Mange metoder til fødevarekonservering der bruges i dag, blev sandsynligvis opdaget ved en tilfældighed i tidligere århundreder. Folk i tidlige kulturer, observerede at tørret kød og saltet fisk modstod forrådnelse. Nomader må have bemærket, at syrnet mælk modstod yderligere nedbrydning, mens det stadig var velsmagende. Derudover, hvis der blev trykket på ostemassen i den syrnede mælk for at fjerne væske og den fik lov til at modnes (med andre ord, ostefremstilling), blev den endnu bedre bevaret og smagte bedre. Landmænd lærte hurtigt, at hvis kornet blev holdt tørt, mugnede det ikke.
18.1.1 Fødevarer og sygdomme
Efterhånden som flere fødevarer kommer under behandling på centrale anlæg og distribueres vidt og bredt, bliver det mere sandsynligt, at fødevarer ligesom kommunale vandforsyninger, kan være en kilde til udbredte sygdomsudbrud. For at minimere risikoen for sygdomsudbrud, er der blevet etableret kontrolorganer, hvis rolle er at inspicere forretninger, mejerier, restauranter og andre virksomheder der behandler fødevarer. Dertil kommer, at statslige fødevare- og landbrugsinstitutioner opretholder et system af inspektører i havne, lufthavne og på centrale forarbejdsningssteder der ikke er indbefattet af den sædvanlige kontrol.
18.1.2 Industriel fødevarekonservering
Konservering af fødevarer ved opvarmning af en ordentlig forseglet beholder, som ved hjemmekonservering, er ikke svært. Udfordringen ved kommercielle konserveringsmetoder er, at bruge den rigtige mængde varme nødvendigt, for at dræbe fordærvelsesorganismer og farlige mikroorganismer, som for eksempel endosporedannende Clostridium botulinum, uden at det forringer udseendet eller smagen af fødevaren. Der er derfor anvendt meget forskningstid på at bestemme den nøjagtige mindst mulige varmebehandling, der vil opnå begge disse mål.
Industriel konservering, er langt mere teknisk sofistikeret end hjemmekonservering (se figur 18.1.2.1). Industrielt konserves, undergår industriel sterilisering med damp under tryk i en stor retort, der fungerer efter samme princip som en autoklave. Kommerciel sterilisering skal ødelægge C. botulinum endosporer og er ikke så barsk som en fuldstændig sterilisering. Ræsonnementet er, at hvis C. botulinum endosporerne er ødelagt, så er alle andre væsentlige, fordærvende eller sygdomsfremkaldende bakterier det også.
For at sikre kommerciel sterilisation, anvendes nok varme til en 12D behandling (12-decimal reduktioner eller botulinal kogning), hvorved en teoretisk population af C. botulinum endosporer, vil blive nedbragt med 12 logaritmiske cyklusser. Hvad dette betyder er, at hvis der var 1012 (1.000.000.000.000) endosporer i en dåse, ville der kun være en overlevende endospore efter behandlingen. Fordi 1012 er en usandsynlig stor population, betragtes denne behandling for ganske sikker i forhold til at få ”ram” på alle endosporerne. Visse termofile, endosporedannende bakterier, har endosporer der er mere modstandsdygtige over for varmebehandling end C. botulinum. Disse bakterier er obligate termofile og forbliver almindeligvis hvilende ved temperaturer der er lavere end cirka 45 ºC. Derfor udgør de ikke et fordærvelsesproblem ved normale opbevaringstemperaturer.
Fordærv af konserverede fødevarer
Hvis konserves inkuberes ved høje temperaturer, for eksempel i en lastbil der henstår i den varme sol, eller hvis det bliver opbevaret op ad en varmeradiator, kan termofile bakterier, der ofte overlever den kommercielle sterilisering, spire og vokse. Termofilt, anaerobt fordærv, er derfor en temmelig almindelig årsag til fordærv i konserves med lavt syreindhold. En konservesdåse, svulmer normalt op på grund af gasproduktion og indholdet har en sænket pH og en sur lugt. En række termofile arter af Clostridium kan forårsage denne form for fordærv. Når termofilt fordærv forekommer, men dåsen ikke svulmer op på grund af gasproduktion, betegnes fordærvet som et fladt, surt fordærv. Denne type fordærv, er forårsaget af termofile organismer, som for eksempel Geobacillus stearothermophilus, der findes i stivelse og sukkerarter der anvendes i madlavning. Mange brancher har standarder for antallet af sådanne termofile bakterier, som er tilladt i råvarer. Begge typer fordærv opstår kun, når konserves opbevares ved højere temperatur end normalt, som tillader væksten af bakterier, hvis endosporer ikke er blevet ødelagt af normal behandling.
Mesofile bakterier, kan ødelægge konserves, hvis fødevaren er undertilberedt, eller hvis emballagen har en lækage. Undertilberedte fødevarer her større tilbøjelighed til at resultere i fordærv ved endosporedannende organismer som før nævnte; tilstedeværelsen af ikke-endosporedannende bakterier, antyder kraftigt at emballagen har en lækage. Utæt konserves, bliver ofte kontamineret under afkølingen af emballagen efter varmebehandlingen. De varme dåser, oversprøjtes med kølevand, eller passerer gennem en rende fyldt med vand. Som emballagen afkøles, dannes der et vakuum inde i emballagen og vand udefra, kan suges gennem en lækage i det varmeblødgjorte tætningsmiddel i det krympede låg (se figur 18.1.2.2). Kontaminerende bakterier i kølevandet, bliver trukket med ind i emballagen sammen med vandet. Fordærv fra undertilberedning eller lækage er tilbøjelige til at danne lugte af forrådnelse, i det mindste i høj-proteinfødevarer og forekommer ved normalt opbevaringstemperaturer. I sådanne typer for fordærv, er der altid den risiko, at botulinale bakterier vil være til stede.
Nogle sure fødevarer, som for eksempel tomater eller syltede frugter, bevares ved forarbejdningstemperaturer på 100 ºC eller lavere. Ræsonnementet er, at de eneste fordærvelsesorganismer der kan vokse i sådanne sure fødevarer, let dræbes af temperaturer på 100 ºC. Primært ville disse mikroorganismer være skimmelsvampe, gær og visse vegetative bakterier.
Lejlighedsvise problemer i sure fødevarer, kan udvikle sig fra et par organismer, der både er varmebestandige og syretolerante. Eksempler på varmebestandige svampe er skimmelsvampen Byssochlamys fulva, der danner en varmebestandig ascospore og få skimmelsvampe, især af arterne Aspergillus, producerer nogle gange specialiserede resistente organer, kaldet sklerotier. En sporedannende bakterier, Bacillus coagulans er usædvanlig, idet den er i stand til vækst ved en pH på næsten 4,0.
18.1.3 Aseptisk emballering
Anvendelsen af aseptisk emballering for at bevare fødevarer, har været stigende. Emballage er ofte lavet af materialer, der ikke tåler konventionel varmebehandling, som for eksempel lamineret papir eller plast. Disse emballeringsmaterialer, kommer i kontinuerlige ruller der indføres i en maskine, som steriliserer materialet med en varm hydrogenperoxidopløsning, undertiden hjulpet af ultraviolet (UV) lys. Metalbeholdere, kan steriliseres med overophedet damp eller andre højtemperaturmetoder. Høj-energi elektronstråler, kan også anvendes til at sterilisere emballagematerialer. Mens det stadig er i det sterile miljø, bliver materialet formet til emballager, der derefter fyldes med flydende fødevarer som er blevet konventionelt steriliseret ved opvarmning. Den fyldte emballage steriliseres ikke efter den er blevet forseglet.
18.1.4 Bestråling og industriel fødevarekonservering
Det har længe været erkendt, at stråling er dødelig for mikroorganismer; faktisk blev der allerede i 1905 i England, udstedt et patent for anvendelsen af ioniserende stråling til forbedring af tilstanden af fødevarer. Røntgenstråler blev specifikt foreslået i 1921, som en måde at inaktivere larver i svinekød, som er årsag til trichinellose. Ioniserende stråling, hæmmer DNA syntesen og forhindrer effektivt mikroorganismer, insekter og planter i at formere sig. Den ioniserende stråling, er normalt røntgenstråler eller gammastråler, produceret af det radioaktive kobolt-60. Op til visse energiniveauer, er højenergi-elektroner produceret af en elektronaccelerator også brugt. Den væsentligste praktisk faktor, er i gennemtrængningskapaciteten. Disse kilder inaktiverer målorganismer og fremkalder ikke radioaktivitet i fødevaren eller emballagen. De relative doser af stråling der er nødvendig for at dræbe organismerne, er vist i tabel 18.1.4.1. Strålingen måles i Grays, opkaldt efter en tidlig radiolog – ofte i form af tusinder af Greys, forkortet kGy.
- Lave doser af stråling (under 1 kGy), anvendes til at dræbe insekter (skadedyrsbekæmpelse) og hæmmer spiring, ved for eksempel opbevaring af kartofler. Ligeledes kan det forsinke modning af frugter under opbevaring.
- Pasteuriseringsdoser af stråling (1 til 10 kGy), kan anvendes på kød og fjerkræ for at eliminere eller stærkt formindske antallet af specifikke bakterielle patogener.
- Høje doser af stråling (over 10 kGy), anvendes til at sterilisere, eller i det mindste kraftigt sænke, de bakterielle populationer i mange krydderier. Krydderier er ofte forurenet med 1 million eller flere bakterier per gram, selv om disse ikke anses for normalt at være sundhedsskadelige.
En specialiseret anvendelse af bestråling, har været at sterilisere kød spist af amerikanske astronauter og nogle få sundhedsfaciliteter har selektivt anvendt bestråling, til at steriliserer fødevarer som indtages af patienter med nedsat immunforsvar. Millioner af implanteret medicinsk udstyr, som for eksempel pacemakere, er blevet bestrålet. Bestrålede fødevarer, er i USA mærket med et radura symbol og en trykt meddelelse. Desværre er dette symbol ofte blevet tolket som en advarsel i stedet for beskrivelsen af en godkendt behandlings- eller konserveringsmetode. Bestrålede varer er faktisk ikke radioaktive; tænk blot på at et røntgenbord på et hospital ikke bliver radioaktivt på trods af gentagen daglig anvendelse af ioniserende stråling. For nylig har det amerikanske Food af Drug Administration (FDA) tilladt, at det er tilladt, efter særlig godkendelse, at erstatte brug af ordet bestråling med pasteurisering.
Når der kræves en dyb gennemtrængning af den ioniserende stråling, er den foretrukne metode til bestråling, gammastrålerne der produceres af kobolt-60. Men denne form for behandling kræver flere timers eksponering i isolation bag beskyttende mure (se figur 18.1.4.2).
Høj-energi elektronacceleratorer (se figur 18.1.4.3), er meget hurtigere og emnerne steriliseres på et par sekunder, men denne behandling har en lav gennemtrængningsevne og er kun egnet til udskåret kød, som for eksempel bacon eller lignende tyndeudskæringer af produkter. Plasticvarer anvendt i mikrobiologien er desuden ofte steriliseret på denne måde. En anden nyere anvendelse, er at bestråle post for at dræbe eventuelle bioterrorisme agenser posten ville kunne indeholde, for eksempel miltbrandendosporer.
18.1.4 Højtrykskonservering af fødevarer
En nylig udvikling i levnedsmiddelkonservering, har været anvendelsen af en højtryks-teknik (paskalisering). Forpakkede fødevarer, som for eksempel frugt, kødpålæg og forkogte kyllingestrimler, nedsænket i et kar med vand under tryk. Trykket kan nå 87.000 psi (pund per kvadrattomme) – der er blevet sammenlignet med hvad der svarer til tre elefanter der står på en tallerken. Denne proces, dræber mange bakterier, som for eksempel Salmonella, Listeria og patogene stammer af E. coli, ved at forstyrre mange cellulære funktioner. Det dræber også patogene mikroorganismer, der har tendens til at forkorte holdbarheden af sådanne produkter.
Da processen ikke kræver additiver, kræver den ikke myndighedernes godkendelse. Metoden har den fordel at den bevarer fødevarernes farve og smag bedre end mange andre metoder, og frembringer ikke bekymring over eventuel bestråling.
18.1.5 Mikroorganismers rolle i fødevareproduktion
I den sidste del af det nittende århundrede, blev mikroorganismer der anvendes til fødevareproduktion, dyrket i renkulturer for første gang. Denne udvikling førte hurtigt til en bedre forståelse af forholdet mellem specifikke mikroorganismer og deres produkter og aktiviteter. Denne periode kan betragtes som begyndelsen af den industrielle fødevaremikrobiologi. For eksempel, da det blev forstået, at en bestemt gær dyrket under bestemte betingelser, producerede øl og at visse bakterier kan ødelægge øllet, blev bryggerierne i stand til, bedre at kontrollere kvaliteten af deres produkter. Særlige industrier blev aktive i mikrobiologisk forskning og udvalgte visse mikroorganismer for deres særlige kvaliteter. Bryggeriindustrien, har for eksempel omfattende undersøgt gær, isoleret og identificeret dem og har udvalgt dem, der kunne producere mest alkohol. I dette afsnit, vil vi se på hvilken rolle mikroorganismer har i produktionen af flere almindelige fødevarer.
Ost
USA er en af verdens førende producenter af ost og producerer millioner af tons ost hvert år. Selvom der er mange forskellige typer af oste, kræver alle dannelsen af en ostemasse, der kan adskilles fra den flydende fraktion, eller vallen (se figur 18.1.5.1). Ostemassen består af protein, kasein og dannes sædvanligvis ved indvirkning fra et enzym, rennin (eller chymosin), der hjælpes af sure betingelser frembragt af visse mælkesyreproducerende bakterier. Disse podede mælkesyrebakterier giver også den karakteristiske smag og aroma af gærede mejeriprodukter under modningsprocessen. Ostemassen gennemgår en mikrobiel modningsproces, undtagen med hensyn til nogle få umodnede oste, som for eksempel ricotta og hytteost.
Oste er generelt klassificeret efter deres hårdhed, der skabes under modningsprocessen. Jo mere fugt der er fjernet fra ostemassen og jo mere ostemassen sammenpresses, jo hårdere bliver osten.
Den hårde cheddar og de schweiziske oste, er modnet af mælkesyrebakterier, der vokser anaerobt inde i osten. Sådanne hårde, indre modnede oste, kan være ganske store. Jo længere modningstiden er, desto højere surhedsgrad og des skarpere er smagen af osten. En Propionibacterium art, danner kuldioxid, som er ansvarlig for hullerne i schweizerost. Halvhårde oste, som for eksempel Limburger, modnes af bakterier og andre kontaminerende organismer, der vokser på overfladen. Blåskimmel og Roquefort oste, modnes af Penicillium skimmelsvampe der er inokuleret i ostene. Teksturen af ostene er løs nok, til at tilstrækkeligt med oxygen, kan nå de aerobe skimmelsvampe. Væksten af Penicillium skimmelsvampene, er synlig som blågrønne klumper i osten. Camembert, en blød ost, modnes i små pakker, således at enzymerne i Penicillium skimmelsvampene der vokser på overfladen af osten, vil diffundere ind i osten ved modning.
Andre mejeriprodukter
Smør, fremstilles ved kærning af fløde, indtil de fede globuler af smør, er adskilt fra den flydende kærnemælk. Den typiske smag og aroma af smør og kærnemælk, kommer fra diacetyler, en kombination af to eddikesyreestermolekyler, der er et metabolisk slutprodukt af fermenteringen fra nogle mælkesyre bakterier. I dag, er kommercielt solgt kærnemælk normalt ikke længere et biprodukt fra smørproduktionen, men er lavet ved at inokulere skummetmælk med bakterier, der danner mælkesyre og diacetyler. Kultur creme fraiche, er fremstillet af fløde, inokuleret med mikroorganismer, der ligner dem der anvendes til fremstilling af kærnemælk.
Yoghurt, et ledt surt mejeriprodukt, findes rundt omkring i verden og er populært i Europa og USA. Kommerciel yoghurt fremstilles af mælk, hvorfra mindst en fjerdel af vandet er blevet fordampet i en vakuumgryde. Den resulterende fortykkede mælk, podes med en blandet kultur af Streptococcus thermophilus, primært til syreproduktion og Lactobacillus delbrueckii bulgaricus, der bidrager med smag og aroma. Temperaturen hvor fermenteringen foregår, er cirka 45 ºC i adskillige timer. I dette tidsrum overvokser S. thermophilus L. d. bulgaricus. Opretholdelsen af en ordentlig balance mellem de smagsdannende og de syreproducerende mikroorganismer, er hemmeligheden i fremstillingen af yoghurt.
Kefir og kumiss, er fermenterede mælkedrikke, der er populære i Østeuropa. De sædvanlige mælkesyreproducerende bakterier, er blevet suppleret med en lactosefermenterende gær og giver disse drikkevarer en alkoholprocent på 1-2%.
Fermentering af ikke-mejeriprodukter
Historisk set, har fermentering af mælkeprodukter tilladt dem at blive opbevaret til senere forbrug. Andre mikrobielle fermenteringer, er blevet anvendt for at gøre visse planter, spiselige. For eksempel har præcolumbianske folk i Central- og Sydamerika, lært af fermentere cacaobønner før anvendelse. De mikrobielle produkter frigivet under fermenteringen, giver chokoladesmagen.
Mikroorganismer anvendes også i bagning, især af brød. Sukkeret i brødet, fermenteres af gær. Arten af gær der anvendes i bagning, er Saccharomyces cerevisiae. Denne samme art, anvendes også i brygning af øl fra korn og til gæring af vin fra druer (På et tidspunkt blev S. cerevisiae klassificeret som flere forskellige arter, som for eksempel S. pastorianus, S. uvarum og S. c. ellipsoideus. Disse og et par andre navne, støder man ofte på i ældre litteratur). S. cerevisiae vokser let under både aerobe og anaerobe forhold, men i modsætning til fakultativt aerobe bakterier, som for eksempel E. coli, kan den ikke vokse anaerobt på ubestemt tid. Forskellige stammer af S. cerevisiae er blevet udviklet gennem århundreder og er stærkt tilpasset anvendelse til forskellige fermenteringer.
Anaerobe betingelser til fremstilling af ethanol fra gær, er obligatorisk ved fremstilling af alkoholiske drikke. I bagning, danne kuldioxid de typiske bobler i hævet brød. Aerobe forhold, favoriserer kuldioxidproduktionen. Dette er grunden til at brøddej ældes adskillige gange. Uanset mængden af produceret ethanol, så fordamper det under bagningen. I nogle brødtyper, som for eksempel rug- eller surdej, producerer væksten af mælkesyrebakterier den karakteristiske syrlige smag.
Fermentering anvendes også i produktionen af sådanne produkter som sauerkraut, pickles, oliven og selv chokolade og kaffe, i hvilke bønnerne undergår en fermenteringsfase.
Alkoholiske drikke og eddike
Mikroorganismer er involveret i produktionen af næsten alle alkoholiske drikkevarer. Øl og ale, er produkter af kornstivelse fermenteret af gær. Øl fermenteres langsomt, med gærstammer der forbliver i bunden (bundgær). Ale fermenteres relativt hurtigt, ved en højere temperatur og med gærstammer, der normalt danner klumper der normalt holdes oppe ved overfladen af CO2 (topgær). Fordi gær ikke kan anvende stivelse direkte, skal stivelsen fra kornet omdannes til glucose og maltose, som de anvendte gær kan fermentere til ethanol og kuldioxid. I denne omdannelse, kaldet maltning, får stivelsesholdige kornsorter, som for eksempel maltbyg, lov til at spire og tørres og formales derefter. Dette produkt, kaldet malt, indeholder stivelsesnedbrydende enzymer (amylaser), der omdanner kornstivelsen til kulhydrater som kan fermenteres af gær. Lyst øl bruger amylaser eller udvalgte stammer af gær, for at omdanne mere af stivelsen til fermenterbart glucose og maltose, hvilket resulterer i færre kulhydrater og mere alkohol. Øllet fortyndes derefter, for at nå frem til en alkoholprocent inden for den normale ramme. Sake, den japanske risvin, fremstilles af ris uden maltning, fordi skimmelsvampen Aspergillus først bruges til at omdanne risens stivelse til sukkerarter som kan anvendes. For destilleret spiritus, som for eksempel whisky, vodka og rom, er kulhydrater fra korn, kartofler og melasse, gæret til alkohol. Alkoholen destilleres derefter for at fremstille en koncentreret alkoholisk drik.
Vin er lavet af frugter, typisk druer, som indeholder sukker gær kan bruge direkte til fermentering; maltning er unødvendigt i vinfremstilling. Druer, har i reglen ikke brug for ekstra sukker, men andre frugter kan suppleres med ekstra sukker, for at sikre tilstrækkelig alkoholproduktion. Trinnene i vinfremstilling er vist i figur 18.1.5.2. Mælkesyrebakterier er vigtige, når vinen er fremstillet af druer, der er særligt sure på grund af høje koncentrationer af æblesyre. Disse bakterier omdanner æblesyre til den svagere mælkesyre i en proces, der kaldes malolaktisk fermentering. Resultatet er en mindre sur og bedre smagende vin, end den der ellers ville blive produceres uden mælkesyrebakterier.
Vinproducenter, der tillod vinen at blive udsat for luft fandt, at det syrnede på grund af væksten af aerobe bakterier, der omdannede ethanolen i vinen til eddikesyre. Resultatet var eddike. Fremgangsmåden anvendes nu til bevidst at fremstille eddike. Ethanol produceres først ved anaerob fermentering af kulhydrater af gær. Ethanolen oxideres herefter aerobt af eddikesyreproducerende bakterier af slægterne Acetobacter og Gluconobacter.