6. Консервирование как защита от токсинобразующих микроорганизмов

Если раньше консерванты применяли в продуктах питания исключительно из экономических соображений, то сегодня их всё чаще используют с целью защиты от токсинобразующих микроорганизмов²⁴. Фактически применение консервантов имеет профилактический характер. Предотвращая порчу продуктов питания, они уменьшают опасность образования токсинов. Такая профилактика тем более важна, что образовавшееся ядовитое вещество не может быть удалено из пищи или корма.

Против токсинобразующих бактерий консерванты использовались давно, хотя и неосознанно. Так, нитриты и нитраты применяют в производстве солений не только для придания продуктам привычной окраски. Нитриты препятствуют развитию бактерий рода Clostridium и, следовательно, образованию ботулотоксина. Поскольку нитриты сравнительно токсичны, в начале 80-х годов была проведена большая работа по исследованию действия на токсинобразующие бактерии, особенно рода Clostridium, иных консервантов (совместно с пониженными количествами нитрита или в его отсутствие). Хорошие результаты были достигнуты с сорбиновой кислотой. Однако она не может заменить нитрит в части окрашивания мяса в красный цвет и придания ему характерного аромата соления.

Использование консервантов против токсинобразующих грибов позволяет снизить опасность загрязнения пищи микотоксинами [47, 48]. Такого рода опасности в большой степени подвержены твёрдые сыры, твёрдокопчёные колбасы, фруктовые продукты и выпечка (примерно треть спонтанно растущих на американском эмментальском сыре плесневых грибов образуют микотоксины [49]). Наиболее технологичный способ борьбы с загрязнением этих продуктов микотоксинами - применение консервантов.

Особенно хорошо изучено действие на токсинобразующие грибы сорбиновой кислоты [50 - 58]. Другие консерванты (например, пропионовая и бензойная кислоты или натамицин) тоже препятствуют образованию токсинов [54, 59, 60]. Сорбиновая кислота сильнее подавляет образование микотоксинов, чем развитие соответствующих плесневых грибов [50, 55, 56]. В культурах Aspergillus paraciticus, находящихся в состоянии покоя (но не роста), сорбиновая кислота подавляет синтез афлатоксина [61]. Так же действуют и пропионаты [62]. При высокой обсеменённости в благоприятной среде грибы продолжают развиваться в присутствии 3 г сорбата калия на 1 кг продукта, однако образование микотоксинов при этом подавляется [60]. В подпороговой концентрации пропионовая [63] и сорбиновая [63, 64] кислоты могут способствовать образованию афлатоксина.

Сульфиты в определённых условиях разрушают афлатоксины [65]. Теоретически они могли бы использоваться для «деконтаминации» поражённых продуктов, но такой способ рекомендовать нельзя. Следует предотвращать рост плесневых грибов и связанное с ними образование афлатоксинов добавлением консервантов.

 

7. Влияние свойств субстрата на действие консервантов

Эффективность консервантов зависит от состава и физико-химических свойств консервируемого пищевого продукта. На неё могут влиять вещества, которые изменяют рН или активность воды либо селективно адсорбируют консерванты, а также природные составляющие продукта, которые сами проявляют антимикробное действие. Некоторые из этих факторов усиливают действие консервантов, а другие ослабляют. По этим причинам используемая концентрация консерванта в пищевом продукте часто отличается от минимальной действующей концентрации, определённой in vitro.

Влияние водородного показателя. Консерванты, способные к электролитической диссоциации, могут проявлять антимикробное действие либо за счёт образующихся ионов водорода, либо в виде недиссоциированных молекул²⁵.

Примером консерванта, который действует посредством ионов водорода, может служить уксусная кислота. Здесь на первом плане стоит кислотное действие, т.е. снижение величины рН. При пониженном рН некоторые микроорганизмы, прежде всего бактерии, теряют жизнеспособность. Консерванты этого типа применяются в относительно высокой концентрации, так как для существенного снижения рН забуференного субстрата (а таковым оказывается большинство пищевых продуктов) необходимо не менее 1% кислоты.

Типичный представитель второй группы - сорбиновая кислота. В этом случае антимикробное действие проявляют почти исключительно недиссоциированные молекулы. Только молекулы (но не гидрофильные анионы) из-за своей липофильности могут проникать через клеточные мембраны микроорганизмов и угнетать внутриклеточные ферменты. Такие консерванты действуют в концентрации много ниже 1%.

Доля недиссоциированной кислоты уменьшается с повышением рН. Таким образом, консерванты, способные диссоциировать, тем эффективнее, чем выше кислотность субстрата²⁶. Долю недиссоциированных молекул можно вычислить из константы диссоциации кислоты по формуле [66]:

α = [Н⁺] /([Н⁺] + В)

где α— доля недиссоциированной кислоты;

[Н⁺] — концентрация ионов водорода;

D— константа диссоциации.

 

В табл. 8 приведены доли недиссоциированных молекул для важнейших консервантов в области рН 3 - 7.

Из данных следует, что в нейтральной среде эти консерванты проявляют слабую активность или не проявляют её вообще²⁷. В такой среде применимы только недиссоциирующие или малодиисоциирующие соединения, например эфиры л-оксибензойной кислоты или борная кислота. Существенное различие между отдельными консервантами обнаруживается при рН 5 - 6, который имеют многие пищевые продукты. Например, сорбиновая и пропионовая кислоты в этих условиях ещё достаточно эффективны, а бензойная и муравьиная почти непригодны.

 

Таблица 8. Доля недиссоциированных молекул для

консервантов - кислот при различных значениях рН

 

Консервант (кислота)	Константа диссоциации	рК	Доля Недиссоциированной кислоты, %, при рН
			3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0
Сернистая	1,54·10-2	1,81	6	2	0,6	0,2	0,06	0,02	0,01	0	0
Салициловая	1,07·10-3	2,97	48	23	9	3	1	0,3	0,1	0,03	0,01
Муравьиная	1,77·10-4	3,75	85	64	36	15	5	1,8	0,6	0,2	0,06
п-Хлор - бензойная	9,3·10-5	4,03	92	77	52	25	10	3,3	1,1	0,3	0,1
Бензойная	6,46·10-2	4,18	94	83	61	33	13	5	1,5	0,5	0,15
п –Гидрокси - бензойная	3,3·10-5	4,48	97	91	75	49	23	9	2,9	1,0	0,3
Уксусная	1,76·10-5	4,75	98	95	85	64	36	15	5,4	1,8	0,6
Сорбиновая	1,73·10-5	4,76	98	95	85	65	37	15	5,5	1,8	0,6
Пропионовая	1,32·10-5	4,88	99	96	88	71	43	19	7,0	2,3	0,8
Дегидрацетовая	5,30·10-6	5,27	100	98	95	86	65	37	16	5,6	1,9
Гидросульфитный ион	1,02·10-7	6,99	100	100	100	100	99	97	91	76	50
Борная	7,3·10-10	9,14	100	100	100	100	100	100	100	100	99

 

Теоретически можно было бы компенсировать малую долю недиссоциированных молекул высоким общим содержанием консерванта. Однако такой способ может привести к выходу за рамки законодательных нормативов на количество применяемых добавок и(или) к недопустимому изменению вкуса пищевого продукта.

Особое место среди консервантов занимает сернистая кислота. Она может присутствовать в продукте в четырёх формах: в виде растворённого газа (SО₂), сернистой кислоты (Н₂SO₃), гидросульфит-иона (Н₂SО₃) и сульфит-иона (SО₃^2-). Антимикробное действие отдельных форм весьма различается. Благодаря наличию гидросульфит-ионов сернистая кислота ещё проявляет некоторое антимикробное действие в области средних значений рН [67].

По описанным причинам смещение рН пищевого продукта в область кислой реакции в принципе увеличивает эффективность консервантов. Повышение кислотности благоприятно для сохранения пищевых продуктов ещё и потому, что некоторые бактерии в достаточно кислой среде теряют способность развиваться. На практике рост кислотности пищевого продукта имеет ограничения по вкусу.

Есть основания утверждать, что кислоты-консерванты проявляют антимикробное действие не только в недиссоциированной форме, но и в виде ионов. Однако действие последних всегда существенно слабее, чем недиссоциированных кислот (в случае сорбиновой кислоты примерно в 100 раз) [68, 69].

Влияние коэффициента межфазного распределения. Коэффициентом распределения растворённого вещества между фазами называется отношение его концентраций в этих средах. Оценить коэффициент распределения можно по отношению растворимостей вещества в обеих фазах. В практике консервирования пищевых продуктов важную роль играет коэффициент распределения консерванта между жировой и водной средами в эмульсиях (маргарин, майонез и т.п.). Рост микроорганизмов в таких системах происходит исключительно в водной фазе, и та часть консерванта, которая находится в жировой среде, оказывается бесполезной²⁸. Следовательно, лучшим (при прочих равных условиях) будет консервант, имеющий наименьший коэффициент распределения.

Консерванты имеют различную растворимость в разных жирах, и коэффициент распределения зависит от вида жира. Поваренная соль, сахар и другие растворенные в воде вещества снижают растворимость в ней консервантов и увеличивают коэффициенты распределения (так называемое высаливание). С повышением рН коэффициент распределения уменьшается, потому что в жировую фазу переходят только недиссоциированные молекулы консерванта²⁹. В табл. 9 представлены коэффициенты распределения некоторых консервантов между растительным маслом [70, 71] или октанолом [72] и водой.

 

Таблица 9. Коэффициенты распределения консервантов

 

Консервант	Растительное масло	Октанол
Пропионовая кислота	0,17	-
Сорбиновая кислота	3,0	21
Метил - п - оксибензоат	5,8	91
Бензойная кислота	6,1	51
Этил - п - оксибензоат	26,0	-
Пропил - п - оксибензоат	87,5	1010

 

Влияние активности воды. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов нужно, чтобы активность воды (а_w) в субстрате, на котором они развиваются, была не ниже определённой величины. Добавление веществ, снижающих активность воды в пищевом продукте, положительно сказывается на эффективности консервантов³⁰. Важнейшими из таких веществ являются поваренная соль, сахар, глицерин и гликоли. В табл. 10 приведены сведения о пороговых значениях активности воды для некоторых микроорганизмов, встречающихся в пищевых продуктах [27, 73]. Из нес следует, что большинство бактерий нуждаются в высокой активности воды, в то время как многие плесневые грибы и дрожжи хорошо развиваются даже при активности воды ниже 0,85.

Активность воды (если она не единственный лимитирующий фактор) влияет и на образование микроорганизмами токсинов. Например, образование пенициллиновой кислоты грибами Aspergillus ochraceus возможно даже при активности воды ниже 0,76 [27, 33]. Бактерии Clostridium botulinum типа В не образуют токсинов при а_w < 0,94 [27]. Выработка энтеротоксина А бактериями Staphylococcus aureus прекращается при активности воды ниже 0,87 [27].

Влияние других физико-химических свойств субстрата. На жизнедеятельность микроорганизмов влияют и другие свойства субстрата, например окислительно-восстановительный потенциал и парциальное давление кислорода [74]. Поэтому все добавки и составляющие пищевых продуктов, способные изменять эти факторы, влияют на необходимую концентрацию консерванта. Типичным примером может служить сернистая кислота, которая изменяет окислительно-восстановительный потенциал. На парциальное давление кислорода в системе влияют поваренная соль, диоксид углерода и азот³¹ [74].

Влияние веществ, содержащихся в пищевом продукте. Из веществ, входящих, в состав пищевых продуктов или добавляемых в них, на эффективность консервантов больше всего влияют поваренная соль, углеводы и этанол.

Поваренная соль в некоторых пищевых продуктах усиливает действие консервантов, главным образом из-за осмотического удаления воды и как следствие снижения её активности. Кроме того, соль непосредственно влияет на ферменты и таким образом содействует консервантам. С другой стороны, в эмульсиях соль увеличивает коэффициенты распределения консервантов, что неблагоприятно сказывается на их эффективности.

Среди углеводов самое большое влияние на действие консервантов оказывают сахара. В низких концентрациях эти легко усвояемые питательные вещества способствуют развитию микроорганизмов, и в некоторых пищевых продуктах только лишь их присутствие делает необходимым добавление консервантов. При высоких концентрациях сахара, наоборот, подавляют развитие микроорганизмов, так как, подобно поваренной соли, снижают активность воды. По влиянию на коэффициенты распределения они также схожи с солью, но действуют несколько слабее.

Этанол обычно усиливает действие консервантов.

Некоторые консерванты могут взаимодействовать с компонентами пищевых продуктов. При этом они частично или полностью теряют свою активность. Если предполагаются реакции такого рода, то для компенсации, как правило, используют более высокие дозы консерванта. Примером может служить диоксид серы, который реагирует с альдегидами и глюкозой³² [22]. В вине эта реакция нежелательна, потому что ведёт к связыванию важного побочного продукта брожения - ацетальдегида³³. Нитриты тоже могут реагировать с составляющими пищевых продуктов. В частности, из нитритов и аминов могут образовываться канцерогенные нитрозамины. Более подробные сведения о возможных взаимодействиях с компонентами пищевых продуктов приводятся в главах, посвящённых отдельным консервантам.

Таблица 10. Пороговые значения активности воды для некоторых микроорганизмов, встречающихся в пищевых продуктах [27]

аw	Бактерии	Дрожжи	Плесневые грибы
0,98	Clostridium1 ,Pseudomonas*	-	-
0,97	Clostridium2 ,Pseudomonas*	-	-
0,96	Flavobacterium, Klebsiella, Lactobacillus*, Proteus*, Pseudomonus*, Shigella	-	-
0,95	Alcaligenes, Bacillus, Citrobacter, Clostridium3 , Enterobacter, Escherichia, Propionibacterium, Proteus, Pseudomonus, Salmonella, Serratia, Vibrio	-	-
0,94	Bacillus*, Clostridium4 , Lactobacillus, Microbacterium, Pediococcus, Streptococcus*, Vibro	-	Stachybotrys
0,93	Bacillus5 , Micrococcus*, Lactobacillus, Streptococcus	-	Botrytis, Mucor, Rhizopus
0,92	-	Pichia, Rhodotorula, Saccharomyces*	-
0,91	Corynebacterium, Streptococcus	-	-
0,90	Bacillus6, Lactobacillus*, Micrococcus, Pediococcus Staphylococcus7 , Vibro*	Hansenula, Saccharomyces	-
0,88	-	Candida, Debaryomyces, Hanseniaspora, Torulopsis	Cladosporium
0,87	-	Debaryomyces*	-
0,86	Micrococcus, Staphylococcus8 , Vibro9	-	-
0,84	-	-	Alternaria, Aspergillus*, Paecilomyces
0,83	Staphylococcus*	Debaryomyces*	Penicillium*
0,81	-	Saccharomyces*	Penicillium*
0,79	-	-	Penicillium*
0,78	-	-	Aspergillus, Emericella
0,75	Halobacterium, Halococcus	-	Aspergillus*, Wallemia
0,70	-	-	Aspergillus*, Chrysosporium
0,62	-	Saccharomyces*	Eurotium*
0,61	-	-	Monascus (Xeromyces)

 

Примечание. Звёздочкой и цифрами помечены:

* отдельные штаммы;

1 Clostridium botulinum тип С;

2 Clostridium botulinum тип Е и отдельные штаммы С. perfringens,

3 Clostridium botulinum тип А и В, а также С. perfringens

4 отдельные штаммы С. botulinum тип В;

5 отдельные штаммы Bacillus starothermophilus

6 Bacillus subtilis в определенных условиях;

7 Staphylococcus aureus при анаэробном развитии;

8 Staphylococcus aureus при аэробном развитии;

9 отдельные штаммы УгЬгю сохНсо1их.