Основы микробиологии, физиологии питания и санитарии

Федеральное агентство по образованию Набережночелнинский государственный торгово-технологический институт Методическое пособие для студентов заочной формы обучения ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ, ФИЗИОЛОГИИ ПИТАНИЯ И САНИТАРИИ Набережные Челны 2008 год Основы микробиологии, физиологии питания и санитарии: Методическое пособие для студентов заочной формы обучения / Составитель: М.А. Куликова. — Набережные Челны: НГТТИ, 2008. — 57 с.

Методическое пособие предназначено для студентов заочного отделения, обучающихся по специальности 260 502.51 «Технология продукции общественного питания».

Пособие содержит необходимый материал по всем разделам курса «Основы микробиологии, физиологии питания и санитарии» которые изучаются студентами, получающими среднее профессиональное образование. Оно также может быть использовано студентами дневного обучения в учебном процессе, при организации обобщающего тематического или итогового повторения.

В пособие включены основные темы дисциплины, вопросы для самопроверки, методические рекомендации по выполнению контрольной работы, даны вопросы для подготовки к экзамену.

Рецензент: Смирнова А. В. — кандидат биологических наук, доцент.

Печатается по решению Ученого совета Набережночелнинского государственного торгово-технологического института Набережночелнинский государственный торгово-технологический институт, 2008 год

Введение

Предмет и задачи микробиологии Тема 1. Морфология и классификация микроорганизмов

1.1 Бактерии

1.2 Плесневые грибы

1.3 Дрожжи

1.4 Вирусы и фаги Тема 2. Физиология микроорганизмов

2.1 Обмен веществ у микроорганизмов

2.2 Ферменты микроорганизмов

2.3 Химический состав микроорганизмов

2.4 Питание микроорганизмов

2.5 Дыхание микроорганизмов Тема 3. Влияние условий внешней среды на развитие микроорганизмов

3.1 Влияние физических факторов

3.1.1 Влияние температуры

3.1.2 Влияние влажности среды

3.1.3 Влияние концентрации веществ, растворенных в среде

3.1.4 Влияние различного рода излучений

3.2 Влияние химических факторов

3.2.1 Влияние реакции среды

3.2.2 Действие ядовитых веществ

3.3 Влияние биологических факторов Тема 4. Распространение микроорганизмов в природе

4.1 Микрофлора почвы

4.2 Микрофлора воды

4.3 Микрофлора воздуха

4.4 Микрофлора тела здорового человека Тема 5. Патогенные микроорганизмы

5.1 Свойства патогенных микроорганизмов. Защитные силы организма в борьбе с инфекциями

5.2 Пищевые заболевания микробной природы

5.2.1 Пищевые инфекции

5.2.2 Пищевые отравления бактериального происхождения

5.3 Микотоксикозы

5.4 Токсикоинфекции

5.5 Пищевые отравления немикробного происхождения

5.6 Гельминтозы и их профилактика Тема 6. Микробиология важнейших пищевых продуктов

6.1 Микробиология мяса и мясных продуктов

6.2 Микробиология яиц и яичных продуктов

6.3 Микробиология рыбы и рыбных продуктов

6.4 Микробиология стерилизованных баночных консервов

6.5 Микробиология молока и молочных продуктов

6.6 Микробиология плодов и овощей Методические рекомендации по выполнению контрольной работы Перечень вопросов к экзамену Литература

Предмет и задачи микробиологии

Микробиология (греч. micro — малый, bios — жизнь, logos — учение) — наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах, названных микробами или микроорганизмами. Она изучает закономерности их жизни и развития, а также изменения, вызываемые ими в организме людей, животных, растений и в неживой природе.

Развитие микробиологии, как и других научных дисциплин, находится в тесной зависимости от способов производства, запросов практики, общего прогресса науки и техники. В настоящее время в соответствии с потребностями общества микробиология дифференцировалась на:

· медицинскую — изучает патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, и разрабатывает методы диагностики, профилактики и лечения этих болезней;

· сельскохозяйственную — изучает возбудителей, разрабатывает различные методы борьбы с ними, изучает роль микроорганизмов в образовании и плодородии почв, в питании растений, совершенствует методы приготовления бактериальных удобрений;

· ветеринарную — изучает возбудителей заболеваний животных, разрабатывает методы диагностики этих болезней, способы лечения;

· промышленную (биотехнология) — изучает вопросы совершенствования и расширения технологии по получению пищевого белка, пищевого сырья из непищевого, значительное расширение производства кормового белка для сельскохозяйственных животных и т. д.;

· пищевую — изучает микроорганизмы, применяемые в изготовлении разнообразных пищевых продуктов путем микробиологического синтеза, а также способы предотвращения их порчи, вызываемой микроорганизмами;

· водную — исследует микроорганизмы водоемов, их роль в пищевых цепях, в загрязнении и очистке питьевой и сточных вод;

· геологическую — изучает роль микроорганизмов в образовании и разложении руд, получение из этих руд металлов, в образовании полезных ископаемых, в круговороте наиболее важных биогенных элементов;

· генетическую — рассматривает молекулярные основы наследственности и изменчивости микроорганизмов;

· космическую — занимается изучением влияния космических условий на земные организмы, разрабатывает методы использования микроорганизмов в космических кораблях для обеспечения нормальных условий жизни при длительном пребывании человека в космосе;

· военную — создание и производство бактериологического оружия.

Микробиология — относительно молодая наука, ее история насчитывает не более 300 лет. В истории микробиологии можно выделить два периода: морфологический и физиологический. Первый связан с именем голландца Антония Ван Левенгука (1632—1723), который в конце XVII в. создал первые микроскопы, увеличивающие предметы в 160—300 раз. Второй связан с именем великого французского ученого Луи Пастера (1822—1895).

Он изучал различные виды брожения, доказал, что микроорганизмы вызывают болезни вина и пива, гниение и распад мочевины. Л. Пастером были открыты возбудители таких заболеваний, как сибирская язва и бешенство. Против бешенства он создал вакцину.

Изучение курса ставит задачей дать специалистам знания, необходимые для практической деятельности, исходя из того, что современные методы сохранения пищевых продуктов основаны, главным образом, на изучении жизнедеятельности микроорганизмов. Кроме того, многие микроорганизмы весьма широко используются в различных отраслях пищевой промышленности при изготовлении пищевых продуктов, для улучшения их качества и интенсификации технологических операций. Без знаний по микробиологии и санитарии невозможно осуществлять и совершенствовать микробиологический и санитарный контроль магазинов, разрабатывать эффективные меры по предотвращению развития и уничтожению посторонней нежелательной микрофлоры, а также обеспечивать население доброкачественными продуктами питания.

ТЕМА 1. МОРФОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Морфология микроорганизмов изучает форму и особенности строения клеток, способность двигаться, образовывать споры, способы размножения и др. По современным представлениям все живые организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две большие группы:

— прокариоты (доядерные). К ним относят бактерии, т.к. у них нет ядра, а есть только одна внутренняя полость, образуемая клеточной оболочкой.

— эукариоты (ядерные). К ним относят животных, растения и грибы, у них имеется ядро с ядрышком, окруженное ядерной мембраной.

Организмы, не имеющие клеточного строения — акариоты (вирусы).

Микроорганизмы — это мельчайшие, невидимые невооруженным глазом, в большинстве своем одноклеточные живые организмы, широко распространенные в природе и относящиеся к животному и растительному миру. Величина их исчисляется микрометрами (1 мкм = 1/1000 м) и нанометрами (1 нм = 1/ 1000 мкм).

1.1 Бактерии

В мире микроорганизмов бактерий по численности около 4000 видов.

Существуют три основные формы бактерий: шаровидная (кокки), палочковидная и извитая, или спиралевидная.

Размеры бактерий ничтожно малы, поперечное сечение клеток большинства бактерий не превышает 0,5−0,8 мкм, средняя длина палочковидных бактерий от 0,5 до 3 мкм. Объем бактериальной клетки в среднем — 0,07 мкм.

Бактериальная клетка снаружи покрыта жесткой клеточной стенкой. Она придает форму клетке, предохраняет ее от неблагоприятных воздействий. Она обладает свойством полупроницаемости — через нее питательные вещества проникают в клетку, а продукты жизнедеятельности выходят в окружающую среду. Функция регулятора обмена веществ присуща всей оболочке, но в большей мере — цитоплазматической мембране. Нарушение ее целостности приводит к гибели клетки.

Цитоплазма — прозрачная, полужидкая масса белковой природы. Она содержит воду до 70−80% от массы клетки, ферменты, аминокислоты, набор РНК, субстраты и продукты обмена веществ клетки. В цитоплазме располагаются остальные жизненно важные структуры клетки — нуклеод (нити ДНК), рибосомы, а также запасные вещества различной природы. Нуклеод представляет собой ядерный аппарат прокариот, состоящий из двойной спирально закрученной нити ДНК.

Рибосомы — небольшие гранулы, рассеянные в цитоплазме, состоящие из РНК (60%) и белка (40%). В них осуществляется синтез клеточных белков из поступающих веществ.

В клетках бактерий имеются включения запасных питательных веществ. Они накапливаются при избытке тех или иных питательных веществ в среде, а расходуются при голодании клетки. Они имеют вид гранул или капелек. Гранулы могут быть представлены крахмалом, гликогеном, белком волютином. Запасной жир образует мелкие шарообразные капли.

Способностью к движению обладает примерно 1/5 часть бактерий. Это в основном многие палочковидные и все извитые формы бактерий. Неподвижными являются почти все шаровидные бактерии (кокки). Чаще всего движение осуществляется с помощью жгутиков — тонких нитей, состоящих из особого белка флагеллина. Длина жгутиков во много раз может превышать длину клетки.

Рост и размножение. Рост — это физиологический процесс, в ходе которого увеличиваются размеры и масса клетки. Рост бактериальной клетки ограничен, и, достигнув определенной величины, она перестает расти. Начинается процесс размножения, когда от материнской клетки отделяется дочерняя. Размножаются бактерии в благоприятных для их развития условиях путем деления клетки на две части каждые 20−30 минут. Их способность к размножению колоссальна. Так, одна бактерия за сутки может дать около 70 поколений. Скорость размножения зависит от температуры, условий питания и др. факторов.

В неблагоприятных условиях (повышение или понижение температуры, высушивание) большинство бактерий, которые могут находиться только в вегетативном состоянии, погибает, но некоторые из них превращаются в споры — покоящиеся клетки. В споровом состоянии бактерии жизнеспособны, но не жизнедеятельны (состояние «анабиоза»), они не нуждаются в питании, не способны размножаться. Способностью образовывать споры обладают почти исключительно палочковидные бактерии. В клетке образуется только одна спора. Споры устойчивы к воздействию температуры, выносят высушивание, воздействие ультрафиолетовых веществ. Устойчивость спор к высоким температурам нередко является причиной порчи продуктов, подвергшихся тепловой обработке. Термостойкость спор можно объяснить сравнительно невысоким содержанием свободной воды в их цитоплазме. Споры могут сохранять жизнеспособность десятки и даже сотни лет. Попав в благоприятные условия, спора поглощает воду и набухает, ее термоустойчивость снижается, возрастает активность ферментов, под действием которых растворяется оболочка, и спора прорастает в вегетативную клетку.

Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки бактерий.

Контрольные вопросы

1. Что изучает микробиология?

2. Каковы основные формы бактерий?

3. В каких единицах измеряются микроорганизмы?

4. Что могут образовывать бактериальные клетки при неблагоприятных условиях?

5. Благодаря чему обеспечивается движение бактериальной клетки?

1.2 Плесневые грибы

Плесневые грибы относятся к низшим растительным организмам. Их относят к растительным гетеротрофным организмам — эукариотам, лишенным хлорофилла. Тип грибов насчитывает свыше 100 000 видов. Одни грибы являются активными возбудителями порчи пищевых продуктов, товаров и материалов органического происхождения, другие используются в промышленности для изготовления сыров, получения органических кислот, ферментных препаратов, антибиотиков и т. д. Некоторые вызывают заболевания растений, человека и животных.

По строению клетки плесневые грибы принципиально не отличаются от клеток бактерий и дрожжей, но имеют одно, а иногда и несколько дифференцированных ядер. Клетки имеют сильно вытянутую форму и поэтому напоминают нити — гифы. Толщина их 1−15 мкм. Они сильно ветвятся, образуя переплетающуюся массу — мицелий, или грибницу. Мицелий является телом плесневых грибов. Большая часть гиф развивается над поверхностью субстрата (воздушный мицелий), на которой располагаются органы размножения, а часть — в толще субстрата (субстратный мицелий). Гифы у большинства мицелиальных грибов многоклеточные, в их клетках имеются поперечные перегородки — септы. Они не имеют жгутиков и относятся к неподвижным организмам.

Характерной является способность плесневых грибов развиваться при низкой влажности субстрата — около 15%, в связи с чем они могут поражать сухофрукты, сухари, а из непродовольственных товаров — бумагу, кожу, пряжу и ткани, прочность которых при этом значительно снижается. Они могут развиваться и при минусовых температурах (до -8єС), поэтому при длительном хранении мяса и рыбы температура не должна превышать (-20єС). Они активно поражают также товары, имеющие кислую среду (фрукты, квашеные овощи, сыры и др.).

Плесневые грибы размножаются бесполым и половым путем.

Вегетативное (бесполое) размножение происходит без образования каких-либо специализированных органов частями мицелия (любой кусочек мицелия, попадая на питательный субстрат, может разрастаться и дать начало новой грибнице) или отдельными клетками оидиями, образующимися в результате расчленения гиф на отдельные клетки, каждая из которых может развиться в новый мицелий. Наиболее типично для грибов размножение посредством спор. Споры образуются половым и бесполым путем. При бесполом способе споры образуются на особых гифах, отличающихся от других гиф строением и положением мицелия. У одних грибов такие споры образуются на вершине гиф, снаружи их (экзоспоры). Такие споры принято называть конидиями, а гифы, несущие на себе конидии — конидиеносцами.

У других грибов споры образуются внутри особых клеток, развивающихся на концах гиф. Эти клетки, обычно округлой формы и довольно крупных размеров, называют спорангиями. От несущей гифы спорангии отделены перегородкой, врастающей внутрь спорангия. Образующиеся в спорангиях в большом количестве споры (эндоспоры) — спорангиоспоры, а гифы несущие спорангии — спорангиеносцы. Спорангиоспоры образуются путем распада многоядерной цитоплазмы молодого спорангия на множество отдельных участков, которые постепенно обособляются, покрываются оболочкой и превращаются в споры.

При половом размножении вначале происходит слияние двух многоядерных гиф мицелия, которые представляют собой обычно короткие образования с небольшим утолщением на концах. Затем происходит попарное слияние ядер. Заканчивается половое размножение образованием плодовых тел.

Половые споры располагаются на пластинках или во вместилищах — сумках.

Грибы, способные размножаться половым путем, называют совершенными. Некоторые грибы вообще не размножаются половым путем. Их относят к несовершенным.

Многие грибы при наступлении неблагоприятных условий способны образовывать покоящиеся стадии в виде:

Склероции — твердые, обычно темные образования из плотно переплетенных гиф, они бывают различной формы.

Хламидоспоры — уплотненные за счет обезвоживания, покрытые толстой оболочкой отдельные участки гиф.

Они устойчивы к неблагоприятным условиям внешней среды, содержат мало воды, богаты запасными питательными веществами. Попадая в благоприятные для развития условия, они прорастают и образуют новый мицелий.

Классификация грибов по классам

1) хитридиомицеты — грибы, развивающиеся без образования или образующие слаборазвитый мицелий, а тело представляет голый протопласт. Размножаются бесполым путем, образуя подвижные жгутиковые споры. Большинство представителей класса являются внутриклеточными паразитами низших и высших растений. Гриб Ольпидиум брассика вызывает заболевание капустной рассады, а гриб Синхитриум эндобиотикум — бугристость клубней картофеля.

2) оомицеты — имеют хорошо развитый несептированный многоядерный мицелий; размножение бесполое — с помощью подвижных спор (зооспоры). При половом процессе образуются ооспоры. Многие грибы этого класса вызывают заболевания растений. Фитофтора поражает клубни и ботву картофеля, томаты, баклажаны. Плазмопара вызывает заболевания винограда, поражающие листья и ягоды — ложная мучнистая роса.

3) зигомицеты — имеют развитый одноклеточный мицелий. Размножение бесполое и половое. К этому классу относятся мукоровые грибы. Многие из них являются возбудителями порчи пищевых продуктов при их хранении. Развиваются на продуктах в виде пушистой белой или серой массы. Некоторые грибы играют положительную роль благодаря способности продуцировать органические кислоты, ферменты; сбраживать сахар в этиловый спирт; некоторые грибы способны вызывать заболевания человека и животных.

4) аскомицеты — сумчатые грибы с ветвистым септированным мицелием. Размножение осуществляется конидиями, а при половом размножении — аскоспорами, располагающимися в ослбых мешках — аскусах.

Среди них много паразитов культурных растений, возбудителей порчи пищевых продуктов, но имеются и используемые в промышленности как продуценты биологически ценных веществ (ферментов, витаминов, антибиотиков).

Грибы образующие плодовые тела, называют плодосумчатыми. Это грибы рода аспергиллус — производители лимонной кислоты из сахара, а их сухой мицелий находит применение при производстве спирта и пива. Грибок рода пенициллиум выращивают для получения лечебного препарата пенициллина, другие играют важную роль в созревании сыра «рокфор». Грибок склеротиния — распространенный и опасный возбудитель «белой гнили» плодов и овощей. Грибок спорынья — паразит различных злаковых растений.

Грибы, развивающиеся без образования плодовых тел — голосумчатые. Относятся к семейству эндомицетовых. Один из видов эндомицес является возбудителем «шеловой» порчи хлеба. Грибок эремотециум Эшби используется для промышленного получения витамина В₂. Дрожжеподобные грибки эндомицес вернализ находят применение в промышленности для получения жиров.

5) базидиомицеты — имеют ветвистый септированный мицелий; размножение половое и бесполое. К этому классу относятся все известные шляпочные грибы, трутовики (являются опасными разрушителями живой древесины, деревянных стройматериалов), домовые грибы (возбудители порчи мертвой древесины).

Паразитическими являются:

— головневые грибы — поражают зерновые культуры, вызывая болезнь, называемую головней. Пораженные растения кажутся обуглившимися или обожженными.

— ржавчинные грибы — на пораженных ими частях растений появляются ржавые пятна.

6) дейтеромицеты (несовершенные грибы) — имеют многоклеточный мицелий. Половое размножение у них отсутствует, они размножаются только бесполым путем, в основном конидиями. Наиболее распространенными и опасными возбудителями порчи продуктов являются следующие грибы:

Фузариум — возбудитель заболевания плодов и овощей (фузариоз), вызывает порчу картофеля (сухая гниль).

Ботритис — вызывает порчу лука, капусты, моркови, помидоров.

Альтернария — поражает корнеплоды в период хранения (черная гниль).

Оидиум — молочная плесень, часто развивается в виде бархатистой пленки на поверхности квашеных овощей и кисломолочных продуктов при их хранении.

Монилия — эти грибы являются активными возбудителями порчи плодов.

Фосия — среди грибов много паразитов растений, а также возбудителей порчи — фомоза овощей при хранении.

Кладоспориум — нередко обнаруживается при холодильном хранении на различных пищевых продуктах в виде бархатистых темно-оливковых пятен.

Контрольные вопросы

1. Каково строение тела плесневых грибов?

2. Как размножаются плесневые грибы?

3. Что могут образовывать плесневые грибы при наступлении неблагоприятных условий?

4. Какое название имеет грибница плесневого гриба?

1.3 Дрожжи

Группа дрожжей объединяет одноклеточные грибные организмы, не имеющие настоящего мицелия. Они широко распространены в природе и очень часто встречаются в почве, на плодах, особенно перезрелых, и листьях растений. Многие дрожжи применяют в ряде производств — хлебопечении, виноделии, производстве спирта, пивоварении, получении заквасок и других производствах, связанных с брожением, е.т. с превращением сахара в этиловый спирт и диоксид углерода под влиянием жизнедеятельности дрожжей. Однако спонтанное развитие дрожжей в пищевых продуктах, содержащих сахар, вызывает их порчу: продукт вспучивается, разрывается, происходит изменение его запаха и вкуса.

По форме дрожжи могут быть овальными, яйцевидными, округлыми, лимоновидными, реже — цилиндрическими, треугольными, серповидными, стреловидными, колбовидными и т. д. Размеры дрожжей варьируют от 1,5−2 до 10 мкм в поперечнике и до 2−20 мкм в длину.

Дрожжи относятся к эукариотным организмам. В каждой клетке имеется четко отграниченное от цитоплазмы ядро.

Различные представители этой группы микроорганизмов размножаются по-разному: вегетативно и спорами, образующимися бесполым и половым путем. К вегетативным способам размножения относятся: почкование, деление и почкующееся деление.

Почкование — на поверхности материнской (делящейся) клетки возникает маленький бугорок — почка, которая постепенно увеличивается почти до размеров материнской клетки и превращается в дочернюю клетку. Она отделяется от материнской, оставляя на месте прикрепления почковый рубец. На этом месте почка больше не образуется. Почкование характерно для дрожжей овальной и округлой формы.

Деление клетки в результате образования в ней поперечной перегородки — септы — характерно для дрожжей цилиндрической формы.

Почкующееся деление характеризуется тем, что образование дочерних клеток начинается с почкования, а заканчивается появлением хорошо заметной септы в районе перешейка. Такой способ размножения характерен для дрожжей лимоновидной формы.

При размножении с помощью спор, споры образуются внутри клетки и находятся в ней, как в сумке. Число спор в клетке разных видов дрожжей различно. Их может быть две, четыре, а иногда восемь и даже двенадцать. Споры большинства дрожжей округлые или овальные, у некоторых — игловидные, шляповидные. При бесполом образовании спор ядро клетки делится на столько частей, сколько образуется спор у данного вида дрожжей. Каждое новое ядро окружается цитоплазмой и покрывается оболочкой. Образованию спор половым путем предшествует слияние (копуляция) клеток.

По своей природе следует различать две группы дрожжей:

- культурные дрожжи, культивируемые человеком для производственно-хозяйственных целей, обладающие высокой бродильной способностью, придающие пищевым продуктам особый вкус и аромат.

- дикие дрожжи, находящиеся в окружающей среде, вызывающие порчу пищевых продуктов за счет глубокого окисления сахаров и в придании продуктам несвойственных вкуса и запаха. Некоторые способны вызывать тяжелые заболевания человека, поражая слизистые покровы, центральную нервную систему.

Классифицируют дрожжи в зависимости от способа их вегетативного размножения, способности к спорообразованию и некоторых физиологических признаков.

Обычно различают настоящие дрожжи — сахаромицеты (спорообразующие) и ложные дрожжи — несахаромицеты (не способны к образованию спор).

Контрольные вопросы

1. Каково значение дрожжей в сельском хозяйстве и в промышленности?

2. Каковы основные способы размножения дрожжей?

3. На какие два вида по своей природе делятся дрожжи?

1.4 Вирусы и фаги

Вирус (лат. — virus — яд) — это особая группа организмов меньших размеров и более простой организации, чем бактерии. Человек встречается с вирусами, прежде всего как с возбудителями наиболее распространенных болезней, поражающих человека, животных, растения и даже одноклеточные организмы — бактерии, грибы и простейшие.

Размер некоторых вирусов всего в несколько раз превышает размер крупных белковых молекул. Исчисляется он в нанометрах. Наиболее мелкими являются вирусы ящура (8−12 нм), вируса гриппа (80−120 нм), одним из наиболее крупных является вирус оспы (120−200 нм).

Вирусы не имеют клеточного строения. Они бывают шарообразной, палочковидной и сперматозоидной формы. Вирусная частица называется вирионом. Она состоит из двух нуклеиновых кислот и белка глобулина. Если она содержит ДНК, то такие вирусы паразитируют у человека и животных. РНК содержится в вирусах растений. Из белка построена одно-двухслойная оболочка, в которой заключена ДНК или РНК.

Вирусы являются внутриклеточными паразитами и размножаются только в живых клетках. Всю работу по производству молекул для вирусного потомства выполняет сама клетка-хозяин, которая предоставляет вирусу все свои возможности для синтеза вирусных белков и нуклеиновых кислот — сырье, ферменты, хорошо отлаженный аппарат для синтеза белка, механизмы транспорта. С зараженной клеткой происходит удивительная метаморфоза: она перестает работать по своей информации и узнавать свои собственные молекулы информационной РНК. Вместо этого клеточные рибосомы связывают вирусные информационные РНК и по их программе синтезируют вирусные белки.

Вирусы обладают разной устойчивостью к внешним воздействиям. Многие инактивируются при температуре 60єС в течении 30 минут, другие выдерживают температуру 90єС до 10 минут. Вирусы легко переносят высушивание и низкие температуры, но малоустойчивы ко многим антисептикам, УФЛ, радиоактивным излучениям.

Вирусы бактерий называют бактериофагами или фагами, вирусы грибов — микофагами, актиномицетов — актинофагами.

Размеры фагов колеблются от 40 до 140 нм. Проникая в клетки, бактериофаги вызывают их лизис — растворение клеточной стенки.

Бактериофаги наносят большой вред в молочной промышленности (производстве сыров, творога, сметаны) и в производстве маргарина. Они поражают в основном молочнокислые стрептококки заквасок, используемых для получения этих продуктов. В антибиотической промышленности актинофаги лизируют производственную культуру актиномицетов — продуцентов антибиотиков.

Некоторые фаги применяют в медицинской практике для профилактики или лечения заболеваний (дизентерии, холеры).

Контрольные вопросы

1. Какую группу микроорганизмов невозможно разглядеть обычным световым микроскопом? Что они вызывают?

2. В чем исчисляются размеры вирусов?

3. Каковы особенности размножения вирусов и фагов?

ТЕМА 2. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология микроорганизмов — наука об их питании, дыхании, росте, развитии, размножении, взаимодействии с окружающей средой и реакциях на внешние раздражители.

Знание физиологии микроорганизмов дает возможность понять, какие изменения происходят в пищевых продуктах, промышленных товарах и материалах при переработке или порче их под действием микробов.

2.1 Обмен веществ у микроорганизмов

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность химических превращений веществ, которые протекают в клетке в тесном взаимодействии с окружающей средой. Обмен веществ у микроорганизмов слагается из двух процессов: процессов конструктивного обмена (питание) и энергетического (дыхание).

Процесс питания организма состоит из поступления и усвоения пищи (ассимиляция). Поступившие извне вещества сначала расщепляются на более простые (распад или катаболизм) и из этих разнообразных низкомолекулярных соединений синтезируются сложные вещества (анаболизм). Это так называемый строительный обмен, поскольку постоянно происходит обновление клеточной структуры организма. Этот процесс преобладает в период роста.

Дыхание организма состоит из процессов расщепления и окисления органических веществ (диссимиляция), которая сопровождается освобождением энергии, необходимой для жизни и осуществления синтетических процессов. Этот процесс начинает преобладать у организмов к старости.

Оба эти противоположных процесса находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Они неотделимы один от другого, обуславливают рост, развитие и размножение организма. Конечные продукты обмена веществ выделяются во внешнюю среду.

Особенностью микробов является необычайно интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна клетка потребляет пищи (по массе) в 30−40 раз больше массы своего тела. Основная часть пищи расходуется в энергетическом обмене, при котором выделяется в среду большое количество продуктов обмена: кислот, спиртов, углекислого газа, водорода и др. Эта особенность микроорганизмов широко используется в практике переработки растительного и животного пищевого и непищевого сырья; она же вызывает явление быстрой порчи пищевых продуктов. Такая способность обусловливается наличием у микроорганизмов большого разнообразия ферментов.

2.2 Питание микроорганизмов

Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Поступление питательных веществ и воды в клетку и выделение продуктов обмена во внешнюю среду происходит через всю поверхность клеток. Проникновение питательных веществ в клетку всегда осуществляется за счет явлений осмоса и диффузии. Явление осмоса всегда возникает там, где есть два раствора с разной концентрацией веществ, разделенных между собой полупроницаемой мембраной. Проникновение через полупроницаемую перегородку воды и растворенных в ней веществ происходит по-разному. Вода всегда стремится в сторону большей концентрации, чтобы разбавить раствор. Скорость движения будет тем больше, чем больше будет разность концентраций растворенных веществ по обе стороны полупроницаемой мембраны. Каждое растворенное вещество движется в ту сторону, где его концентрация ниже. Движущей силой будет возникшее осмотическое давление т. е. та энергия, с какой оба вещества будут стремиться выровнять свою концентрацию. Проникновение каждого вещества через перегородку прекращается лишь тогда, когда по обе стороны концентрация его станет одинаковой. В зависимости от концентрации веществ в окружающей среде микробная клетка может находиться в трех состояниях.

— Турroр — если осмотическое давление микробных клеток, обусловленное растворенными в клеточном соке веществами, несколько выше, чем в среде, то за счет притока из нее воды в клетке создается определенное упругое напряжение. Протопласт клетки при этом прижимается к клеточной оболочке, слегка растягивая ее. Находясь на пищевых продуктах в таком состоянии, микробы проявляют большую активность и быстро вызывают порчу. Поэтому в пищевой промышленности часто используются такие методы консервирования пищевых продуктов, как сушка и вяление, чтобы микробы не переходили в состояние тургора и не вызывали их порчу.

— Плазмолиз если микроорганизм попадает в субстрат, осмотическое давление которого выше, чем в клетке, то цитоплазма отдает воду во внешнюю среду. Питательные вещества в клетку не поступают, содержимое клетки уменьшается в объеме, и протопласт отстает от клеточной оболочки. Это явление широко используется в пищевой промышленности, когда продукты питания консервируются сахаром и солью.

- Плазмомтис — явление, обратное плазмолизу. Наступает при чрезмерно низком осмотическом давлении внешней среды, когда вследствие высокой разности осмотических давлений цитоплазма быстро переполняется водой. Это может привести к разрыву клеточной оболочки, что наблюдается, например, при помещении бактерий в дистиллированную воду.

Требования большинства микроорганизмов к источникам питания разнообразны. Однако, учитывая некоторые общие особенности питания микробов, их принято делить на две группы.

I. Автотрофы — питаются, подобно зеленым растениям, минеральными веществами, синтезируя из этих простых веществ все сложные компоненты клетки. Автотрофные (от греч. аutos — сам, trophe — пища) микроорганизмы способны в качестве единственного источника углерода для синтеза органических веществ тела использовать углекислоту и ее соли.

Среди автотрофных микроорганизмов имеются виды, которые ассимилируют углекислый газ, как и зеленые растения, используя солнечную энергию, — их называют — фотосинтезирующими. К ним относятся некоторые пигментные бактерии, например зеленые и пурпурные серобактерии.

Другие автотрофные микроорганизмы в процессе синтеза органических соединений используют энергию химических реакций окисления некоторых минеральных веществ. Такие микроорганизмы называют хемосинтезирующими. К ним относятся бактерии, окисляющие водород с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотистую кислоту (нитрифицирующие бактерии), сероводород до серной кислоты (бесцветные серобактерии).

II. Гетеротрофы (от греч. heteros — другой) — подобно животным организмам нуждаются в органических соединениях, которые служат одновременно источником углерода и энергии. Их подразделяют на две группы:

— сапрофиты (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение) — они живут за счет использования органических веществ различных субстратов животного и растительного происхождения. К ним относятся все те микробы, которые разлагают органические вещества в природе (в почве, воде), вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья;

— паразиты — они способны развиваться только в теле других организмов, питаясь органическими веществами, входящими в состав последних. К паразитам принадлежат возбудители заболеваний человека, животных и растений.

2.3 Дыхание микроорганизмов

Описанные выше процессы ассимиляции пищи протекают с затратой энергии. Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которых заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии. Получаемые при этом продукты окисления выделяются в окружающую среду.

Схематично реакцию окисления-восстановления при участии фермента дегидрогеназы можно представить следующим образом:

АН₂ + В — А + ВН₂ + энергия Способы получения энергии у микроорганизмов разнообразны.

В 1861 г. французский ученый Л. Пастер впервые обратил внимание на уникальную способность микроорганизмов развиваться без доступа кислорода, в то время как все высшие организмы — растения и животные — могут жить только в атмосфере, содержащей кислород.

По этому признаку (по типам дыхания) Л. Пастер разделил микроорганизмы на две группы — аэробы и анаэробы.

Аэробы для получения энергии осуществляют окисление органического материала кислородом воздуха. К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Многие аэробы окисляют органические вещества полностью, выделяя в виде конечных продуктов СО₂ и Н₂О. Этот процесс в общем виде может быть представлен следующим уравнением:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂ О + 2822 кДж.

Анаэробы — это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями. Примерами такого типа получения энергии могут служить спиртовое, молочнокислое и маслянокислые брожения. Рассмотрим на примере спиртового брожения:

С₆ Н₁₂ О₆ = 2С₂ Н₅ ОН + 2СО₂ + 118 кДж.

Отношение анаэробных микроорганизмов к кислороду различно. Одни из них совсем не переносят кислорода и носят название облигатных, или строгих, анаэробов. К ним относятся возбудители маслянокислого брожения, столбнячная палочка, возбудители ботулизма. Другие микробы могут развиваться как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Их называют — факультативными, или условными анаэробами; это молочнокислые бактерии, кишечная палочка, протей и др.

2.4 Ферменты микроорганизмов

Ферменты — вещества, способные каталитически влиять на скорость биохимических реакций. Они играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Открыты ферменты в 1814 г. русским академиком К. С. Кирхгофом.

Как и другие катализаторы, ферменты в реакциях превращения веществ принимают участие лишь в качестве посредников. Количественно в реакциях они не расходуются. Ферменты микроорганизмов обладают целым рядом свойств:

1) При температуре до 40−50єС увеличивается скорость ферментативной реакции, но затем скорость падает, фермент перестает действовать. При температуре выше 80 °C практически все ферменты необратимо инактивируются.

2) По химической природе ферменты бывают однокомпонентными, состоящими только из белка, и двухкомпонентными, состоящими из белковой и небелковой частей. Небелковая часть у ряда ферментов представлена тем или иным витамином.

3) На активность фермента оказывает большое влияние рН среды. Для одних ферментов наилучшей является кислая среда, для других — нейтральная или слабощелочная.

4) Ферменты обладают высокой активностью. Так, молекула каталазы разрушает в минуту 5 млн молекул пероксида водорода, а 1 г амилазы при благоприятных условиях превращает в сахар 1 т крахмала.

5) Каждый фермент обладает строгой специфичностью действия, т. е. способностью влиять только на определенные связи в сложных молекулах или лишь на определенные вещества. Например, амилаза вызывает расщепление только крахмала, лактаза — молочного сахара, целлюлаза — целлюлозы и т. д.

6) Ферменты, присущие данному микроорганизму и входящие в число компонентов его клетки, называются конститутивными. Существует и другая группа — ферменты индуцируемые (адаптивные), которые вырабатываются клеткой только при добавлении к среде вещества (индуктора), стимулирующего синтез данного фермента. В этих условиях микроорганизм синтезирует фермент, которым, он не обладал.

7) По характеру действия ферменты подразделяются на экзоферменты, которые выделяются клеткой во внешнюю среду, и эндоферменты, которые прочно связаны с внутренними структурами клетки и действуют внутри нее.

8) Хотя ферменты вырабатываются клеткой, но и после ее смерти они временно еще остаются в активном состоянии и может произойти автолиз (от греч. аutos — сам, lysis — растворение) — саморастворение или самопереваривание клетки под влиянием ее собственных внутриклеточных ферментов.

В настоящее время известно более 1000 ферментов. Ферменты делятся на 6 классов:

1-й класс — оксидоредуктазы — играют большую роль в процессах брожения и дыхания микроорганизмов, т. е. в энергетическом обмене.

2-й класс — трансферазы (ферменты переноса) катализируют реакции переноса групп атомов от одного соединения к другому.

3-й класс — гидролазы (гидролитические ферменты). Они катализируют реакции расщепления сложных соединений (белки, жиры и углеводы) с обязательным участием воды.

4-й класс — лиазы включают двухкомпонентные ферменты, отщепляющие от субстратов определенные группы (СО₂, Н₂О, NН_з и т. д.) негидролитическим путем (без участия, воды).

5-й класс — изомеразы — это ферменты,.катализирующие обратимые превращения органических соединений в их изомеры.

6-й класс - лигазы (синтетазы) — это ферменты, катализирующие синтез сложных органических соединений из более простых. Лигазы играют большую роль в углеводном и азотном обмене микроорганизмов.

Применение ферментов микробов в пищевой и легкой промышленности позволяет значительно интенсифицировать технологический процесс, повысить выход и улучшить качество готовой продукции. Препараты амилолитических ферментов применяют при производстве этилового спирта из крахмалосодержащего сырья вместо зернового солода, а в хлебопекарной промышленности взамен солода при приготовлении заварного ржаного хлеба; добавляют грибные амилазы и в пшеничное тесто. Поскольку в этом препарате помимо амилазы имеются, хотя и в небольшом количестве, другие ферменты (мальтаза, протеазы), процесс изготовления теста ускоряется, увеличиваются объем и пористость хлеба, улучшаются его внешний вид, аромат и вкус. Применение этих ферментных препаратов в пивоварении позволяет частично заменить солод ячменем. С помощью грибной глюкоамилазы получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу из крахмала. Пектолитические ферментные грибные препараты используют в соко-морсовом производстве и виноделии. В результате разрушения пектина этими ферментами ускоряется процесс выделения сока, повышается его выход, фильтрация и осветление. Ферментные препараты, содержащие микробные протеазы, используют для повышения стойкости (предохранения от белкового помутнения) вина и пива, а в сыроделии — взамен (частично) сычужного фермента. Целесообразно применять микробные протеазы для размягчения мяса, ускорения созревания мяса и сельди, получения из отходов рыбной и мясной промышленности пищевых гидролизатов и для других технологических процессов переработки животного и растительного сырья.

2.5 Химический состав микроорганизмов

По составу веществ клетки микроорганизмов мало чем отличаются от клеток животных и растений. В них содержится 75−85% воды, остальные 16−25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свободном и в связанном состоянии. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки (белки, полисахариды и др.) и с трудом высвобождается из них. Свободная вода участвует в химических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена веществ.

Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ.

Если содержание сухого вещества принять за 100%, то на долю минеральных веществ приходится 2−14%, остальная часть сухого вещества представлена органическими соединениями:

белки — до 52%,

полисахариды — до 17%,

нуклеиновые кислоты (РНК до 16%, ДНК до 3%),

липиды — до 9%

Эти соединения входят в состав различных клеточных структур микроорганизмов и выполняют важные физиологические функции. В клетках микроорганизмов находятся и другие вещества — органические кислоты, их соли, пигменты, витамины и др.

Контрольные вопросы

1. Что такое тургор?

2. Что такое диссимиляция?

3. Какие микроорганизмы называются автотрофными?

4. Что такое осмос?

5. Какие микроорганизмы называются факультативными?

6. Что такое плазмолиз?

7. в каких процессах участвуют липазы?

8. Какое количество воды входит в состав микроорганизмов?

9. Какие микроорганизмы называются паразитами?

10. Какие микроорганизмы называются анаэробными?

ТЕМА 3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА РАЗВИТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Жизнедеятельность микробов находится в зависимости от условий окружающей среды. Создавая те или иные условия в среде, где развиваются микроорганизмы, можно способствовать развитию полезных и подавлять жизнедеятельность вредных микробов. Большинство пищевых продуктов по химическому составу представляют собой благоприятную питательную среду для различных микроорганизмов. Поэтому очень важно обратить внимание на то, что пищевые продукты могут хорошо сохраняться только при создании неблагоприятных условий для развития в них вредных микробов.

Оптимум — величина, при которой лучше всего проявляются отдельные функции микроорганизма и его жизнедеятельность в целом. Максимум и минимум — верхний и нижний пределы величины фактора, выше и ниже которой жизнедеятельность микроорганизмов почти не проявляется. Пороговый эффект — неожиданно, без каких бы то ни было предупреждающих сигналов, следующее, даже небольшое изменение во влиянии фактора внешней среды может оказаться критическим.

3.1 Влияние физических факторов

3.1.1 Влияние температуры

Температура — один из главных факторов, определяющих развитие микроорганизмов. Интервал между максимальными и минимальными значениями у разных микроорганизмов неодинаков. Например, пределы температуры развития плесневых грибов составляют от — 8єC до 60єC, т. е. интервал составляет почти 70єC, тогда как у других он равен всего 1—2єC. В зависимости от оптимальной температуры развития микробы подразделяются на группы.

Психрофилы — холодолюбивые микроорганизмы, хорошо растут при относительно низких температурах. Для них характерны: минимум (-10 — 0°С), оптимум (10−15°С), максимум (около 30°С). К ним относятся микробы, обитающие в почве полярных стран, в северных морях, на охлажденных и замороженных продуктах.

Мезофилы — микроорганизмы, для которых температурный минимум лежит около 5−10єС, оптимум — около 25−35єС, максимум — в пределах 40−50єС. Представители этой группы чаще остальных вызывают порчу пищевых продуктов, хранящихся без охлаждения.

Термофилы — теплолюбивые микроорганизмы, лучше развиваются при относительно высоких температурах. Для них характерны: минимум (около 30°С), оптимум (50−65°С), максимум (70−80°С), а для некоторых и более. Обитают они в некоторых почвах, пищеварительном тракте животных, горячих источниках, в почве южных широт.

Влияние высоких температур. Температуры, превышающие максимальные, действуют на микробы губительно. Высокие температуры микроорганизмы переносят значительно хуже, чем низкие. Более устойчивы к нагреванию термофилы, обладающие повышенной термоустойчивостью.

Термоустойчивость — это способность микроорганизмов выдерживать длительное нагревание при температурах, превышающих температурный максимум их развития. Термоустойчивость связана с наличием у микроорганизмов спор. Наиболее термоустойчивыми являются споры бактерий. На губительном действии высоких температур основаны различные методы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах. Это кипячение, варка, бланширование, обжарка, а также пастеризация и стерилизация.

Стерилизация — это процесс полного уничтожения микроорганизмов, в том числе и спорообразующих, под действием высоких температур. Существует много приемов и методов стерилизации. Чаще всего ее проводят в специальных котлах-автоклавах. За счет герметизации и накапливания образующегося при нагреве пара в них создается повышенное давление и температура кипения воды повышается. При избыточном давлении в 0,5 атм. температура равна 112 °C, 1 атм. — 121 °C и т. д. Существуют различные способы стерилизации: термическая — кипячением, прокаливанием в пламени, горячим воздухом, насыщенным паром под давлением (автоклавирование), текучим паром; холодная — фильтрованием (через фильтры, которые задерживают бактерии). Стерилизацией пользуются при производстве мясных, рыбных, овощных и крупяных консервов и т. д.

Пастеризация — это нагревание продукта чаще при температуре 63−80єС в течение 20−40 мин. Иногда пастеризацию проводят кратковременным (в течение нескольких секунд) нагреванием до температуры 90−100°С. При пастеризации погибают не все микроорганизмы. Некоторые термоустойчивые бактерии, а также споры многих бактерий остаются живыми. В связи с этим пастеризованные продукты следует немедленно охлаждать до температуры не выше 10 °C и хранить на холоде, чтобы задержать прорастание спор и paзвитие сохранившихся клеток. Пастеризуют молоко, вино, пиво, икру, фруктовые соки и некоторые другие продукты.

Влияние низких температур. К низкой температуре микроорганизмы более устойчивы. Несмотря на то, что размножение и биохимическая aктивность микробов при температуре ниже минимальной прекращаются, гибель самих клеток чаще всего не наступает, они переходят в состояние анабиоза («скрытой жизни»). В таком состоянии многие микроорганизмы, и особенно их споры, остаются жизнеспособными длительное время. При повышении температуры споры прорастают в вегетативные клетки и начинают активно размножаться. Низкие температуры используют для сохранения скоропортящихся продуктов. Их хранят либо в охлажденном состоянии — при температуре от 10 °C до -2°С, либо в замороженном виде — при температуре от -12 до -30°С. При охлаждении продуктов лучше, чем при замораживании, сохраняются их натуральные свойства, однако рост на них микроорганизмов не исключается, а лишь замедляется, поэтому сроки хранения таких продуктов непродолжительны. Гибель микроорганизмов при замораживании в основном обусловлена температурой и скоростью замораживания. Особенно для микробов губительно медленное замораживание. При хранении замороженных продуктов развитие в них микроорганизмов исключительно, поэтому они сохраняются доброкачественными значительно дольше, чем охлажденные. Губительно действуют на микроорганизмы повторное замораживание и оттаивание.

3.1.2 Влияние влажности среды

Влажность среды оказывает большое влияние на развитие микроорганизмов. Вода входит в состав из клеток (до 85%) и поддерживает тургорное давление в них. Минимальная влажность среды, при которой возможно еще развитие бактерий, равна 20−30%, а для многих плесеней 11−13%, а в отдельных случаях даже 6% (хлопковое волокно). Потребность во влаге у различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. Различают микроорганизмы гидрофиты — влаголюбивые, мезофиты — средневлаголюбивые и ксерофиты — сухолюбивые. Бактерии и дрожжи в преобладающем большинстве гидрофиты.

В связи с замедлением жизнедеятельности бактерий при высушивании сушку применяют как средство консервирования зерновых, крупяных товаров, мяса, рыбы, фруктов, овощей и др. Сухие продукты всегда coдepжат более или менее значительное количество различных микроорганизмов. В высушенном состоянии они хотя и не проявляют своей жизнедеятельности, но многие сохраняют жизнеспособность в течение более или менее длительного времени. Например, брюшнотифозные и туберкулезные бактерии, многие стафилококки могут сохраняться в сухом виде неделями и месяцами, высушенные молочнокислыe бактерии сохраняются жизнеспособными годами (отсюда возможность применять сухие молочные закваски). Для сохранения сухих продуктов без порчи большое значение имеют относительная влажность, температура и соблюдение товарного соседства между продуктами при хранении, так как продукты, богатые влагой, легко ее теряют, а сухие обладают способностью поглощать влагу. Широко применяется метод леофильной сушки молочнокислыx заквасок и других культур микроорганизмов. Высушивание ведется при температуре ниже нуля. При этом микроорганизмы не гибнут, а переходят в анабиотическое состояние, в котором могут находиться продолжительное время. Одним из методов консервирования пищевых продуктов является сублимация — обезвоживание при низкой температуре и высоком вакууме, которое сопровождается испарением воды, быстрым охлаждением и замораживанием. Образовавшийся в продукте лед легко возгоняется, минуя жидкую фазу. Продолжительность сохранения пищевых продуктов более — 2 лет. Сублимационная сушка обеспечивает сохранение всех сахаров, витаминов, ферментов и других компонентов. Высушивание в вакууме при низкой температуре не убивает бактерии и вирусы.