Az élelmiszertartósítási eljárások mikrobiológiai alapjai (általános irányelvek) Az élelmiszerekben leggyakrabban előforduló mikroorganizmusok 1.1. Baktériumok 1.2. Élesztők, penészek A mikrobaszaporodás és termékképzési kinetika alapjai 2.1. A szaporodás törvényszerűségei 2.2. Primer anyagcseretermékek 2.3. Szekunder anyagcseretermékek A romlásos jelenségek megakadályozása az élelmiszeriparban 3.1. Szaporodásgátlás 3.1.1. Hűtés, fagyasztás 3.1.2. Vízaktivitás csökkentéses tartósítás (sózás, szárítás, liofilezés) 3.1.3. Tartósítás szelektív mikrobagátló szerekkel 3.1.4. Védőkultúrák alkalmazása 3.1.5. Kombinált eljárások 3.2. Mikrobapusztítás hőkezeléssel, hőelvonással 3.2.1. Pasztőrözés, sterilezés 3.2.2. A „gyors előhűtés” mikrobapusztító hatása

Eltarthatóság növelése HŰTÉS FAGYASZTÁS HIDEG HŐMÉRSÉKLET PASZTŐRÖZÉS STERILEZÉS FIZIKAI MELEG SZÁRÍTÁS FAGYASZTVA SZÁRÍTÁS VÍZELVONÁS UV-, GAMMA SUGÁRZÁS (PASZTŐRÖZÉS, STERILEZÉS) ELTARTHATÓSÁG NÖVELÉSE BESUGÁRZÁS SÓZÁS PÁCOLÁS SAVANYÍTÁS FÜSTÖLÉS KONZERVÁLÓ ANYAGOK KÉMIAI

Az élelem alapvető szükségletünk: a világ mai népességének napi élelmiszerfogyasztása 10 millió tonna. Civilizációnk az élelmiszer-ellátástól függ, ami a mezőgazdasági és halászati tevékenységen alapszik. De: a nyersanyag előállítása és az élelmiszer-fogyasztás térben és időben egyre inkább elkülönül, ami veszteségekkel jár: Világátlagban az élelmi anyagoknak legalább egynegyede veszendőbe megy ma is. (FAO)

Ma már a világ népességének 45 %-a városiasodott környezetben él és a városi lakosság aránya rohamosan nő. 2015-re várhatóan 26 nagyvárosban lesz a lakosok száma 10 millió felett. Ma egy ekkora nagyságú város – mint Sao Paulo, Mexico City vagy Tokyo – ellátásához legalább 6 millió tonna élelmiszerre van szükség.

Fogyasztók:biztonságos „Modern” igények: Fogyasztók:biztonságos biztonságosabb frisebb „természetesebb” nem szezonális „kényelmesebb Energia-szükséglet feldolgozásé szállításé tárolásé Demográfiai változások Globalizálódás

„food processing” „food manufacturing” EUROCAFT, 2001 december IRÁNYVÁLTÁS: TECHNOLÓGIA TERMÉKJELLEMZŐK helyett TERMÉKJELLMEZŐK TECHNOLÓGIA Szimptomatikus megközelítés helyett a mechanizmusok és tulajdonságok megértése és rendszerszemlélet: „food processing” „food manufacturing” ehhez INTERDISZCIPLINÁRIS ÉLELMISZER-ANYAGTUDOMÁNYI KUTATÁS SZÜKSÉGES Összhangban a széles értelemben véve funkcionális élelmiszer-komponensekre optimált technológiák iránti igényekkel. AZ ÉLELMISZERTUDOMÁNY ÉLETFONTOSSÁGÚ ANYAGTUDOMÁNY ÉS EREDMÉNYEINEK GYAKORLATI MEGVALÓSÍTÁSA AZ ÉLELMISZER-FOGYASZTÁS RÉVÉN ÉLETMINŐSÉGÜNK EGYIK MEGHATÁROZÓ RÉSZE!

Tudományos alapjaik a kialakításuk folyamán nem voltak ismeretesek: Az ember ősidők óta megkísérli az élelmiszerereit eltarthatóvá tenni. (Az élelmiszerek veszteség-csökkentése mindig is többet jelentett, mint az effektív közvetlen megtakarítás). Évezredek- évszázadok folyamán kialakult élelmiszertartósítási módszereink: vízelvonás (szárítás, sűrítés, sózás) fagyasztás hűtés pácolás, füstölés, hagyományos tartósítószerek fermentálás, savanyítás hőkezelés Tudományos alapjaik a kialakításuk folyamán nem voltak ismeretesek: előbb volt élelmiszertartósítás, mint élelmiszeripar előbb volt élelmiszeripar, mint élelmiszertudomány

A tartósítási módszerek fejlesztésének ösztönzői: nyersanyag-termelés szezonalitása urbanizáció utazások hadsereg igénye ipari forradalom:technikai fejlődés

Megvalósíthatóságot (alkalmazási potenciált) befolyásoló tényezők TECHNOLÓGIAI TECHNIKAI EGÉSZSÉGÜGYI termék-ártalmatlanság munkaegészségügy környezetre gyakorolt hatás GAZDASÁGI (beleértve ENERGIAIGÉNY) INFRASTRUKTURÁLIS PÉNZÜGYI POLITIKAI SZOCIÁLIS PSZICHOLÓGIAI

Az ipar és kutatás válaszai (I) Kíméletesebb kezelés, „láthatatlan” feldolgozottság (minimal processing) módosított légtér-összetétel (sous-vide) termékek. Enyhe behatások kombinálása (hurdle concept) A célirányos technológia a kívánatos tulajdonságokat a legkevésbé károsító. DE: elkerülendő a stressz-adaptáció! ÉS A MIKROBIOLÓGIAI BIZTONSÁG? „…a (mikrobásan) szennyezett élelmiszer talán a legelterjedtebb egészségügyi problémája mostani világunknak és egyik jelentős oka a csökkent gazdasági termelőképességnek…” (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Safety, 1984)

Az ipar és kutatás válaszai (II) Természetes antimikrobás anyagok Illóolajok Baktericidek Nem-termikus fizikai tartósítási technológiák: Ionizáló sugárzásos Nagy hidrosztatikus nyomás Pulzáló nagyfeszültségű elektromos mező

Az élelmiszerszennyeződés folyamata EMBER SZŐRZET, SÉRÜLÉSEK, CSEPPFERTŐZÉS ÜRÜLÉK Staph. aureus Salm. typhi Shigella Vibrio cholerae Cl. perfingens E. coli Vírusok ÉLELMISZER VÍZ ÁLLAT TALAJ Salmonella fajok Campylo baktériumok Brucella Vírusok Paraziták Cl. botulinum Cl. perfingens Bac. cereus Gombák

MIKROBIOLÓGIAI HATÁSOK TOXIN- KIBOCSÁTÁS ÁTVITEL PATOGÉN CSÍRÁKRA Többek között: Botulinum, Staph. aureus-, Afla toxinok, Patulin Pl: többek között Salmonellák, Clostridiumok ILLATVÁLTOZÁS ÍZVÁLTOZÁS Pl: penészedés miatt Pl: penészképződés miatt BIOGÉN AMINOK ELŐÁLLÍTÁSA MIKROBIOLÓGIAI HATÁSOK LÁTHATÓ SZAPORODÁS Pl: Histaminon kívül egyéb fehérjékből való képződés Gyakran a felső rétegen penészfertőzöttség ELSZINEZŐDÉS ÁLLAGVÁLTOZÁS FeS, oxidoredukciós f. és pH válzozások Emulgeátorokból és gélképzők beépítéséből GÁZKÉPZŐDÉS pH-VÁLTOZÁS H2S, CO2, H2 többek között Clostridiumok, ragasztószivárgások, élesztők által Eltarthatóságra történő befolyás (Wallhäuser, 1990)

Élelmiszerromlás áttekintése OKAI KÉMIAI, FIZIKAI, BIOKÉMIAI MIKROBIOLÓGIAI BIOLÓGIAI Technológia Baktériumok, élesztők és penészek enzimei Kártevők Szennyeződés Mérgező anyagok képződése Paraziták Tartósítószerek okozta átalakulás Levegő HATÁSAI Változások a küllemben, színben , szerkezetben, összetételben, illatban, ízben Semmi változás, de mégis undorkeltő

A mikroorganizmusok szaporodásának és termékképzésének fázisai t= idő, {x1}= primer anyagcseretermék konc., lg N= mikrobaszám logaritmusa, {x2}= szekunder anyagcseretermék konc., NO= a kezdeti mikrobaszám

Az élelmiszerekben előforduló patogén mikroorganizmusok főbb csoportjai Vírusok Baktériumok 2/a. Gram negatív Campylobacter jejuni/coli enterotoxin Pseudomonas aeruginosa endotoxin Patogén E. coli endotoxin „shiga-like”- verotoxin Shigella endotoxin Shiga-exotoxin Salmonella endotoxin enterotoxin Citrobacter exotoxin Klebsiella endotoxin enterotoxin Yersinia plasmid kódolt virulencia, enterotoxin Vibrio cholerae/parahaemolyticus tetrotoxin enterotoxin

Az élelmiszerekben előforduló patogén mikroorganizmusok főbb csoportjai 2/b Gram pozizívok Staphylococcus aureus enterotoxinok + Stacinek Bacillus cereus ko-toxin (hőlabilis), enterotoxin Clostridium botulinum A-G neurotoxinok Clostridium perfingens (tip. A.) enterotoxin-exotoxin Listeria monocytogenes/ivanovii endotoxin, exotoxin Erysipelothrix endotoxin Mycobacterium tuberculosis Protozoák

Mikrobák csoportosítása hőmérséklet-igényük szerint Min. Opt. Max. Psychrophil (psychrotroph) +5 Psychrotolerans 20 30 Mesophil 25-40 45 Thermotolerans 35 42 Thermophil 55 65

Mikrobiológiai veszélyzónák növekedése VESZÉLYZÓNA (5-60°C) TESTHŐMÉRSÉKLET SZOBAHŐMÉRSÉKLET minimuma HŰTŐSZEKRÉNY-HŐMÉRSÉKLET

Egyes élelmiszerekben előforduló termofil baktériumok Genusz Fajok megnevezése Optimális hőmérséklet (°C) Előfordulás Bacillus kaustophilus 60-65 tej coagulans 65-70 stearothermophilus cukorfeldolgozás Clostridium különböző jellegűek 60 bélflóra thermoaceticum élelmiszer thermosaccharolyticum nigrificans erjesztő folyamat (Wallhäuser, 1990)

t = idő, lgN = a mikrobaszám logaritmusa, D = tizedelési idő TDT (thermal death time) steril = 10-12D τ (min) > 6D félkonzerv τ (min) > 9D konzerv TDP (thermal death point) = az adott mikroorganizmus 10 perc alatt elpusztul TDP élesztő, penész: 60-80°C TDP vegatatív bakt. sejt: 70-85°C TDP baktérium spóra: 100-120 °C lgN 4 3 2 1 ΔlgN = 1 D t A mikroorganizmusok túlélési görbéje, állandó hőmérsékleten, zárt rendszerben t = idő, lgN = a mikrobaszám logaritmusa, D = tizedelési idő

Hőpusztulási görbe Z és F értéke τ (min) B*=a csírapusztítás hatékonysága C*=Hőlabilis hasznosanyag tartalom inaktiválódása 3 2 1 1000 100 10 F0 1 lg τ TDT vagy XD tgα=1/Z α Z T (°C) 104 110 116 121 127 Hőpusztulási görbe Z és F értéke τ = pusztulási idő, T = hőkezelési hőmérséklet, lg τ = pusztulási idő logaritmusa F = hőpusztulási idő standard hőmérsékleten Z érték = megmutatja, hogy hány °C-al kell emelni a hőmérsékletet ahhoz, hogy a pusztulási idő 1/10-ed részére csökkenjen. FO érték = a termékre jellemző mikroorganizmus teljes pusztulási ideje 121,1 ° C hőmérsékleten.

T( °C) Tk Tl Tdf Tl Tdf 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Tdc H Tk Tdc t (min) 5 10 15 A hőmérséklet alakulása erőteljes konvekcióval melegített folyadékban, és az abban alaktartó szilárd élelmiszerben a hőkezelési idő függvényében Tk = hőátadó közeg hőmérséklete, Tl = a konzervben levő folyadék hőmérséklete, Tdf = a szilárd részek felületi hőmérséklete Tdc = a szilárd részek hidegpontjának hőmérséklete t = idő, T = hőkezelési hőmérséklet

Hunister OHS – 3 típusú, osztott hidrosztatikus sterilező vázlatos felépítése 1-első vízoszlop; 2-nyomás alatti első tér; 3-második vízoszlop; 4-gőztér; 5-szállítólánc; 6-serlegek; 7-készülékfal; 8-hajtóműmotor egység; 9-lánckerék; 10-kezelőpódium; 11-lánckerekek; 12-nyomásstabilizáló

Hőpenetrációs görbe időbeli alakulása Tk Tt M S H t (min) Hőpenetrációs görbe időbeli alakulása t = idő, T = hőkezelési hőmérséklet, Tk = hőátadó közeg hőmérséklete, Tt = A hidegpont hőmérséklete

A sterilezési hőmérséklet spórapusztító és minőségcsökkentő hatása CONV másodperc 103 Kémiai barnulás 102 Táplálóérték csökkenés 9 D-mezofil spórák 9 D-termofil spórák 10 100 110 120 130 140 150 Hőmérséklet (°C) HTST A sterilezési hőmérséklet spórapusztító és minőségcsökkentő hatása CONV = hagyományos, HTST = rövid idejű magas hőmérsékletű hőkezelés

Néhány patogén és indikátor mikoorganizmus, valamint az enterovírusok hőkezeléssel szembeni ellenállóképességének összehasonlítása (MOSSEL, 1997)

Élelmiszerek ipari rendszerű fagyasztása A termékminőség sikeres megőrzését befolyásoló tényezők: Alacsony (-12--30°C) hőmérsékleten csökken a biokémia reakciók sebességi állandója. Például a 20°C-os gyümölcsöt -20°C-ra hűtve a reakciósebesség kb. 1/80-ra redukálódik. A víztartalom döntő hányada jéggé alakul át, a maradék oldat koncentrációja megnövekszik, erősen csökken a szubsztrát vízaktivitása.  a gyors hőelvonást tűrő mikrobák és a maradék enzimek többségének működése erősen gátolt. („felfüggesztett életet élnek”) Nyersanyag érettség, fejlettségi és mikrobiológiai állapotától, továbbá komplex minőségétől.

Pre-rigor állapotban, elektromos stimuláció után, -36°C-os levegőben fagyasztott marhafelsál –szelet hőmérsékleti viszonyai (°C) közvetlenül a -20 °C-os tárolás előtt Negyedelt marhahús fagyasztása során felvett hőmérsékleti görbék

Fagyasztás típusai „gyorsfagyasztott” 5-20 cm/h középgyors 1-5 cm/h a szövetszerkezettel rendelkező termék a maximális kristályképződési tartományban, legtöbb esetben -1 és -5° között (ahol a víz túlnyomó része kifagy) gyorsan (néhány perc vagy max. 5-8 óra alatt) lehűl, illetve ezen a hőmérsékletzónán viszonylag rövid idő alatt áthalad. középgyors 1-5 cm/h lassú 0,1-1 cm/h

A fagyasztási sebesség hatása a sejtszerkezetre Halhús sejtszerkezete nem fagyasztott gyorsan fagyasztott lassan fagyasztott Jégkristályok alakulása növényi szövetekben (a két felső sorban a lassú fagyasztás, az alsó sorban a gyorsfagyasztás hatása látható c

Fagyasztott édesvízi halak tárolhatósági időtartama a hőmérséklet függvényében Tárolási hőmérséklet (°C) Növényevő halhús Ponty halhús Relatív nedvességtar-talom (%) Tárolási idő hónapokban -18 -20 -23 -25 -26 3 4 5 6 7 8 9 min. 60 -12 -15 Tárolási idő napokban 14 30 60 Ha alacsonyabb a víz igen intenzíven kiszublimál a felső szövetrétegekből

Zöldségek optimális tárolási hőmérséklete normál hűtőtárolás estén -2 +2 +4 +6 +8 +10 +12 +14 °C Torma (24 H) Takarmánykáposzta (3H) Metélőhagyma (6h) Petrezselyem (6h) Zöldség (8h) – Bimbóskel (1H) – Póréhagyma (3H) – Spenót (2h) – Fokhagyma (6-7H) – Galambbegysaláta (4h) – Kel (3H) – Zöldségzöld (8N) Karfiol (2-3h) – Brokkoli (2h) – Karalábé (2h) - Hónapos retek levél nélkül (6h) leveles (1h) – Retek (1-4H) – Hagyma (8H) – Vörös-kelkáposzta (6-7 H) Gomba (1h) – Fejessaláta (1-2h) – Rebarbara (3h) – Cikória(4h) – Zeller(3-5H) Sárgarépa (5-6H) – Spárga (2h) Cékla (4-6H) - Burgonya (8H) Cukkini (1-2h) – Uborka (10-14N) – Paprika (3h) Paradicsom ¾ érettségű (1-2 h) Padlizsán (2h) – Tök (3H) -2 +2 +4 +6 +8 +10 +12 +14 °C Levegő relatív páratartalma 90-95%, N = nap, h = hét, H = hónap

Minimális szaporodási hőmérséklet, °C Néhány élelmiszerkárosító mikroorganizmus minimális szaporodási hőmérséklete SINELL szerint Faj, ill. nemzetség Minimális szaporodási hőmérséklet, °C Patogén, ill. potenciálisan patogén Bacillus cereus Staphylococcus aureus S. aureus, enterotoxin képzés Vibrio parahaemolyticus Enteropatogén E. coli Clostridium botulinum A típus Pseudomonas aeruginosa Salmonella fajok Clostridium perfingens Cl. botulinum E típus és néhány B és F típusú törzs Fusarium Penicillium 10 5-13 10-19 5-8 8-10 9 6 5 3,5-5 -18

Minimális szaporodási hőmérséklet, °C Néhány élelmiszerkárosító mikroorganizmus minimális szaporodási hőmérséklete SINELL szerint Faj, ill. nemzetség Minimális szaporodási hőmérséklet, °C Index- és indikátorcsírák E. coli Klebsiella fajok Enterobacter fajok Streptococcus faecalis 8-10 +0 Romlást okozók Bacillus subtilis Streptococcus faecium Lactobacillus fajok Pseudomonas fluorescens „Achromobacter” fajok Bacillus psychrophilus Bacillus insolinus Élesztők 12 +0 –3 1 -3 -4 -5- -7 -12

A felületi mintavételezések lg. átlagos élősejtszám adatai/cm2 (n=240) Utótárolás: +5C Hagyományos hűtés Utótárolás: +2C Hagyományos hűtés lgN lgN Tárolási idő (óra) Tárolási idő (óra) lgN lgN Gyors előhűtés Gyors előhűtés Tárolási idő (óra) Tárolási idő (óra)

Szalagos gyorsfagyasztó berendezés 1- szalag; 2 – elpárologtató; 3 - szalagmosó

Cseppfolyós nitrogénnel működő fagyasztó működési elve 1 – szállítószalag; 2 – permetezési szakasz; 3 - ventilátorok

Spirálvezetésű hosszú szalagos gyorsfagyasztó berendezés 1 – bevezetőszalag; 2 - fagyasztódob; 3 – kivezetőszalag; 4 – elpárologtató; 5 – ventilátor; 6 – szalagmosó; 7 - ventilátor