Các yếu tố của thực phẩm gây ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Các yếu tố của thực phảm gây ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật  Yếu tố nội sinh  Sự sinh sôi của VSV trong thực phẩm bị ảnh hưởng lớn bởi các đặc điểm của thực phẩm ▪ Hầu hết VSV sinh sản nhanh chóng nhất ở những loại thực phẩm ẩm ướt, giàu dinh dưỡng, và có pH trung tính  Yếu tố nội sinh gồm có: ▪ Hoạt độ của nước (aw) ▪ pH ▪ Thế OXH-K (Eh) ▪ Thành phần dinh dưỡng ▪ Chất kháng sinh ▪ Các rào cản sinh học  Yếu tố nội sinh  Hoạt độ nước (water activity – aw) ▪ Các loại thực phẩm khác nhau có aw khác nhau ▪ Thịt tươi và sữa thường có aw cao  Hỗ trợ sinh trưởng VSV ▪ Bánh mì, các loại hạt và thực phẩm khô có aw thấp  Chỉ một số loại VSV nhất định có thể sinh trưởng trong môi trường này ▪ Hoạt độ nước (aw) biểu thị lượng nước sẵn có trong TP ▪ Nước tinh khiết có aw = 1.0 ▪ aw của hầu hết thực phẩm tươi sống là > 0.99.  Hầu hết các loại vi khuẩn cần aw > 0.90, với VK gram (-) cần aw lớn hơn VK gram (+)  Hầu hết các loại nấm mốc cần aw ≥ 0.80  Hầu hết VK gây hư hỏng không phát triển được ở aw < 0.91, còn nấm gây hư hỏng có thể sống được ở aw thấp ~ 0.80 Approximate aw values of selected food categories. Animal Products aw fresh meat, poultry, fish 0.99 - 1.00 natural cheeses 0.95 - 1.00 pudding 0.97 - 0.99 eggs 0.97 cured meat 0.87 - 0.95 sweetened condensed milk 0.83 Parmesan cheese 0.68 - 0.76 honey 0.75 dried whole egg 0.40 dried whole milk 0.20 Plant Products aw fresh fruits, vegetables 0.97 - 1.00 bread ~0.96 bread, white 0.94 - 0.97 bread, crust 0.30 baked cake 0.90 - 0.94 maple syrup 0.85 jam 0.75 - 0.80 jellies 0.82 - 0.94 uncooked rice 0.80 - 0.87 fruit juice concentrates 0.79 - 0.84 fruit cake 0.73 - 0.83 cake icing 0.76 - 0.84 flour 0.67 - 0.87 dried fruit 0.55 - 0.80 cereal 0.10 - 0.20 sugar 0.19 crackers 0.10 Sources: Table 4.6 in Banwart 1979, p 115; Table 2 in FDA 1986; Table 18-3 in Jay 2000, p 367. Approximate aw values for growth of selected pathogens in food Organism Minimum Optimum Maximum Campylobacter spp. 0.98 0.99 Clostridium botulinum type E* 0.97 Shigella spp. 0.97 Yersinia enterocolitica 0.97 Vibrio vulnificus 0.96 0.98 0.99 Enterohemorrhagic Escherichia coli 0.95 0.99 Salmonella spp. 0.94 0.99 >0.99 Vibrio parahaemolyticus 0.94 0.98 0.99 Bacillus cereus 0.93 Clostridium botulinumtypes A & B** 0.93 Clostridium perfringens 0.943 0.95-0.96 0.97 Listeria monocytogenes 0.92 Staphylococcus aureus growth 0.83 0.98 0.99 Staphylococcus aureus toxin 0.88 0.98 0.99 ICMSF 1996. * *proteolytic; * non-proteolytic  Yếu tố nội sinh  pH ▪ Quan trọng trong việc xác định loại vsv nào có thể sống và sinh sôi trong một số thực phẩm nhất định ▪ Hầu hết vsv có thể sống tốt nhất ở pH ~ 7.0, số ít sống ở pH < 4.0 ▪ Nhiều loại vsv bị ức chế bởi điều kiện acid (ngoại lệ: lactic acid bacteria) ▪ Nấm có khả năng sống ở pH tương đối thấp  Hầu hết các loại thực phẩm có tính acid bị hư hỏng bởi nấm hơn là vi khuẩn  Trái cây dễ bị nấm mốc và nấm men tấn công hơn bởi vì chúng có thể phát triển ở pH thấp <3.5, là giá trị pH mà hầu hết các vi khuẩn gây bệnh và gây hư hỏng không thể phát triển được.  Thịt và hải sản có pH ~ 5.6 nên dễ bị vi khuẩn, nấm men và cả nấm mốc gây hư hỏng  Rau thường có pH > pH trái cây nên dễ bị vi khuẩn tấn công hơn  pH acid có ứng dụng lớn trong việc ức chế vi khuẩn, còn pH kiềm (~ 12.0 – 13.0) lại có tác dụng tiêu diệt đối với một vài loại vi khuẩn. ▪ Vd: dùng Ca(OH)2 để tạo ra giá trị pH trong khoảng này có thể tiêu diệt Listeria monocytogenes và một vài loại vi khuẩn gây bệnh khác trong thực phẩm tươi sống.  pH có thể quyết định khả năng sinh độc tố (toxin) của vi khuẩn ▪ Khả năng sinh độc tố của rất nhiều loài vsv bị ức chế bởi pH acid pH ranges of some common foods. Food pH Range Dairy Products Butter 6.1 - 6.4 Buttermilk 4.5 Milk 6.3 - 6.5 Cream 6.5 Cheese (American mild and cheddar) 4.9; 5.9 Yogurt 3.8 - 4.2 Meat and Poultry Beef (ground) 5.1 - 6.2 Ham 5.9 - 6.1 Veal 6.0 Chicken 6.2 - 6.4 Fish and Shellfish Fish (most species) 6.6 - 6.8 Clams 6.5 Crabs 7.0 Oysters 4.8 - 6.3 Tuna Fish 5.2 - 6.1 Shrimp 6.8 - 7.0 Salmon 6.1 - 6.3 White Fish 5.5 Fruits and Vegetables Apples 2.9 - 3.3 Apple Cider 3.6 - 3.8 Bananas 4.5 - 4.7 Figs 4.6 Grapefruit (juice) 3.0 Limes 1.8 - 2.0 Honeydew melons 6.3 - 6.7 Oranges (juice) 3.6 - 4.3 Plums 2.8 - 4.6 Watermelons 5.2 - 5.6 Grapes 3.4 - 4.5 Asparagus (buds and stalks) 5.7 - 6.1 Beans (string and lima) 4.6 - 6.5 Beets (sugar) 4.2 - 4.4 Broccoli 6.5 Fruits and Vegetables Brussels Sprouts 6.3 Cabbage (green) 5.4 - 6.0 Carrots 4.9 - 5.2; 6.0 Cauliflower 5.6 Celery 5.7 - 6.0 Corn (sweet) 7.3 Cucumbers 3.8 Eggplant 4.5 Eggs yolks (white) 6.0 - 6.3 (7.6- 9.5) Lettuce 6.0 Olives (green) 3.6 - 3.8 Onions (red) 5.3 - 5.8 Parsley 5.7 - 6.0 Parsnip 5.3 Potatoes (tubers and sweet) 5.3 - 5.6 Pumpkin 4.8 - 5.2 Rhubarb 3.1 - 3.4 Spinach 5.5 - 6.0 Squash 5.0 - 5.4 Tomatoes (whole) 4.2 - 4.3 Turnips 5.2 - 5.5 Sources: Table 5.5 in ICMSF 1980, p 109-110; Table 3-2 in Jay 2000, p 39. Proportion of total acid undissociated at different pH values (expressed as percentages). Organic Acids pH Values 3 4 5 6 7 Acetic acid 98.5 84.5 34.9 5.1 0.54 Benzoic acid 93.5 59.3 12.8 1.44 0.144 Citric acid 53.0 18.9 0.41 0.006 <0.001 Lactic acid 86.6 39.2 6.05 0.64 0.064 Methyl, ethyl, propyl parabens >99.99 99.99 99.96 99.66 96.72 Propionic acid 98.5 87.6 41.7 6.67 0.71 Sorbic acid 97.4 82.0 30.0 4.1 0.48 Source: Table 7.3 in ICMSF 1980, p 133. Source: Table 7.3 in ICMSF 1980, p 133 Hình Khoảng pH tương đối của một vài loại vsv gậy bệnh trong tp. Giá trị pH của L. monocytogenes và S. aureus là tương tự Source: Table 7.3 in ICMSF 1980, p 133. Approximate pH values permitting the growth of selected pathogens in food. Microorganism Minimum Optimum Maximum Clostridium perfringens 5.5 - 5.8 7.2 8.0 - 9.0 Vibrio vulnificus 5.0 7.8 10.2 Bacillus cereus 4.9 6.0 -7.0 8.8 Campylobacter spp. 4.9 6.5 - 7.5 9.0 Shigella spp. 4.9 9.3 Vibrio parahaemolyticus 4.8 7.8 - 8.6 11.0 Clostridium botulinum toxin 4.6 8.5 Clostridium botulinum growth 4.6 8.5 Source: Table 7.3 in ICMSF 1980, p 133. Staphylococcus aureus growth 4.0 6.0 - 7.0 10.0 Staphylococcus aureus toxin 4.5 7.0 - 8.0 9.6 Enterohemorrhagic Escherichia coli 4.4 6.0 - 7.0 9.0 Listeria monocytogenes 4.39 7.0 9.4 Salmonella spp. 4.21 7.0 - 7.5 9.5 Yersinia enterocolitica 4.2 7.2 9.6 Sources: Table 5.3 in ICMSF 1980, p 101. 1pH minimum as low as 3.8 has been reported when acidulants other than acetic acid or equivalent are used.  Yếu tố nội sinh  Thế oxi hóa khử (Eh) ▪ Vsv khác nhau thể hiện độ nhạy khác nhau đối với Eh của môi trường mà chúng phát triển ▪ Eh của một cơ chất được định nghĩa là khả năng dễ dàng cho hay nhận electron của cơ chất đó ▪ Khi một chất ▪ Mất electron --> bị oxi hóa --> điện tích + ▪ Nhận electron --> bị khử --> điện tích  Chất dễ dàng cho electron là chất có tính khử tốt. Chất dễ dàng nhận electron là chất có tính oxi hóa tốt.  Yếu tố nội sinh  Thế oxi hóa khử (Eh) ▪ Khi các electron được chuyển từ chất này sang chất khác, một điện thế được hình thành giữa 2 chất. Điện thế này biểu hiện dưới dạng mV ▪ Eh phụ thuộc: ▪ Eh đặc trưng của bản thân thực phẩm ▪ Khả năng chống lại sự thay đổi về điện thế của thực phẩm ▪ Áp lực oxy khí quyển xung quanh thực phẩm ▪ Khả năng xâm nhập của khí quyển vào thực phẩm  Yếu tố nội sinh  Thế oxi hóa khử (Eh) ▪ VSV hiếu khí cần Eh + (bị OXH)  Bacillus ▪ VSV yếm khí cần Eh – (bị khử)  Clostridium ▪ Một vài vi khuẩn hiếu khí sinh trưởng tốt hơn ở điều kiện hơi khử  vi sinh vật vi hiếu khí (microaerophiles). Vd: Lactobacilli, Campylobacter. ▪ Vài vi khuẩn có khả năng mọc ở cả điều kiện hiếu khí và kỵ khí  kỵ khí không bắt buộc. ▪ Hầu hết nấm men và nấm mốc có trong thực phẩm là hiếu khí, chỉ một số ít là kỵ khí tùy nghi. Redox potentials on some foods. FOOD Presence of air Eh (mV) pH Milk + +300 to +340 NR Cheese Cheddar + +300 to -100 NR Dutch + -20 to -310 4.9-5.2 Emmenthal + -50 to -200 NR Butter serum - +290 to +350 6.5 Egg (infertile after 14 d) + +500 NR Meats Liver, raw minced - -200 ~7 Muscle Raw, post-rigor - -60 to -150 5.7 Raw, minced + +225 5.9 Minced, cooked + +300 7.5 Cooked sausages and canned meat - -20 to -150 ~6.5 Cereals Wheat (whole grain) - -320 to -360 6.0 Wheat (germ) - -470 NR Barley (ground) + +225 7 Potato tuber - ~ -150 ~6 Plant juices Grape - +409 3.9 Lemon - +383 2.2 Pear - +436 4.2 Spinach - +74 6.2 Canned foods "Neutral" - -130 to -550 >4.4 "Acid" - -410 to -550 <4.4 FOOD Presence of air Eh (mV) pH  Yếu tố nội sinh  Thành phần dinh dưỡng ▪ Quyết định loại vsv nào có thể sống trong một loại thực phẩm nhất định ▪ Gồm: ▪ Nguồn năng lượng: đường, alcohols, amino acids, tinh bột, cellulose, chất béo. ▪ Nguồn N: amino acids (chủ yếu), nucleotides, peptides, proteins, ▪ Khoáng ▪ Vitamins và các yếu tố sinh trưởng  Yếu tố nội sinh  Thành phần dinh dưỡng ▪ Các loại TP khác nhau có thành phần dinh dưỡng đặc trưng phù hợp với một số loài VSV nhất định ▪ Thịt, sữa, trứng có chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho nhiều loài VSV khác nhau  những loại này rất dễ bị hư hỏng  Yếu tố nội sinh  Chất kháng sinh ▪ Vài loại Tp có chứa một số chất kháng sinh tự nhiên: ▪ Tinh dầu thực vật (eugenol - đinh hương, allicin - tỏi, cinnamic aldehyde – quế, ) ▪ Sữa bò: lactoferrin, conglutinin, hệ lactoperoxidase. ▪ Trứng: lysozyme, conalbumin ▪ Các dẫn xuất hydroxycinnamic acids có trong rau quả, trà, rỉ đường và các nguyên liệu thực vật khác có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm. ▪ Không bào của các cây thuộc họ cải (bắp cải, củ cải, bông cải) có chứa glucosinolate, khi bị thương sẽ chuyển thành isothiocyanate có khả năng kháng nấm và kháng khuẩn  Yếu tố nội sinh  Rào cản sinh học ▪ Vỏ ngoài của hạt (testa of seeds) ▪ Vỏ trái cây ▪ Vỏ cứng ngoài quả hạch (nuts) ▪ Da động vật ▪ Vỏ trứng  Yếu tố ngoại sinh  Sinh trưởng của vsv phụ thuộc rất lớn vào điều kiện bảo quản thực phẩm  Vsv sinh sản nhanh chóng trong điều kiện môi trường ấm ẩm và giàu oxy  Gồm: ▪ Nhiệt độ bảo quản ▪ Độ ẩm tương đối ▪ Sự có mặt và nồng độ các loại khí ▪ Sự có mặt và hoạt động của các loại vsv khác  Yếu tố ngoại sinh  Nhiệt độ bảo quản ▪ ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của vsv ▪ < 00C nước đóng băng  dừng mọi hoạt động sống của vsv ▪ ở nhiệt độ thấp (> 00 C) các phản ứng enzyme rất chậm hoặc không tồn tại  vsv không thể sinh trưởng ▪ Nhiệt độ thấp nhất được ghi nhận mà tại đó một loại vsv có thể sinh trưởng được là – 340C, cao nhất là trên 1000C  Yếu tố ngoại sinh  Nhiệt độ bảo quản ▪ Dựa vào đòi hỏi về nhiệt độ  chia vsv làm 3 nhóm: ▪ Psychrotrops (ưa lạnh): sinh trưởng tốt ở nhiệt độ ≤ 70C, t0opt = 20 – 30 0C, phổ biến nhất là Pseudomonas và Enterococcus ▪ Mesophiles (ôn hòa): sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 20 – 450C, t0opt = 30 – 40 0C. Hầu hết các loại vsv thuộc nhóm này. ▪ Thermophiles (ưa nhiệt): sinh trưởng tốt ở nhiệt độ > 450C, t0opt = 55 – 65 0C, gồm Bacillus, Clostridium, Geobacillus, Thermoanaerobacter, Alicyclobacillus.  Yếu tố ngoại sinh  Độ ẩm tương đối RH ▪ Thực phẩm đặt trong môi trường có RH cao hay thấp hơn aw của nó thì sẽ có khuynh hướng mất nước hay hấp thu nước cho tới khi đạt cân bằng --> phải chú ý đến RH khi bảo quản thực phẩm  Yếu tố ngoại sinh  Thành phần/Nồng độ các loại khí trong môi trường ▪ VSV khác nhau có nhu cầu khác nhau về lượng oxy trong quá trình sinh trưởng: nhiều oxy (hiếu khí), ít oxy (vi hiếu khí), không có oxy (kỵ khí). ▪ Vài loại vsvs có thể sống cả ở môi trường hiếu khí và kỵ khí (kỵ khí tùy nghi)  Yếu tố ngoại sinh  Thành phần/Nồng độ các loại khí trong môi trường  Các VK sinh bào tử kỵ khí hoặc kỵ khí tùy nghi thường hay sinh trưởng trong TP đóng hộp  VK vi hiếu khí hay có mặt ở các TP đóng gói chân không  VK hiếu khí dễ dàng phát triển trên bề mặt thịt tươi  Mốc hiếu khí dễ thấy trên các sản phẩm được sấy khô chưa tới hoặc ướp muối  Yếu tố ngoại sinh  Thành phần/Nồng độ các loại khí trong môi trường ▪ Carbon dioxide là loại khí quan trọng nhất dùng để kiểm soát vsv trong thực phẩm. Nó cùng với oxy là 2 loại khí dùng phổ biến nhất trong bảo quản TP bằng khí quyển điều chỉnh (MAP - Modified Atmosphere Package) ▪ Ozone là một tác nhân oxi hóa mạnh đã được sử dụng nhiều thập kỷ nay trong việc kéo dài tuổi thọ của 1 số loại thực phẩm.  Yếu tố ngoại sinh  Các loại sinh vật khác  Là việc sử dụng các tác nhân vật lý / hóa học / sinh học nhằm ngăn chặn sự hư hỏng/ngộ độc TP gây ra bởi VSV  Mục tiêu là xử lý thực phẩm giúp kéo dài thời gian lưu trữ / bảo quản  Trong bảo quản TP, người ta muốn:  Tiêu diệt VSV gây hại trong TP, hoặc  Kéo dài thời gian VSV cần để thích nghi với môi trường thực phẩm trước khi chúng có thể gây hư hỏng TP  Gồm 2 nguyên lý:  Ức chế  Tiêu diệt  Thực phẩm được bảo quản nhờ sự ức chế sinh trưởng và phát triển của Vsv  Gồm các phương pháp:  Giảm aw  sấy khô, ướp muối  Giảm pH  cho lên men, bổ sung acid  Sử dụng chất bảo quản, vd: sodium benzoate  Sử dụng nhiệt độ thấp  làm lạnh hoặc cấp đông  Hun khói  mang cả tác dụng sấy khô và bảo quản  Bảo quản tp bằng cách ức chế VSV không nhất thiết phải tiêu diệt VSV  Khi loại bỏ các tác nhân gây ức chế, TP sẽ bắt đầu bị hư hỏng do VSV hiện diện trong TP (1) Giảm aw  Bổ sung nhiều muối: NaCl, đôi khi là nitrate và nitrite  Bổ sung nhiều đường  Sấy khô: nhờ ánh nắng mặt trời, nhờ khí, nhờ điện hoặc sấy đông khô (a) Bổ sung muối / Ướp muối Có 4 cách:  Ướp khô: thịt hoặc cá được xoa với muối  Muối chua: sản phẩm được ngâm trong nước muối, thường khoảng 15% muối  Ướp tiêm: muối đặc được tiêm vào cơ thịt  Phương pháp bổ sung trực tiếp (b) Bổ sung đường  Các monosaccharides như glucose(dextrose) và fructose hiệu quả hơn trong việc giảm aw so với các disaccharides như sucrose.  VK chịu nhiệt dễ bị ảnh hưởng bởi tác động của đường hơn những VK khác  Nấm men ưa áp suất thẩm thấu cao có khả năng chịu đựng được nồng độ đường rất cao và gây hư hỏng TP (2) Hạ pH  Ngăn chặn sự phát triển của VK gây hư hỏng và VK gây bệnh  hạ pH bằng cách bổ sung acid hoặc cho lên men  Lên men là quá trình phân giải carbohydrates (đường) trong điều kiện yếm khí thành các sản phẩm như cồn, acid lactic và CO2 (3) Sử dụng nhiệt độ thấp 2 phương pháp  Làm lạnh: bảo quản thực phẩm ở 0-15oC. Nhiệt độ bảo quản lạnh thường là 4-5oC.  Làm lạnh đông: bảo quản thực phẩm ở nhiệt độ 0-35oC.  Nhiệt độ thấp làm chậm lại hoặc dừng hẳn các phản ứng hóa học và hoạt động của enzymes, do vậy làm chậm hoặc dừng hẳn sự sinh trưởng và phát triển của VSV  Một nhiệt độ đủ thấp có thể ngăn chặn được sự sinh trưởng của bất cứ vsv nào  Bào tử thường không bị ảnh hưởng bởi việc cấp đông. Tuy nhiên hầu hết các vật ký sinh bị tiêu diệt ở điều kiện đông lạnh  Vsv gây hại bị tiêu diệt trong tp, và thực phẩm được bảo vệ khỏi bị tạp nhiễm trở lại bằng việc sử dụng các vật chứa kín khí 1. Xử lý nhiệt: thanh trùng hoặc tiệt trùng 2. Chiếu xạ: dùng các tia ion hóa hoặc điện từ như tia gamma, các phần tử phóng xạ cobalt 60... Chiếu xạ tiêu diệt VSV bằng cách phá hủy DNA và tạo ra các hợp chất phóng xạ độc hại trong môi trường và trong tế bào VSV 3. Dùng các chất khí: sử dụng ethylene oxide hoặc ozone. Những khí này tiêu diệt cả tế bào sinh dưỡng và bào tử của VSV. 1. Thanh trùng  Là quá trình xử lý nhiệt tại các nhiệt độ và thời gian nhất định  Thanh trùng nhắm tới tiêu diệt các VSV gây bệnh mà không làm ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng của tp.  Gồm 3 phương pháp:  Nhiệt độ thấp thời gian dài (63oC, 30 phút)  Nhiệt độ cao thời gian ngắn (72oC, 15 giây)  Pp Flash (80oC, 1-2 giây) Nhiệt độ (0 C) Thời gian Loại thanh trùng 63 30 phút Vat pasteurization 72 15 giây High Temperature Short Time (HTST) 89 1.0 giây Higher Heat Shorter Time (HHST) 90 0.5 giây Higher Heat Shorter Time (HHST) 94 0.1 giây Higher Heat Shorter Time (HHST) 96 0.05 giây Higher Heat Shorter Time (HHST) 100 0.01 giây Higher Heat Shorter Time (HHST) 138 2.0 giây Ultra pasteurization (UP) Nguồn: 2. Tiệt trùng  Sử dụng phương thức vật lý hay hóa học để tiêu diệt toàn bộ VSV có mặt trong thực phẩm  Tiệt trùng có thể bằng cách:  Gia nhiệt ở nhiệt độ cao, 100-140oC  Chiếu xạ: tiêu diệt VSV, bào tử, côn trùng và làm bất hoạt enzyme  Trong thực tế, thường kết hợp cả nguyên lý ức chế và tiêu diệt trong bảo quản thực phẩm. Các phương pháp bảo quản phụ thuộc vào loại thực phẩm cần bảo quản. Ví dụ:  Thanh trùng kết hợp làm lạnh sữa  Hạ aw kết hợp bảo quản lạnh  Sử dụng chất bảo quản kết hợp bảo quản lạnh ...