بررسی روش های کنترل میکروبی در مواد غذایی

مقدمه

غذا در تاریخ بشر از جایگاهی بی بدیل برخوردار است و تهیه آن عملی است که بر جامعه بشری تأثیر گذاشته است. تاریخچه ایمنی غذا شاید به قدمت خود تاریخ تهیه غذا باشد. درست از آغاز بسیار کم کشاورزی تا صنایع غذایی مدرن، ما با چالش های متعددی برای ایمنی مواد غذایی مواجه بوده ایم . با پیشرفت در میکروبیولوژی مواد غذایی، تعداد پاتوژن های منتقله از مواد غذایی در طول دو دهه گذشته بیش از هر عامل دیگری شناسایی شده است. بنابراین ایمنی مواد غذایی به تنها جنبه مهم فرآوری و مصرف مواد غذایی تبدیل شده است. با این حال، تقاضا برای مواد غذایی با کیفیت بالا به طور فزاینده ای بالا است. امروزه روش‌ها و استراتژی‌های مرسوم برای اطمینان از ایمنی مواد غذایی با روش‌های نوین و نوظهور کنترل میکروبی جایگزین شده اند که نوید ارائه محصولات تازه‌تر و با کیفیت‌تر را در عین تلاش برای پایداری در همان زمان می‌دهند. در ادامه به بررسی این روش ها می پردازیم:

1. نگهدارنده ها

به طور گسترده نگهدارنده ها به دو گروه نگهدارنده های شیمیایی (به عنوان مثال، به مواد غذایی اضافه شده به طور مصنوعی) و نگهدارنده های طبیعی تقسیم بندی میشوند.

1.1. نگهدارنده های شیمیایی

استفاده از مواد شیمیایی یکی از قدیمی‌ترین روش‌های کنترل میکروبی در نگهداری مواد غذایی است. بیشتر این مواد نگهدارنده لزوماً میکروب ها را نمی کشند، بلکه آنها را با مهار رشد کنترل می کنند. یعنی Bacteriostatic هستند و Bactericidal محسوب نمی شوند. هر نگهدارنده ضد میکروبی، محصولات یا فرآیندهای متابولیسم میکروبی خاصی را هدف قرار می دهد تا رشد را متوقف کند. این امر باعث می شود که مواد نگهدارنده مختلف همراه با سایر روش های کنترل میکروبی به عنوان مانع استفاده شوند تا اثر ضد میکروبی قوی تری ایجاد کنند.

از مهم ترین نگهدارنده های شیمیایی پروپیونات کلسیم در کیک و نان، بنزوات سدیم در نوشابه های گازدار، استات کلسیم در کیک و شیرینی و نیتریت سدیم در سوسیس و کالباس را میتوان نام برد.

1.2. نگهدارنده های طبیعی

این روش با استفاده از میکروارگانیسم ها و یا متابولیت های آنها باعث افزایش ماندگاری و بهبود ایمنی محصولات غذایی می شود. در طول سال های گذشته، این تکنیک به عنوان ابزاری امیدوارکننده برای اطمینان از کیفیت بهداشتی غذاها مورد توجه قرار گرفته است. علاوه بر این، برخی از این میکروارگانیسم ها به عنوان مثال، باکتری های اسید لاکتیک علاوه بر داشتن یک اثر ضد میکروبی، چندین فواید مغذی و درمانی برای مصرف کنندگان ارائه می دهند. از مهم ترین نگهدارنده های طبیعی ارگانیک اسید تولید شده توسط باکتری های اسید لاکتیک و باکتریوسین ها را میتوان نام برد. ( جهت مطالعه مقاله باکتریوسین ها؛ نگهدارنده های طبیعی مواد غذایی به این مقاله مراجعه فرمایید).

2. روش های فیزیکی

اکثر روش‌های فیزیکی رشد میکروبی در غذاها را با حذف یا کاهش آب موجود (که با aw مشخص می‌شود) به سطوح پایین‌تری که رشد میکروبی را مهار می‌کند، کنترل می‌کنند. قارچ های منتقله از غذا می توانند aw را در محدوده 0.77-0.94 تحمل کنند. با این حال، برخی از گونه‌های اسموفیل می‌توانند در غذا با aw تا 0.6 رشد کنند. بیشتر باکتری ها با aw = 0.9 رشد می کنند و نمی توانند aw کمتر از 0.86 را تحمل کنند؛ این کاهش آب و حفظ دمای پایین، میکروارگانیسم ها را از بین نمی برد بلکه به سادگی از رشد آنها جلوگیری می کند.

3. روش های حرارتی

اکثر میکروب های منتقله از غذا یا سایکروتروف یا مزوفیل هستند. دمای رشد بهینه آنها بین دمای اتاق و دمای بدن (25 تا 35 درجه سانتیگراد) قرار می گیرد. میکروارگانیسم های ترموفیل می توانند حتی در دمای بالاتر تا 60 درجه سانتیگراد رشد کنند. هایپرترموفیل ها نیز می توانند در دمای بسیار بالا رشد کنند، به ندرت در غذا یافت می شوند. به طور کلی رشد میکروبی در دمای بالاتر از 60 درجه سانتیگراد کند می شود. این امر حرارت را به یکی از مؤثرترین راه‌ها برای کنترل میکروارگانیسم‌ها تبدیل می‌کند. غیرفعال شدن میکروبی توسط گرمای زیاد ناشی از دناتوره شدن غیرقابل برگشت غشاهای سلولی، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک است. اما با این وجود، تغییرات نامطلوب در کیفیت مواد مغذی و خواص ارگانولپتیکی مواد غذایی که به صورت حرارتی پردازش می شوند، وجود دارد. از این رو، یکی از اهداف اصلی تحقیقات مهندسی مواد غذایی، طراحی روش‌های پردازش نگهداری مواد غذایی است که به حفظ حداکثر تازگی و کیفیت مواد مغذی کمک می‌کند و در عین حال تا حد امکان از نظر میکروبیولوژیکی ایمن هستند. ابتدایی ترین شکل پردازش غذا با حرارت خشک، پخت و پز است. در حالی که هدف اولیه پخت و پز افزایش کیفیت آشپزی غذا است، از بین بردن یا مهار میکروارگانیسم های فساد غذا، پاتوژن های منتقله از غذا، هاگ های آنها و همچنین آنزیم های فساد است. روش پخت و پز در طول چندین هزار سال از وجود انسان تکامل یافته است که به شدت تحت تأثیر جغرافیا، فرهنگ و حتی مذهب قرار گرفته است. در نتیجه، این فرآیند به عنوان یکی از نیروهای تعیین کننده در پس تکامل و توسعه انسانی شناخته شده است. روش های مختلفی برای طبخ غذا وجود دارد. برخی از موارد اساسی عبارتند از: جوشاندن (بیشتر یک روش حرارتی مرطوب)، پخت، سرخ کردن، برشته کردن، و دود دادن. یکی دیگر از موارد اضافه شده، استفاده از اجاق های مایکروویو خانگی برای پخت و پز غذا است. 

پاستوریزاسیون اولین روش تجاری سازی شده و پذیرفته شده برای نگهداری حرارتی مواد غذایی است. این فرآیند شامل استفاده از گرمای مرطوب برای از بین بردن تقریباً همه باکتری‌های غیر اسپور رویشی موجود در مواد غذایی فرآوری نشده است. این امر ایمنی بالاتر و ماندگاری طولانی تری را تضمین می کند. با این حال، روش‌های پاستوریزاسیون مرسوم (با دمای پردازش زیر 100 درجه سانتی‌گراد) باکتری‌های تشکیل دهنده هاگ یا هاگ آنها را از بین نمی‌برند. بنابراین، مگر اینکه با بسته بندی و نگهداری مقاوم در برابر فساد و رشد میکروبی (تبرید) تکمیل شود، کاملاً ایمن در نظر گرفته نمی شوند. پاستوریزاسیون با موفقیت برای نگهداری شیر، سایر محصولات لبنی (مانند ماست)، آب میوه ها و تخم مرغ مایع تجاری شده است.

4. فشار هیدرواستاتیک بالا

فشار هیدرواستاتیک بالا (HHP) به عنوان یک روش غیر حرارتی یا پاستوریزاسیون سرد براي محافظت از محصولات غذایی متنوع و یک استراتژی جایگزین برای پردازش حرارتی دیده می‌شود که در سال‌های اخیر مورد توجه صنایع فرآوری مواد غذایی قرار گرفته است. به ویژه برای انواع مواد غذایی مانند سبزیجات، آب‌میوه‌ها و نوشیدنی‌ها و یا فرآورده‌های گوشتی فرآوری شده. کاربردهاي فرآیند فشار بالا در شیر و محصولات لبنی اخیرا افزایش یافته است. نشان داده شده که فشار بین 600-300 مگا پاسکال، روش موثري جهت غیر فعال کردن میگروارگانیسم هاي عامل عفونت غذایی و نیز تخریب میکروارگانیسم هاي شیر می باشد. یکی از مزایای HHP این است که در مقایسه با تیمارهای حرارتی، باعث تخریب قابل توجه ویتامین‌های ضروری، فیتوکمیکال‌ها و ترکیبات معطر در غذاها نمی‌شود. در واقع، هنگامی که این فناوری با دمای سرد، دمای محیط یا گرمایش متوسط ترکیب می شود، بسته به نوع محصول گوشتی مورد استفاده، تغییرات کمی در بافت، رنگ و طعم ایجاد می کند.

5. پرتو دهی

یکی دیگر از فناوری های اخیراً در حال ظهور برای اطمینان از ایمنی میکروبیولوژیکی مواد غذایی به ویژه محصولات طیور، پرتودهی است. این فناوری در سال 1981 توسط کمیته ای مشترک متشکل از سازمان غذا و فرهنگ کشاورزی(FAO)، آژانس بین المللی انرژی اتمی و سازمان بهداشت جهانی(WHO) تایید شد و در چندین کشور در سراسر جهان در مقیاس تجاری مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع، تا کنون، پرتودهی تنها درمان فیزیکی است که علاوه بر عملیات حرارتی، می تواند ایمنی طیور را با توجه به پتانسیل ضد آلودگی موثر آن تضمین کند. مطابق با مقررات بین‌المللی برای پردازش پرتوهای مواد غذایی، سه نوع پرتوهای یونیزان می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند: پرتوهای گاما، پرتوهای الکترونی پرانرژی و پرتوهای ایکس. از بین این سه نوع تابش، پرتوهای گاما و الکترونی در حال حاضر برای نگهداری مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرند، که پرتو گاما به دلیل قدرت نفوذ بالای آن، روش ارجح است. دوز تابش با نوع غذا و اثر مورد نظر تنظیم می شود. دوزهای پرتو را می توان به سه گروه تقسیم کرد: دوز کم (بیشتر از 1 kGy)، دوز متوسط (10-1 kGy) و دوز پرتودهی بالا (50-10 kGy). معمولاً دوز متوسط تابش گزینه ارجح برای کاهش فساد و میکروارگانیسم های بیماری زا در گوشت مرغ خام یا منجمد است زیرا برای افزایش ماندگاری این محصولات کافی است .

6. بسته بندی

انسان اولیه برای اولین بار از انواع ظروف طبیعی برای نگهداری و خوردن غذاها استفاده می کرد، پیشرفت های چشمگیر در مواد بسته بندی مواد غذایی ابزاری را برای سرکوب رشد میکروبی و همچنین محافظت از غذاها در برابر آلودگی میکروبی خارجی فراهم کرده است. در طول این پیشرفت، مواد بسته بندی به طور خاص برای جلوگیری از خراب شدن مواد غذایی ناشی از قرار گرفتن در معرض هوا، رطوبت، یا تغییرات pH مرتبط با غذا یا جو اطراف ایجاد شده است. علاوه بر این، ترکیب مواد بسته بندی سفت و سخت ساخته شده از فلز، شیشه یا پلاستیک با گرما موثرترین و پرکاربردترین روش را برای غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها فراهم می کند. مانند تمام محصولات غذایی، لازم است یک برنامه مبتنی بر HACCP برای اطمینان از کیفیت در طول عملیات بسته بندی یکپارچه شود. علاوه بر بهبود بسته‌بندی، سایر فناوری‌های جدید شامل توسعه آشکارسازهایی برای سطوح اکسیژن، سموم باکتریایی و رشد میکروبی، یا ادغام شاخص‌های دما و زمان برای تشخیص جابجایی یا ذخیره‌سازی نامناسب است.

6.1. بسته بندی MAP ( Modified Atmosphere Packaging )

بسته بندی با اتمسفر اصلاح شده  MAP در دهه های گذشته به عنوان یک روش مدرن غیر حرارتی نگهداری مواد غذایی به دلیل کاربرد موفقیت آمیز از محبوبیت قابل توجهی به دست آورده است.  این فناوری شامل قرار دادن یک محصول غذایی در بسته بندی، تخلیه هوا و وارد کردن مخلوط گاز یا گاز دیگری است. در بیشتر موارد، نیتروژن برای جایگزینی اکسیژن در محصولات MAP استفاده می شود، زیرا از  تغییرات اکسیداتیو در غذا جلوگیری می کند و از رشد میکروارگانیسم های هوازی جلوگیری می کند. به طور کلی، این بسته بندی ها شرایط را به گونه مطلوبی تغییر می‌دهند که موجب افزایش عمر نگهداری ماده غذایی گردد. امروزه بسته‌بندی با روش اتمسفر اصلاح‌شده همانند سایر کشورها در ایران نیز شناخته‌شده و کاربرد تجاری آن برای بسیاری از محصولات رو به افزایش می‌باشد. این روش، به معنای بسته‌بندی یک محصول فسادپذیر در اتمسفری که ترکیب آن با ترکیب اتمسفر معمولی متفاوت است. در هنگام به‌کارگیری این روش بسته‌بندی به نکاتی نظیر ضخامت و میزان نفوذپذیری فیلم و همچنین به میزان تنفس محصولات تازه باید توجه کرد. میزان نفوذپذیری فیلم بسته‌بندی به اکسیژن، بایستی با میزان تنفس محصولات تازه داخل بسته یکسان باشد که با کاهش غلظت اکسیژن و افزایش غلظت دی‌اکسید کربن داخل بسته‌بندی به وجود می‌آید. موفقیت فناوری‌های MAP به عوامل متعددی از جمله ترکیب مخلوط گاز، ماهیت و کیفیت میکروبی اولیه ماده غذایی، کنترل دما، ویژگی‌های بسته‌بندی و کارایی تجهیزات مورد استفاده بستگی دارد. به طور کلی هدف از بسته‌بندی با اتمسفر اصلاح‌شده، کاهش میزان تنفس محصول است، اما نه به‌طور کامل که منجر به ایجاد تنفس بی‌هوازی گردد، چراکه اگر میزان اکسیژن درون بسته‌بندی بیش‌ازحد کاهش یابد، ممکن است منجر به ایجاد تنفس بی‌هوازی گردد و اگر به میزان تنفس محصول توجه نشود و مقدار اکسیژن بیش‌ازحد بالا باشد ماندگاری محصول طولانی نخواهد بود.

6.2. بسته بندی های ضدمیکروبی

اولین رویکرد برای استفاده از مواد ضد میکروبی در نگهداری گوشت طیور، افزودن مستقیم آنها به محصولات غذایی بود. اگر چه هنوز در حال استفاده است، افزودن مستقیم ترکیبات ضد میکروبی به فرمولاسیون طیور ممکن است منجر به غیرفعال شدن نسبی ماده ضد میکروبی از طریق برهمکنش با مواد تشکیل دهنده ماتریکس غذایی شود، بنابراین اثرات آن بر میکروبیوتای غذا محدود می شود . علاوه بر این، استفاده از ترکیبات ضد میکروبی با غوطه وری یا اسپری می تواند به دلیل انتشار سریع مواد فعال ناکارآمد باشد. یک رویکرد برای غلبه بر این محدودیت ها استفاده از سیستم های بسته بندی ضد میکروبی است. بسته بندی های ضد میکروبی شیوه جدید نگهداری مواد غذایی هستند که روشی نوید بخش در بسته بندی برخی از مواد غذایی خصوصا گوشت و محصولات گوشتی به شمار می آیند. غذاهای گوشتی به علت دستکاری در حین فرآوری دچار آلودگی بالایی می شوند و به همین علت تلاش زیادی صورت گرفته است که با اسپری و یا قطره های ضد میکروبی ایمنی گوشت را افزایش دهند و فساد را به تاخیر بیندازند. مواد ضد میکروبی استفاده شده در بسته بندی, باید فاز تاخیر میکروارگانیسم را افزایش دهند و فاز رشد آنها را کاهش دهند تا بتوانند زمان نگهداری و ایمنی محصول را افزایش دهند. برای داشتن فعالیت ضد میکروبی, ماده ضد میکروبی ممکن است بسته بندی را بپوشاند, در آن گنجانده شود, بی حرکت شود و یا با ماده بسته بندی ترکیب شود. الکل ها, باکتریوسین ها, آنزیم ها, اسیدهای ارگانیک و پلی ساکاریدها مثالهایی از مواد ضد میکروبی استفاده شده در بسته بندی مواد غذایی می باشند. مواد ضد میکروبی تجاری به فرم کنسانتره, عصاره, اجزای مخلوط شده و یا فیلم استفاده می شوند.

به طور کلی انتشار ترکیب ضد میکروبی یک گام مهم در هنگام تولید مواد بسته بندی مواد غذایی ضد میکروبی یا پوشش است، زیرا انتشار غلظت های بالای ترکیب در غذا می تواند باعث تغییرات در خواص حسی غذا یا حتی مشکلات قانونی شود، به عنوان غلظت ترکیب در حالی که غلظت های پایین منجر به کارایی ضد میکروبی مورد نیاز نمی شود.