XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Микроорганизмы – это мельчайшие живые организмы, состоящие главным образом из одной клетки. Большинство микроорганизмов относятся к низшим растительным формам жизни, таким как бактерии, плесени и дрожжи. Также существуют некоторые микроорганизмы, которые относятся к низшим животным формам (протисты или протозоа). Микроорганизмы широко распространены в природе благодаря своей высокой выносливости, способности быстро размножаться и адаптироваться к различным условиям, таким как температура, влажность и недостаток влаги. Однако их активность существенно зависит от физических, химических и биологических факторов окружающей среды [4].

Физические факторы, такие как температура, различные формы излучения, осмотическое давление и влажность, оказывают значительное влияние на активность микроорганизмов и ферментов [2].

Температура окружающей среды влияет на активность, скорость роста и размножения микроорганизмов. Существуют три группы микроорганизмов, отличающихся своей температурной предпочтительностью: психрофильные (психрофилы), мезофильные (мезофиллы) и термофильные (термофилы). Отклонение температуры от оптимальной влияет на активность микроорганизмов, причем повышение температуры сильнее влияет, чем ее понижение. Высокая температура может вызвать отмирание микроорганизмов из-за необратимых изменений в клетке.

Излучение ультрафиолетовыми (УФ) лучами и ионизирующим излучением также оказывает влияние на микроорганизмы и ферменты. УФ-лучи обладают губительным действием на многие микроорганизмы и могут использоваться для стерилизации воды и воздуха.

Ионизирующие излучения, полученные с помощью рентгеновских аппаратов или радиоактивных изотопов, обладают сильным бактерицидным действием и могут обеспечить полную стерилизацию за несколько секунд. Умеренные дозы облучения могут снизить скорость размножения микроорганизмов и продлить срок хранения продуктов.

Осмотическое давление — это явление, которое связано с диффузией веществ в растворах через полупроницаемую перепонку. Микроорганизмы, в отличие от других организмов, не обладают специальными органами питания и дыхания. Обмен веществ у них происходит путем осмоса через поверхность тела.

Осмос возникает под воздействием разности осмотических давлений в двух соседних слоях раствора по обе стороны полупроницаемой перепонки. Осмотическое давление представляет собой избыточное внешнее давление, которое необходимо приложить со стороны раствора, чтобы прекратить осмос.

Когда микроорганизмы находятся в субстратах с высоким осмотическим давлением, они не могут нормально обмениваться веществами. Питательные вещества, поступившие в клетку, усваиваются ею, и парциальное давление внутри клетки всегда будет ниже, чем во внешней среде. Значительная часть воды из цитоплазмы выходит в окружающую среду, что приводит к обезвоживанию клетки и возникновению состояния плазмолиза. Именно на этом принципе основаны некоторые способы сохранения продуктов с помощью концентрированных растворов соли и сахара.

Добавление 12%-ной поваренной соли в продукт существенно замедляет развитие большинства микроорганизмов, а при 20%-ном содержании соли жизневедение практически всех видов микробов прекращается полностью. В случае использования сахара в целях консервирования (например, при приготовлении варенья, джема, повидла) для достижения нужного эффекта его добавляют в значительно больших количествах, около 70%.

Применение концентрированных растворов сахара или соли для сохранения ягод, плодов, овощей, мяса, рыбы и других продуктов на самом деле является процессом сушки продукта посредством осмоса. При этом одновременно происходит движение веществ из раствора в продукт и обратное движение воды из продукта в раствор. В результате происходит снижение активности воды в продукте, что делает среду непригодной для развития микроорганизмов и предотвращает порчу продукта.

Среди микроорганизмов существуют осмофильные виды, которые способны развиваться в высококонцентрированных средах. Некоторые дрожжи, стафилококки, плесневые грибы хорошо переносят большие концентрации сахара. Микробы, устойчивые к высоким концентрациям поваренной соли, называются галофильными или солелюбивыми.

Влажность среды играет ключевую роль в развитии микроорганизмов. Вода составляет до 85% клеточного состава и поддерживает тургорное давление в них. Минимальная влажность, необходимая для развития бактерий, составляет 20-30%, для большинства плесеней – 11-13%, а в некоторых случаях даже 6% (например, для хлопкового волокна). Потребность во влаге у различных микроорганизмов может значительно варьироваться. Выделяют гидрофитов – влаголюбивые микроорганизмы, мезофитов – средневлаголюбивые, и ксерофитов – сухолюбивые. Большинство бактерий и дрожжей относится к группе гидрофитов [3].

Одним из химических факторов, оказывающих значительное влияние на активность микроорганизмов, являются химический состав и реакция среды, а также окислительно-восстановительные условия.

Состав среды имеет большое значение для роста, развития и размножения микроорганизмов, так как эти процессы требуют значительных энергетических затрат. Организмы получают энергию в результате дыхания. Большинство микроорганизмов используют кислород из воздуха в процессе дыхания и называются аэробами (или аэробными микроорганизмами). Окислительные реакции сопровождаются выделением различного количества тепловой или другой энергии, часть которой используется микроорганизмами для обеспечения их жизненных процессов. Конечными продуктами окисления являются углекислый газ и вода.

Уксуснокислые бактерии играют важную роль в процессе окисления этилового спирта до уксусной кислоты или полного разложения его до углекислого газа и воды. Когда уксусный спирт взаимодействует с кислородом, он превращается в уксусную кислоту и воду, при этом выделяется 116 ккал. Если мы имеем дело с разложением этилового спирта полностью, то образуются углекислый газ, вода и 326 ккал.

Существует другая группа микроорганизмов, которым не нужен кислород, они получают энергию в процессе анаэробного дыхания, или брожения. Эти микроорганизмы называются анаэробными. Например, когда мы говорим о спиртовом брожении, сахар разлагается на спирт и углекислый газ. При этом выделяется 27 ккал теплоты.

Существует еще третья группа микроорганизмов, которая способна жить и в присутствии кислорода, и при его отсутствии. Такие микроорганизмы называются факультативными аэробами или анаэробами.

Хранение продуктов, включая обезвоженные, сопровождается некоторыми изменениями, которые приводят к ухудшению их свойств. Эти изменения осуществляются под воздействием кислорода воздуха, который окисляет многие составные части продукта. Чтобы предотвратить этот процесс, продукты упаковывают в герметичные контейнеры или вакуумную упаковку. Вакуумная упаковка предусматривает упаковку продуктов в газонепроницаемую упаковку и удаление воздуха из нее. Таким образом, окислительные процессы, которые обычно возникают из-за воздействия воздуха и ухудшают качество продукта, значительно замедляются. Поверхностный слой продукта не подсыхает, цвет и пищевые свойства сохраняются. Кроме того, упаковка продуктов в вакуумную упаковку помогает уменьшить активность аэробной микрофлоры. Некоторые продукты также могут быть помещены в среды, содержащие смеси воздуха с углекислым газом, азотом, сернистым газом и другими компонентами, чтобы подавить жизнедеятельность микроорганизмов.

Высокие концентрации углекислого газа подавляют не только аэробные бактерии, но и анаэробные. Более высокое содержание углекислого газа в воздухе влияет на качество и внешний вид продуктов. Действие углекислого газа на микроорганизмы усиливается при пониженных температурах. Плесени более чувствительны к углекислому газу, чем бактерии.

Также следует отметить, что углекислый газ растворяется хорошо в жирах. Растворимость углекислого газа в жирах увеличивается при понижении температуры. Когда продукт переносится в нормальную атмосферу, углекислый газ начинает выделяться из жира (десорбция). Особенно рекомендуется хранение продуктов растительного происхождения в среде с повышенным содержанием углекислого газа. Такой подход не только подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, но и замедляет созревание плодов, что позволяет продуктам сохранять свежесть при температуре около 0 градусов Цельсия в 2-3 раза дольше. Аналогичное действие на микроорганизмы оказывают повышенные концентрации азота и сернистого газа.

Озонирование камер хранения продуктов позволяет очистить воздух от микрофлоры в течение 48-72 часов, а ежедневная подача азота с использованием озонаторов на 4-5 часов существенно замедляет развитие плесеней и образование спор. Для задержания развития плесеней и гнилостных бактерий также применяется окуривание камер хранения плодово-ягодного сырья сернистым газом (SO2). Поскольку поглощенный сернистый газ в процессе хранения испаряется, необходимую концентрацию периодически поддерживают готовым SO2, полученным в заводских условиях, или сжиганием серы в камерах. Другой метод поддержания концентрации сернистого газа – применение таблеток бисульфита и метабисульфита калия и натрия, которые, разлагаясь, выделяют сернистый газ.

Дополнительно можно применять антибиотики и антисептики для прямого воздействия на микроорганизмы. Они безвредны для продуктов, устойчивы к внешним факторам и могут быть разрушены при технологической кулинарной обработке. Широко используются такие антибиотики, как ауреомицин, стрептомицин, хлормицетин и террамицин.

В процессе хранения жировых продуктов происходит ферментативное порча жира. Для замедления процесса окисления жира используются антиокислители, которые имеют более легкую окисляемость по сравнению с жирами. Среди наиболее распространенных антиокислителей – токоферол, сезамол и госсипол, а также синтетические вещества – бутилокситолуол, бутилоксианизол и другие. Антиоксиданты могут быть введены непосредственно в жировую ткань продукта или добавлены в среду, которая контактирует с продуктом. Изменение состояния среды влияет на электрический заряд поверхности клеток, что в свою очередь влияет на их проницаемость для отдельных ионов. Большинству плесеней и дрожжей наиболее благоприятна слабокислая среда с pH от 3,0 до 6,0, а бактериям - нейтральная или слабощелочная среда с pH от 6,5 до 8,0. Однако, эти значения могут варьироваться в зависимости от условий среды и физиологических особенностей самих микроорганизмов.

Окислительно-восстановительный потенциал среды оказывает влияние не только на рост и размножение микроорганизмов, но и на их биохимическую активность. Путем регулирования окислительно-восстановительных условий среды можно замедлить или стимулировать активное развитие определенных групп микроорганизмов. Например, добавление редуцирующих веществ, которые уменьшают окислительно-восстановительный потенциал среды, может вызвать рост анаэробов в присутствии воздуха.

Биологические факторы, влияющие на активность микроорганизмов и тканевых ферментов, играют существенную роль в их функционировании. Развитие микроорганизмов зависит от биологического состава среды, в которой они существуют.

Взаимоотношения между микроорганизмами могут быть различными и включать симбиоз, метабиоз, антагонизм и паразитизм.

Симбиоз – это взаимовыгодное сожительство микроорганизмов, при котором они стимулируют жизнедеятельность друг друга. Например, дрожжи и молочнокислые бактерии взаимодействуют, обеспечивая взаимную поддержку и повышение активности.

Метабиоз – это процесс, при котором жизнедеятельность одних микроорганизмов способствует развитию других организмов. Например, некоторые микроорганизмы могут расщеплять натуральные белки, создавая тем самым условия для активности других микроорганизмов, способных усваивать только продукты распада белка.

Антагонизм – это неблагоприятное влияние одних микроорганизмов на другие. Например, молочнокислые бактерии могут тормозить развитие гнилостных бактерий, предотвращая их активность и рост.

Паразитизм – это процесс, при котором развитие одних микроорганизмов происходит за счет других. Паразиты могут быть возбудителями различных болезней у человека, растений и животных [1, 2].

Деятельность микроорганизмов и тканевых ферментов проявляется только при наличии благоприятных внешних условий, таких как физические, химические и биологические. Изменение данных условий позволяет ослабить или полностью прекратить деятельность микроорганизмов и тканевых ферментов, что ведет к предотвращению порчи продуктов. Таким образом, сущность консервирования заключается в контроле и изменении этих условий.

Список литературы

1. Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы // StudFiles URL: https://studfile.net/preview/2987282/page:7/ (дата обращения: 16.11.2023).

2. Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы. // Студопедия URL: https://studopedia.ru/10_138021_tema---vliyanie-faktorov-vneshney-sredi-na-mikroorganizmi-fizicheskie-faktori-himicheskie-faktori-biologicheskie-faktori.html (дата обращения: 18.11.2023).

3. Влияние физических факторов на организмы // Международная студенческая научная конференция URL: https://scienceforum.ru/2018/article/2018008973 (дата обращения: 16.11.2023).

4. Микроорганизмы: [арх. 6 мая 2021] / И. Ю. Чернов // Меотская археологическая культура — Монголо-татарское нашествие. — М.: Большая российская энциклопедия, 2012. — С. 270. — (Большая российская энциклопедия: [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов; 2004—2017, т. 20). — ISBN 978-5-85270-354-5.

Код для цитирования: Скопировать