Pārtikas mikrobioloģija ir starpdisciplināra nozare, kas cieši saistīta ar ķīmijas, bioloģijas, fizikas un medicīnas zinātņu atziņām. Tā izveidojusies par patstāvīgu nozari, kas papildina citas zinātņu nozares, t. sk. pārtikas zinātni un tās apakšnozares, piemēram, pārtikas tehnoloģiju, pārtikas inženierzinātni un citas. Pārtikas mikrobioloģija pēta mikroorganismu vairošanās likumsakarības fermentācijas procesu nodrošināšanai alus, vīna, skābpiena produktu, siera u. c. gatavošanā, kvalitātes kontrolē un produktu nekaitīguma nodrošināšanā. Pārtikas mikrobioloģijā pētījuma objekts ir pārtikā derīgie un nevēlamie mikroorganismi, to metabolīti, probiotikas (mikroorganismu kultūras, kas labvēlīgi ietekmē gremošanas traktu un organisma veselību). Galvenie mērķi pārtikas mikrobioloģijā ir pārtikas rūpniecības tehnoloģisko procesu pilnveide, nozīmīgu mikroorganismu pielietojums pārstrādē un pārtikas kontaminantu riska vadība (piesārņojums ar svešām vielām – vīrusiem, šūnu parazītiem, infekciju slimību ierosinātājiem, kas spēj vairoties tikai dzīvā šūnā; baktērijām, pelējumiem, raugiem).
pārtikas mikrobioloģija
Saistītie šķirkļi
Medicīnas epidemiologs Daglass Frajs (Douglas M. Frye) un mikrobioloģe Džoana Stērdžena (Joan Sturgeon) aplūko pārtikas paraugus ar listērijām no tītara un siera sviestmaizēm. ASV, 2001. gads.
Satura rādītājs
Pārtikas mikrobioloģija sniedz jaunas zināšanas pārtikas produktu ražošanas pilnveidē, jaunu tehnoloģiju pielietojumā, lai ierobežotu mikroorganismu darbību un veicinātu produktu drošību. Zināšanu un teorētisko atziņu nozīme tiek pamatota, pirmkārt, ar lielāku mikroorganismu lomu cilvēku dzīvē nekā līdz šim – tos plaši izmanto vielmaiņas, iedzimtības un citu dzīvības pamatproblēmu skaidrošanā. Pārtikas rūpniecībā, lai pilnveidotu tehnoloģiskos procesus un nodrošinātu produkcijas kvalitāti, lieto gan mikroorganismus (tostarp aizsargkultūras – mikroorganismu kultūras, kuras vairojoties producē antimikrobiālas vielas, kavējot/inhibējot patogēnu un citu kontaminantu augšanu), gan mikrobiālos enzīmus (specifiskas olbaltumvielas ar katalītiskām īpašībām). Pārtikas rūpniecības un ēdināšanas uzņēmumos tiek noteiktas stingras prasības pārtikas nekaitīguma nodrošināšanai, kurā mikroorganismu darbības ierobežošanai ir primārā loma. Otrkārt, pieaugot slimību uzliesmojumiem, ko izraisa pārtika, tiek apzināti jauni mikrobiālā piesārņojuma draudi pārtikas ķēdē.
Pārtikas mikrobioloģija aptver plašu izziņas lauku – tiek analizēta apkārtējās vides, izejvielu, pārstrādes procesu, indivīda ietekme uz ražoto produktu kvalitāti; vērtēti pārtikas izraisītu slimību ierosinātāji; pētīts mikroorganismu potenciāls funkcionālo produktu ražošanā (pārtikas produktu grupa ar noteiktām bioloģiski aktīvām sastāvdaļām pozitīvi ietekmē cilvēka organisma funkcijas, palīdzot saglabāt veselību un uzlabot vispārējo pašsajūtu). Jaunas atziņas dod iespēju mikroorganismu un to metabolītu (enzīmu; bakteriocīnu – vielas, kas kavē baktēriju vairošanos vai iznīcina tās) pielietojumā pārtikas produktu ražošanā; mikroorganismu darbības vērtēšanā (riska analīze, kontrole un vadīšana); patogēnu ierobežošanā; probiotisko uzturlīdzekļu izstrādē; uzturā nozīmīgu mikroorganismu selekcijā; ar uzturu saistītu dažādu veselības risku mazināšanā.
Līdz 20. gs. 70. gadiem pārtikas mikrobioloģijai bija lietišķās zinātnes statuss, tajā galvenokārt risināja pārtikas kontroles jautājumus. Mainoties pārtikas ražošanas, izplatības un tirdzniecības metodēm, mainījās arī patēriņa tendences. Modernajā pārtikas mikrobioloģijā nepieciešams iekļaut fundamentālās zinātnes teorijas un atziņas, lai saprastu un efektīvi risinātu ar pārtiku saistītus mikrobioloģijas jautājumus.
Pārtikas mikrobioloģija mūsdienās ietver ne tikai pārtikas bojāšanās mikrobioloģiskos aspektus, izraisīto slimību cēloņus un to efektīvu kontroli, bioprocesu vadīšanu pārtikas produktu ražošanā, bet arī teorētiskās atziņas mikrobiālajā ekoloģijā, fizioloģijā, metabolismā un ģenētikā. Šī informācija palīdz attīstīt ātras un efektīvas noteikšanas metodes kontaminantu un patogēno mikroorganismu kontrolei pārtikā, ar gēnu inženierijas metodēm (metožu komplekss, ko izmanto, lai vēlamā virzienā mainītu iedzimtību) atlasīt derīgos mikroorganismus un pielietot fermentēto produktu gatavošanā, veicināt termostabilo enzīmu un pārtikas piedevu ražošanu (vielas, ko pievieno pārtikai tehnoloģiskiem mērķiem apstrādes, iepakošanas, transportēšanas vai uzglabāšanas procesā; pievienotā viela vai tās blakusprodukti kļūst par pārtikas produktu sastāvdaļu un ietekmē to īpašības), izstrādāt metodes, kas novērš mikroorganismu kolonizēšanos iekārtu virsmās.
Pārtikas mikrobioloģijā lieto daudzveidīgas tiešās un netiešās metodes. Ar tiešajām metodēm analizē mikroorganismus, lietojot konvencionālās mikroskopijas, plūsmas citometrijas, epifluorescences mikroskopijas paņēmienus. Ar netiešajām metodēm vērtē mikroorganismu vairošanos un metabolītus, lietojot optiskās, termālās, elektriskās un radiometrijas metodes. Pie netiešām metodēm pieder arī imunoloģiskās metodes (aglutinācijas un imunodifūzie testi, imunofluorescences analīze, radioimunoanalīze, enzīmu imunoanalīze, imunomagnētiskā centrifugēšana) un metodes, ar kurām analizē šūnu sastāvdaļas (luminometrija: ATF bioluminescence, ATP bioluminescence), bakteriālā bioluminescence (bacterial bioluminescence, ‘in vivo bioluminescence’), ergosterola noteikšana, nukleīnskābju raksturošanas (dezoksiribonukleīnskābes (DNS) hibridizācija ar iezīmētas DNS fragmentu-zondi, DNA probe hybridization), polimerāzes ķēdes reakcija (polymerase chain reaction), nospieduma metodes (fingerprinting-like methods) un kombinētās metodes.
Cilvēki kopš seniem laikiem centušies aizkavēt pārtikas bojāšanos. Sākotnēji šim nolūkam lietoja uguni, dūmus, vēlāk sāli, etiķi. Nepazīstot mikroorganismus, tos ilgi lietoja maizes, vīna, skābpiena un citu fermentēto produktu gatavošanā. Holandiešu zinātnieks Antonijs van Lēvenhuks (Antonie Philips van Leeuwenhoek) 1676. gadā pirmais atklāja mikroorganismu pasauli. Lielu ietekmi mikrobioloģijas zinātnes attīstībā deva angļu biologs Čārlzs Darvins (Charles Robert Darwin), 1859. gadā attīstot evolūcijas teoriju.
Ar mikrobioloģijas pamatlicēja franču zinātnieka Luija Pastēra (Louis Pasteur) darbu publicēšanu mikrobioloģijas zinātne strauji uzplauka. Pirmie L. Pastēra pētījumi bija veltīti fermentācijas procesa izpētei, 1857. gada atklājot mikrofloru, kas izraisa spirta, pienskābo un etiķskābo rūgšanu. Pētot vīna un alus bojāšanos, L. Pastērs 1865. gadā izstrādāja un ieviesa praksē mikroorganismu inaktivācijas (mikroorganismu darbības nomākšana) metodi – pasterizāciju (termiskā apstrāde noteiktā temperatūrā un laikā, lai inaktivētu mikroorganismu veģetatīvās formas, patogēnus un enzīmus), aizsākot jaunu ēru pārtikas rūpniecībā.
Pasterizācijas process. Lauksaimnieku kooperatīvā krejotava. Vermonta, ASV, 1941. gads.
Nozīmīgi bija vācu ārsta Roberta Koha (Robert Koch) atklājumi tīrkultūru (vienas sugas mikroorganismi ieaudzēti barotnē) ieguvē un agarizēto barotņu (cietās mikrobioloģiskās barotnes, kurās lieto agaru) pielietojumā mikroorganismu kultivēšanai 1881. gadā. Tas ļāva dziļāk pētīt mikroorganismus un radīt tīrkultūras fermentēto produktu ražošanai. Pirmais šīs atziņas praksē pielietoja dāņu zinātnieks Emīls Kristians Hansens (Emil Christian Hansen), 1883. gadā izolējot rauga Saccharomyces carlsbergensis tīrkultūru (tagad S. pastorianus) lager alus gatavošanai.
Izcili nopelni mikrobioloģijas, arī pārtikas mikrobioloģijas attīstībā pieder krievu zinātniekam Iļjam Mečņikovam (Илья Ильич Мечников). Viņš pierādīja pūšanas un pienskābes baktēriju antagonismu un piedāvāja uzturā bulgāru rūgušpienu, lai nomāktu pūšanas baktērijas zarnu traktā. I. Mečņikova darbi bija pamats 20. gs. mikrobiologiem pienskābes baktēriju dziļākai izpētei un skābpiena produktu radīšanai profilaktiskiem mērķiem, kurus apzīmē ar terminu “probiotiskie produkti” (pārtikas produkti, kas noteiktā daudzumā satur probiotiskās baktērijas un kuru lietošana pozitīvi ietekmē zarnu trakta darbību un cilvēka veselību).
Iļja Mečņikovs. 1910. gads.
Pārtikas mikrobioloģijā pētījumi tiek veikti četros virzienos:
- fermentācijas un probiotiku izpēte – pārtikas nozarē nozīmīgo pienskābes baktēriju un probiotisko mikroorganismu genoma izpēte, svarīgāko īpašību izpratne un pārtikā piemērotu celmu atlase; pārtikas produktu konservēšana, lietojot mikroorganismus; jaunu metožu pielietojums ieraugu ražošanai (mikroorganismu koncentrāts pārtikas produktu fermentācijas procesa veicināšanai);
- pārtikas drošība un pārtikas kontaminantu izpēte – jaunu pārtikas kontaminantu identifikācija un kontrole, to sasaistot ar jaunām pārstrādes tehnoloģijām; molekulāro metožu attīstība mikroorganismu metabolītu identifikācijai un produktu derīguma termiņa prognozēšanai; apkārtējās vides ietekmes novērtējums pārtikas bojāšanos izraisīto mikroorganismu rezistencei; biokonservantu ieguve (mikroorganismu izdalīto antimikrobiālo vielu pielietojums pārtikas konservēšanai);
- pārtikas izcelsmes slimību izraisošo mikroorganismu izpēte – patogēnu noteikšanas metožu pilnveide; nanotehnoloģijas (nozare, kurā tiek pētītas struktūras, kuru izmēri ir salīdzināmi ar atomu un molekulu izmēriem) un biotehnoloģijas (nozare, kura pēta un izstrādā metodes dzīvo šūnu un audu audzēšanai un pavairošanai, pēta šo metožu lietošanu bioloģiski aktīvu vielu ražošanā) pielietojums ātrai patogēnu noteikšanai pārtikā; vīrusu (patogēns, kas vairojas tikai dzīvo organismu šūnās) kontroles metodes pārtikā; prionu (nervu šūnu sastāvā esošā izmainītā olbaltumvielu forma, kas rada neatgriezeniskus bojājumus nervaudos, piemēram, govju sūkļveida encefalopātija) izraisītu slimību pārneses (dzīvnieks–pārtika–cilvēks) izpēte; antibiotiku rezistento patogēnu, patogenitātes mehānisma izpēte;
- citi pētījumi – visaptverošā kvalitātes vadība (uzņēmuma iekšējā kultūra, kuras mērķis, nepārtraukti pilnveidojoties, ir apmierināt klientu vajadzības); pārtikas drošības likumdošanas attīstība; kritisko kontroles punktu un apdraudējumu analīze (Hazard Analysis Critical Control Points, HACCP) produktu ražošanas, uzglabāšanas un izplatīšanas vietās.
Mikrobioloģe Dr. Terona Meinza (Taronna Maines) ņem paraugus no olas ar A gripas vīrusu. ASV Slimību kontroles un profilakses centrs, 2006. gads.
Nozīmīgākie pētniecības institūti ir Pastēra Institūts (Institut Pasteur, 1888) Parīzē, Francijā; Roberta Koha Institūts (Robert Koch Institut, 1891) Berlīnē, Vācijā; Jakultas Centrālais Institūts (Yakult Central Institute, 1935) Tokijā; Krievijas Zinātņu akadēmijas S. Vinogradska Mikrobioloģijas Institūts (Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской Aкадемии наук, 1934) Maskavā.
Nozīmīgākās organizācijas, biedrības un asociācijas, kuras veicina pārtikas mikrobioloģijas attīstību, ir Amerikas Mikrobioloģijas biedrība (American Society for Microbiology, ASM, 1899) Vašingtonā, DC; Eiropas Mikrobioloģijas biedrību federācija (Federation of European Microbiological Societies, FEMS, 1968) Delftā, Nīderlandē; Starptautiskā Mikrobioloģijas biedrību savienība (International Union of Microbiological Societies, IUMS, 1927) Baltimorā, Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV). Šo organizāciju galvenais mērķis ir zinātniskās ekselences veicināšana, mikrobioloģiskā ekspertīze, pētniecības finansēšana, zinātnisko žurnālu izdošana, sadarbības projektu veicināšana, kongresu, simpoziju un konferenču organizēšana.
Pārtikas mikrobioloģijā pētījumi notiek arī lielo pārtikas koncernu pētniecības centros, piemēram, Valio (Somijā), Danone (Francijā), Chr. Hansen (Dānijā) un citur.
FEMS Microbiology Reviews (kopš 1985. gada, izdevējs Eiropas Mikrobioloģijas biedrību federācija, Federation of European Microbiological Societies), Applied and Environmental Microbiology (kopš 1953. gada, izdevējs Amerikas Mikrobioloģijas biedrība, American Society for Microbiology), Food Microbiology (kopš 1984. gada, izdevējs Elsevier), International Journal of Food Microbiology (kopš 1984. gada, izdevējs Pārtikas mikrobiloģijas un higiēnas komiteja, International Committe on Food Microbiology and Hygiene), Journal of Applied Microbiology (kopš 1973. gada, izdevējs Lietišķās mikrobiloģijas biedrība, Society for Applied Microbiology), Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology (kopš 1996. gada, izdevējs Rūpnieciskās mikrobioloģijas un biotehnoloģijas biedrība, Society of Industrial Microbiology and Biotechnology), Journal of Bacteriology (kopš 1945. gada, izdevējs Amerikas Mikrobioloģijas biedrība), Foodborne Pathogens and Diseases (kopš 2006. gada, izdevējs Mary Ann Liebert Inc.).
Pārtikas mikrobioloģijas pamatlicēji un zinātnieki, kas snieguši nozīmīgu ieguldījumu zinātnē, dalāmi divās grupās:
- pētnieki, kuri darbojās pārtikā nozīmīgo mikroorganismu, fermentācijas un produktu konservēšanas izpētē, piemēram, britu pētnieks Pīters Durends (Peter Durand) 1819. gadā izstrādāja konservēšanas paņēmienu produktiem, kas iepakoti metāla kārbās; vācu fiziologs Teodors Švāns (Theodor Schwann) 1837. gadā pētīja cukuru fermentējošus raugus, nosaucot tos par Saccharomyces; vācu biologs Ferdinands Kons (Ferdinand Julius Cohn) 1877. gadā izpētīja Bacillus subtilis sporu termālo rezistenci; britu ķirurgs Džozefs Listers (Joseph Lister) 1878. gadā no rūgušpiena izolēja Streptococcus lactis (tagad Lactococus lactis) tīrkultūru, liekot pamatus skābpiena produktu ieraugu sastāvam; franču pediatrs Anrī Tisjē (Henry Tissier) 1899. gadā no zīdaiņu zarnu trakta izolēja Y formas baktērijas, nosaucot tās par “bifidus” (bifidobaktērijas); šveicietis Eduards fon Freudenreihs (Eduard von Freudenreich), pētot bioķīmiskos procesus Ementāles siera nogatavināšanā, 1906. gadā identificēja un aprakstīja propionskābes baktērijas; dāņu ķīmiķis Sigurds Orla Jensens (Sigurd Orla Jensen) 1919. gadā izstrādāja pienskābes baktēriju klasifikāciju; japāņu mikrobiologs Minoru Širota (Minoru Shirota) 1930. gadā izgudroja jakultu (yakult), jogurtam līdzīgu skābpiena dzērienu; amerikāņu zinātnieki Denjels Lilijs (Daniel Lilly) un Rozalija Stilvela (Rosalie Stillwell) 1965. gadā pirmie ieviesa terminu “probiotikas”; 1974. gadā amerikāņu mikrobiologs Ričards B. Pārkers (Richard B. Parker), 1989. gadā britu mikrobiologs Rojs Fulers (Roy Fuller) un 1998. gadā somu pētnieks Sepo Salminens (Seppo Salminen) precizēja probiotiku definīciju; amerikāņu pētnieki Berijs R. Goldins (Barry R. Goldin) un Šērvuds Gorbaks (Sherwood Leslie Gorbach) 1985. gada atklāja probiotisko celmu Lactobacillus rhamnosus (ATCC 53103). Japānis Tomotari Mitsuoka (Tomotari Mitsuoka) pētīja gremošanas trakta mikrofloru, attīstīja mikrofloras līdzsvara teoriju veselības saglabāšanā un slimību profilaksē; amerikānis Lerijs Lī Makejs (Larry Lee McKay) pētīja pienskābes baktēriju ģenētiku;
- pētnieki, kuri darbojās pārtikas izraisītu slimību izpētē, piemēram, vācu pediatrs Teodors Ešerihs (Theodor Escherich) 1885. gadā izolēja Bacterium coli (tagad Escherichia coli) un apstiprināja tās celmu saistību ar pārtikas toksikoinfekciju izraisīšanu (akūta slimība, saistīta ar inficētas pārtikas lietošanu); beļģu mikrobiologs Emīls van Ermengems (Émile Pierre Marie van Ermengem) 1895. gadā izolēja Bacillus botulinum (tagad Clostridium botulinum) un aprakstījis botulisma (pārtikas toksikoinfekcija, lietojot ar C. botulinum toksīnu kontaminētu pārtiku) izraisītāju.
Multivide
Medicīnas epidemiologs Daglass Frajs (Douglas M. Frye) un mikrobioloģe Džoana Stērdžena (Joan Sturgeon) aplūko pārtikas paraugus ar listērijām no tītara un siera sviestmaizēm. ASV, 2001. gads.
Pasterizācijas process. Lauksaimnieku kooperatīvā krejotava. Vermonta, ASV, 1941. gads.
Iļja Mečņikovs. 1910. gads.
Mikrobioloģe Dr. Terona Meinza (Taronna Maines) ņem paraugus no olas ar A gripas vīrusu. ASV Slimību kontroles un profilakses centrs, 2006. gads.