоры природных субстратов. Во многих случаях антагонистические взаимоотношения обусловливаются неблагоприятным действием продуктов жизнедеятельности одного вида на другой.

Молочнокислые бактерии, например, являются антагонистами гнилостных бактерий, так как продукт энергетического обмена первых – молочная кислота – тормозит развитие вторых. Антагонистические взаимоотношения между этими группами микроорганизмов используют при переработке ряда пищевых продуктов (при квашении овощей, изготовлении кисломолочных продуктов и др.).

Идея использования антагонизма между молочнокислыми и гнилостными бактериями принадлежит И. И. Мечникову.