§1. Общие механизмы действия
Консерванты в пищевых продуктах замедляют рост и развитие бактерий, плесневых грибов и дрожжей, а также обмен веществ в них.
Угнетающее и убивающее действие. На практике часто различают фунгистатическое (угнетающее грибы) или бактериостатическое (угнетающее бактерии) действие, с одной стороны, и фунгицидное (убивающее грибы) или бактерицидное (убивающее бактерии) действие – с другой. При более точном рассмотрении такое разделение оказывается необоснованным. Фунги- и бактериостатики отличаются от фунги- и бактерицидов только скоростью антимикробиотического действия. При добавлении консерванта в пищевой продукт микроорганизмы могут погибнуть или продолжать расти – результат зависит от концентрации консерванта (рис. 2).
Гибель всех микроорганизмов при использовании обычных концентраций консерванта происходит в течение нескольких дней или недель. В этом заключается существенное различие между консервантами и средствами дезинфекции. Последние применяются только тогда, когда микроорганизмы должны быть уничтожены очень быстро.
Рис. 2 (с. 40)
Зависимость скорости отмирании микроорганизмов под действием консервантов от времени описывается уравнением для мономолекулярного процесса:
К = 1n (Zo/Zt)/t или Zt= Zo c-Kt,
где К – константа скорости отмирания;
t – время;
Zo – число живых клеток в начальный момент (t = 0);
Zt – число живых клеток в момент времени t.
Эта закономерность строго соблюдается только при относительно высокой концентрации консерванта и моноклональной популяции микроорганизмов. Кроме того, она справедлива только для закрытой системы, в которой не могут происходить ни разбавление консерванта, например путём его улетучивания, ни изменение рН, ни добавление других микроорганизмов (новое инфицирование). Но даже если указанные условия соблюдаются не полностью (как часто и бывает в практике консервирования), описанная выше «кинетика отмирания» может рассматриваться как основа для оценки действия консервантов в пищевых продуктах.
Добавление консервантов в пищевые продукты имеет смысл только в том случае, если они применяются в достаточной концентрации. Развитие микроорганизмов следует остановить на начальной (линейной) стадии их размножения, а не тогда, когда их рост стал экспоненциальным. Во-первых, в экспоненциальной стадии необходимы слишком высокие дозы консервантов, во-вторых, консерванты не предназначены для уничтожения микроорганизмов в сильно обсеменённых субстратах, т.е. для возвращения уже испорченных пищевых продуктов в мнимосвежее состояние. С помощью обычных концентраций большинства консервантов это и невозможно. Поэтому консерванты непригодны для компенсации нарушений производственной гигиены.
Действие на микроорганизмы. Механизм действия консервантов на возбудителей порчи многообразен. Здесь играют роль и физические, и физико-химические, и биохимические факторы. Чаще отдельные факторы действуют совместно, но иногда блокируется одна-единственная стадия метаболизма клетки микроорганизма. Бактерии, как известно, образуют споры – консерванты угнетают определённые фазы прорастания спор (рис. 3).
Антимикробное действие консерванта (рис. 4) можно объяснить его воздействием:
- на ДНК.
- на синтез белка,
- на активность ферментов,
- на клеточную мембрану,
- на клеточную оболочку,
- на механизмы транспорта питательных веществ.
Иной механизм действия у веществ, которые снижают активность воды в субстрате, угнетая тем самым рост и развитие микроорганизмов. Упаковка, покрытия, масла и защитная атмосфера затрудняют развитие аэробов, препятствуя доступу кислорода к пищевым продуктам. Вес эти вещества, как правило, не убивают микробов, а лишь угнетают развитие. Когда их действие прекращается, вновь начинается рост вредных микроорганизмов и происходит порча продукта.
Рис. 3 (с. 42)
Основной причиной антимикробного действия консервантов раньше считалось их угнетающее действие на ферментативные процессы, а также на синтез ферментов и белков в микроорганизме. В последнее время главным стали признавать действие консервантов на клеточную оболочку и мембраны. Липофильные вещества, каковыми являются большинство пищевых консервантов, атакуют клеточную мембрану и разрушают сё или нарушают ее целостность. В результате поток протонов в клетку увеличивается и последняя вынуждена потреблять больше энергии, чтобы компенсировать проникающую в нейтральное внутреннее пространство клетки кислоту (консервирующую) и возникающую разность потенциалов.
Для антимикробного действия консерванту требуется достаточная растворимость как в воде, так и в жирах. С одной стороны, развитие микроорганизмов происходит исключительно в водной фазе, и консервант должен находиться там. С другой стороны, он должен быть в состоянии проникать через гидрофобную клеточную оболочку.
Рис. 4 (с. 42)
Для консервантов имеет место четкая зависимость доза–действие. По этой причине консервант следует добавлять в достаточной концентрации. Механизм действия отдельных консервантов описывается в специальных главах, посвященных соответствующим веществам.
§2. Спектр действия консервантов
Эффективность конкретного консерванта неодинакова в отношении плесневых грибов, дрожжей и бактерий, т.е. он не может быть эффективен против всего спектра возможных возбудителей порчи пищевых продуктов. Большинство консервантов, находящих практическое применение, действует в первую очередь против дрожжей и плесневых грибов. Некоторые консерванты малоэффективны против определённых бактерий, так как в области оптимальных для бактерий значений рН (часто это нейтральная среда) они слабо проявляют своё действие. Впрочем, такие бактерии не развиваются в средах с рН, благоприятным для применения консервантов.
В литературе имеется большое количество данных об эффективности консервантов в отношении отдельных микроорганизмов. Некоторые из них противоречивы. Сравнивать можно только сведения, полученные в стандартных условиях. Представление о применимости тех или иных консервантов можно получить из табл. 7. Конкретные сведения об эффективных концентрациях следует искать в главах, посвященных отдельным веществам.
Таблица 7. Эффективность некоторых консервантов по отношению к микроорганизмам
| Консервант | Бактерии | Дрожжи | Плесневые грибы |
| Нитриты | ++ | - | - |
| Сульфиты | ++ | ++ | + |
| Муравьиная кислота | + | ++ | ++ |
| Пропионовая кислота | + | ++ | ++ |
| Сорбиновая кислота | ++ | +++ | +++ |
| Бензойная кислота | ++ | +++ | +++ |
| n-Оксибснзоаты | ++ | +++ | +++ |
| Дифенил | - | ++ | ++ |
– - неэффективен
+ - малая эффективность
++ - средняя эффективность
+++ - высокая эффективность
§3. Возникновение устойчивости к консервантам
Из медицинской практики известно, что некоторые микроорганизмы могут приобретать устойчивость к действующим на них веществам. Под устойчивостью понимают способность микроорганизмов с увеличением числа воздействий переносить более высокие концентрации антимикробных веществ. При этом различают не передающуюся по наследству (адаптационную) и наследуемую (мутационную) устойчивость. Первая исчезает, если прекращается действие антимикробного вещества. Во втором случае устойчивость остаётся и после прекращения воздействия. Устойчивость приобретают прежде всего бактерии и особенно к антибиотикам. В медицине и в области защиты растений ведутся поиски веществ, которые могут делать устойчивость микроорганизмов обратимой.
Отмстим, что не следует смешивать понятие устойчивости микроорганизма с отсутствием (или наличием лишь слабого) угнетающего действия вещества или со способностью микроорганизма к разрушению антимикробного вещества.
Следствием истинной устойчивости микроорганизмов к пищевым консервантам является существенный экономический ущерба пищевой промышленности и, опосредованно, ущерб здоровью. Хорошо изучено формирование устойчивости бактерий и грибов к пищевым консервантам. Его наблюдали, например, при использовании тиабендазола для сохранения цитрусовых. Описана устойчивость конкретных штаммов микроорганизмов (Listeria monocytogenes Scott А) к определённым консервантам (низин). В данном конкретном случае причинами возникновения устойчивости оказались существенные структурные и функциональные изменения мембран и появление способности к разрушению низина.
Для антибиотиков, не применяемых в консервировании пищевых продуктов (пенициллин, тетрациклин, окситетрациклин, хлортетрациклин), коэффициенты увеличения устойчивости составляют от 15 до 150, а для стрептомицина – даже 1670, Устойчивость Escherichia coli к антибиотикам можно возобновить действием сублетальной дозы сорбиновой кислоты. Возможность формирования устойчивости к антибиотикам – основная причина отказа от их применения в качестве пищевых консервантов. Если иногда антибиотики всё-таки применяются в консервировании, то только те из них, которые не используются в терапевтических целях.
§4. Применение смесей консервантов
В медицине различные субстанции иногда используют в сочетании друг с другом, чтобы достичь усиления или изменения действия отдельных компонентов. В консервировании тоже применяют эмпирически подобранные комбинации консервантов. При использовании таких смесей в пищевой технологии можно ожидать следующих результатов.
- расширение спектра действия;
- усиление антимикробного эффекта;
- уменьшение концентрации отдельных консервантов.
Расширение спектра действия. Любой консервант эффективен только против части возбудителей порчи, встречающихся в продуктах питания. Это ограничение можно обойти, используя смеси консервантов. Теоретически такие смеси могут иметь спектр действия, отличающийся от суммы спектров обоих компонентов (в том числе и более широкий). В таком случае смесь может оказаться эффективной против микроорганизмов, против которых отдельные её компоненты неэффективны. Например, многие бактерии в большей степени угнетаются смесью сорбиновой и бензойной кислот, чем каждой в отдельности.
Основной практический интерес представляет сочетание бензойной и сорбиновой кислот (действующих преимущественно против дрожжей и плесеней) с антибактериальными консервантами. В качестве последнего наибольшее значение имеет сернистая кислота (особенно для продуктов растительного происхождения). В этом случае одновременно используются ее противоферментные и антиокислительные свойства.
Изменение антимикробного действия. При совместном использовании двух и более консервантов возможны три варианта:
- простое сложение;
- синергизм;
- антагонизм.
При простом сложении смесь действует как сумма её составляющих; в случае синергизма она проявляет угнетающее действие в меньшей концентрации, чем каждый из компонентов по отдельности; при антагонизме эффект противоположен – для смеси необходима более высокая концентрация, чем для индивидуальных консервантов.
Применение синергически действующей смеси позволяет достигнуть снижения общего содержания консервантов в продукте питания и уменьшения возможных побочных эффектов (в частности – органолептических). К сожалению, до сих пор нет надёжных данных о влиянии одних консервантов на действие других. Синергический эффект, который удавалось наблюдать в лабораторных условиях, настолько мал, что не имеет практического значения. Вероятно, большинству комбинированных препаратов (которые раньше продавались во множестве) оказывали предпочтение в сравнении с чистыми консервантами скорее по коммерческим причинам.
Одной из разновидностей синергизма можно считать сочетание консерванта длительного действия (например, сорбиновой кислоты) с быстро, но недолго действующим (например, диэтилпирокарбонатом). Последний быстро уничтожает имеющиеся бактерии, а сорбиновая кислота защищает от вторичного инфицирования.
Положительный эффект может давать применение консервантов совместно с теми веществами, которые уменьшают диссоциацию кислот или вызывают осмос и снижают равновесную влажность продуктов (поваренная соль или сахар).
§5. Сочетание консервантов с физическими способами консервирования
Зачастую имеет смысл не только совместное применение нескольких консервантов, но и сочетание консервантов с физическими приёмами консервирования – нагреванием, охлаждением, облучением, сушкой, обработкой высоким давлением, токами высокой частоты или импульсными электрическими полями. Такое сочетание может снижать нежелательное побочное действие отдельных способов. Следует отметить, что добавление консервантов требует меньших энергетических затрат, чем использование физических способов консервирования.
Совместное использование нескольких способов консервирования имеет достаточно древнюю историю. Мумифицирование тел в Древнем Египте (хотя мумии безусловно нельзя отнести к продуктам питания) по существу представляло собой консервирование с помощью целого набора приемов – снижение активности воды, сдвиг рН в неблагоприятную для роста бактерии область, применение антибактериальных веществ. Квашение и маринование тоже сочетают разные методы – понижение рН вследствие образования или добавления кислоты и снижение активности воды под действием поваренной соли23. При копчении сочетаются химические ифизические факторы – воздействие антимикробных составляющих дыма дополняется подсушиванием. Для сохранения рыбных пресервов уже десятки лет используют сочетание холода и добавления бензойной кислоты.
Комбинирование различных факторов в последние годы систематически изучал Лейстнер, который ввел понятие «технологии барьеров». Он пришёл к выводу, что несколько тормозящих факторов (барьеров) замедляют развитие микроорганизмов, если эти барьеры установлены в продукте в достаточном числе и на нужной «высоте» (даже если каждый барьер в отдельности недостаточен для угнетения микробов). На рис. 5 представлена упрощённая схема этой концепции.
Важнейшими барьерами для микроорганизмов служат:
- низкая начальная обсеменённость;
- низкая температура хранения;
- низкое значение рН;
- низкая активность воды;
Рис. 5 (с. 46)
- минимальное воздействие кислорода,
- высокая температура тепловой обработки;
- достаточная концентрация консервантов.
Консерванты и нагрев. Пониженные и повышенные температуры быстрее приводят к гибели микроорганизмов в присутствии консервантов, чем в их отсутствие. Другими словами, при одной и тон же температуре микробы скорее погибают при наличии консервантов, чем без них. Это подтверждено в лабораторных опытах со многими видами бактерий и большинством обычных консервантов, например: с дрожжами и бензойной или салициловой кислотами, дрожжами и пимарицином, дрожжами и сорбиновой кислотой, плесневыми грибами и бензойной кислотой, плесневыми грибами и сорбиновой кислотой, а также бактериями рода Salmonella и сорбиновой кислотой. Снижение активности воды (поваренной солью или сахаром) усиливает устойчивость дрожжевых клеток к воздействию нагрева. Добавление сорбиновой или бензойной кислоты делает дрожжи восприимчивыми даже при пониженной активности воды.
Синергизм температуры и консервантов не столь велик, чтобы иметь большое практическое значение.
Консерванты и холод. Совместное действие консервантов и низких температур подчиняется тем же закономерностям, которые описаны для высоких температур. Концентрации консервантов, которые при комнатной температуре не могут предотвратить порчу, при хранении пищевого продукта на холоде становятся достаточными.
Консерванты и облучение. Добавление консервантов позволяет уменьшить дозу облучения при обработке продуктов питания с помощью ионизирующей радиации. Как in vitro, так и на практике был установлен синергизм между консервантами н ионизирующим излучением, например для рыбопродуктов. Кроме того, консерванты (например, сорбиновая кислота) могут уменьшать такие явления, вызванные облучением, как посторонний привкус или изменение окраски, т.е. выступать в роли радиопротекторов. Использование консервантов совместно с ионизирующим излучением предполагает их достаточную радиационную стабильность. Установлено, что антимикробное действие УФ-лучей усиливается в присутствии консервантов, например сорбиновой кислоты.
§6. Консервирование как защита от токсинобразующих микроорганизмов
Если раньше консерванты применяли в продуктах питания исключительно из экономических соображений, то сегодня их все 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 токсинобразующис 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. Такого рода опасности в большой степени подвержены твердые сыры, твердокопченые колбасы, фруктовые продукты и выпечка (примерно треть спонтанно растущих на американском эмментальском сыре плесневых грибов образуют микотоксины). Наиболее технологичный способ борьбы с загрязнением этих продуктов микотоксинами – применение консервантов.
Особенно хорошо изучено действие на токсинобразующие грибы сорбиновой кислоты. Другие консерванты (например, пропионовая и бензойная кислоты или натамицин) тоже препятствуют образованию токсинов. Сорбиновая кислота сильнее подавляет образование микотоксинов. чем развитие соответствующих плесневых грибов. В культурах Aspergillus paraciticus, находящихся в состоянии покоя (но не роста), сорбиновая кислота подавляет синтез афлатоксина. Так же действуют и пропионаты. При высокой обсемененности в благоприятной среде грибы продолжают развиваться в присутствии 3 г сорбата калия на 1 кг продукта, однако образование микотоксинов при этом подавляется. В подпороговой концентрации пропионовая и сорбиновая кислоты могут способствовать образованию афлатоксина.
Сульфиты в определенных условиях разрушают афлатоксины. Теоретически они могли бы использоваться для «деконтаминации» пораженных 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 субстрата. Долю недиссоциированных молекул можно вычислить из константы диссоциации кислоты по формуле:
a = [Н+]/([Н+]+D),
где а – 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 ее вообще. В такой среде применимы только недиссоциирующие или малодиссоциирующие соединения, например эфиры n-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 еще достаточно эффективны, а бензойная и муравьиная почти непригодны.
Таблица 8. Доли недиссоциированных молекул для консервантов-кислот при различных значениях рН
| Консервант (кислота) | Константа диссоциации | рН | 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 • 102 | 1,81 | 6 | 2 | 0,6 | 0,2 | 0,06 | 0,02 | 0,01 | 0 | 0 |
| Салициловая | 1,07 • 103 | 2,97 | 48 | 23 | 9 | 3 | 1 | 0,3 | 0,1 | 0,03 | 0,01 |
| Муравьиная | 1,77 • 104 | 3,75 | 85 | 64 | 36 | 15 | 5 | 1,8 | 0,6 | 0,2 | 0,06 |
| n-Хлорбензойная | 9,3 • 105 | 4,03 | 92 | 77 | 52 | 25 | 10 | 3,3 | 1,1 | 0,3 | 0,1 |
| Бензойная | 6,46 • 105 | 4,18 | 94 | 83 | 61 | 33 | 13 | 5 | 1,5 | 0,5 | 0,15 |
| n-Гидроксибензойная | 3,3 •105 | 4,48 | 97 | 91 | 75 | 49 | 23 | 9 | 2,9 | 1,0 | 0,3 |
| Уксусная | 1,76 • 105 | 4,75 | 98 | 95 | 85 | 64 | 36 | 15 | 5,4 | 1,8 | 0,6 |
| Сорбиновая | 1,73 • 105 | 4,76 | 98 | 95 | 85 | 65 | 37 | 15 | 5,5 | 1,8 | 006 |
| Пропионовая | 1,32 • 105 | 4,88 | 99 | 96 | 88 | 71 | 43 | 19 | 7,0 | 2,3 | 0,8 |
| Дегидрацетовая | 5,30 • 106 | 5,27 | 100 | 98 | 95 | 86 | 65 | 37 | 16 | 5,6 | 1,9 |
| Гидросульфитный ион | 1,02 • 103 | 6,99 | 100 | 100 | 100 | 100 | 99 | 97 | 91 | 76 | 50 |
| Борная | 7,3 • 1010 | 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 четырех формах: в виде растворенного газа (CO2), сернистой кислоты (Н2SO3), гидросульфит-иона (НSO3-) и сульфит-иона (SO2-3). Антимикробное действие отдельных форм весьма различается. Благодаря наличию гидросульфит-ионов сернистая кислота еще проявляет некоторое антимикробное действие в области средних значений рН.
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).
Влияние коэффициента межфазного распределения. Коэффициентом распределения растворенного 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 бесполезной. Следовательно, лучшим (при прочих равных условиях) будет консервант, имеющий наименьший коэффициент распределения.
Консерванты имеют различную растворимость в разных жирах, и коэффициент распределении 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 консерванта. В табл. 9 представлены коэффициенты распределения некоторых консервантов между растительным маслом или октанолом и водой.
Влияние активности воды. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов нужно, чтобы активность воды (αω) в субстрате, на котором они развиваются, была не ниже определенной величины. Добавление веществ, снижающих активность воды в пищевом продукте, положительно сказывается на эффективности консервантов. 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. Из нее 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.
Таблица 9. Коэффициенты распределения консервантов
| Консервант | Растительное масло | Октанол |
| Пропионовая кислота | 0,17 | – |
| Сорбиновая кислота | 3,0 | 21 |
| Метил-n-оксибензоат | 5,8 | 91 |
| Бензойная кислота | 6,1 | 51 |
| Этил-n-оксибензоат | 26,0 | – |
| Пропил-n-оксибензоат | 87,5 | 1010 |
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. Бактерии Clostridium botulinum типа В не образуют токсинов при αω < 0,94. Выработка энтеротоксина А бактериями Staphylococcus aureus прекращается при активности воды ниже 0,87.
Влияние других физико-химических свойств субстрата. На жизнедеятельность микроорганизмов влияют и другие свойства субстрата, например окислительно-восстановительный потенциал и парциальное давление кислорода. 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 азот.
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 сё 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.
Таблица 10. Пороговые значения активности воды для некоторых микроорганизмов, встречающихся в пищевых продуктах
| αω | Бактерии | Дрожжи | Плесневые грибы |
| 0,98 | Clostridium1, Pseudomonas* | – | – |
| 0,97 | Clostridium2, Pseudomonas* | - | – |
| 0,96 |
Flavobacterium, Klebsiella. Lactobacillus*, Proteus*, Pseudomonas*, Shigella |
- | - |
| 0,95 | Alcaligenes, Bacillus, Citrobacter, Clostridium3, Enterobacter. Escherichia, Propionibacterium, Proteus, Pseudomonas, Salmonella, Serratia, Vibrio | - | - |
| 0.94 | Bacillus*, Clostridium4, Lactobacillus, Microbacterium, Pediococius, Streptococcus*, Vibrio | - | Stachybotrys |
| 0.93 | Bacillus5, Micrococcus*, Lactobacillus*, Streptococcus | – | Botrytis, Mucor, Rhizopus |
| 0,92 | – | Pichia, Rhodotorula, Saccharomyces* | – |
| 0,91 | Corynebacterium, Streptococcus | – | – |
| 0,90 | Bacillus6. Lactobacillus*, Micrococcus, Pediococus, Staphylococcus7. Vibrio* | Hansenula, Saccharomyces | - |
| 0,88 | - |
Candida, Debaryomyces Hanseniaspora, Torulopsis |
Cladosporium |
| 0,87 | – | Debaryiomyces* | – |
| 0,86 | Micrococcus*, Staphylococcus8, Vibrio* | – | – |
| 0,84 | – | – |
Alternaria, Aspergillus*. Paecilomyces |
| 0,83 | Staphylococcus* | Debariomyces* | Penicillium* |
| 0,81 | – | Saccharomyces* | Penicillium |
| 0,79 | – | – | Penicillium* |
| 0,78 | – | – | Aspergillus, Emericella |
| 0,75 | Halobaclerlum, Halococcus | – | Aspergillus*. Wallemia |
| 0,70 | – | – | Aspergillus*. Chrysosporium |
| 0,62 | – | Saccharomyces* | Eurotium* |
| 0,61 | – | - | Monascus Xeromyces |
Примечание. Звездочками и цифрами помечены: *отдельные штаммы; 1Clostridium botulinum типа C; 2Clostridium botulinum типа Е и отдельные штаммы С. perfringens; 3Clostridium botulinum типа А и В, а также С. Perfringens; 4Отдельные штаммы C. botulinum типа В; 5Отдельные штаммы Bacillus subtermophilus; 6Bacillus subtilis в определенных услвоиях; 7Staphylococcus aureus при анаэробном развитии; 8Staphylococcus aureus при аэробном развитии; 9Отдельные штаммы Vibrio costicola.
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 глюкозой. В вине эта реакция нежелательна, потому что ведет к связыванию важного побочного продукта брожения – ацетальдегида. 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, посвященных отдельным консервантам.
§8. Разложение консервантов
Как правило, пищевые консерванты химически стабильны. Поэтому можно не опасаться их разложения в пищевых продуктах в течение допустимых для последних сроков хранения. Среди неорганических консервантов исключения составляют нитриты, сульфиты, перекись водорода и озон, среди органических – пирокарбонаты и антибиотики.
Для некоторых из этих веществ разложение необходимо, так как на нём основано их действие. Например, перекись водорода уничтожает микробов посредством выделяемого кислорода. Для других консервантов, например, для диметилпирокарбоната, разложение нежелательно, так как приводит, в конце концов, к их исчезновению из продукта.
Некоторые консерванты могут разлагаться микроорганизмами. Это относится прежде всего к органическим соединениям, которые служат некоторым микроорганизмам источником углерода. Например, метилпарабен разлагается бактериями вида Pseudomonas aeruginosa, а сорбиновая кислота – грибами рода Penicilliumи другими. Разложение наблюдается не только в тех случаях, когда консервант не действует против данного микроба, но и если имеется значительное несоответствие между концентрацией эффективного консерванта и обсемененностью субстрата (например, в случае сильно загрязнённого пищевою продукта или при уже начавшейся микробиологической порче). Поэтому нельзя сохранить пищевые продукты с помощью консервантов и возвратить им «свежесть», если порча уже началась. Потребитель пищевых продуктов, которые законсервированы веществами, способными к микробиологическому разложению, имеет тем самым гарантию, что для выработки этих продуктов было использовано микробиологически чистое сырьё.
§9. Методы проверки консервантов
Для проверки эффективности консервантов в пищевых продуктах имеется два метода, которые, как правило, используются последовательно: тест на питательных средах и практические испытания.
Тест на питательных средах. При испытаниях на питательных средах, которые проводится и первую очередь для соединений с неизвестными свойствами, в пробы субстрата добавляют различные количества исследуемого вещества и высевают чистую культуру тестируемого микроорганизма. После нескольких дней инкубации на основе различий в развитии культур на отдельных пробах можно получить представление о концентрации действующего вещества, тормозящей развитие данного микроба. Полученный результат может зависеть от вида использованного субстрата. Важны и условии инкубации – с точки зрения их оптимальности как для развития выбранного вида микроорганизмов, так и для действия тестируемого консерванта Количественные результаты получают на жидких питательных средах, измеряя их помутнение на спектрофотометре или определяя прирост массы мицелия (для грибов).
Известная в бактериологии проба с диффузией в агар-агаре веществ, вводимых через отверстия, имеет ограниченное значение для проверки пищевых консервантов. Использование этой пробы предполагает, что действующее вещество должно угнетать как можно больше микроорганизмов. Однако при консервировании пищевых продуктов такая задача не ставится. Добавляя консерванты в пищевые продукты, стремятся подавить только те микроорганизмы, которые вызывают порчу. Описанные в медицинских изданиях тесты дтя косметических средств и фармацевтических препаратов в пищевой сфере тоже имеют ограниченное применение. Предъявляемые в косметике и формации требования по срокам хранения и условия первичного и вторичного инфицирования не совпадают с таковыми в области пищевых продуктов.
Тест на питательных средах in vitro достаточно точен с микробиологической точки зрения, но для практики представляет интерес лишь как ориентир. С его помощью невозможно смоделировать некоторые воздействия пищевого продукта на консервант. Кроме того, на практике имеют дело не с одним видом микроорганизмов, а с множеством. Поэтому в реальных условиях никогда не бывает такого «идеального» заражения, как в опытах in vitro.
Практические испытания. После тестов in vitro обязательно должны быть проведены практические испытания. Для них в качестве питательной среды используют тестируемый пищевой продукт. Исследуемый консервант в различных концентрациях добавляется к разным партиям пищевого продукта, находящегося в обычной торговой упаковке. Пробы инфицируют микроорганизмами, обычно выступающими в роли возбудителей порчи данного продукта. Часть проб хранится в обычных условиях (прежде всего, при нормальной температуре),часть – в ухудшенных (при повышенной температуре). В течение определенного времени, которое должно соответствовать обычному или желательному сроку хранения, продукт проверяют на годность. Установления органолептических свойств при этом недостаточно. Помимо них проверяют изменение химических и физических параметров (каких именно – зависит от вида пищевого продукта). Особое значение имеет определение чиста микроорганизмов.
Здесь возникают проблемы с «правильным» инфицированием продукта. Речь идёт не только о том, чтобы привить те виды микроорганизмов, которые на практике играют роль возбудителей порчи, необходимо также создать обсемененность, приближенную к реальной, что не всегда просто. Консерванты не предназначены для того, чтобы уничтожить как можно больше микроорганизмов, они должны подавить относительно небольшую популяцию микробов, которая может оказаться в пищевом продукте, изготовленном с соблюдением требований гигиены. Существуют консерванты, которые могут разлагаться микроорганизмами, если последние присутствуют в необычно большом количестве. Если при проверке действия такого консерванта применяют слишком сильно обсемененный субстрат, то может показаться, что консервант не работает, хотя на практике (в нормально инфицированном пищевом продукте) его эффективность достаточна.
§10. Принципы выбора подходящего консерванта
Пищевые продукты нельзя защищать от порчи любыми веществами, проявляющими консервирующее действие. При выборе консерванта для конкретного случая необходимо соблюдать определенные требования.
Консервант не должен
- вызывать опасений с точки зрения физиологии.
- порождать токсикологические и экологические проблемы в процессе производства, переработки и использования,
- вызывать привыкания.
- реагировать с компонентами пищевого продукта или реагировать только тогда, когда антимикробное действие больше не требуется;
- взаимодействовать с материалом упаковки и адсорбироваться им.
Консервант должен:
- иметь возможно более широкий спектр действия.
- быть достаточно эффективным против микроорганизмов, обычно присутствующих или ожидаемых в (или на) данном пищевом продукте в условиях, имеющихся в данном пищевом продукте (рН, активность воды и т.д. - см. §7 гл.5);
- воздействовать на токсин образующие микроорганизмы и, по возможности, замедлить образование токсинов в большей степени, чем развитие микроорганизмов;
- как можно меньше влиять на микробиологические процессы, протекающие в некоторых пищевых продуктах (дрожжевое брожение теста, молочнокислое брожение квашений, созревание сыра).
- по возможности оставаться в пищевом продукте в течение всего срока хранения.
- как можно меньше влиять на органолептические свойства пищевого продукта (запах, вкус, цвет и текстуру);
- по возможности быть простым вприменении;
- достаточно хорошо растворяться в воде (при использовании в пищевых продуктах, содержащих воду);
- быть недорогим, чтобы не увеличивать существенно цену пищевого продукта (впрочем, использование консервантов, даже дорогостоящих, обычно дешевле применения физических способов консервирования, например, термообработки или облучения);
- иметь разрешение на применение в пищевых продуктах или перспективы на получение такого разрешения;
- иметь качество и чистоту, соответствующие национальным и международным нормам и требованиям.
Консервирующие вещества
В гл. 6-29 рассмотрены консерванты, используемые в настоящее время на практике; в гл. 30-55 обсуждаются вещества либо утратившие полностью своё значение, либо находящие незначительное применение; в гл. 56 кратко изложены сведения об упаковках и покрытиях.
В табл.11 приведены отдельные консерванты, используемые в наиболее важных группах продуктов.
Таблица 11. Консерванты, обычно применяемые для наиболее важных групп продуктов
| Группа продуктов | Нитраты, нитриты | Диоксид серы | Сахароза | Гексаметилентетрамин | Муравьиная кислота | Уксусная кислота | Пропионовая кислота | Сорбиновая кислота | Бензойная кислота | n-Гидроксибензоаты | Дифенил, о-Фенилфенол, тиабендазол | Коптильный дым |
| Жировые эмульсии | - | - | - | - | - | - | - | ++ | + | - | - | - |
| Сыры | (+) | - | - | (+) | - | - | + | + + | (+) | (+) | - | + |
| Мясопродукты | ++ | (+) | - | - | - | - | - | + | - | (+) | - | ++ |
| Рыбопродукты | + | - | - | (+) | - | ++ | - | + | + | (+) | - | ++ |
| Овощная продукция | - | + | (+) | - | (+) | ++ | - | ++ | ++ | - | - | - |
| Фруктовая продукция | – | ++ | ++ | - | (+) | + | - | ++ | ++ | - | (+) | - |
| Безалкогольные напитки | - | ++ | ++ | - | (+) | - | - | ++ | ++ | - | - | - |
| Вино | - | ++ | - | - | - | - | - | ++ | - | - | - | - |
| Хлебобулочные изделия | - | - | ++ | - | - | - | ++ | ++ | - | - | - | - |
| Кондитерские изделия | - | - | ++ | - | - | - | - | ++ | (+) | (+) | - | - |
Примечание. Консервант применяется: ++ - часто; + - реже; (+) – в исключительных случаях; – - не применяется.
