Sự tác động của yếu tố nhiệt độ lên sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

- Bảo quản lạnh: chủ yếu bảo quản rau quả tươi, các loại thịt, hải sản… - Cơ chế: nhiệt độ thấp làm cho vi sinh vật hoạt động yếu đi, hạn chế hoặc ngừng trao đổi chất  chậm hoặc ngừng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trường ĐH Công nghiệp Thực Phẩm, Bài giảng Vi sinh vật học thực phẩm

[2] Nguyễn Đức Lượng, Công nghệ vi sinh vật, tập 1, Cơ sở vi sinh vật công nghiệp, NXB

Đại học Quốc gia TP.HCM, 2000

[3] Lê Ngọc Tú, Vi sinh công nghiệp

[4] http://thuviensinhhoc.com/chuyen-de-sinh-hoc/vsv/3613-anh-huong-cua-nhiet-do-den-su-truong-cua-vsv.html

Thanh trùng kiểu Pasteur

Phương pháp này thường dùng để khử trùng sữa và các sản phẩm từ sữa

Dùng nhiệt độ 60-800C lặp lại nhiều lần sau thời gian chờ cho bào tử của vi sinh vật nảy mầm

- Tiệt trùng:

Cơ chế: Vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt ở nhiệt độ siêu cao do nhiệt độ tăng lên và hạ xuống đột ngột nên sẽ làm vỡ tế bào vi sinh vật

Ví dụ: Tiệt trùng bằng nhiệt ẩm ở áp suất cao, tiệt trùng bằng UHT…

Phương pháp tiệt trùng sữa bẳng UHT (Ultra-high temperature)

Phương pháp UHT sử dụng nhiệt độ l25- 1380C, tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật và bào tử, kể cả

vi sinh vật chịu nhiệt có bào tử

Thực phẩm được xử lí bằng phương pháp UHT có thể để được đến 6 tháng mà không cần làm lạnh

Một số sản phẩm thực phẩm khử trùng bằng phương pháp UHT :sữa, nước ép hoa quả, kem sữa chua, rượu……

Chương III: MỘT SỐ ỨNG DỤNG ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN SỰ SINH

TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG CHẾ BIẾN VÀ BẢO QUẢN THỰC PHẨM

3.1 Phương pháp nhiệt độ thấp

 Tác dụng của nhiệt độ thấp

Nhiệt độ thấp không tiêu diệt được vi sinh vật nhưng ức chế mọi hoạt động sống của chúng 

đa số chuyển sang dạng tiềm sinh

Nhiệt độ thấp làm giảm năng lượng hoạt động các chất trong tế bào

Làm các phản ứng sinh hóa tiến hành khó khăn hơn

- Nhiệt độ thích nghi nhất: 35-370C

- Nhiệt độ cực tiểu: 0-40C

 Các phương pháp

- Bảo quản lạnh: chủ yếu bảo quản rau quả tươi, các loại thịt, hải sản…

- Cơ chế: nhiệt độ thấp làm cho vi sinh vật hoạt động yếu đi, hạn chế hoặc ngừng trao đổi chất

 chậm hoặc ngừng tăng trưởng

- Bảo quản lạnh đông : sử dụng cho các loại thịt cá hoặc các loại hải sản khác trong các kho

đông lạnh, giữ thực phẩm vài tháng đến vài năm

 Nhiệt độ của thực phẩm được hạ thấp hơn nhiệt độ đóng băng của các dung dịch nước trong thực phẩm Màng tế bào của vi sinh vật bị nén mạnh  Vi sinh vật sẽ hạn chế sự phát triển 3.2 Phương pháp nhiệt độ cao

 Tác dụng của nhiệt độ cao: Diệt vi sinh vật và cả bào tử của chúng

 Các phương pháp:

- Thanh trùng:

Cơ chế: ở nhiệt độ cao, vi sinh vật bị tiêu diệt do protêin bị biến tính nên các bào tử sống sẽ chết nhưng một số bào tử vẫn chưa bị tiêu diệt ở nhiệt độ này

Nhiệt độ thanh trùng của các loại đồ hộp thường là 115-1210C

- Vi tảo Dunaliella: được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2010 trong một hang động

trên sa mạc Atacama của Chile, có thể tồn tại mà dường như không cần tới một giọt nước Do phải sống trên vùng đất khô nhất trên trái đất, các vi sinh vật này đã chọn cách mọc trên những chiếc mạng nhện để đón lấy những giọt sương ít ỏi đọng lại trên mạng nhện vào ban sáng

- Vi khuẩn Thermococcus sử dụng rất ít năng lượng để thực hiện các phản ứng hóa học

duy trì sự sống đến nỗi mà theo các nhà khoa học với lượng năng lượng này không một loài nào trên trái đất có thể tồn tại Loài vi khuẩn trên sinh sống chủ yếu trên miệng núi lửa nằm dưới đáy biển gần Papua New Guinea

Escherichia coli

2.3 Nhóm vi sinh vật ưa nóng (Thermophile):

Vi sinh vật ưa nóng sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ 55-75°C, chúng có thể sống trong khoảng nhiệt độ từ 33-650C, một số không sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 30°C gọi là vi sinh vật ưa nóng tùy tiện Nhiệt độ sinh trưởng cực đại của các vi khuẩn này dao động 75-80°C các vi khuẩn ưa nóng gồm: xạ khuẩn, vi khuẩn có bào tử, thanh tảo và nấm mốc, chúng phát triển trong đống phân chuồng ủ, dưới đáy các cột rơm rạ hay cỏ khô, trong đường dẫn nước nóng, trong các suối nước nóng…

Ví dụ: Bacillus stearothermophilus, Thermus aquaticus, Cyanidium caldarium, Chaetomium thermophile…

Có một số ít các vi sinh vật ưa nóng có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 900C hay cao hơn Nhiệt độ sinh trưởng cao nhất là 100 0C Người ta xếp các vi sinh vật có nhiệt độ sinh trưởng tốt nhất ở 80-1130C vào nhóm vi sinh vật ưa siêu nóng (Hyperthermophiles) Chúng

thường không thể sinh trưởng bình thường ở nhiệt độ thấp hơn 550C Vi khuẩn Pyrococcus abyssi và Pyrodictium occultum là ví dụ về những vi sinh vật ưa siêu nhiệt được tìm thấy ở

những đáy biển nóng.Vi sinh vật ưa nóng có hệ thống tổng hợp enzyme và protein bền nhiệt (heat-stable) và có thể hoạt động ở nhiệt độ cao Màng sinh học của chúng có lipid bão hòa ở mức cao, có điểm sôi cao hơn và vì vậy vẫn giữ được nguyên vẹn ở nhiệt độ cao

- Những loài vi sinh vật ưa lạnh như vi khuẩn, nấm, tảo sinh sống tại vùng Nam Cực, Bắc Cực và dưới các tảng băng tại Siberia có thể chịu được mức nhiệt lạnh cóng dưới -15°.Cổ

khuẩn Methanogenum ưa lạnh gần đây đã được phân lập tại hồ Ace ở Châu Nam Cực

2.2 Nhóm vi sinh vật ưa ấm (Mesophile):

Đó là các vi sinh vật sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ trung bình 20-450C, nhiệt độ sinh trưởng thấp nhất là 15-200C Nhiệt độ sinh trưởng cao nhất là khoảng 45 0C hoặc thấp hơn Phần lớn vi sinh vật là thuộc về nhóm này Hầu như mọi vi khuẩn gây bệnh cho người đều là vi sinh vật ưa ấm, bởi vì thân nhiệt của người là 37 0C Ngoài các dạng hoại sinh còn gặp các loại kí sinh gây bệnh cho người và động vật

Ví dụ: Escherichia coli, Neisseria, Gonorrhoeae, Trichomona vaginalis

Escherichia coli (thường được viết tắt là E coli) hay còn được gọi là vi khuẩn đại

tràng là một trong những loài vi khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của động vật máu nóng (bao gồm chim và động vật có vú)

hòa, có thể giữ được trạng thái chất bán lưu (semifluid) khi gặp lạnh Tuy nhiên nhiều vi sinh vật ưa lạnh ở nhiệt độ cao hơn 200C màng tế bào sẽ bị phá hại Nhiều vi sinh vật sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ 20-300 C, nhiệt độ cao nhất là cao hơn 350C, nhưng chúng vẫn có thể sinh trưởng trong điều kiện 0-70C.Chúng thuộc về nhóm ưa lạnh không bắt buộc (Psychrotrophs hay facultative psychrophiles) Những vi khuẩn và nấm thuộc nhóm này là nguyên nhân chính

làm hư hỏng thực phẩm giữ lạnh

Ví dụ: Bacillus psychrophilus, Chlamydomonas nivalis ,listeria monocytogenes,…

Vi khuẩn listeria monocytogenes thuộc nhóm vi sinh vật ưu lạnh, là một loại vi khuẩn

gây độc, với 20 – 30% số ca nhiễm lâm sàng dẫn đến tử vong Vi khuẩn listeria

monocytogenes sống rất dai và có thể phát triển ở nhiệt độ từ 3 - 45°C Trực khuẩn listeria monocytogenes có sức đề kháng cao, tồn tại lâu trong động vật, đất, nước, rơm cỏ khô, thực

phẩm sống bảo quản đông lạnh, rau quả, thủy sản trên da và ở bàn tay con người

Vi khuẩn listeria monocytogenes

Chương II PHÂN LOẠI VI SINH VẬT DỰA VÀO NHIỆT ĐỘ:

2.1Nhóm vi sinh vật ưa lạnh (Psychrophile):

Bao gồm những vi sinh vật phát triển và sinh trưởng ở nhiệt độ lạnh.Nhiệt độ tối ưu cho chúng phát triển là: 15-20°C ; nhiệt độ cao nhất cho chúng tồn tại là 30-35°C; nhiệt độ thấp nhất của chúng là có khi là -6°C.Một số nấm mốc có thể tồn tại ở -11°C

Ví dụ: Vi khuẩn phát sáng, vi khuẩn sắt, vi khuẩn sống trong đầm hồ lạnh

Tại Nam cực và Bắc cực dễ dàng phân lập các vi sinh vật thuộc nhóm này Vì có tới 90% nước biển thấp hơn hay bằng 50C nên tại đó có lượng lớn các vi sinh vật ưa lạnh

Chlamydomonas nivalis là một loài tảo ưa lạnh, chúng sinh bào tử màu đỏ tươi làm cho khối

băng tuyết có màu phấn hồng

- Phần lớn vi khuẩn ưa lạnh thuộc các chi Pseudomonas, Vibrio, Alcaligenes, Bacillus, Arthrobacter, Moritella, Photobacterium, và Shewanella

Sự phát triển của vi sinh vật ưa lạnh thông qua nhiều loại phương thức để thích ứng được với môi trường lạnh Chúng phát huy cơ chế rất tốt để tổng hợp protein, enzyme, các hệ thống vận chuyển Màng tế bào của vi sinh vật ưa lạnh có chứa nhiều các acid béo không bão

Anabaena variabilis - 35 -

Tảo nhân thật

Skeletonema costatum 6 16-26 >28

Nấm

Động vật nguyên sinh

Tetrahymena pyriformis 6-7 20-25 33

được ứng dụng rộng rãi trong phản ứng chuỗi polymerase Rõ ràng là vi sinh vật nhân nguyên thủy có thể sinh trưởng được ở những nhiệt độ cao hơn vi sinh vật nhân thật

Đó là vì vi sinh vật nhân thật không có thể tạo ra được các màng cơ quan tử có chức năng tương ứng ở điều kiện nhiệt độ cao hơn 600C Ngoài ra các cơ quan quang hợp cũng hầu như không ổn định như vậy và do đó không phát hiện thấy có sự sinh trưởng của các vi sinh vật quang hợp trong môi trường nhiệt độ rất cao

Bảng 1: Phạm vi nhiệt độ (NĐ) đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật

Vi sinh vật NĐ thấp nhất NĐ tốt nhất NĐ cao nhất

VSV không quang hợp

Bacillus psychrophilus -10 23-34 28-30

Bacillus stearothermophilus 30 60-65 75

Vi khuẩn quang hợp và vi khuẩn lam

giản ở nhiệt độ 22-270C nhưng ở nhiệt độ 33-340C thì lại không sinh trưởng được nếu không bổ sung vào môi trường ion kim loại, acid amin, vitamin và lipid

Nhiệt độ cơ bản của các vi sinh vật khác nhau là khác nhau rất nhiều Nhiệt độ tốt nhất có thể thấp từ 00C đến cao tới 750C Nhiệt độ thấp nhất để sinh trưởng có thể đến -200C Nhiệt độ cao nhất có thể vượt quá 1000C Đối với số đông vi sinh vật thì phạm vi nhiệt độ sinh trưởng thường trong khoảng 30 0C Một số vi sinh vật (như Cầu khuẩn lậu - Nesseria

gonorrhoeae) có phạm vi nhiệt độ sinh trưởng rất hẹp Trong khi đó cũng có những vi sinh vật (Enterococcus facalis) lại có phạm vi nhiệt độ sinh trưởng rất rộng Nhiệt độ sinh trưởng cao

nhất là khác nhau giữa các nhóm lớn vi sinh vật:

- Nhiệt độ sinh trưởng cao nhất đối với động vật nguyên sinh (protozoa) là 500C

- Một số tảo và nấm có thể sinh trưởng ở nhiệt độ cao tới 55-60 0C

- Một số vi sinh vật nhân nguyên thủy có thể sinh trưởng ở 1000C (nhiệt độ nước sôi) hay gần như vậy

- Gần đây người ta còn phát hiện thấy có những vi sinh vật sinh trưởng được ở cả những điều kiện nhiệt độ cao hơn 1000C Đã có các thông báo cho biết đã phát hiện thấy các vi sinh vật nhân nguyên thủy tại dịch phun giàu sulphid (black smoker) ở vết nứt dưới đáy biển - nơi nhiệt độ nước cao tới 3500C Những vi sinh vật này sinh trưởng, phát triển rất tốt ở nhiệt độ 113 0C và còn có thể sinh trưởng, phát triển ở nhiệt độ cao hơn nữa Áp suất cao ở miệng núi lửa dưới đáy biển làm cho nước ở nhiệu độ siêu cao vẫn tồn tại ở trạng thái dịch thể (ở áp suất 265 atm nước biển sẽ sôi ở 4600C) Phát hiện này cho thấy protein, màng, acid nucleic của các vi sinh vật này có tính kháng nhiệt rất cao Đây là những vật liệu rất tốt giúp cho việc nghiên cứu cơ chế ổn định của màng và các cao phân tử sinh học Tương lai có thể nghĩ đến khả năng thiết kế các enzyme có thể phát huy tác dụng trong những điều kiện rất cao Những enzyme bền nhiệt từ các vi sinh vật này sẽ có những ứng dụng rất quan trọng trong công nghiệp và trong nghiên cứu khoa học Chẳng hạn men Taq polymerase nhận được từ cổ khuẩn Thermus aquaticus đã

chúng rất mẫn cảm với sự biến hóa của nhiệt độ, và thường bị biến hóa cùng với sự biến hóa

về nhiệt độ của môi trường xung quanh Chính vì vậy, nhiệt độ của tế bào vi sinh vật cũng phản ánh trực tiếp nhiệt độ của môi trường xung quanh Một nhân tố quyết định ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự sinh trưởng của vi sinh vật đó là tính mẫn cảm với nhiệt độ của các phản ứng xúc tác nhờ enzyme

- Trong phạm vi nhiệt độ thấp, khi nhiệt độ tăng lên sẽ làm tăng tốc độ sinh trưởng của

vi sinh vật, vì phản ứng xúc tác nhờ enzyme cũng giống như các phản ứng hóa học nói chung, khi nhiệt độ tăng lên 100C tốc độ phản ứng sẽ tăng gấp đôi Vì các phản ứng trong tế bào đều tăng cho nên toàn bộ hoạt động trao đổi chất sẽ tăng lên khi nhiệt độ cao hơn, và vi sinh vật sẽ sinh trưởng nhanh hơn Lúc nhiệt độ tăng lên đến một mức độ nhất định thì nhiệt độ càng tăng tốc độ sinh trưởng càng giảm Khi nhiệt độ tăng quá cao vi sinh vật sẽ chết Khi nhiệt độ quá cao sẽ gây ra sự biến tính của enzyme, của các thể vận chuyển (transport carriers) và các protein khác Màng sinh chất sẽ bị tổn thương

vì hai lớp lipid sẽ bị hòa tan Do đó mặc dầu ở nhiệt độ càng cao các phản ứng xúc tác tiến hành càng nhanh nhưng do các nguyên nhân nói trên mà tế bào bị tổn thương đến mức khó hồi phục và dẫn đến việc ức chế sinh trưởng Tại điều kiện nhiệt độ rất thấp màng sinh chất bị kết đông lại, enzyme cũng ngừng hoạt động Nói chung, nếu vượt quá nhiệt độ tốt nhất đối với vi sinh vật, chức năng và kết cấu tế bào đều bị ảnh hưởng Nếu nhiệt độ rất thấp, tuy chức năng chịu ảnh hưởng nhưng thành phần hóa học và kết cấu không nhất thiết chịu ảnh hưởng

Mặc dầu đường biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sinh trưởng của vi sinh vật là phụ thuộc vào từng vi sinh vật, từng điều kiện khác nhau nhưng nhiệt độ tốt nhất thường gần với nhiệt độ cao nhất hơn là so với nhiệt độ thấp nhất Ba nhiệt độ cơ bản của cùng một loài vi sinh vật không phải là cố định mà thường phụ thuộc vào pH, thức ăn và

các nhân tố khác Chẳng hạn, một loại động vật nguyên sinh có tiên mao là Crithidia

fasciculate sống trong đường tiêu hóa của muỗi có thể sinh trưởng trên môi trường đơn

Các loại nhiệt độ ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi sinh vật:

Phần lớn vi sinh vật gây bệnh phát triển tốt ở nhiệt độ 35 -37°C Một số nấm men và nấm mốc nuôi cấy trong phòng thí nghiệm nuôi cấy tốt ở nhiệt độ 26 – 32°C

Nhiệt độ thường gây cho vi sinh vật những chiều hướng sau:

+ Ở nhiệt độ thấp: thường không gây chết vi sinh vật ngay mà nó tác động lên khả năng chuyển hóa các vật chất, làm ức chế hoạt động của các hệ enzyme, làm thay đổi khả năng trao đổi chất của chúng vì thế làm vi sinh vật mất khả năng sinh sản và phát triển, nhiều trường hợp vi sinh vật sẽ bị chết Khả năng gây chết của chúng xảy ra từ từ chứ không xảy ra đột ngột như khi ở nhiệt độ cao Dựa vào đặc tính mà người ta tiến hành cất giữ thực phẩm ở nhiệt độ thấp, bảo quản giống vi sinh vật ở nhiệt độ thấp

+ Ở nhiệt độ cao: Nhiệt độ cao thường gây chết vi sinh vật một cách nhanh chóng Đa số

vi sinh vật chết ở nhiệt độ 60- 80°C Một số chết ở nhiệt độ cao hơn Đặc biệt một số bào tử của vi sinh vật có khả năng tồn tại ở nhiệt độ >100°C Nhiệt độ cao thường gây biến tính protit, làm hệ enzyme lập tức không hoạt động nữa, vi sinh vật dễ dàng bị tiêu diệt

1.5 Cơ chế ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật:

BIỂU ĐỒ THỂ HIỆN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TỐC ĐỘ SINH TRƯỞNG

CỦA VI SINH VẬT Cũng giống như các sinh vật khác, nhiệt độ của môi trường cũng có ảnh hưởng rất lớn đối với vi sinh vật Trên thực tế, do vi sinh vật thường là các sinh vật đơn bào cho nên

Chương I TỔNG QUAN VỀ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN VI SINH VẬT

Mỗi sinh vật đều phát triển trong một khoảng nhiệt độ nhất định Ngoài khoảng nhiệt độ

đó sự phát triển vi sinh vật sẽ bị hạn chế Vi sinh vật có thể phát triển trong khoảng nhiệt độ từ -18 – 140°C Tùy theo mức độ chịu nhiệt của chúng mà ta có các khái niệm sau:

1.1 Nhiệt độ tối ưu:

Là nhiệt độ ở đó vi sinh vật phát triển thuận lợi nhất

Ví dụ: Vi khuẩn hoại sinh và gây bệnh thì nhiệt độ tối thích là 35- 37°C

1.2 Nhiệt độ cao nhất:

Là mức nhiệt độ giới hạn tối đa Ở đó vi sinh vật vẫn phát triển nhưng hết sức chậm

và yếu Nếu quá giới hạn đó thì vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt

Ví dụ: vi khuẩn hoại sinh và gây bệnh nhiệt độ cao nhất 50-60°C

1.3 Nhiệt độ thấp nhất:

Là mức nhiệt độ mà ở đó vi sinh vật vẫn tồn tại nhưng phát triển rất yếu Nếu quá mức

độ đó vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt

Ví dụ: vi khuẩn hoại sinh và gây bệnh nhiệt độ thấp nhất 8-10°C

1.4 Biên độ nhiệt:

Là vùng nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ cao nhất và thấp nhất