Jak aktywność wody i pH współpracują w kontrolowaniu rozwoju drobnoustrojów

Aktywność wody i pH to dwa najważniejsze czynniki wewnętrzne, które decydują o tym, czy produkt będzie sprzyjał rozwojowi mikroorganizmów psujących żywność. Aktywność wody i pH działają synergicznie – ich połączony wpływ na kontrolę drobnoustrojów jest silniejszy niż działanie każdego z nich z osobna. Ten synergiczny efekt został szczegółowo opisany w ramach koncepcji technologii płotków (ang. hurdle technology) służącej do kontroli mikrobiologicznej i stanowi istotną część definicji żywności potencjalnie niebezpiecznej według amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA).

Oto jak możesz wykorzystać połączoną moc aktywności wody i pH, aby zwiększyć kontrolę mikrobiologiczną za pomocą łagodniejszych technik konserwacji, co może przełożyć się na lepszą teksturę i jakość produktu.

W jaki sposób aktywność wody zapobiega rozwojowi drobnoustrojów

Podobnie jak wszystkie organizmy, mikroorganizmy potrzebują wody do wzrostu. Pobierają ją, transportując przez błonę komórkową. Mechanizm ten zależy od gradientu aktywności wody – czyli od ruchu wody z środowiska o wysokiej aktywności wody na zewnątrz komórki do środowiska o niższej aktywności wody wewnątrz komórki.

Gdy aktywność wody na zewnątrz komórki spada w dostatecznym stopniu, dochodzi do stresu osmotycznego: komórka nie może pobierać wody i przechodzi w stan uśpienia. Drobnoustroje nie ulegają eliminacji, tracą jedynie zdolność do reprodukcji. Różne organizmy radzą sobie ze stresem osmotycznym na odmienne sposoby, dlatego dla każdego z nich obowiązują inne granice wzrostu. Niektóre gatunki pleśni i drożdży przystosowały się do przetrwania w warunkach bardzo niskiej aktywności wody.

Każdy organizm posiada określoną wartość aktywności wody, przy której jego wzrost ustaje. Dopóki twórcy produktów utrzymują aktywność wody poniżej tego limitu, dany drobnoustrój nie będzie się namnażał w stopniu mogącym wywołać infekcję lub chorobę. Zob. Tabela 1.

Granice wzrostu mikrobiologicznego czynią z aktywności wody doskonałe narzędzie do zapewniania bezpieczeństwa produktów żywnościowych, a pomiar aktywności wody może być stosowany jako krytyczny punkt kontrolny w planach HACCP.

Możliwości synergii

Granice wzrostu przedstawione w Tabeli 1 zakładają, że wszelkie inne warunki (pH, temperatura itp.) są optymalne dla rozwoju danego organizmu. Jeśli jednak efekty hamujące wzrost wynikające z obniżenia pH zostaną połączone z kontrolą aktywności wody, rozwój drobnoustrojów można kontrolować przy wyższej aktywności wody niż wskazana na wykresie.

Czym jest pH?

pH to miara stopnia kwasowości lub zasadowości roztworu. Wartości od 0 do 7 oznaczają odczyn kwasowy, natomiast wartości od 7 do 14 – odczyn zasadowy. Woda destylowana, która jest obojętna, ma pH wynoszące 7. Produkty spożywcze mają zazwyczaj odczyn obojętny lub kwaśny.

Drobnoustroje mają swoje granice pH dla wzrostu

Podobnie jak w przypadku aktywności wody, mikroorganizmy charakteryzują się granicami pH, poniżej których nie rosną. Tabela 2 przedstawia minimalne wartości pH dla wzrostu różnych typów drobnoustrojów. Wszystkie mikroorganizmy preferują neutralne pH zapewniające optymalny wzrost, potrafią jednak rozwijać się w środowisku o bardziej kwaśnym odczynie. W przypadku większości z nich wzrost ustaje przy pH 5,0. Niektóre drobnoustroje mogą tolerować wartości spadające do 4,6, a nawet 4,4. Historycznie za dolną granicę wzrostu uznawano pH 4,6, jednak część przepisów dotyczących żywności została zmieniona, gdy odkryto, że niektóre problematyczne drobnoustroje potrafią rosnąć przy pH wynoszącym zaledwie 4,2.

Zastosowania regulacji pH

Ze względu na granice wzrostu drobnoustrojów obniżanie pH jest skuteczną metodą konserwacji żywności oraz zapobiegania rozwojowi mikroorganizmów, a także może służyć jako krytyczny punkt kontrolny w planach HACCP. Ponadto niektórzy producenci regulują pH w celu zmiany smaku. Często odbywa się to poprzez kiszenie lub fermentację, w których wykorzystuje się działanie drobnoustrojów, reakcje enzymatyczne lub kwasy, takie jak ocet, w celu stymulowania produkcji kwasu mlekowego. Wiele reakcji chemicznych jest zależnych od pH i można im zapobiegać lub je kontrolować poprzez regulację tego wskaźnika.

Aktywność wody i pH – większa siła w połączeniu

Wpływ aktywności wody i pH można połączyć za pomocą technologii płotków, aby skuteczniej kontrolować drobnoustroje. W przypadku aktywności wody i pH połączone działanie obu barier jest silniejsze niż efekt każdej z nich stosowanej osobno. Oznacza to, że można uzyskać skuteczną kontrolę mikrobiologiczną na poziomach, które normalnie byłyby uznawane za niebezpieczne w przypadku samego pH lub samej aktywności wody. Obowiązujący obecnie kodeks żywnościowy z 2013 roku zawiera tabele interakcji pH oraz aktywności wody (przedstawione w Tabelach 3 i 4), które mogą być wykorzystane do określenia, czy dany produkt spożywczy wymaga kontroli czasu i temperatury ze względów bezpieczeństwa (TCS).

Tabela 3 dotyczy produktów spożywczych, które zostały poddane obróbce cieplnej w celu zniszczenia mikroorganizmów, a następnie zapakowane. Obniżona aktywność wody i pH nie są metodami eliminacji drobnoustrojów. Nie usuwają one mikroorganizmów, a jedynie zapobiegają ich wzrostowi do poziomów toksycznych. Ponieważ obróbka cieplna niszczy wszystkie mikroorganizmy z wyjątkiem bakterii przetrwalnikujących, produkty te mogą być pakowane przy wyższych wartościach aktywności wody i pH. W takich warunkach aktywność wody wynosząca 0,92 oraz pH na poziomie 4,6 lub wyższym są uważane za bezpieczne.

Interaktywna Tabela 4 jest stosowana w przypadku produktów niepoddanych obróbce cieplnej lub poddanych obróbce cieplnej, lecz niepakowanych. Zazwyczaj produkty te wymagają aktywności wody poniżej 0,88 lub poziomu pH poniżej 4,2, aby zostały uznane za bezpieczne. Wyższe wartości mogą być jednak akceptowalne, gdy aktywność wody i pH występują w połączeniu.

Tabela 5 przedstawia aktywność wody oraz pH niektórych powszechnych produktów spożywczych. Konfitura truskawkowa charakteryzuje się bardzo wysoką aktywnością wody, ale jej pH jest dość niskie. Ze względu na obecność kwasu cytrynowego pH jest na tyle niskie, że uniemożliwia rozwój drobnoustrojów, pomimo wysokiej aktywności wody. Musztarda również ma bardzo niskie pH przy jednocześnie wysokiej aktywności wody. Produkty te są bezpieczne ze względu na wartość pH, a nie aktywność wody. Syrop klonowy ma wysoką zawartość cukru, co oznacza niższą aktywność wody, jednak jego pH jest stosunkowo neutralne. W tym przypadku to właśnie aktywność wody, a nie pH, zapewnia bezpieczeństwo.

Rysunek 1 pokazuje, że zestawienie na wykresie aktywności wody i pH nie wykazuje żadnej bezpośredniej zależności. Jeśli do produktu zostanie dodany kwas w celu obniżenia pH, wpłynie to w pewnym stopniu na aktywność wody, ponieważ substancje kwaśne mają charakter polarny i wchodzą w preferencyjne interakcje z wodą. Zasadniczo jednak obniżenie pH nie powoduje bezpośredniego obniżenia aktywności wody.

Jak kontrolować aktywność wodną

Najczęstszym sposobem na obniżenie aktywności wody w produkcie jest jego suszenie lub wypiekanie (należy jednak pamiętać, że aby wykonać to prawidłowo, trzeba najpierw poznać izotermę sorpcji wilgoci danego produktu). Aktywność wody można również kontrolować poprzez dodawanie substancji utrzymujących wilgoć, takich jak sól, cukier, syrop glukozowo-fruktozowy, sorbitol i maltodekstryna.

Powszechne sposoby kontroli pH

Najczęstszym sposobem na obniżenie pH jest fermentacja. Fermentacja opiera się na „dobrych” bakteriach produkujących kwas mlekowy, który następnie obniża pH produktu i hamuje rozwój innych rodzajów drobnoustrojów. Strategię tę wykorzystuje się przy produkcji ogórków kiszonych, kapusty kiszonej, wędlin fermentowanych oraz oliwek. pH można również kontrolować, dodając kwas (ocet, kwas mlekowy, kwas cytrynowy) bezpośrednio do produktu lub dodając składniki naturalnie kwaśne, takie jak pomidory w sosie do spaghetti.

Aktywność wody i pH – szybkie i łatwe pomiary

Aktywność wody i pH to dwa parametry, które dają najlepsze rezultaty, gdy są analizowane razem. Oba są łatwe do zmierzenia za pomocą łatwo dostępnych komercyjnych higrometrów aktywności wody i pH-metrów.

‍