میکروبیولوژی مواد غذایی رضا حاجی​محمدی فریمانی 1397 بخش یک

منابع Montville, T. & Matthews, K.R. (2008) Food Microbiology. ASM press Jay, J. M., et al. (2005) Modern Food Microbiology میکروبیولوژی غذایی مدرن (جی) ترجمه دکتر علی مرتضوی و همکاران. انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد. دو جلد جلد اول معرفی باکتری‌ها، کپک‌ها و مخمرها خصوصیات درونی و عوامل خارجی موثر بر فعالیت باکتری‌ها در مواد غذایی روش‌های شناسایی و شمارش میکرب‌ها در مواد غذایی فساد مواد غذایی جلد دوم روش‌های مختلف نگهداری مواد غذایی شاخص‌های کیفی و ایمنی مواد غذایی، اصول کنترل کیفیت و معیارهای میکروبی بیماری‌های ناشی از مصرف مواد غذایی میکروبیولوژی مواد غذایی (1381) (ویلیام فریزیر و دنیس وستهوف) ترجمه دکتر سیدعلی مرتضوی و همکاران. انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد اطلس میکروبیولوژی مواد غذایی ترجمه دکتر سیدعلی مرتضوی و همکاران. انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد

مباحث مطرح در میکروبیولوژی مواد غذایی عوامل موثر بر فعالیت میکروب‌ها در مواد غذایی معرفی باکتری‌ها، کپک‌ها و مخمرهای موجود در مواد غذایی روش‌های شناسایی و شمارش میکرب‌ها در مواد غذایی روش‌های مختلف نگهداری مواد غذایی فساد مواد غذایی بیماری‌های ناشی از مصرف مواد غذایی آلوده معیارهای میکروبی، شاخص‌های کیفی و ایمنی مواد غذایی، استراتژیهای تضمین ایمنی غذایی

مقدمه تعریف میکروبیولوژی مطالعه میکروبیولوژی عبارت است از مطالعه میکرب​ها و به عبارتی موجودات زنده ذره‌بینی که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نمی​باشند. پنج گروه مهم میکروب​ها عبارتند از: باکتری​ها، جلبک​ها، قارچ​ها، پروتوزوآها، و ویروس​ها. گروه‌های کوچکتر دیگری نظیر پرایون‌ها و وایروئیدها نیز وجود دارند که در میکروبیولوژی مطالعه می​شوند. آنچه که همگی این موجودات را به هم ربط می​دهد، اندازه کوچک آنها می​باشد.

اهمیت میکروبیولوژی؟ نقش مثبت تولید فرآورده‌های مختلف مثل: ماست، دوغ، پنیر، سرکه، انواع ترشی‌جات و شوری‌جات، خمیر مایه و خمیر ترش (مورد استفاده در صنعت نان)؛ تولید پروتئین تک‌یاخته (single cell protein)؛ تصفیه فاضلاب و تولید بیوگاز؛ تداوم چرخه مواد (نیتروژن، کربن، اکسیژن و ...) در طبیعت از طریق نقش ساپروفیتی نقش منفی بیماریزایی مسمومیت فساد مواد غذایی

تاریخچه 1- دوره جمع‌آوری غذا (یک میلیون سال تا هشت هزار سال قبل) بشر گوشتخوار بوده و از مواد خوراکی گیاهی نیز استفاده می‌کرده است. احتمالاً در همین دوره فن پخت و پز را برای اول بار آموخته است. 2- دوره تولید غذا (از هشت تا ده هزار سال قبل شروع شده و تا زمان حال ادامه دارد) مشکل فساد، مسمومیت غذایی و انتقال بیماری‌ها به واسطه غذا به دلیل روش‌های نامناسب نگهداری استفاده از نمک، خشک کردن، تخمیر، برف و پختن برای نگهداری مواد غذایی توسعه یافت اگر چه سازوکار عمل آن در جلوگیری از فساد، برای انسان‌های آن عصر نامشخص بود.

عوامل موثر بر رشد میکرب‌ها در مواد غذایی علت اهمیت مطالعه عوامل موثر بر رشد میکروب؟ ممانعت از فساد غذایی (Food Spoilage) و مسمومیت غذایی (Food Poisoning)  محدود کردن شرایط رشد میکروب‌ها تولید مواد غذایی و محصولات مفید به کمک میکروب‌ها به منظور ایجاد تنوع و ماندگاری بیشتر (Fermentation & Preservation)  فراهم کردن شرایط رشد میکروب‌ها

عوامل موثر بر رشد میکرب‌ها در مواد غذایی عوامل داخلی pH میزان رطوبت پتانسیل اکسیداسیون احیا (Eh) وجود مواد مغذی ترکیبات ضدمیکروبی ساختمان بیولوژیک عوامل خارجی دمای نگهداری رطوبت نسبی محیط حضور و غلظت گازها حضور و فعالیت دیگر میکروب‌ها

عوامل داخلی (INTRINSIC PARAMETERS) pH میزان رطوبت پتانسیل اکسیداسیون احیا (Eh) وجود مواد مغذی ترکیبات ضدمیکروبی ساختمان بیولوژیک

pH مشخص شده اغلب میکروب‌ها در pH حدود 7 بهتر رشد می‌کنند. حال آنکه تعداد معدودی از میکروب‌ها می‌توانند در pH کمتر از 4 رشد نمایند. به هر حال میکروب‌های مختلف، حساسیت متفاوتی نسبت به تغییرات pH از خود نشان می‌دهند. باکتری‌ها در مقایسه با کپک‌ها و مخمرها حساسیت بیشتری در مقابل تغییرات pH از خود نشان می‌دهند. در میان باکتری‌ها، باکتری‌های بیماریزا حساس‌تر می‌باشند. کپک‌ها قادر به رشد در دامنه pHهای اسیدی تا قلیایی (11-0= pH) می‌باشند.

pH نهایی فرآورده‌های گوشتی و دریایی در محدوده 5/6 و بالاتر می‌باشد؛ به همین جهت اغلب به فساد باکتریایی و فساد حاصل از مخمرها و کپک‌ها دچار می‌شوند.

بطور کلی pH میوه‌ها کمتر از pH سبزی‌ها می‌باشد.

گوشت حاصل از کشتار دام‌ها خسته، سریع‌تر از گوشت حاصل از دام‌هایی که قبل از کشتار استراحت کرده‌اند فاسد می‌شود. قند گلیکوژن  اسید لاکتیک کاهش pH

مواد غذایی اسیدی غذاهایی که ماهیت اسیدی دارند؛ غذاهایی که با فعالیت میکروب‌ها اسیدی می‌شوند (محصولات تخمیری) یا با افزودن مستقیم اسیدهای خوراکی همچون اسید سیتریک و اسید استیک، اسیدی می‌شوند. وجود ترکیبات بافری (مثل پروتئین‌ها) در گوشت و شیر، سبب کاهش نوسانات pH می‌شود. در سبزی‌ها به دلیل پایین بودن ترکیبات پروتئینی، در نتیجه رشد و تکثیر میکروب‌ها، pH به راحتی تغییر می‌کند. از این موضوع در فرآورده‌های تخمیری برای نگهداری مواد غذایی استفاده می‌شود.

علاوه بر غلظت، نوع اسید نیز بر فعالیت میکروب‌ها موثر است. برخی اسیدها به ویژه اسیدهای آلی، نسبت به سایر اسیدها قدرت بازدارندگی بیشتری دارند. برای مثال برخی باکتری‌های لاکتوباسیلوس در مجاورت اسیدهای سیتریک، کلریدریک، فسفریک و تارتاریک می‌توانند در pHهای پایین‌تر نیز فعالیت کنند حال آنکه به اسید استیک و اسید لاکتیک حساس می‌باشند. خواص بازدارنده بسیاری از اسیدهای آلی مثل اسید استیک، اسید بنزوئیک، اسید سیتریک، اسید لاکتیک، اسید پروپیونیک و اسید سوربیک موجب شده کاربرد گسترده‌ای در نگهداری مواد غذایی داشته باشند.

مقابله میکروب‌ها با اثرات منفی pH آنزیم‌ آمینو اسید دِکربوکسیلاز: با جدا کردن گروه کربوکسیل از اسید آمینه، ترکیبات آمینی ایجاد کرده و pH را افزایش می‌دهد. این آنزیم در pH حدود 4 فعال می‌باشد. بنابراین توانایی رشد و تکثیر در محیط اسیدی را به میکروب می‌دهد. آنزیم آمینو اسید دِآمیناز: آمین را از اسیدهای آمینه جدا کرده و اسیدهای آلی ایجاد می‌کند. در نتیجه pH کاهش می‌یابد. این آنزیم در pH حدود 8 بیشترین کارایی را دارد. بنابراین توانایی رشد و تکثیر در محیط قلیایی را به میکروب می‌دهد. آمین‌های بیوژنیک

محتوای رطوبت ماده غذایی خشک کردن مواد غذایی یکی از قدیمی‌ترین روش‌های نگهداری مواد غذایی است. کلیه میکروب‌ها به حداقل معینی رطوبت در ماده غذایی برای رشد و فعالیت خود نیاز دارند. در اصطلاح علمی به این نیاز رطوبتی «فعالیت آب» یا water activity گویند و با نماد اختصاری aw نمایش می‌دهند. تعریف: نسبت فشار بخار آب ماده غذایی به فشار بخار آب خالص در یک دمای معین را فعالیت آب گویند. P: فشار بخار آب ماده غذایی P0: فشار بخار آب خالص ERH: رطوبت نسبی تعادلی مقدار aw همیشه بین صفر تا یک می‌باشد.

ارتباط بین فعالیت آبی و غلظت محلول‌های نمکی

باکتری‌ها در مقایسه با کپک‌ها به aw بیشتری نیازمند می‌باشند.

سازوکار مقاومت برخی میکروب‌ها در برابر aw پایین جمع‌آوری و افزایش مقدار اسیدهای آمینه جاذب آب در سلول (مثل استافیلوکوکوس اُرئوس) انتقال کربوهیدرات‌های پلی‌هیدریک (مثل گلیسرول) و ترکیبات تنظیم کننده فشار اسمزی (osmoregulators) به درون سلول (مخمرهای اسموفیل) افزایش نمک کلرور پتاسیم (KCl) در درون سلول (باکتری‌های هالوفیل)

روش‌های خارج کردن آب از دسترس میکروب‌ها مواد حل شونده و یون‌ها (مثل شکر و نمک) استفاده از صمغ‌ها و ترکیبات ایجاد کننده ژل (مثل آگار، پکتین و ...) خشک کردن انجماد

پتانسیل اکسیداسیون و احیا (O/R, Eh) توانایی یک ماده در کسب یا از دست دادن الکترون ترکیب یک ماده با اکسیژن واحد پتانسیل اکسیداسیون احیا میلی ولت (mV) می‌باشد.

احیا کننده (بی‌هوازی) اکسید کننده (هوازی)

میکروب‌های هوازی مثل باسیلوس‌ها، میکروکوکوس‌ها و سودوموناس‌ها برای رشد خود به Eh مثبت (ترکیبات اکسید شونده) نیاز دارند. میکروب‌های بی‌هوازی مثل کلستریدیوم‌ها و باکتریودس به Eh منفی نیاز دارند. برخی باکتری‌های هوازی، در شرایطی که کمی احیا شده باشد بهتر رشد می‌کنند. به این میکروب‌ها، میکروآئروفیل گویند. برخی باکتری‌ها در شرایط هوازی و بی‌هوازی قادر به رشد می‌باشند. این قبیل باکتری‌ها را بی‌هوازی اختیاری (Facultative anaerobes) می‌نامند. اکثر مخمرها و کپک‌ها که درون غذا یا بر سطح آن رشد می‌کنند از انواع هوازی می‌باشند. Eh فرآورده‌های گیاهی، به ویژه عصاره میوه‌ها و سبزی‌ها، بین 300+ تا 400+ میلی‌ولت است. بنابراین، جای تعجب نیست که عامل اصلی فساد این نوع مواد غذایی، قارچ‌ها و باکتری‌های هوازی باشند. قطعات بزرگ گوشت دارای Eh حدود 200- میلی‌ولت هستند ولی Eh گوشت‌های چرخ کرده بین 200+ تا 200- میلی‌ولت متغیر است.

میکروب‌های هوازی می‌توانند همزمان با کاهش pH مقدار Eh محیط را نیز کاهش دهند. این پدیده نتیجه مصرف اکسیژن و تولید مواد احیا کننده‌ای مثل سولفید هیدروژن (H2S) می‌باشد. سولفید هیدروژن از جمله متابولیت‌هایی است که قادر است Eh سوبسترا را تا حدود 300- میلی‌ولت پایین آورد. از آنجایی که سولفید هیدروژن به سرعت با اکسیژن واکنش می‌دهد، تنها در محیط‌های بی‌هوازی تجمع پیدا می‌کند. باکتری‌هایی مثل کلستریدیوم پِرفِرینجنس و باکتریودس فِراجیلیس در حضور اکسیژن هیچ وقت تکثیر نمی‌شوند، حتی اگر Eh محیط اختصاصی آنها منفی و حدود 50- میلی‌ولت باشد. این باکتری‌ها در محیط‌های فاقد اکسیژن حتی اگر Eh محیط برای مثال 325+ باشد توانایی رشد و تکثیر دارند.

وجود ترکیبات مغذی میکروب‌ها برای رشد و تکثیر و انجام فعالیت‌های طبیعی خود به مواد مغذی احتیاج دارند. این مواد شامل: 1- آب 2- منابع کربن و انرژی 3- منابع ازت 4- ویتامین‌ها و سایر عوامل مرتبط با رشد 5- املاح قارچ‌ها از نظر چهار عامل (دوم تا پنجم) دارای حداقل احتیاجات و پس از آن به ترتیب مخمرها، باکتری‌های گرم منفی و باکتری‌های گرم مثبت قرار دارند. کم‌توقع قارچ‌ها > مخمرها > باکتری‌های گرم منفی > باکتری‌های گرم مثبت پرتوقع

برخی میکروب‌ها نمی‌توانند قند لاکتوز شیر را مصرف کنند بنابراین در شیر رشد نمی‌کنند. برخی مخمرها نمی‌توانند قند مالتوز را مصرف کنند. از نظر منبع انرژی، باکتری‌ها بر اساس توانایی یا عدم توانایی در استفاده از قندها و الکل‌های مختلف شناسایی و طبقه‌بندی می‌شوند. اکثر میکرب‌ها قادرند قند گلوکز را مصرف کنند هر چند قدرت تجزیه سایر قندها را نداشته باشند. برخی کپک‌ها و باکتری‌ها توانایی هیدرولیز پکتین را دارا می‌باشند بنابراین با حمله به بافت میوه‌ها، سبزی‌ها و فرآورده‌های تخمیری آنها را نرم و فاسد می‌کنند. باکتری‌های گرم مثبت، کمترین توان تولید ویتامین‌های مورد نیاز خود را دارند لذا باید همواره یک یا چند ویتامین مورد نیاز آن‌ها را در محیط کشت فراهم کرد. گوشت‌ها از نظر ویتامین‌های گروه (ب) و میوه‌ها از نظر ویتامین (ث) یا همان اسید آسکوربیک غنی هستند.

باکتری‌ها از نظر نیاز به ویتامین‌ها و فاکتورهای رشد متفاوت می‌باشند باکتری‌ها از نظر نیاز به ویتامین‌ها و فاکتورهای رشد متفاوت می‌باشند. برخی مثل استافیلوکوکوس اُرِئوس فقط تعدادی از ترکیبات مورد نیاز خود را تولید می‌کند. برخی مثل سودوموناس و اشریشیا کُلی قادر به تولید تمام ترکیبات مورد نیاز خود می‌باشند. بعضی میکرب‌ها مثل باکتری‌های لاکتیکی و انوع باکتری‌های بیماریزا قدرت تولید هیچ یک از ویتامین‌ها و فاکتورهای رشد را ندارند لذا گسترش آن‌ها در مواد غذایی مختلف محدودتر است و در صورتی که بخواهیم آن‌ها را در محیط آزمایشگاهی رشد دهیم باید ترکیبات مغذی مورد نیازشان را تامین کنیم. به طور کلی هر چه محیط رشد یک میکرب از نظر مواد مغذی مناسب‌تر باشد، محدوده دما، pH و aw مناسب برای رشد وسیع‌تر خواهد بود.

ترکیبات ضدمیکروبی برخی گیاهان دارای روغن‌های اسانسی می‌باشند که نقش ضدمیکروبی دارند. شیر گاو حاوی چند ترکیب ضدمیکروبی است. این ترکیبات شامل لاکتوفرین، کونگلوتینین و سیستم لاکتوپراکسیداز می‌باشد. کازئین و برخی اسیدهای چرب آزاد تحت شرایط خاص می‌توانند خواص ضدمیکروبی داشته باشند. تخم مرغ دارای لیزوزیم می‌باشد که همراه با کونالبومین سیستم دفاعی کارآمدی را برای تخم مرغ‌های تازه به وجود می‌آورد.

ساختمان بیولوژیک پوشش طبیعی برخی مواد غذایی، محافظ بسیار خوبی در برابر تهاجم میکروب‌ها می‌باشد. پوشش سطحی میوه‌ها و پوسته خارجی دانه‌ها پوسته آهکی تخم مرغ فلس ماهی و پوسته نازک سطح خارجی گوشت

عوامل خارجی (EXTRINSIC PARAMETERS) دمای نگهداری رطوبت نسبی محیط حضور و غلظت گازها حضور و فعالیت دیگر میکروب‌ها

دما آگاهی از دمای رشد و فعالیت میکروب‌ها این امکان را برای ما فراهم می‌کند که بتوانیم برای نگهداری و انبار کردن مواد غذایی، دمای مناسبی پیشنهاد دهیم. علاوه بر این در مورد محصولات تخمیری فراهم کردن شرایط مناسب از جمله دما برای فعالیت میکروب‌های مفید ضروری می‌باشد. میکروب‌ها در ارتباط با دما به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند: سرمادوست (psychrophil): در دامنه دمایی 5- تا کمتر از 20 درجه سانتی‌گراد به خوبی رشد کرده و دمای بهینه رشدشان حدود 10 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. معتدل­دوست (mesophil): در دامنه دمایی 20 تا 45 درجه سانتی‌گراد به خوبی رشد می‌کنند و دمای بهینه رشد آن‌ها بین 30 تا 40 درجه سانتی‌گراد است. گرمادوست (thermophil): در دمای بالاتر از 45 درجه سانتی‌گراد به خوبی رشد کرده و دارای دمای بهینه رشد 55 تا 65 درجه سانتی‌گراد می‌باشند. سایکروتروف‌ها (psychrotrophs) و ترمودیوریک‌ها (thermodurics) ؟

سودوموناس (Pseudomonas) و انتروکوکوس (Enterococcus)، مهمترین باکتری‌های سایکروتروف عامل فساد انواع گوشت قرمز، ماهی، مرغ، تخم مرغ و ... نگهداری شده در یخچال (ºC 7-5) می‌باشند. بسیاری از قارچ‌ها از جمله آسپرژیلوس، کلادوسپوریوم و تامنیدیوم قادرند در دماهای یخچال روی تخم مرغ، گوشت و میوه‌ها رشد نمایند. مخمرها بیشتر به سرما و شرایط دمایی معتدل محیط تمایل دارند و کمتر در دامنه مناسب گرمادوست­ها فعالیت می‌کنند. اکثر باکتری‌های گرمادوست­ موجود در مواد غذایی به دو جنس باسیلوس و کلستریدیوم وابسته بوده و در صنعت کنسروسازی مهم می‌باشند.

رطوبت نسبی اهمیت رطوبت نسبی انبار ثبات aw در مواد غذایی انبار شده رشد و تکثیر میکروب‌ها در سطح فرآورده غذایی به طور کلی، دمای بالاتر موجب رطوبت نسبی کمتر می‌شود و برعکس. غذاهایی که (توسط مخمرها، کپک‌ها و یا باکتری‌ها) به فساد سطحی دچار می‌شوند باید در انبارهای با رطوبت نسبی کم نگهداری شوند. انتخاب رطوبت نسبی محیط بر اساس توجه به دو موضوع ذیل: فساد سطحی در کدام رطوبت نسبی رخ می‌دهد؟ حداقل تغییرات کیفی محصول در چه رطوبت نسبی پدید می‌آید؟

حضور و غلظت گازها در محیط دی اکسید کربن (CO2) مهمترین گاز اتمسفر است که از آن می‌توان برای کنترل میکروب‌ها استفاده کرد. اُزُن (O3) یکی دیگر از گازهاست که خواص ضدمیکروبی دارد و در ضدعفونی آب و سبزی‌ها استفاده می‌شود ولی چون اکسید کننده قوی می‌باشد و موجب فساد چربی‌ها می‌شود نمی‌توان از آن برای نگهداری مواد غذایی دارای چربی همچون انواع گوشت قرمز و سفید استفاده کرد. امروزه در انبارهایی به نام انبارهای با اتمسفر کنترل شده، ترکیب اتمسفر انبار را عموما با افزایش غلظت دی اکسید کربن تغییر می‌دهند. در دنیا میوه‌هایی مثل سیب و گلابی در انبارهای با اتمسفر کنترل شده نگهداری می‌شوند. توسعه کاربرد بسته‌بندی تحت خلاء و بسته‌بندی اصلاح شده (MAP)

حساسیت باکتری‌های گرم منفی به CO2 بیشتر از باکتری‌های گرم مثبت است.

حضور و فعالیت سایر میکروب‌ها برخی میکروب‌ها نسبت به دیگر میکروب‌ها، سریع­تر رشد و تکثیر می­کنند، به همین دلیل مواد مغذی موجود در محیط کشت را به سرعت مصرف کرده و با مصرف اکسیژن و کاهش pH، شرایط را برای دیگر میکروب­ها نامناسب می­کنند. برخی میکروب‌ها ترکیباتی تولید می‌کنند که از رشد و تکثیر سایر میکروب‌ها جلوگیری می‌کنند. از جمله این ترکیبات می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد: اسیدهای آلی پراکسید هیدروژن (H2O2) آنتی‌بیوتیک‌ها و باکتریوسین‌ها

اثر متقابل میکروب‌ها بر همدیگر (Microbial Interaction)