Химические факторы

Химическая природа веществ и их концентрация в питательной среде оказывают большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов: они определяют качественное распределение микроорганизмов в природе и направленность вызываемых ими биохимических процессов. Особенно большое влияние оказывают реакция среды, молекулярный кислород и различные химические вещества.

Реакция среды. Под реакцией среды подразумевается степень ее кислотности или щелочности. Этот фактор имеет важное значение в жизни микроорганизмов. Наибольшей активностью в отношении микроорганизмов обладают водородные и гидроксильные ионы, на которые диссоциируют кислоты и щелочи в растворе. Чем выше кислотность среды, тем больше концентрация ионов водорода в растворе.

Различные микроорганизмы по отношению к реакции среды резко отличаются друг от друга. Для одних пределы колебания рН, в которых возможна их жизненедятельность, довольно узки, другие — сравнительно легко переносят как подкисленные, так и щелочные среды. Например, бактерии рода Mycobacteriumразвиваются при рН от 7,5 до 7,8, а микроскопические грибы — от 1 до 10. В качестве общего правила можно отметить, что для большинства бактерий наиболее благоприятной средой являются нейтральная или слабощелочная, а для дрожжей и микроскопических грибов — слабокислая.

Существует целый ряд микроорганизмов, способных регулировать рН среды в соответствии со своими потребностями. Дрожжи, например, при рН 5,5 — 4,5 в качестве основных продуктов брожения образуют спирт и углекислоту, а при рН 7,5 накапливают глицерин и уксусную кислоту. Выход спирта при этом снижается. Под влиянием субстрата физиологическая деятельность дрожжей изменяется: они начинают вырабатывать уксусную кислоту, снижающую рН. Проявляют способность к регулированию среды также микроскопические грибы, молочнокислые бактерии.

Некоторые микроорганизмы, устойчивые к низким рН (от 3 до 4), в процессе жизнедеятельности выделяют в качестве продуктов обмена различные кислоты: уксуснокислые бактерии образуют уксусную кислоту, молочнокислые — молочную, пропионовокислые — пропионовую и т. д., поэтому их относят к ацидофильным (кислотолюбивым). По мере развития данного микроорганизма в среде будет накапливаться образуемая им кислота и реакция среды будет меняться. Изменение реакции субстрата обусловливает смену одних микроорганизмов другими. Микроорганизмы, развивающиеся при высоких значениях рН, называются алкалифильными (щелочелюбивыми), например Vibriocholerae лучше развивается при рН 9.

Масштаб регулирования среды микроорганизмами сравнительно невелик. Диапазон колебания рН не превышает нескольких единиц, за пределами которых микроорганизмы становятся недеятельными и очень скоро погибают.

В лабораторной практике для выращивания отдельных видов микроорганизмов приготовляются питательные среды с оптимальными для данных микроорганизмов значениями рН. Кислая реакция среды оказывает губительное действие на гнилостные и многие патогенные микррорганизмы.

Е. coli и бактерии рода Salmonella, имеющие нижний предел рН 4,5, погибают при рН 3,5 в течение нескольких часов. Вегетативные клетки микроорганизмов под влиянием высокой кислотности погибают быстрее, чем споры. Угнетающее действие кислой.среды зависит не только от величины рН, но и от природы кислоты, взятой для создания этой реакции.

У минеральных кислот токсическое действие в основном связано с их степенью диссоциации. Токсичность же органических кислот не пропорциональна их степени диссоциации, а связана с ядовитым действием недиссоциированных молекул или анионов.

Действие кислой среды на гнилостные микроорганизмы положено в основу таких методов консервирования, как маринование сельди.

Молекулярный кислород. Жизнедеятельность микроорганизмов находится в прямой зависимости и от окислительно-восстановительных условий в среде. Окислительно-восстановительные условия в среде характеризуются окислительно-восстановительным потенциалом rН₂. Величина rН₂ колеблется от 0 до 41. Чем меньше его числовое выражение, тем больше концентрация водорода в среде и тем сильнее в ней выражены восстановительные, или анаэробные, условия. Чем выше значение rН₂, тем больше насыщение среды кислородом. Так, в водном растворе, насыщенном кислородом, rН₂ соответствует 41, а в растворе, насыщенном водородом, rН₂ равно 0. При равновесии окислительно-восстановительных процессов rН₂ равно 28.

Различные микроорганизмы могут развиваться в определенных границах гН₂. Анаэробные бактерии развиваются при гН₂ от 0 до 14, факультативные анаэробные — при rН₂ от 0 до 20, аэробы — при rН₂ от 14 до 30. Регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно резко изменять интенсивность развития микроорганизмов и их биохимическую активность. Например, добавляя к среде вещества, снижающие rН₂, можно добиться роста анаэробов в присутствии воздуха и, наоборот, повышая rН₂, можно выращивать аэробов в анаэробных условиях.

Таким образом, изменяя реакцию среды, ее rН₂, когда этого требуют интересы производства, можно регулировать жизнедеятельность микроорганизмов, изменять ход биохимических процессов, способствовать развитию полезных и подавлять развитие нежелательных.

Химические вещества. Химические вещества, вызывающие гибель микроорганизмов, называются дезинфицирующими, или антисептиками (греч. сепсис — гниение). Наиболее сильнодействующими из них являются: из неорганических соединений — соли тяжелых металлов (ртути, меди, особенно серебра), многие окислители (хлор, озон, йод, перекись водорода, хлорная известь, перманганат калия), щелочи (едкий натр) и кислоты (сернистая, фтористоводородная и борная кислоты); из органических соединений — спирты, фенолы, альдегиды, особенно формальдегид. К различным антисептикам одни и те же микроорганизмы проявляют разную степень устойчивости: под действием одних микроорганизмы моментально гибнут, под действием других приостанавливают свое развитие, действие третьих не оказывает на них никакого влияния.

Действие химических веществ называется бактерицидным, если происходит гибель микроорганизмов, или бактериостатическим, если они вызывают временную остановку жизнедеятельности микроорганизмов.

Наблюдается неодинаковое действие одного и того же антисептика на различные виды микроорганизмов.

Даже различные штаммы одного и того же вида микроорганизма обнаруживают различную устойчивость к действию одного и того же антисептика. Эту разницу объясняют неодинаковой структурой микроорганизмов. Грамотрицательные микроорганизмы, например, менее чувствительны к анилиновым краскам, чем грамположительные, что является важным диагностическим признаком.

Антисептики значительно сильнее действуют на вегетативные клетки микроорганизмов и гораздо слабее на споры. Высокая устойчивость спор к антисептикам может быть объяснена малой проницаемостью их наружной оболочки и является свидетельством того, что причина действия антисептика связана с его влиянием на физиологическое состояние цитоплазмы клетки.

Бактерицидное действие антисептика зависит от его концентрации. При одинаковой степени разведения двух разных бактерицидных веществ токсичность их может быть совершенно различной. Не менее важным фактором активности антисептиков является температура и рН среды. Как правило, с повышением температуры токсичность антисептика возрастает. Температура в данном случае влияет не только на активность самого антисептика, но и на микроорганизмы. При температурах, превышающих максимум для роста микроорганизмов, даже незначительные дозы антисептиков могут вызывать летальное действие. Аналогичное действие оказывает и рН среды.

Разнообразие химических и биологических свойств антисептиков позволяет использовать их на практике для различных целей. Система мер, полностью предотвращающих проникновение в пищевые продукты микроорганизмов, что достигается дезинфекцией всех предметов и материалов, соприкасающихся с пищевым сырьем и готовым продуктом, называется асептикой.

Некоторые антисептики используются в качестве консервантов пищевых продуктов. При этом использование их в качестве консервантов пищевых продуктов строго нормируется санитарным законодательством СССР, так как большинство антисептиков токсично не только для микроорганизмов, но и для человека. Совершенно неприемлемы для консервирования пищевых продуктов сулема, фенол, бром, йод, мышьяк, соли меди.

Идеальные консерванты пищевых продуктов должны обладать высокой бактерицидностью и быстротой действия, т. е при малых концентрациях в короткий срок убивать самые стойкие Микроорганизмы. В то же время они должны быть или совершенно безвредными для человека, или, по крайней мере, малотоксичными, или легко удаляться из продукта перед употреблением его в пищу. Антисептики должны быть устойчивыми к различным условиям среды, не разрушать металл, краски, дерево, быть дешевыми, не должны изменять ни цвета, ни запаха, ни вкуса консервируемого продукта, т. е не должны вызывать каких-либо побочных явлений. Но ни один из существующих антисептиков не отвечает этим требованиям и имеет те или иные недостатки.

Из неорганических соединений более всего соответствуют перечисленным требованиям перекись водорода (3 — 6%), марганцевокислый калий (2 — 5%), бисульфат натрия (0,25%), различные соединения хлора и др. Так, для обеззараживания различных предметов и оборудования на рыбообрабатывающих предприятиях используются такие хлорсодержащие вещества, как хлорамин (0,2 - 0,5%) , хлорная известь (от 0,1 до 20%), гипохлорид натрия, который в незначительной концентрации (0,01%) уничтожает бактерии родов Salmonella, Staphylococcus, Е. coli. Высокой активностью обладает новый препарат дихлордиметилгидантоин в концентрации 0,03 — 0,3%, а также четвертичные аммониевые соли. Они отличаются не только антисептическими, но и моющими свойствами.

Из органических соединений для хранения рыбы и рыбных продуктов используются: сорбиновая кислота (0,1 — 0,2%), бензойная кислота и бензойнокислый натрий (0,1%), уротропин (0,1 — 0,2%) и др.

Кроме растворов, для увеличения сроков хранения рыбы и рыбных продуктов используют химические вещества в газообразном состоянии, в частности углекислый газ (СO₂). В малых дозах СO₂ необходим для микроорганизмов и действует, по видимому, как стимулятор роста. Его угнетающее действие на жизнедеятельность микроорганизмов начинает проявляться лишь при довольно высоких концентрациях. Чувствительность к СO₂ у различных микроорганизмов варьирует в очень широких пределах. Так, прорастание спор плесеней задерживается при содержании в воздухе 4% СO₂. При 20%-ном содержании углекислого газа скорость роста микроорганизмов значительно замедляется по сравнению с хранением рыбы в воздушной среде, причем торможение роста тем сильнее, чем ниже температура хранения. Однако существуют и такие микроорганизмы, которые продолжают расти даже при 60 — 80%-ной концентрации СO₂. Очень стойким к действию СO₂ оказался Proteusvulgaris. Установлено, что углекислый саз с успехом можно использовать при хранении и перевозках скоропортящихся продуктов при одновременном их охлаждении. Оптимальная концентрация при этом 10%. В таких условиях продукты не подвергаются микробиальной порче 60 — 70 дней.

Исследованиями последних лет установлено бактерицидное действие некоторых эфирных масел, смол и дубильных веществ. Антисептические свойства пряностей легко могут быть объяснены бактерицидностью содержащихся в них эфирных масел. Бактерицидным действием обладает наиболее древний способ консервирования — копчение. В состав коптильного дыма, а также применимых коптильных жидкостей входят такие бактерицидные вещества, как формальдегид, фенол, крезол, ароматические смолы, алифатические кислоты, которые предохраняют продукты от бактериальной порчи.

Действие компонентов дыма на микроскопические грибы выражено слабее. Поэтому копченые продукты подвержены плесневению в большей степени, чем бактериальной порче.