Podstawy biotechnologii żywności

Wpływ środków konserwujących na drobnoustroje

1. Wiadomości wstępne

Niektóre substancje, jak np. sól lub ditlenek węgla, stosowane są do konserwowania żywności od wielu setek lat. Obecnie znanych jest wiele innych substancji chemicznych zapobiegających niekorzystnym zmianom w żywności. Wiele z nich. szeroko stosowanych do niedawna, obecnie wyszło z użycia na skutek stwierdzenia niekorzystnego oddziaływania na organizm ludzki (np. kwas salicylowy lub kwas borowy).

W miejsce wycofanych wprowadza się nowe substancje, mniej szkodliwe dla zdrowia. Związki chemiczne mogą być wprowadzane do żywności tylko w przypadku, gdy trwałości produktu nie można osiągnąć innymi sposobami, takimi jak np. pasteryzacja, sterylizacja, suszenie lub mrożenie. Środki konserwujące powinny wykazywać następujące właściwości:

1. odznaczać się działaniem bakteriobójczym lub bakteriostatycznym w małych stężeniach;

2. wykazywać dużą odporność na temperaturę, utlenianie oraz wysoką kwasowość;

3. nie wpływać ujemnie na cechy organoleptyczne produktu;

4. dobrze rozpuszczać się w wodzie;

5. w stosowanych stężeniach nie wykazywać toksyczności w stosunku do ludzi

Przed wprowadzeniem do powszechnego użycia muszą być przeprowadzone dokładne badania nieszkodliwości stosowanej substancji i jej metabolitów. W badaniach toksykologicznych uwzględnia się badania toksyczności ostrej, podostrej, przewlekłej oraz działanie kancerogenne i kokancerogenne. Substancje uważa sie za nieszkodliwe pod względem toksyczności ostrej, jeśli LD50 dla żadnego gatunku zwierząt nie jest niższe od 1 g (a nawet od 5 g) na 1 kg masy ciała.

LD50 (lethal dose - dawka śmiertelna) jest to dawka substancji chemicznej wyrażona w mg na kg masy ciała zwierzęcia, która u połowy (50%) zwierząt doświadczalnych powoduje zejście śmiertelne. Obserwacje w celu ustalenia LD50 prowadzi się zwykle 7-14 dni.

Badania nad toksycznością przewlekłą prowadzi się ponadto stosując dodatek środków konserwujących do paszy przez dwa lata. Za nieszkodliwą dawkę dla człowieka ustaloną przy badaniu toksyczności przewlekłej przyjmuje się 1/100 dawki nieszkodliwej dla zwierząt.

Do chemicznych środków konserwujących zalicza się takie związki, które wykazują efekty abiotyczne w niskich stężeniach rzędu 0,1-0,3% lub mniej. Dlatego niektóre substancje (np. sól) jakkolwiek w odpowiednich stężeniach spełniają rolę konserwantów, to nie są zaliczane do konserwujących środków chemicznych w pełnym znaczeniu.

W Polsce dopuszcza się do użycia następujące związki: saletrę sodową i potasową, bezwodnik kwasu siarkawego (SO₂), ester etylowy i propylowy kwasu p-hydroksybenzoesowego, kwas benzoesowy i jego sól sodową, kwas mrówkowy, kwas sorbowy oraz jego sole potasowe, sodowe i wapniowe, azotyn sodowy oraz tymol i toluen. Do środków, które wykazują działanie konserwujące, ale nie są substancjami konserwującymi w ścisłym tego słowa znaczeniu należą m.in.: sól kuchenna, cukier, alkohol etylowy, ditlenek węgla, dym wędzarniczy oraz kwasy: mlekowy, winowy, cytrynowy, ortofosforowy i pirofosforowy.

2. Rodzaje środków konserwujących

BEZWODNIK KWASU SIARKAWEGO (S0₂). Bywa on stosowany w postaci gazowego S0₂ z butli lub przez spalanie siarki jako 6-procentowy roztwór wodny S0₂ oraz jako roztwory soli wydzielających S0₂ (siarczyny kwaśne i obojętne oraz pirosiarczyny).

Najczęściej stosowane są dawki 0,1-0,3%. Dopuszczalna dawka dzienna bez zastrzeżeń dla człowieka wynosi 0,35 mg/kg masy ciała człowieka. Ditlenek siarki wykazuje działanie konserwujące tylko w postaci nie zdysocjowanego kwasu siarkawego (H₂SO₃), czyli w środowiskach kwaśnych (pH ok. 3), co ma związek z łatwiejszą dyfuzją nie zdysocjowanej cząsteczki kwasu przez ściany komórkowe.

Działanie konserwujące ditlenku siarki polega na redukcji wiązań S-S w białkach enzymów. W stosowanych stężeniach ditlenek siarki działa skutecznie przeciwko rozwojowi pleśni i bakterii. Słabiej hamuje wzrost drożdży. Niektóre wyselekcjonowane gatunki drożdży szlachetnych (winiarskich) są o wiele oporniejsze na działanie S0₂ niż drożdże dzikie. Dlatego siarkowanie moszczów do produkcji win hamuje rozwój bakterii octowych i drożdży dzikich, a nie przeszkadza właściwej fermentacji winiarskiej. Ponadto S0₂ służy do utrwalania suszów, soków, przecierów, miazgi, octu fermentacyjnego i żelatyny spożywczej. Ditlenek siarki zapobiega utlenianiu karotenu i witaminy C, zapobiega powstawaniu związków Maillarda (branatnienie nieenzymatyczne) oraz brunatnieniu enzymatycznemu. Niszczy natomiast całkowicie witaminę B₁ (tiaminę) i dlatego m.in. nie nadaje się do konserwowania mięsa i innych produktów zawierających tiaminę. Barwniki antocyjanowe tworzą z S0₂ nietrwałe związki bezbarwne, które podczas gotowania ulegają rozpadowi i powraca pierwotna barwa produktu.

KWAS BENZOESOWY i BENZOESANY. Kwas benzoesowy (benzokarboksylowy lub fenylokarboksylowy) C₆H₅COOH jest słabo rozpuszczalny w wodzie (1 g w 350 cm³) w przeciwieństwie do dobrze rozpuszczalnych benzoesanów (1 g w 2 cm³ H₂O). Kwas benzoesowy dobrze rozpuszcza się w alkoholu etylowym (1 g w 3 cm³).W przyrodzie kwas benzoesowy występuje w owocach jagodowych (czarne jagody i borówki - 0,1-0,2%, żurawiny - 0,02-0,06%), dzięki czemu ich przetwory wykazują dużą trwałość bez .dodatku środków konserwujących. Jako środek konserwujący kwas benzoesowy stosowany jest w stężeniu 0,1 %. Dawka dzienna dopuszczalna dla człowieka wynosi nie więcej niż 5 mg/kg masy ciała człowieka. Podobnie jak ditlenek siarki kwas benzoesowy działa skutecznie tylko w środowisku kwaśnym, czyli w postaci nie zdysocjowanej, wykazując działanie hamujące w stosunku do drożdży i bakterii kwasu masłowego. Słabiej działa w stosunku do bakterii kwasu octowego, a prawie wcale nie hamuje rozwoju bakterii mlekowych. Spadek pH z 7 do 3,5 zwiększa 5-10-krotnie efekt bakteriostatyczny benzoesanów.

Działanie hamujące kwasu benzoesowego polegać ma na oddziaływaniu na błonę komórkową oraz na inhibitowaniu niektórych reakcji enzymatycznych. Produkty o odczynie alkalicznym (niektóre warzywa) można konserwować kwasem benzoesowym lub jego solami tylko po uprzednim zakwaszeniu. Kwas benzoesowy ujemnie wpływa na smak niektórych produktów, powoduje drapanie w gardle i wywołuje zmętnienia przez strącanie małych ilości białek.

W organizmie ludzkim kwas benzoesowy daje połączenia z glikokolem, tworząc kwas hipurowy wydalany z moczem.

ESTRY KWASU p-HYDROKSYBENZOESOWEGO. Stosowane są następujące estry kwasu p-hydroksybenzoesowego: metylparaben - HO-C₆H₄-COO-CH₃, etylparaben - HO-C₆H₄-COO-CH₂-CH₃, propylparaben - HO-C₆H₄-COO-CH₂-CH₂-CH₃. Związki te zostały wprowadzone do konserwowania żywności w 1926 roku przez Sabalitschkę. W Polsce dopuszczalny jest tylko ester etylowy i propylowy. Sole sodowe tych estrów są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Wykazują o wiele silniejsze działanie niż sam kwas p-hydroksybenzoesowy. W odróżnieniu od kwasu benzoesowego i jego soli estry kwasu p-hydroksybenzoesowego słabo dysocjują w podwyższonych wartościach pH (60% nie zdysocjowanych cząsteczek przy pH = 6,5) i dlatego uważa się, że ich stosowanie jest praktycznie niezależne od kwasowości środowiska.

Działanie bakteriobójcze wzrasta wraz ze wzrostem grupy alkilowej (ester propylowy jest ponad 2-krotnie skuteczniejszy niż ester etylowy). Związki te dodaje się w ilości 0,1%. Dzienna dawka dla człowieka dopuszczalna bez zastrzeżeń wynosi 2,0 mg/kg masy ciała człowieka. Estry kwasu p-hydroksybenzoesowego stosuje się do przetworów owocowo-warzywnych, margaryny, konserw rybnych i żelatyny.

Stwierdzono bardzo niską toksyczność ostrą, przy czym toksyczność zwiększa się wraz ze wzrostem rodnika alkilowego. Toksyczność objawia się osłabieniem mięśnia sercowego i obniżeniem ciśnienia krwi, z tym że są to objawy przejściowe.

KWAS MRÓWKOWY (HCOOH). Jest to bezbarwna ciecz dobrze rozpuszczalna w wodzie o drażniącej woni i żrącym działaniu na skórę. Wskazuje silne właściwości redukujące. Stosowany jest do konserwowania soków owocowych (malinowy i wiśniowy) w dawce 0,15% i do syropów owocowych w dawce 0,1%. Dopuszczalna dawka dzienna dla człowieka nie może przekroczyć 5,0 mg/kg masy ciała. W przyrodzie występuje w miodzie pszczół, w malinach oraz jako uboczny produkt niektórych fermentacji. Wykazuje o wiele silniejsze działanie niż homologi (kwas octowy i kwas propionowy).Skuteczniej działa na drożdże i pleśnie niż na bakterie. Działa podobnie jak inne kwasy, wykazuje najskuteczniejsze oddziaływanie na komórki drobnoustrojów w stanie nie zdysocjowanym, czyli w środowisku kwaśnym. Drożdże giną przy stężeniu kwasu mrówkowego 0,2% po 24 godzinach, a przy stężeniu 1% - po 30 minutach. W dopuszczalnych do użycia dawkach (0,15%) nie hamuje fermentacji mlekowej. Uważa się, że nie jest szkodliwy dla zdrowia ludzkiego oraz że jest przyswajany przez wiele bakterii.

SALETRA (azotan potasowy i azotan sodowy). Jest krystalicznym proszkiem lub ma postać granulek bardzo dobrze rozpuszczalnych w wodzie. Saletrę stosuje się w dawkach 0,038-0,3% w produktach mięsnych. Maksymalna dawka dzienna bez zastrzeżeń wynosi do 5 mg/kg masy ciała człowieka. Toksyczność ostra występuje przy dawce 3236 mg/kg masy ciała. Zatrucia wywołuje dawka dzienna 4 g. Dawka dzienna 8-15 g powoduje śmierć. Najwrażliwsze na azotany są dzieci i niemowlęta. W stanie naturalnym dużo azotanów występuje w warzywach intensywnie nawożonych. Działanie konserwujące i toksyczność azotanów wynika z możliwości redukcji do toksycznych azotynów. Redukcja zachodzi pod wpływem bakterii denitryfikujących i innych (m.in. przez E. coli) w solankach peklowniczych, jak również w przewodzie pokarmowym.

AZOTYNY. Sole kwasu azotawego stosuje się jako bardzo higroskopijne granulki lub proszek w dawkach 0,015-0,02%. W Polsce są dopuszczalne tylko do konserwowania mięsa. Maksymalna dawka dzienna dopuszczana bez zastrzeń wynosi 0-0,4 mg/kg masy ciała człowieka. Azotyn może być dodawany do mięsa tylko w postaci mieszaniny z solą kuchenną, w której zawartość NaN0₂ wynosi 0,5%. Azotyn, dodawany bezpośrednio do mięsa lub powstający w mięsie na skutek redukcji saletry (azotanu), reaguje z barwnikiem mięsa mioglobiną, dając nitrozomioglobinę, która jest barwnym, odpornym na gotowanie połączeniem. Według niektórych badaczy, azotany i azotyny hamują w pewnym stopniu wzrost bakterii beztlenowych. Hemoglobina krwi pod wpływem azotynów przechodzi w methemoglobinę, zawierającą trójwartościowe żelazo, niezdolną do przenoszenia tlenu z powietrza do organizmu, co może doprowadzić do schorzenia, zwanego methemoglobinemią, kończącego się nieraz śmiercią.

KWAS PROPIONOWY i PROPIONIANY. Kwas propionowy (CH₃CH₂COOH) stosowany bywa zwykle w postaci soli potasowych, sodowych i wapniowych. W stanie naturalnym występuje w fermentowanych produktach żywnościowych: (sery) i w pocie ludzkim. Toksyczność ostra występuje przy dawce 2600 mg/kg masy ciała człowieka. Dopuszczalna dawka bez zastrzeżeń wynosi 10 mg/kg masy ciała człowieka dziennie. Dawki stosowane zwykle przy konserwowaniu żywności wynoszą 0,1-0,3%. Propioniany używane są do konserwowania chleba i pieczywa cukierniczego. Działają one inhibitująco przede wszystkim na wzrost pleśni (fungistatycznie). W organizmie ludzkim są one przyswajane jak normalne kwasy tłuszczowe. Kwas propionowy, podobnie jak kwas octowy, ma zdolność łączenia się z koenzymem A i po przekształceniu w bursztynian bierze udział w cyklu Krebsa. Kwas propionowy wytwarzany jest przez bakterie propionowe (Propionibacterium) podczas fermentacji propionowej. Ponieważ bakterie propionowe produkują również witaminę B_12, dodatek przefermentowanego podłoża (np. serwatki) jako środka konserwującego pieczywo jednocześnie wzbogaca produkt w tę witaminę.

KWASY ORGANICZNE. Kwasy takie, jak mlekowy i octowy używane są jako konserwanty przy produkcji marynat. Kwas mlekowy spełnia rolę środka konserwującego w kiszonkach, gdzie powstaje w drodze fermentacji, ale bywa też dodawany jako czysta substancja chemiczna. Kwas mlekowy wykazuje właściwości konserwujące w stężeniu 1,5%, a kwas octowy w stężeniu 1-4%. Konserwujące działanie kwasów polega przede wszystkim na obniżeniu pH, ale prawdopodobnie i cząsteczki nie zdysocjowane wykazują działanie hamujące wzrost drobnoustrojów. Dlatego oprócz pH ważna jest kwasowość miareczkowa takich produktów, jak np. kiszona kapusta.

ANTYBIOTYKI (głównie z grupy tetracyklin). W stężeniu 0,0007% stosowano je do utrwalnia tusz drobiu, ryb i mięsa. Antybiotyki hamują tylko rozwój bakterii, dlatego mięso zakonserwowane antybiotykami i przechowywane w lodówce ulega zepsuciu pod wpływem pleśni. Próbowano więc stosować antybiotyki w połączeniu z kwasem sorbowym. Tetracykliny zastosowano m.in. z tego względu, że jako wrażliwe na temperaturę rozkładają się podczas obróbki cieplnej produktów i nie dostają się do organizmów. Zasadą stosowania antybiotyków do konserwowania żywności jest używanie antybiotyków nieleczniczych. Działanie tetracyklin polega prawdopodobnie na zaburzeniu syntezy białka w komórce na poziomie rybosomu.

Nizyna była pierwszym antybiotykiem dopuszczonym do konserwowania żywności. Nie jest ona antybiotykiem leczniczym, dlatego może być stosowana bez zastrzeżeń. Syntetyzowana jest przez niektóre szczepy paciorkowców mlekowych Streptococcus lactis. Ponieważ nizyna hamuje rozwój bakterii masłowych z rodzaju Clostridium, czynione są w mleczarstwie próby ukwaszania mleka szczepami nizynotwórczymi, co zapobiega rozwojowi beztlenowców przetrwalnikujących i wzdymaniu serów.

Fitoncydy. Są one nazywane również antybiotykami roślinnymi, spełniają także rolę konserwantów żywności. Zalicza się do nich olejki musztardowe (chrzan, rzepak, gorczyca), olejki czosnkowe, substancje goryczkowe chmielu oraz różne alkaloidy i glukozydy.

DYM WĘDZARNICZY. Stosowany był do utrwalania żywności od stuleci. Dym składa się z wielu substancji, takich jak lotne kwasy organiczne, metanol, aceton, fenol, krezole i aldehyd mrówkowy, wykazujących działanie konserwujące. Podejrzewa się jednak występowanie w dymie substancji o działaniu rakotwórczym, jak np. 3,4-benzopiren (C₂₂H₁₂).

SÓL i CUKIER. Jakkolwiek sól i cukier nie są substancjami konserwującymi w ścisłym znaczeniu, stosuje się je powszechnie. Użycie soli i cukru zalicza się do tzw. osmoaktywnych metod utrwalania żywności. Działanie soli polega na odciągnięciu wody zarówno z powierzchni utrwalanej żywności, jak i z komórek mikroorganizmów, co wywołuje plazmolizę, a w rezultacie zahamowanie rozwoju i śmierć komórki. Wskutek małej masy cząsteczkowej i dysocjacji elektrolitycznej sól ma o wiele większą zdolność hamowania wzrostu drobnoustrojów niż sacharoza. 1-procentowy roztwór soli wykazuje ciśnienie osmotyczne 618,05 kN, tj. około 10-krotnie wyższe niż 1-procentowy roztwór sacharozy 70,93 kN. W stężeniu 1-3% sól odgrywa rolę przyprawy i działa stymulująco na wzrost większości drobnoustrojów. W stężeniach ponad 3-procentowych działa hamująco na wzrost niektórych drobnoustrojów, ale dopiero przy 15-16% działa w pełni konserwująco. Bakterie z grupy pałeczki okrężnicy i bakterie gnilne z rodzaju Proteus nie rozwijają się już przy stężeniu 1-2% NaCl, bakterie mlekowe dobrze rosną do 3% soli. Niektóre drożdże rozwijają się w stężeniach do 19% NaCl. Pleśnie wytrzymują stężenia ponad 22% soli. Na szczególną uwagę zasługuje grupa drobnoustrojów halofilnych, którym sól jest niezbędna do normalnego wzrostu. Halofile dzielą się na trzy grupy:

1. łagodne, mające optimum wzrostu przy 2-5% NaCl;

2. umiarkowane, najlepiej rozwijające się przy 5-20% NaCl;

3. skrajne, mające optimum wzrostu przy 20-30% NaCl.

Ponadto wyróżnia się grupę drobnoustrojów solotolerancyjnych, które rozwijają się dobrze zarówno bez soli, jak i w stężeniach przekraczających 5%. Wśród drobnoustrojów solotolerancyjnych znajdują się drobnoustroje powodujące psucie się żywności oraz drobnoustroje patogenne (Staphylococcus aureus).

Wyróżnić można również grupę bakterii soloopornych (ang. haloduric), które nie rozwijają się w wysokich stężeniach soli, ale również nie giną, przebywając długi czas w solankach.

Sól dodawana do produktów spożywczych odgrywa rolę nie tylko czynnika smakowego i składnika fizjologicznego pobudzającego (w małych stężeniach) lub hamującego (w dużych stężeniach) wzrost drobnoustrojów, ale również odgrywa rolę czynnika kształtującego strukturę i konsystencję produktu. Na przykład sól dodana do krajanki kapusty przeznaczonej do kiszenia wywołuje egzoosmozę, czyli wydzielanie z komórki soku, co jest warunkiem właściwego przebiegu fermentacji.

Cukier (sacharoza) wykazuje działanie konserwujące w stężeniach o wiele wyższych niż sól (60-70%). Najmniej odporne na podwyższone stężenia cukru są bakterie, a najbardziej oporne są pleśnie. Drożdże na ogół rozwijają się w stężeniach do 30-procentowych, ale występują również gatunki drożdży osmofilnych z rodzaju Saccharomyces (S. rouxii, S. rouxii var. polymorphus i S. mellis), które mogą rozwijać się nawet w 60-procentowych roztworach cukru. Podobnie jak w przypadku soli, wyróżnia się tu grupę drobnoustrojów osmoopornych, które nie rozwijają się w wysokich stężeniach cukru, ale również nie giną.

Zahamowanie wzrostu drobnoustrojów przy wysokich stężeniach cukru lub soli wiąże się z osuszeniem środowiska, czyli z obniżeniem aktywności wodnej.

206

---