Giáo Trình Vi Sinh Vật Thực Phẩm (Food Microbiology) - Martin R. Adams & Maurice O. Moss

• Tác giả: Martin R. Adams
• Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Thực Phẩm
• Đề tài: Giáo Trình Food Microbiology Môn Vi Sinh Vật Thực Phẩm Công Nghệ Thực Phẩm
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Cambridge

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình Food Microbiology và vi sinh vật thực phẩm

Giáo trình Food Microbiology do Martin R. Adams và Maurice O. Moss biên soạn là tài liệu học thuật quan trọng trong lĩnh vực vi sinh vật thực phẩm. Cuốn sách trình bày toàn diện các khái niệm từ virus đến ký sinh trùng, từ tính gây bệnh đến hóa lý học trong thực phẩm. Giáo trình hướng đến sinh viên ngành Vi sinh vật, Khoa học Thực phẩm và các chuyên ngành liên quan đến trình độ Thạc sĩ. Nội dung bao gồm sự tương tác giữa vi sinh vật và nguyên liệu thực phẩm, vai trò của hệ vi sinh vật trên bề mặt thực vật, vi sinh vật trong sữa và các sản phẩm từ sữa. Tài liệu cung cấp nền tảng vững chắc về nguyên tắc kiểm soát vi sinh vật trong công nghệ thực phẩm hiện đại. Giáo trình cũng giới thiệu các phương pháp nghiên cứu tiên tiến và ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, giúp người học hiểu rõ mối quan hệ giữa vi sinh vật và an toàn thực phẩm.

1.1. Cấu trúc và nội dung chính của giáo trình

Giáo trình Food Microbiology được xây dựng với cấu trúc logic, từ cơ bản đến nâng cao. Phần đầu giới thiệu các nhóm vi sinh vật chính trong thực phẩm bao gồm vi khuẩn, nấm mốc, men và virus. Tiếp theo là các chương về sự phân bố vi sinh vật trong môi trường tự nhiên và trên bề mặt thực phẩm. Giáo trình trình bày chi tiết về hệ vi sinh vật trên lá cây, hoa quả, sữa và các sản phẩm từ sữa. Cuối sách bao gồm tài liệu tham khảo bổ sung và hướng dẫn đọc thêm cho từng chương.

1.2. Đối tượng và phương pháp tiếp cận

Giáo trình hướng đến sinh viên đã có kiến thức cơ bản về vi sinh vật học, ở trình độ đại học và sau đại học. Phương pháp tiếp cận của sách kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn, không quá nặng về trích dẫn tài liệu sơ cấp để đảm bảo dòng chảy narrative hợp lý. Tài liệu khuyến khích người học tham khảo thêm các tạp chí chuyên ngành như Food Microbiology, International Journal of Food Microbiology và Journal of Food Protection để cập nhật kiến thức mới nhất.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến vi sinh vật trong thực phẩm

Vi sinh vật trong thực phẩm chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường và hóa lý. Hoạt độ nước là yếu tố quyết định sự phát triển của vi sinh vật. Nước là hợp chất đặc biệt với tính chất vật lý hóa học vượt trội so với các hydride của nguyên tố lân cận trong bảng tuần hoàn. Các phản ứng sinh học trong tế bào chất diễn ra trong môi trường nước, màng tế bào cho phép phân tử nước đi qua tự do. Hệ enzyme lactoperoxidase trong sữa chiếm khoảng 0,5% protein whey, xúc tác quá trình oxy hóa thiocyanate bởi hydrogen peroxide. Thiocyanate có tự nhiên trong sữa và nồng độ tăng khi tiêu thụ rau họ cải. Hydrogen peroxide sinh ra từ hoạt động enzyme nội sinh hoặc quá trình chuyển hóa hiếu khí của vi khuẩn axit lactic. Phản ứng tạo ra các sản phẩm oxy hóa ngắn sống có thể tiêu diệt vi khuẩn Gram âm và ức chế vi khuẩn Gram dương bằng cách phá hủy màng tế bào chất.

2.1. Vai trò của hoạt độ nước và môi trường

Hoạt độ nước quyết định khả năng phát triển của vi sinh vật trong thực phẩm. Khi hoạt độ nước giảm, vi sinh vật bị ức chế hoặc không thể phát triển. Nước có nhiệt độ sôi bất thường so với các hydride lân cận như amoniac, metan, hydro sulfide. Tính chất này ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống của vi sinh vật trong thực phẩm. Kiểm soát hoạt độ nước là chiến lược quan trọng trong bảo quản thực phẩm, giúp kéo dài thời gian sử dụng và đảm bảo an toàn vệ sinh.

2.2. Hệ vi sinh vật trên bề mặt thực vật và nguyên liệu

Bề mặt thực vật chứa hệ vi sinh vật đa dạng. Vào mùa hè, lá cây sồi và cây bao phủ bởi nấm mốc đen Aureobasidium. Hệ vi khuẩn trên bề mặt thực vật chủ yếu là trực khuẩn Gram âm như Pectobacterium, Erwinia, Pseudomonas và Xanthomonas. Bên cạnh đó còn có hệ vi khuẩn Gram dương lên men như Lactobacillus và Leuconostoc, quan trọng trong sản xuất dưa chua. Các loại men như Sporobolomyces và Bullera cũng hiện diện trên bề mặt lá cây.

III. Phương pháp kiểm soát vi sinh vật trong công nghệ thực phẩm

Kiểm soát vi sinh vật trong công nghệ thực phẩm đòi hỏi nhiều phương pháp kết hợp. Hệ enzyme lactoperoxidase là một trong những cơ chế tự nhiên bảo vệ sữa. Enzyme này xúc tác oxy hóa thiocyanate bởi hydrogen peroxide, tạo ra sản phẩm ngắn sống như hypothiocyanate có khả năng tiêu diệt vi khuẩn Gram âm và ức chế Gram dương. Thiocyanate trong sữa tăng lên khi động vật tiêu thụ rau họ cải giàu tiền chất thiocyanate. Hydrogen peroxide được tạo ra từ hoạt động enzyme nội sinh hoặc chuyển hóa hiếu khí của vi khuẩn axit lactic. Ngoài cơ chế tự nhiên, các phương pháp kiểm soát vật lý như điều chỉnh hoạt độ nước, nhiệt độ và pH cũng đóng vai trò quan trọng. Công nghệ thực phẩm hiện đại áp dụng kết hợp nhiều rào cản để đạt hiệu quả bảo quản tối ưu. Chiến lược này giúp giảm phụ thuộc vào chất bảo quản hóa học và nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Hệ lactoperoxidase và cơ chế bảo vệ tự nhiên

Hệ lactoperoxidase là cơ chế bảo vệ tự nhiên trong sữa, chiếm khoảng 0,5% protein whey. Enzyme xúc tác phản ứng oxy hóa thiocyanate bởi hydrogen peroxide. Sản phẩm phản ứng là các hợp chất oxy hóa ngắn sống như hypothiocyanate. Chất này tiêu diệt vi khuẩn Gram âm bằng cách phá hủy màng tế bào chất. Đối với vi khuẩn Gram dương, hệ enzyme có tác dụng ức chế sự phát triển. Nồng độ thiocyanate tăng khi động vật ăn rau họ cải.

3.2. Kiểm soát hoạt độ nước và điều kiện môi trường

Hoạt độ nước là yếu tố then chốt trong kiểm soát vi sinh vật thực phẩm. Nước có tính chất vật lý đặc biệt, với nhiệt độ sôi cao bất thường so với các hydride lân cận. Điều chỉnh hoạt độ nước thông qua sấy khô, đông lạnh hoặc thêm chất hút ẩm giúp ức chế vi sinh vật. Kết hợp kiểm soát nhiệt độ, pH và áp suất thẩm thấu tạo ra hệ thống rào cản nhiều lớp. Phương pháp này đảm bảo an toàn thực phẩm và kéo dài thời gian bảo quản hiệu quả.

IV. Ứng dụng kiến thức vi sinh vật thực phẩm trong thực tiễn

Kiến thức vi sinh vật thực phẩm có ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế biến. Hiểu biết về hệ vi sinh vật trên bề mặt thực vật giúp tối ưu hóa quy trình thu hoạch và bảo quản nguyên liệu. Hệ vi khuẩn Gram dương lên men như Lactobacillus và Leuconostoc được ứng dụng trong sản xuất thực phẩm lên men như dưa chua và rượu vang. Kiến thức về hệ enzyme lactoperoxidase hỗ trợ phát triển phương pháp bảo quản sữa tự nhiên. Nghiên cứu về hoạt độ nước và tính chất hóa lý của nước giúp thiết kế quy trình sấy và bảo quản hiệu quả. Các tạp chí chuyên ngành như Food Microbiology và Journal of Food Protection liên tục cập nhật nghiên cứu mới. Giáo trình Food Microbiology cung cấp nền tảng vững chắc để sinh viên tiếp cận và áp dụng kiến thức vào thực tế sản xuất. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn là yếu tố then chốt trong đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành công nghiệp thực phẩm.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất thực phẩm lên men

Hệ vi khuẩn Gram dương lên men như Lactobacillus và Leuconostoc có vai trò quan trọng trong sản xuất thực phẩm lên men. Các vi khuẩn này hiện diện tự nhiên trên bề mặt thực vật và trở thành thành phần chủ đạo trong quá trình lên men. Sản phẩm dưa chua, rượu vang từ nước nho là minh chứng điển hình. Men tự nhiên trên bề mặt hoa quả và mật hoa tham gia vào quá trình lên men tự phát. Kiểm soát hệ vi sinh vật giúp đảm bảo chất lượng và an toàn sản phẩm.

4.2. Phát triển phương pháp bảo quản tự nhiên

Ứng dụng kiến thức vi sinh vật thực phẩm giúp phát triển phương pháp bảo quản tự nhiên. Hệ lactoperoxidase trong sữa là ví dụ điển hình về cơ chế bảo vệ tự nhiên có thể tận dụng. Nghiên cứu về hoạt độ nước hỗ trợ thiết kế quy trình sấy và bảo quản tối ưu. Kết hợp nhiều yếu tố kiểm soát tạo ra hệ thống rào cản hiệu quả. Phương pháp này giảm thiểu sử dụng chất bảo quản hóa học, phù hợp với xu hướng tiêu dùng hiện đại và quy định an toàn thực phẩm ngày càng nghiêm ngặt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Food Microbiology Third Edition Food Microbiology Third Edition Martin R. Adams and Maurice O. Moss University of Surrey, Guildford, UK ISBN 978-0-85404-284-5 A catalogue record for this book is available from the British Library. r The Royal Society of Chemistry 2008 All rights reserved Apart from any fair dealing for the purpose of research or private study, or criticism or review as permitted under the terms of the UK Copyright Designs and Patents Act, 1988, this publication may not be reproduced, stored or transmitted, in any form or by any means without the prior permission in writing of The Royal Society of Chemistry, or in the case of reprographic reproduction only in accordance with the terms of the licences issued by the Copyright Licensing Agency in the UK, or in accordance with the terms of the licences issued by the appropriate Reproduction Rights Organisation outside the UK. Enquiries concerning reproduction outside the terms stated here should be sent to The Royal Society of Chemistry at the address printed on this page. Published by The Royal Society of Chemistry, Thomas Graham House, Science Park, Milton Road, Cambridge CB4 0WF, UK Registered Charity No. 207890 For further information see our web site at www.org Preface to the First Edition In writing this book we have tried to present an account of modern food microbiology that is both thorough and accessible. Since our subject is broad, covering a diversity of topics from viruses to helminths (by way of the bacteria) and from pathogenicity to physical chemistry, this can make presentation of a coherent treatment difficult; but it is also part of what makes food microbiology such an interesting and challenging subject. The book is directed primarily at students of Microbiology, Food Science and related subjects up to Master’s level and assumes some knowledge of basic microbiology. We have chosen not to burden the text with references to the primary literature in order to preserve what we hope is a reasonable narrative flow. Some suggestions for further reading for each chapter are included in Chapter 12. These are largely review articles and monographs which develop the overview provided and can also give access to the primary literature if required. We have included references that we consider are among the most current or best (not necessarily the same thing) at the time of writing, but have also taken the liberty of including some of the older, classic texts which we feel are well worth revisiting on occasion. By the very nature of current scientific publishing, many of our most recent references may soon become dated themselves. There is a steady stream of research publications and reviews appearing in journals such as Food Microbiology, Food Technology, the International Journal of Food Microbiology, the Journal of Applied Bacteriology and the Journal of Food Protection and we recommend that these sources are regularly surveyed to supplement the material provided here. We are indebted to our numerous colleagues in food microbiology from whose writings and conversation we have learned so much over the years. In particular we would like to acknowledge Peter Bean for looking through the section on heat processing, Ann Dale and Janet Cole for their help with the figures and tables and, finally, our long suffering families of whom we hope to see more in the future. v Preface to the Second Edition The very positive response Food Microbiology has had since it was first published has been extremely gratifying. It has reconfirmed our belief in the value of the original project and has also helped motivate us to produce this second edition. We have taken the opportunity to correct minor errors, improve some of the diagrams and update the text to incorporate new knowledge, recent developments and legislative changes. Much of this has meant numerous small changes and additions spread throughout the book, though perhaps we should point out (for the benefit of reviewers) new sections on stress response, Mycobacterium spp. and risk analysis, and updated discussions of predictive microbio- logy, the pathogenesis of some foodborne illnesses, BSE/vCJD and HACCP. A number of colleagues have provided advice and information and among these we are particularly indebted to Mike Carter, Paul Cook, Chris Little, Johnjoe McFadden, Bob Mitchell, Yasmine Motarjemi and Simon Park. It is customary for authors to absolve those acknowledged from all responsibility for any errors in the final book. We are happy to follow that convention in the unspoken belief that if any errors have crept through we can always blame each other. Preface to the Third Edition In this third edition we have taken the opportunity to update and clarify the text in a number of places, removing a few incipient cobwebs along the way. Mostly this has entailed small changes within the existing text though there are new sections dealing with natamycin, subtyping, emerg- ing pathogens and Enterobacter sakazakii. In addition to all those colleagues who have helped with previous editions we are pleased to acknowledge Janet Corry and Marcel Zwietering whose diligent reading of the second edition revealed the need for some corrections that had previously eluded us. We have also rationalised the index which we decided was excessive and contained too many esoteric or trivial entries. As a consequence, terms such as ‘‘trub’’ have been deleted. Those seeking knowledge on this topic will now have to read the book in its entirety. vi Contents Chapter 1 The Scope of Food Microbiology 1.1 Micro-organisms and Food 2 1.1 Food Spoilage/Preservation 2 1.2 Microbiological Quality Assurance 4 Chapter 2 Micro-organisms and Food Materials 2.1 Diversity of Habitat 5 2.2 Micro-organisms in the Atmosphere 6 2.3 Micro-organisms of Soil 11 2.4 Micro-organisms of Water 13 2.5 Micro-organisms of Plants 15 2.6 Micro-organisms of Animal Origin 18 2.2 The Nose and Throat 19 2.7 Conclusions 19 Chapter 3 Factors Affecting the Growth and Survival of Micro-organisms in Foods 3.2 pH and Buffering Capacity 24 3.3 Redox Potential, Eh 28 vii viii Contents 3.4 Antimicrobial Barriers and Constituents 32 3.5 Predictive Food Microbiology 52 Chapter 4 The Microbiology of Food Preservation 4.1 Pasteurization and Appertization 63 4.2 Quantifying the Thermal Death of Micro- organisms: D and z Values 66 4.3 Heat Sensitivity of Micro-organisms 68 4.4 Describing a Heat Process 72 4.5 Spoilage of Canned Foods 77 4.3 High-Pressure Processing–Pascalization 90 4.4 Low-Temperature Storage–Chilling and Freezing 92 4.1 Organic Acids and Esters 99 4.5 ‘Natural’ Food Preservatives 107 4.6 Modification of Atmosphere 108 4.7 Control of Water Activity 112 4.8 Compartmentalization 115 Chapter 5 Microbiology of Primary Food Commodities 5.1 What is Spoilage? 119 5.2 Microflora of Raw Milk 123 Contents ix 5.3 Heat Treatment of Milk 127 5.1 Structure and Composition 132 5.2 The Microbiology of Primary Processing 134 5.3 Spoilage of Fresh Meat 136 5.1 Structure and Composition 140 5.2 The Microbiology of Primary Processing 140 5.3 Crustaceans and Molluscs 141 5.4 Spoilage of Fresh Fish 142 5.2 Preservation of High-moisture Cereals 149 5.3 Pulses, Nuts and Oilseeds 149 5.4 Fruits and Fruit Products 151 5.5 Vegetables and Vegetable Products 153 Chapter 6 Food Microbiology and Public Health 6.2 Significance of Foodborne Disease 160 6.3 Incidence of Foodborne Illness 165 6.4 Risk Factors Associated with Foodborne Illness 169 6.5 The Changing Scene and Emerging Pathogens 171 6.6 The Site of Foodborne Illness. The Alimentary Tract: Its Function and Microflora 172 6.7 The Pathogenesis of Diarrhoeal Disease 176 Chapter 7 Bacterial Agents of Foodborne Illness 7.2 The Organism and its Characteristics 183 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 184 7.4 Isolation and Identification 184 7.5 Association with Foods 184 7.2 Bacillus cereus and other Bacillus Species 185 7.2 The Organism and its Characteristics 186 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 186 7.4 Isolation and Identification 188 7.5 Association with Foods 189 x Contents 7.2 The Organism and its Characteristics 191 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 191 7.4 Isolation and Identification 191 7.5 Association with Foods 192 7.2 The Organism and its Characteristics 193 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 194 7.4 Isolation and Identification 195 7.5 Association with Foods 196 7.2 The Organism and its Characteristics 199 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 202 7.4 Isolation and Identification 205 7.5 Association with Foods 205 7.2 The Organism and its Characteristics 211 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 211 7.4 Isolation and Identification 212 7.5 Association with Foods 213 7.2 The Organism and its Characteristics 214 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 215 7.4 Isolation and Identification 215 7.5 Association with Foods 215 7.2 The Organism and its Characteristics 217 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 218 7.4 Isolation and Identification 222 7.5 Association with Foods 223 7.2 The Organism and its Characteristics 226 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 227 7.4 Isolation and Identification 228 7.5 Association with Foods 229 7.2 The Organism and its Characteristics 232 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 232 Contents xi 7.4 Isolation and Identification 233 7.5 Association with Foods 233 7.2 The Organism and its Characteristics 234 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 235 7.4 Isolation and Identification 235 7.5 Association with Foods 235 7.2 The Organism and its Characteristics 237 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 238 7.4 Isolation and Identification 241 7.5 Association with Foods 244 7.2 The Organism and its Characteristics 250 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 250 7.4 Isolation and Identification 251 7.5 Association with Foods 251 7.2 The Organism and its Characteristics 252 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 254 7.4 Isolation and Identification 255 7.5 Association with Foods 256 7.2 The Organisms and their Characteristics 259 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 260 7.4 Isolation and Identification 261 7.5 Association with Foods 262 7.2 The Organism and its Characteristics 263 7.3 Pathogenesis and Clinical Features 265 7.4 Isolation and Identification 266 7.5 Association with Foods 266 7.17 Scombrotoxic Fish Poisoning 267 7.18 Conclusion 268 Chapter 8 Non-bacterial Agents of Foodborne Illness 8.1 Helminths and Nematodes 270 8.1 Platyhelminths: Liver Flukes and Tapeworms 270 8.2 Roundworms 272 xii Contents 8.1 Dinoflagellate Toxins 277 8.1 Mycotoxins and Mycophagy 281 8.2 Mycotoxins of Aspergillus 282 8.3 Mycotoxins of Penicillium 290 8.4 Mycotoxins of Fusarium 292 8.5 Mycotoxins of Other Fungi 297 8.4 Sources of Food Contamination 304 8.6 Spongiform Encephalopathies 307 Chapter 9 Fermented and Microbial Foods 9.3 Lactic acid Bacteria 314 9.4 Activities of Lactic Acid Bacteria in Foods 317 9.1 Antimicrobial Activity of Lactic Acid Bacteria 317 9.2 Health-promoting Effects of Lactic Acid Bacteria-Probiotics 320 9.3 The Malo-lactic Fermentation 322 9.2 Other Fermented Milks 327 9.1 Sauerkraut and Kimchi 336 9.12 Mould Fermentations 362 Contents xiii 9.2 Soy Sauce and Rice Wine 365 9.13 Conclusion 369 Chapter 10 Methods for the Microbiological Examination of Foods 10.2 Most Probable Number Counts 380 10.1 Dye-reduction Tests 382 10.6 Rapid Methods for The Detection of Specific Organisms and Toxins 388 10.2 DNA/RNA Methodology 389 10.7 Laboratory Accreditation 394 Chapter 11 Controlling the Microbiological Quality of Foods 11.1 Quality and Criteria 396 11.1 Two-class Attributes Plans 399 11.2 Three-class Attributes Plans 402 11.3 Choosing a Plan Stringency 405 11.4 Variables Acceptance Sampling 407 11.3 Quality Control using Microbiological Criteria 410 11.4 Control at Source 412 11.2 Facilities and Operations 413 11.4 Cleaning and Disinfection 418 11.5 Codes of Good Manufacturing Practice 425 11.6 The Hazard Analysis and Critical Control Point (HACCP) Concept 425 11.2 Identification of Critical Control Points (CCPs) 429 xiv Contents 11.3 Establishment of CCP Critical Limits 429 11.4 Monitoring Procedures for CCPs 431 11.5 Protocols for CCP Deviations 431 11.7 Quality Systems: BS 5750 and ISO 9000 Series 434 11.8 Risk Analysis 436 Chapter 12 Further Reading 440 Subject Index 447 CHAPTER 1 The Scope of Food Microbiology Microbiology is the science which includes the study of the occurrence and significance of bacteria, fungi, protozoa and algae which are the beginning and ending of intricate food chains upon which all life depends. Most food chains begin wherever photosynthetic organisms can trap light energy and use it to synthesize large molecules from carbon dioxide, water and mineral salts forming the proteins, fats and carbo- hydrates which all other living creatures use for food.