13.2: שימוש בשיטות פיזיקליות לשליטה במיקרואורגניזמים
מטרות למידה
- להבין ולהשוות שיטות פיזיקליות שונות לשליטה בצמיחה מיקרוביאלית, כולל חימום, קירור, הקפאה, טיפול בלחץ גבוה, ייבוש, ליופיליזציה, הקרנה וסינון
במשך אלפי שנים, בני אדם השתמשו בשיטות פיזיות שונות של שליטה מיקרוביאלית לשימור מזון. שיטות בקרה נפוצות כוללות יישום של טמפרטורות גבוהות, קרינה, סינון והתייבשות (ייבוש), בין היתר. רבות מהשיטות הללו הורגות תאים באופן לא ספציפי על ידי שיבוש ממברנות, שינוי חדירות הממברנה או פגיעה בחלבונים וחומצות גרעין על ידי דנטורציה, פירוק או שינוי כימי. שיטות פיזיקליות שונות המשמשות לבקרת חיידקים מתוארות בסעיף זה.
חום
חימום הוא אחת הצורות הנפוצות ביותר - והוותיקות ביותר - של שליטה מיקרוביאלית. הוא משמש בטכניקות פשוטות כמו בישול ושימורים. חום יכול להרוג חיידקים על ידי שינוי הממברנות שלהם ודנטורציה של חלבונים. נקודת המוות התרמית (TDP) של מיקרואורגניזם היא הטמפרטורה הנמוכה ביותר שבה כל החיידקים נהרגים בחשיפה של 10 דקות. מיקרואורגניזמים שונים יגיבו בצורה שונה לטמפרטורות גבוהות, כאשר חלקם (למשל, יוצרי אנדוספור כגון C. botulinum) יהיו סובלניים יותר לחום. פרמטר דומה, זמן המוות התרמי (TDT), הוא משך הזמן הדרוש להרוג את כל המיקרואורגניזמים בדגימה בטמפרטורה נתונה. פרמטרים אלה משמשים לעתים קרובות לתיאור נהלי עיקור המשתמשים בחום גבוה, כגון חיטוי אוטומטי. רתיחה היא אחת השיטות הוותיקות ביותר לבקרת חום לח של חיידקים, והיא בדרך כלל יעילה למדי בהריגת תאים צמחיים וכמה וירוסים. עם זאת, רתיחה פחות יעילה בהריגת אנדוספורים; חלק מהאנדוספורים מסוגלים לשרוד עד 20 שעות רתיחה. בנוסף, הרתיחה עשויה להיות פחות יעילה בגבהים גבוהים יותר, כאשר נקודת הרתיחה של המים נמוכה יותר ולכן זמן הרתיחה הדרוש להרוג חיידקים ארוך יותר. מסיבות אלה, רתיחה אינה נחשבת לטכניקת עיקור שימושית במעבדה או בסביבה הקלינית.
ניתן להשתמש בפרוטוקולי חימום רבים ושונים לעיקור במעבדה או במרפאה, וניתן לחלק פרוטוקולים אלה לשתי קטגוריות עיקריות: עיקור בחום יבש ועיקור חום לח. טכניקה אספטית במעבדה כוללת בדרך כלל כמה פרוטוקולי עיקור בחום יבש באמצעות יישום ישיר של חום גבוה, כגון עיקור לולאות חיסון (איור). \PageIndex{1} שריפה בטמפרטורות גבוהות מאוד הורסת את כל המיקרואורגניזמים. חום יבש יכול גם להיות מיושם לפרקי זמן ארוכים יחסית (לפחות 2 שעות) בטמפרטורות של עד 170° C באמצעות מעקר חום יבש, כגון תנור. עם זאת, עיקור חום לח הוא בדרך כלל הפרוטוקול היעיל יותר מכיוון שהוא חודר לתאים טוב יותר מאשר חום יבש.
![א) תמונה של יד המחזיקה לולאה מעל להבה פתוחה. מכונה עם גליל מתכת תיל שמתאים לולאה במרכז.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8809/OSC_Microbio_13_02_LoopFlame.jpg)
אוטוקלאבים
אוטוקלאבים מסתמכים על עיקור בחום לח. הם משמשים להעלאת הטמפרטורות מעל נקודת הרתיחה של מים כדי לעקר פריטים כמו ציוד כירורגי מתאים צמחיים, וירוסים ובעיקר אנדוספורים, הידועים כשורדים טמפרטורות רתיחה, מבלי לפגוע בפריטים. צ'ארלס צ'מברלנד (1851—1908) תכנן את החיטוי המודרני בשנת 1879 בעת שעבד במעבדתו של לואי פסטר. החיטוי נחשב עדיין השיטה היעילה ביותר של עיקור (איור\PageIndex{2}). מחוץ למסגרות מעבדה וקליניות, אוטוקלאבים תעשייתיים גדולים הנקראים רטורט מאפשרים עיקור בחום לח בקנה מידה גדול.
באופן כללי, האוויר בתא החיטוי מוסר ומוחלף בכמויות הולכות וגדלות של אדים שנלכדו בתוך החדר הסגור, וכתוצאה מכך לחץ פנימי מוגבר וטמפרטורות מעל נקודת הרתיחה של המים. שני סוגים עיקריים של autoclaves שונים באופן שבו האוויר מוסר מן החדר. באוטוקלאבים של תזוזת כוח הכבידה, אדים מוחדרים לתא מלמעלה או מהצדדים. אוויר, שהוא כבד יותר מאדים, שוקע לתחתית החדר, שם הוא נאלץ לצאת דרך פתח אוורור. תזוזה מלאה של האוויר קשה, במיוחד בעומסים גדולים יותר, ולכן ייתכן שיהיה צורך במחזורים ארוכים יותר לעומסים כאלה. במעקרים prevacuum, האוויר מוסר לחלוטין באמצעות ואקום במהירות גבוהה לפני החדרת קיטור לתוך החדר. מכיוון שאוויר מסולק יותר לחלוטין, הקיטור יכול לחדור ביתר קלות לפריטים עטופים. אוטוקלאבים רבים מסוגלים הן למחזורי הכבידה והן למחזורי prevacuum, תוך שימוש בראשון לטיהור פסולת ועיקור של מדיה וכלי זכוכית לא עטופים, והאחרון לעיקור מכשירים ארוזים.
![א) ציור של חיטוי. יש גליל מתכת גדול עם מד לחץ. שסתום אופרטיבי מאפשר קיטור מהמעיל לתא; יש גם שסתום בטיחות. החדר הראשי מתחבר לשסתום פליטה, קו פסולת, שסתום מפלט, קו אספקת קיטור ווסת לחץ. ב) תצלום של חיטוי; קופסת מתכת גדולה שגובהה כמו המפעיל העומד מולה.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8810/OSC_Microbio_13_02_Autoclave.jpg)
טמפרטורות הפעלה סטנדרטיות עבור אוטוקלאבים הן 121 מעלות צלזיוס או, במקרים מסוימים, 132 מעלות צלזיוס, בדרך כלל בלחץ של 15 עד 20 פאונד לאינץ 'מרובע (psi). אורך החשיפה תלוי בנפח ובאופי החומר המעוקר, אך בדרך כלל מדובר על 20 דקות ומעלה, כאשר נפחים גדולים יותר דורשים זמני חשיפה ארוכים יותר כדי להבטיח העברת חום מספקת לחומרים המעוקרים. הקיטור חייב ליצור קשר ישיר עם הנוזלים או החומרים היבשים המעוקרים, כך שהמכלים נותרים סגורים באופן רופף ומכשירים עטופים באופן רופף בנייר או בנייר כסף. המפתח לחיטוי אוטומטי הוא שהטמפרטורה חייבת להיות גבוהה מספיק כדי להרוג אנדוספורים כדי להשיג עיקור מוחלט.
מכיוון שעיקור חשוב כל כך לפרוטוקולים רפואיים ומעבדתיים בטוחים, בקרת איכות חיונית. אוטוקלאבים עשויים להיות מצוידים במקליטים כדי לתעד את הלחצים והטמפרטורות שהושגו במהלך כל ריצה. בנוסף, אינדיקטורים פנימיים מסוגים שונים צריכים להיות אוטומטיים יחד עם החומרים שיש לעקר כדי להבטיח כי טמפרטורת העיקור הנכונה הושגה (איור\PageIndex{3}). סוג מחוון נפוץ אחד הוא השימוש בקלטת חיטוי רגישה לחום, שיש בה פסים לבנים המשחירים כאשר מושגת הטמפרטורה המתאימה במהלך ריצת חיטוי מוצלחת. סוג זה של אינדיקטור הוא זול יחסית וניתן להשתמש בו במהלך כל ריצה. עם זאת, קלטת החיטוי אינה מספקת אינדיקציה לאורך החשיפה, ולכן לא ניתן להשתמש בה כאינדיקטור לסטריליות. סוג אחר של אינדיקטור, בדיקת נבגי אינדיקטור ביולוגי, משתמש ברצועת נייר או בהשעיה נוזלית של האנדוספורים של Geobacillus stearothermophilus כדי לקבוע אם האנדוספורים נהרגים על ידי התהליך. האנדוספורים של החיידק התרמופילי המחייב G. stearothermophilus הם תקן הזהב המשמש למטרה זו בגלל עמידותם הקיצונית בחום. ניתן להשתמש במדדי נבגים ביולוגיים גם לבדיקת יעילותם של פרוטוקולי עיקור אחרים, כולל תחמוצת אתילן, חום יבש, פורמלדהיד, קרינת גמא ועיקור פלזמה של מי חמצן באמצעות G. סטארותרמופילוס, באצילוס אטרופאוס, B. subtilis, או נבגי B. pumilus. במקרה של אימות תפקוד החיטוי, האנדוספורים מודגרים לאחר חיטוי כדי להבטיח שלא יישארו אנדוספורים ברי קיימא. ניתן לעקוב אחר צמיחת חיידקים לאחר נביטת אנדוספור על ידי בדיקות נבגי אינדיקטור ביולוגי המזהות מטבוליטים חומציים או פלואורסצנטיות המיוצרים על ידי אנזימים שמקורם בקיימא G. stearothermophilus. סוג שלישי של מחוון החיטוי הוא צינור Diack, אמפולה זכוכית המכילה גלולה רגישה לטמפרטורה שנמסה בטמפרטורת העיקור הנכונה. רצועות נבגים או צינורות Diack משמשים מעת לעת כדי להבטיח שהחיטוי מתפקד כראוי.
![תמונה של מבחנות. לזה משמאל יש סרט לבן, לזה מימין יש אותו סרט לבן אבל עכשיו יש לו קו שחור.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8811/OSC_Microbio_13_02_ACTests.jpg)
פסטור
למרות עיקור מלא הוא אידיאלי עבור יישומים רפואיים רבים, זה לא תמיד מעשי עבור יישומים אחרים עשוי גם לשנות את איכות המוצר. רתיחה וחיטוי אינם דרכים אידיאליות לשלוט בצמיחת החיידקים במזונות רבים מכיוון ששיטות אלה עלולות להרוס את העקביות ואת איכויות האורגנולפטיות (החושיות) האחרות של המזון. פסטור הוא סוג של שליטה מיקרוביאלית למזון המשתמש בחום אך אינו הופך את המזון לסטרילי. פסטור מסורתי הורג פתוגנים ומפחית את מספר החיידקים הגורמים לקלקול תוך שמירה על איכות המזון. תהליך הפסטור פותח לראשונה על ידי לואי פסטר בשנות ה -60 של המאה ה -19 כשיטה למניעת קלקול בירה ויין. כיום, הפסטור משמש לרוב להרוג פתוגנים רגישים לחום בחלב ובמוצרי מזון אחרים (למשל, מיץ תפוחים ודבש) (איור\PageIndex{4}). עם זאת, מכיוון שמוצרי מזון מפוסטרים אינם סטריליים, הם יתקלקלו בסופו של דבר.
השיטות המשמשות לפסטור חלב מאזנות את הטמפרטורה ואת משך הטיפול. שיטה אחת, פסטור זמן קצר בטמפרטורה גבוהה (HTST), חושפת חלב לטמפרטורה של 72 מעלות צלזיוס למשך 15 שניות, מה שמוריד את מספר החיידקים תוך שמירה על איכות החלב. חלופה היא פסטור בטמפרטורה גבוהה במיוחד (UHT), שבו החלב חשוף לטמפרטורה של 138 מעלות צלזיוס למשך 2 שניות או יותר. ניתן לאחסן חלב מפוסטר UHT זמן רב במיכלים אטומים מבלי להיות בקירור; עם זאת, הטמפרטורות הגבוהות מאוד משנות את החלבונים בחלב וגורמות לשינויים קלים בטעם ובריח. ובכל זאת, שיטת פסטור זו מועילה באזורים בהם הגישה לקירור מוגבלת.
![פסטור מראה תמונה של מכונה גדולה. משמאל פסטור HTST בו מחממים חלב בחום של 72 מעלות למשך 15 שניות, ואז מבושלים ומקררים. מימין פסטור UHT בו מחממים חלב בטמפרטורה של 138 מעלות צלזיוס למשך 2 שניות או יותר, ואז נאטמים במיכלים אטומים עד 90 יום ללא קירור. לתחתית הבדיקה הבאה: אורגניזמים הנישאים בחלב שנהרגו על ידי פסטור: קמפילובקטר ג'ג'וני, קוקסיאלה בורנטי, ליסטריה מונוציטוגנים, Escherichia coli O157:H7, שחפת Mycobacterium, M. paratuberculosis, סלמונלה spp., ירסיניה אנטרוקוליטיקה.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8812/OSC_Microbio_13_02_Pasteurize.jpg)
תרגיל \PageIndex{1}
- בחיטוי, כיצד מושגות טמפרטורות מעל הרתיחה?
- כיצד תחילתה של קלקול תשווה בין חלב מפוסטר HTST לחלב מפוסטר UHT?
- מדוע הרתיחה אינה משמשת כשיטת עיקור במסגרת קלינית?
קירור והקפאה
כשם שטמפרטורות גבוהות יעילות לשליטה בצמיחה מיקרוביאלית, חשיפת חיידקים לטמפרטורות נמוכות יכולה להיות גם שיטה קלה ויעילה לשליטה מיקרוביאלית, למעט פסיכופילים, המעדיפים טמפרטורות קרות (ראה טמפרטורה וצמיחה מיקרוביאלית). מקררים המשמשים במטבחים ביתיים או במעבדה שומרים על טמפרטורות שבין 0° C ל- 7° C. טווח טמפרטורות זה מעכב את חילוף החומרים המיקרוביאלי, מאט את צמיחתם של מיקרואורגניזמים באופן משמעותי ומסייע בשימור מוצרים בקירור כגון מזון או ציוד רפואי. ניתן לשמר סוגים מסוימים של תרבויות מעבדה על ידי קירור לשימוש מאוחר יותר.
הקפאה מתחת ל -2 מעלות צלזיוס עשויה לעצור את צמיחת החיידקים ואף להרוג אורגניזמים רגישים. על פי משרד החקלאות האמריקני (USDA), הדרכים הבטוחות היחידות בהן ניתן להפשיר מזון קפוא הן במקרר, טובלות במים קרים שהוחלפו כל 30 דקות, או במיקרוגל, תוך שמירה על המזון בטמפרטורות שאינן תורמות לצמיחת חיידקים.. 1 בנוסף, צמיחת חיידקים נעצרת יכולה להתחיל מחדש במזונות מופשרים, ולכן יש להתייחס למזונות מופשרים כמו מתכלים טריים.
תרביות חיידקים ודגימות רפואיות הדורשות אחסון או הובלה לטווח ארוך מוקפאות לרוב בטמפרטורות נמוכות במיוחד של -70 מעלות צלזיוס ומטה. ניתן להשיג טמפרטורות נמוכות במיוחד אלה על ידי אחסון דגימות על קרח יבש במקפיא נמוך במיוחד או במיכלי חנקן נוזליים מיוחדים, השומרים על טמפרטורות נמוכות מ -196 מעלות צלזיוס (איור). \PageIndex{5}
![תמונה של אדם עומד מול מקפיא גדול. תמונה של אדם עומד מול מקפיא גדול.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8813/OSC_Microbio_13_02_Ultralow.jpg)
תרגיל \PageIndex{2}
האם הנחת מזון במקרר הורגת חיידקים על האוכל?
לחץ
חשיפה ללחץ גבוה הורגת חיידקים רבים. בתעשיית המזון משתמשים בעיבוד בלחץ גבוה (המכונה גם פסקליזציה) להרוג חיידקים, שמרים, עובשים, טפילים ווירוסים במזונות תוך שמירה על איכות המזון והארכת חיי המדף. הפעלת לחץ גבוה בין 100 ל-800 MPa (לחץ אטמוספרי בגובה פני הים הוא כ-0.1 MPa) מספיקה כדי להרוג תאים צמחיים על ידי דנטורציה של חלבונים, אך אנדוספורים עשויים לשרוד את הלחצים הללו. 2 3
במסגרות קליניות, טיפול בחמצן היפרברי משמש לעיתים לטיפול בזיהומים. בצורה זו של טיפול, מטופל נושם חמצן טהור בלחץ גבוה מהלחץ האטמוספרי הרגיל, בדרך כלל בין 1 ל -3 אטמוספרות (atm). זה מושג על ידי הצבת המטופל בתא היפרברי או על ידי אספקת החמצן בלחץ דרך צינור נשימה. טיפול בחמצן היפרברי מסייע בהגברת רוויון החמצן ברקמות שהופכות להיפוקסיות עקב זיהום ודלקת. ריכוז חמצן מוגבר זה משפר את התגובה החיסונית של הגוף על ידי הגדלת הפעילות של נויטרופילים ומקרופאגים, תאי דם לבנים הנלחמים בזיהומים. רמות חמצן מוגברות תורמות גם להיווצרות רדיקלים חופשיים רעילים המעכבים את צמיחתם של חיידקים רגישים לחמצן או אנאירוביים כמו Clostridium perfringens, גורם שכיח לגנגרן גז. בזיהומים C. perfringens, טיפול בחמצן היפרברי יכול גם להפחית הפרשת רעלן חיידקי הגורם להרס רקמות. נראה כי טיפול בחמצן היפרברי משפר את היעילות של טיפולים אנטיביוטיים. למרבה הצער, כמה סיכונים נדירים כוללים רעילות חמצן והשפעות על רקמות עדינות, כגון העיניים, האוזן התיכונה והריאות, שעלולות להיפגע מלחץ האוויר המוגבר.
עיבוד בלחץ גבוה אינו משמש בדרך כלל לחיטוי או עיקור של fomites. למרות שהפעלת לחץ וקיטור בחיטוי יעילה להרג אנדוספורים, הטמפרטורה הגבוהה שהושגה, ולא הלחץ ישירות, היא זו שגורמת למוות אנדוספור.
ביום שני אחד באביב 2015, אישה מאוהיו החלה לחוות ראייה מטושטשת וכפולה; קשיי בליעה; ועפעפיים שמוטים. היא הובהלה למחלקת החירום של בית החולים המקומי שלה. במהלך הבדיקה החלה לחוות התכווצויות בטן, בחילות, שיתוק, יובש בפה, חולשת שרירי הפנים וקשיי דיבור ונשימה. בהתבסס על תסמינים אלה, מרכז הפיקוד לאירועים של בית החולים הופעל, ופקידי בריאות הציבור באוהיו קיבלו הודעה על מקרה אפשרי של בוטוליזם. בינתיים, חולים אחרים עם תסמינים דומים החלו להופיע בבתי חולים מקומיים אחרים. בגלל החשד לבוטוליזם, אנטיטוקסין נשלח בן לילה מה- CDC למתקנים רפואיים אלה, כדי להינתן לחולים שנפגעו. החולה הראשון מת מאי ספיקת נשימה כתוצאה משיתוק, וכמחצית מהקורבנות הנותרים נזקקו לאשפוז נוסף לאחר מתן אנטיטוקסין, כאשר לפחות שניים נזקקו למאווררים לנשימה.
גורמי בריאות הציבור חקרו כל אחד מהמקרים וקבעו כי כל החולים השתתפו באותו אירוע בכנסייה יום קודם לכן. יתר על כן, הם עקבו אחר מקור ההתפרצות לסלט תפוחי אדמה עשוי תפוחי אדמה משומרים ביתיים. סביר להניח שתפוחי האדמה היו משומרים במים רותחים, שיטה המאפשרת לשרוד אנדוספוריות של קלוסטרידיום בוטולינום. ג בוטולינום מייצר רעלן בוטולינום, נוירוטוקסין שלעתים קרובות קטלני לאחר שנבלע. על פי ה- CDC, מקרה אוהיו היה התפרצות הבוטוליזם הגדולה ביותר בארצות הברית מזה כמעט 40 שנה. 4
הריגת C. botulinum endospores דורשת טמפרטורה מינימלית של 116 מעלות צלזיוס (240 מעלות צלזיוס), הרבה מעל נקודת הרתיחה של המים. ניתן להגיע לטמפרטורה זו רק בפחית לחץ, המומלצת לשימורים ביתיים של מזונות דלי חומצה כגון בשר, דגים, עופות וירקות (איור\PageIndex{6}). בנוסף, ה- CDC ממליץ להרתיח מזון משומר ביתי למשך כעשר דקות לפני הצריכה. מכיוון שהרעלן הבוטולינום הוא גמיש בחום (כלומר הוא מפוגל על ידי חום), 10 דקות של רתיחה יהפכו ללא תפקוד כל רעלן בוטולינום שהמזון עשוי להכיל.
![א) ציור של תמונת מיקרוסקופ. תאים קטנים בצורת מוט עם עיגול ברור קטן בקצה אחד. כמו כן נראים מוטות ללא עיגולים ברורים ועיגולים זעירים מחוץ למוטות. ב) צנצנות שימורים ביתיות בסיר.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8814/OSC_Microbio_13_02_HomeCan.jpg)
למידע נוסף על טכניקות שימורים ביתיות נכונות, בקר באתר האינטרנט של ה- CDC.
ייבוש
ייבוש, המכונה גם ייבוש או התייבשות, הוא שיטה ששימשה במשך אלפי שנים לשימור מזונות כמו צימוקים, שזיפים מיובשים וקופצניים. זה עובד מכיוון שכל התאים, כולל חיידקים, דורשים מים לצורך חילוף החומרים וההישרדות שלהם. למרות שהייבוש שולט בצמיחת החיידקים, ייתכן שהוא לא יהרוג את כל החיידקים או האנדוספורים שלהם, שעלולים להתחיל לצמוח מחדש כאשר התנאים נוחים יותר ותכולת המים משוחזרת.
במקרים מסוימים, מזון מיובש בשמש, בהסתמך על אידוי כדי להשיג התייבשות. ייבוש בהקפאה, או ליופיליזציה, הוא שיטת ייבוש נוספת שבה פריט מוקפא במהירות ("קפוא") ומונח תחת ואקום כך שהמים יאבדו על ידי סובלימציה. Lyophilization משלבת הן חשיפה לטמפרטורות קרות והן ייבוש, מה שהופך אותו ליעיל למדי לשליטה בצמיחה מיקרוביאלית. בנוסף, lyophilization גורם פחות נזק לפריט מאשר ייבוש קונבנציונאלי ושומר טוב יותר על התכונות המקוריות של הפריט. ניתן לאחסן פריטים Lyophilized בטמפרטורת החדר אם הם נארזים כראוי כדי למנוע רכישת לחות. ליופיליזציה משמשת לשימור בתעשיית המזון ומשמשת גם במעבדה לאחסון והובלה לטווח ארוך של תרבויות מיקרוביאליות.
ניתן להוריד את תכולת המים של מזונות וחומרים, המכונה פעילות המים, ללא ייבוש פיזי על ידי הוספת מומסים כמו מלחים או סוכרים. בריכוזים גבוהים מאוד של מלחים או סוכרים, כמות המים הזמינים בתאים מיקרוביאליים מצטמצמת באופן דרמטי מכיוון שמים יימשכו מאזור בריכוז מומס נמוך (בתוך התא) לאזור בריכוז מומס גבוה (מחוץ לתא) (איור\PageIndex{7}). מיקרואורגניזמים רבים אינם שורדים תנאים אלה של לחץ אוסמוטי גבוה. דבש, למשל, הוא 80% סוכרוז, סביבה שבה מעט מאוד מיקרואורגניזמים מסוגלים לגדול, ובכך לבטל את הצורך קירור. בשרים ודגים מלוחים, כמו בשר חזיר וקלה, בהתאמה, היו מזונות חשובים ביותר לפני עידן הקירור. פירות נשמרו על ידי הוספת סוכר, הכנת ריבות וג'לי. עם זאת, חיידקים מסוימים, כגון עובש ושמרים, נוטים להיות סובלניים יותר לייבוש ולחצים אוסמוטיים גבוהים, ולכן, עדיין עלולים לזהם סוגים אלה של מזונות.
![א) ציור המציג מים היוצאים מהתא והתא מתכווץ. ב) תמונות של צימוקים, קופצני בקר, דגים מלוחים וריבה.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8815/OSC_Microbio_13_02_Dessicated.jpg)
תרגיל \PageIndex{3}
כיצד תוספת מלח או סוכר למזון משפיעה על פעילות המים שלו?
קרינה
קרינה בצורות שונות, מקרינה באנרגיה גבוהה ועד אור שמש, יכולה לשמש כדי להרוג חיידקים או לעכב את צמיחתם. קרינה מייננת כוללת צילומי רנטגן, קרני גמא וקרני אלקטרונים בעלות אנרגיה גבוהה. קרינה מייננת חזקה מספיק כדי לעבור לתא, שם היא משנה מבנים מולקולריים ופוגעת ברכיבי התא. לדוגמה, קרינה מייננת מציגה שבירות כפולות במולקולות ה- DNA. זה עלול לגרום ישירות למוטציות DNA להתרחש, או מוטציות עשויות להיות מוצגות כאשר התא מנסה לתקן את נזק ה- DNA. ככל שהמוטציות הללו מצטברות, הן מובילות בסופו של דבר למוות של תאים.
גם קרני הרנטגן וגם קרני הגמא חודרות בקלות לנייר ופלסטיק ולכן ניתן להשתמש בהן לעיקור חומרים ארוזים רבים. במעבדה משתמשים בדרך כלל בקרינה מייננת לעיקור חומרים שאינם ניתנים לחיטוי אוטומטי, כגון צלחות פטרי מפלסטיק ולולאות חיסון חד פעמיות מפלסטיק. לשימוש קליני, קרינה מייננת משמשת לעיקור כפפות, צינורות תוך ורידי ופריטים אחרים לטקס ופלסטיק המשמשים לטיפול בחולים. קרינה מייננת משמשת גם לעיקור סוגים אחרים של חומרים עדינים ורגישים לחום המשמשים קלינית, כולל רקמות להשתלה, תרופות פרמצבטיות וציוד רפואי.
באירופה נעשה שימוש נרחב בהקרנת גמא לשימור מזון, אם כי היא איטית לתפוס בארצות הברית (ראה תיבת Micro Connections בנושא זה). תבלינים יבשים ארוזים מוקרנים לעתים קרובות גם גמא. בגלל יכולתם לחדור נייר, פלסטיק, סדינים דקים של עץ ומתכת, ורקמות, יש לנקוט בזהירות רבה בעת שימוש בקרני רנטגן והקרנת גמא. סוגים אלה של הקרנה מייננת אינם יכולים לחדור לשכבות עבות של ברזל או עופרת, ולכן מתכות אלה משמשות בדרך כלל להגנה על בני אדם שעלולים להיחשף.
סוג אחר של קרינה, קרינה לא יוניונית, משמש בדרך כלל לעיקור ומשתמש בפחות אנרגיה מקרינה מייננת. הוא אינו חודר לתאים או לאריזה. אור אולטרה סגול (UV) הוא דוגמה אחת; הוא גורם לדימרים של תימין להיווצר בין תימינים סמוכים בתוך גדיל יחיד של DNA (איור). \PageIndex{8} כאשר פולימראז DNA נתקל בדימר התימין, הוא לא תמיד משלב את הנוקלאוטידים המשלימים המתאימים (שני אדנינים), וזה מוביל להיווצרות מוטציות שיכולות בסופו של דבר להרוג מיקרואורגניזמים.
אור UV יכול לשמש ביעילות הן על ידי הצרכנים והן על ידי אנשי המעבדה כדי לשלוט בצמיחה מיקרוביאלית. מנורות UV משולבות כיום בדרך כלל במערכות טיהור מים לשימוש בבתים. בנוסף, נורות UV ניידות קטנות משמשות בדרך כלל על ידי החניכים לטיהור מים מסביבות טבעיות לפני השתייה. מנורות קוטלות חידקים משמשות גם בסוויטות כירורגיות, ארונות בטיחות ביולוגיים ומנדפי העברה, בדרך כלל פולטים אור UV באורך גל של 260 ננומטר. מכיוון שאור UV אינו חודר למשטחים ולא יעבור דרך פלסטיק או זכוכית, יש לחשוף תאים ישירות למקור האור.
לאור השמש יש ספקטרום רחב מאוד הכולל UV ואור גלוי. במקרים מסוימים, אור השמש יכול להיות יעיל כנגד חיידקים מסוימים הן בגלל היווצרות דימרים של תימין על ידי אור UV והן על ידי ייצור מוצרי חמצן תגובתיים הנגרמים בכמויות נמוכות על ידי חשיפה לאור הנראה.
![א) קטע כפול של DNA המציג את קשרי המימן הנכונים בין A/T ו- C/G משני צידי הגדיל הכפול. עם זאת 2 T על אותו גדיל קשורים זה לזה במקום ה- A של מולם. קשר זה בין 2 T's מסומן דימר תימין. ב) תצלום של מכסה מעבדה עם אור כחול.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8816/OSC_Microbio_13_02_UV.jpg)
תרגיל \PageIndex{4}
- מהם שני היתרונות של קרינה מייננת כשיטת עיקור?
- כיצד משתווה היעילות של קרינה מייננת לזו של קרינה לא יוניונית?
אוכל מוקרן: האם הייתם אוכלים את זה?
מבין כל הדרכים למניעת קלקול מזון ומחלות הנישאות במזון, הקרנת גמא עשויה להיות הכי לא מעוררת תיאבון. למרות שהקרנת גמא היא שיטה מוכחת לחיסול חיידקים שעלולים להזיק מהמזון, הציבור עדיין לא קנה. אולם רוב החששות שלהם נובעים ממידע מוטעה והבנה לקויה של עקרונות הקרינה הבסיסיים.
שיטת ההקרנה הנפוצה ביותר היא חשיפת מזון לקובלט-60 או לצזיום -137 על ידי העברתו דרך תא קרינה על מסוע. המזון אינו יוצר קשר ישיר עם החומר הרדיואקטיבי ואינו הופך לרדיואקטיבי בעצמו. לפיכך, אין סיכון לחשיפה לחומר רדיואקטיבי באמצעות אכילת מזון המוקרן גמא. בנוסף, מזונות מוקרנים אינם משתנים באופן משמעותי מבחינת איכות התזונה, מלבד אובדן ויטמינים מסוימים, אשר מחמיר גם על ידי אחסון ממושך. שינויים בטעם או בריח עשויים להתרחש במזונות מוקרנים עם אחוז שומן גבוה, כמו בשרים שומניים ומוצרי חלב, אך ניתן למזער השפעה זו על ידי שימוש במינונים נמוכים יותר של קרינה בטמפרטורות קרות יותר.
בארצות הברית, ה- CDC, הסוכנות להגנת הסביבה (EPA) ומינהל המזון והתרופות (FDA) ראו בהקרנה בטוחה ויעילה לסוגים שונים של בשרים, עופות, רכיכות, פירות וירקות טריים, ביצים עם קליפות ותבלינים ותבלינים. הקרנת גמא של מזון אושרה לשימוש גם במדינות רבות אחרות, כולל צרפת, הולנד, פורטוגל, ישראל, רוסיה, סין, תאילנד, בלגיה, אוסטרליה ודרום אפריקה. כדי לסייע בשיפור הדאגה הצרכנית ולסייע במאמצי החינוך, מזונות מוקרנים מסומנים כעת בבירור ומסומנים בסמל ההקרנה הבינלאומי, הנקרא "ראדורה" (איור). \PageIndex{9} נראה כי קבלת הצרכנים עולה, כפי שצוין על ידי מספר מחקרים שנעשו לאחרונה.
![א) אפרסקים על מסוע. ב) הסמל עבור גמא מוקרן. פרח מסוגנן (עיגול מעל 2 צורות עלים) בתוך עיגול עם 4 קווים ברורים העוברים במעגל ליד החלק העליון.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8817/OSC_Microbio_13_02_Gammafood.jpg)
סוניקציה
השימוש בגלי אולטרסאונד בתדירות גבוהה לשיבוש מבני התא נקרא sonication. יישום גלי אולטרסאונד גורם לשינויים מהירים בלחץ בתוך הנוזל התוך תאי; זה מוביל לקוויטציה, להיווצרות בועות בתוך התא, העלולות לשבש את מבני התא ובסופו של דבר לגרום לתא להתפרק או להתמוטט. Sonication הוא שימושי במעבדה עבור תאים lysing ביעילות לשחרר את התוכן שלהם למחקר נוסף; מחוץ למעבדה, sonication משמש לניקוי מכשירים כירורגיים, עדשות, ועוד מגוון של חפצים אחרים כגון מטבעות, כלים, כלי נגינה.
סינון
סינון הוא שיטה להפרדה פיזית של חיידקים מדגימות. אוויר מסונן בדרך כלל באמצעות מסנני אוויר חלקיקים (HEPA) ביעילות גבוהה (איור). \PageIndex{10} למסנני HEPA יש גדלי נקבוביות יעילים של 0.3 מיקרומטר, קטנים מספיק כדי ללכוד תאים חיידקיים, אנדוספורים ווירוסים רבים, כאשר האוויר עובר דרך המסננים הללו, וכמעט מעקר את האוויר בצד השני של המסנן. למסנני HEPA מגוון יישומים והם נמצאים בשימוש נרחב במסגרות קליניות, במכוניות ובמטוסים ואפילו בבית. לדוגמה, הם עשויים להימצא בשואבי אבק, מערכות חימום ומיזוג אוויר ומטהרי אוויר.
ארונות בטיחות ביולוגיים
ארונות בטיחות ביולוגיים הם דוגמה טובה לשימוש במסנני HEPA. מסנני HEPA בארונות בטיחות ביולוגיים (BSCs) משמשים להסרת חלקיקים באוויר הנכנסים לארון (צריכת אוויר), עוזבים את הארון (פליטת אוויר), או מטפלים הן בצריכה והן בפליטה. שימוש במסנן HEPA לצריכת אוויר מונע כניסת מזהמים סביבתיים ל- BSC, ויוצר אזור נקי לטיפול בחומרים ביולוגיים. שימוש במסנן HEPA פליטת אוויר מונע מפתוגנים במעבדה לזהם את המעבדה, ובכך שומר על אזור עבודה בטוח לאנשי המעבדה.
ישנם שלושה סוגים של BSCs: I, II ו- III. כל כיתה נועדה לספק רמת הגנה שונה לאנשי המעבדה והסביבה; BSC II ו- III נועדו גם להגן על החומרים או המכשירים בארון. הטבלה \PageIndex{1} מסכמת את רמת הבטיחות שמספקת כל מחלקה של BSC עבור כל BSL.
הערכת סיכון ביולוגי | כיתת BSC | הגנה על כוח אדם | הגנה על הסביבה | הגנה על המוצר |
---|---|---|---|---|
BSL-1, BSL-2, BSL-3 | I | הן | הן | לא |
BSL-1, BSL-2, BSL-3 | II | הן | הן | הן |
BSL-4 | III; II כאשר נעשה שימוש בחדר חליפה עם חליפה | הן | הן | הן |
BSCs Class I מגנים על עובדי המעבדה והסביבה מפני סיכון נמוך עד בינוני לחשיפה לחומרים ביולוגיים המשמשים במעבדה. אוויר נשאב לארון ואז מסונן לפני היציאה דרך מערכת הפליטה של הבניין. BSCs Class II משתמשים בזרימת אוויר כיוונית ובמערכות מחסום חלקיות כדי להכיל חומרים זיהומיים. Class III BSCs מיועדים לעבודה עם חומרים זיהומיים מאוד כמו אלה המשמשים במעבדות BSL-4. הם אטומים לגז, וחומרים הנכנסים או יוצאים מהארון חייבים לעבור דרך מערכת דלת כפולה, מה שמאפשר לטהר את החלל המתערב בין השימושים. כל האוויר מועבר דרך מסנן HEPA אחד או שניים ומערכת שריפת אוויר לפני שהוא מותש ישירות לחוץ (לא דרך מערכת הפליטה של הבניין). כוח אדם יכול לתפעל חומרים בתוך ארון Class III באמצעות כפפות גומי ארוכות אטומות לארון.
סרטון זה מראה כיצד BSCs מתוכננים ומסביר כיצד הם מגנים על כוח האדם, הסביבה והמוצר.
סינון בבתי חולים
מסנני HEPA משמשים בדרך כלל גם בבתי חולים ובסוויטות כירורגיות למניעת זיהום והתפשטות חיידקים הנישאים באוויר באמצעות מערכות אוורור. מערכות סינון HEPA עשויות להיות מתוכננות עבור בניינים שלמים או עבור חדרים בודדים. לדוגמה, יחידות צריבה, חדרי ניתוח או יחידות בידוד עשויות לדרוש מערכות סינון HEPA מיוחדות כדי להסיר פתוגנים אופורטוניסטיים מהסביבה מכיוון שחולים בחדרים אלה פגיעים במיוחד לזיהום.
מסנני ממברנה
ניתן להשתמש בסינון גם להסרת חיידקים מדגימות נוזליות באמצעות סינון ממברנה. מסנני ממברנה לנוזלים פועלים באופן דומה למסנני HEPA לאוויר. בדרך כלל, למסנני קרום המשמשים להסרת חיידקים יש גודל נקבוביות יעיל של 0.2 מיקרומטר, קטן מהגודל הממוצע של חיידק (1 מיקרומטר), אך מסננים עם גדלי נקבוביות קטנים יותר זמינים לצרכים ספציפיים יותר. סינון ממברנה שימושי להסרת חיידקים מסוגים שונים של תמיסות רגישות לחום המשמשות במעבדה, כמו תמיסות אנטיביוטיות ופתרונות ויטמינים. כמויות גדולות של מדיות תרבות עשויות גם להיות מעוקרות במסנן ולא בחיטוי אוטומטי כדי להגן על רכיבים רגישים לחום. לעתים קרובות בעת סינון נפחים קטנים משתמשים במסנני מזרק, אך בדרך כלל משתמשים במסנני ואקום לסינון נפחים גדולים יותר (איור\PageIndex{11}).
![א) תמונה של 2 תאים המופרדים על ידי פילטר; צינור עובר מתחת למסנן למכשיר. ב) תמונה של מזרק עם פילטר בקצה.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8819/OSC_Microbio_13_02_MembFilter.jpg)
תרגיל \PageIndex{5}
- האם סינון ממברנה עם מסנן 0.2 מיקרומטר עשוי להסיר וירוסים מתמיסה? להסביר.
- ציין לפחות שני שימושים נפוצים בסינון HEPA במסגרות קליניות או מעבדתיות.
איור \PageIndex{12} ואיור \PageIndex{13} מסכמים את שיטות הבקרה הפיזיות הנדונות בסעיף זה.
![טבלה שכותרתה שיטות שליטה פיזיות; 4 עמודות - שיטה, תנאים, אופן פעולה ודוגמאות לשימוש. הקבוצות הן: חום, קור, לחץ, ייבוש, קרינה, סוניקציה וסינון. חום. רתיחה, 100 מעלות צלזיוס בגובה פני הים, Denatures חלבונים ומשנה ממברנות; שימוש בישול, שימוש אישי, הכנת אמצעי מעבדה מסוימים. תנור בחום יבש, 170 מעלות צלזיוס למשך שעתיים, מבטל חלבונים ומשנה ממברנות, התייבשות, ייבוש; משתמש בסטריליזציה של ציוד רפואי ומעבדה יציב בחום וכלי זכוכית. שריפה, חשיפה ללהבה, להרוס על ידי שריפה, לולאה בוערת, microincinerator. חיטוי, הגדרות אופייניות: 121 מעלות צלזיוס למשך 15-40 דקות ב-15 psi, דנטורציה של חלבונים ומשנה ממברנות, עיקור של מדיה מיקרוביולוגית, ציוד רפואי ומעבדה יציב בחום ופריטים אחרים יציבים בחום. פסטור, 72 מעלות צלזיוס למשך 15 שניות (HTST) או 138 מעלות צלזיוס למשך ≥ 2 שניות (UHT), מבטל חלבונים ומשנה ממברנות, מונע קלקול חלב, מיץ תפוחים, דבש ונוזלים הניתנים לעיכול אחרים. קר. קירור, 0° C עד 7° C, מעכב את חילוף החומרים (מאט או עוצר חלוקת תאים), שימור מזון או חומרי מעבדה (פתרונות, תרבויות). הקפאה, מתחת -2° C, מפסיק את חילוף החומרים, עלול להרוג חיידקים, אחסון לטווח ארוך של מזון, תרבויות מעבדה או דגימות רפואיות. לחץ. עיבוד בלחץ גבוה, חשיפה ללחצים של 100-800 MPa, דנטורציה של חלבונים ועלולה לגרום לתמוגה של תאים שימור מזון, טיפול בחמצן היברברי. שאיפת חמצן טהור בלחץ של 1-3 אטם, מעכבת את חילוף החומרים והצמיחה של חיידקים אנאירוביים, טיפול בזיהומים מסוימים (למשל, גנגרן גז). התייבשות. ייבוש פשוט, ייבוש, מעכב חילוף חומרים, פירות יבשים, קופצניים. הפחיתו את פעילות המים, תוספת של מלח או מים מעכב את חילוף החומרים ויכול לגרום לליזה, בשרים ודגים מלוחים, דבש, ריבות וג'לי. Lyophilization, הקפאה מהירה תחת ואקום, מעכב מטבוליזם שימור מזון, תרבויות מעבדה, או ריאגנטים. קרינה. קרינה מייננת, חשיפה לקרני רנטגן או לקרני גמא, משנה מבנים מולקולריים, מכניסה פריצות כפולות ל- DNA, עיקור תבלינים ופריטים מעבדתיים ורפואיים רגישים לחום; משמש לעיקור מזון באירופה אך אינו מקובל בארה"ב. קרינה לא יוניונית, חשיפה לאור אולטרה סגול, מציגה דימרים של תימין, מה שמוביל למוטציות, עיקור פני השטח של חומרי מעבדה, טיהור מים. Sonication, חשיפה לגלים אולטראסוניים, Cavitation (היווצרות של שטח ריק) משבש תאים, ליסינג אותם, מחקר מעבדה לתאי lyse; ניקוי תכשיטים, עדשות, וציוד. סינון. סינון HEPA, שימוש במסנן HEPA בגודל נקבוביות 0.3 מיקרומטר מסיר פיזית חיידקים מהאוויר, ארונות בטיחות ביולוגיים במעבדה, חדרי ניתוח, יחידות בידוד, מערכות חימום ומיזוג אוויר, שואבי אבק. סינון ממברנה שימוש במסנן ממברנה בגודל נקבוביות של 0.2 מיקרומטר או קטן יותר, מסיר פיזית חיידקים מתמיסות נוזליות, הסרת חיידקים מתמיסות רגישות לחום כמו ויטמינים, אנטיביוטיקה ומדיה עם רכיבים רגישים לחום.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/8820/OSC_Microbio_13_02_PMCTable_A.jpg)
![ראה טקסט alt עבור הדמות הקודמת. נתון זה הוא המשך לדמות של 2 חלקים, שתוכנם מתואר במלואו בטקסט alt עבור הדמות הקודמת.](https://bio.libretexts.org/@api/deki/files/12562/fig_13.2.13.png)
מושגי מפתח וסיכום
- חום הוא שיטה בשימוש נרחב ויעיל ביותר לשליטה בצמיחה מיקרוביאלית.
- פרוטוקולי עיקור בחום יבש משמשים בדרך כלל בטכניקות אספטיות במעבדה. עם זאת, עיקור חום לח הוא בדרך כלל הפרוטוקול היעיל יותר מכיוון שהוא חודר לתאים טוב יותר מאשר חום יבש.
- פסטור משמש להרוג פתוגנים ולהפחית את מספר החיידקים הגורמים לקלקול מזון. פסטור בטמפרטורה גבוהה וקצר זמן משמש בדרך כלל לפיסטור חלב שיהיה בקירור; ניתן להשתמש בפסטור בטמפרטורה גבוהה במיוחד לפיסטור חלב לאחסון ארוך טווח ללא קירור.
- קירור מאט את צמיחת החיידקים; הקפאה מפסיקה את הצמיחה, הורגת כמה אורגניזמים. דגימות מעבדה ורפואה עשויות להיות קפואות על קרח יבש או בטמפרטורות נמוכות במיוחד לאחסון והובלה.
- ניתן להשתמש בעיבוד בלחץ גבוה כדי להרוג חיידקים במזון. טיפול בחמצן היפרברי להגברת רוויון החמצן שימש גם לטיפול בזיהומים מסוימים.
- ייבוש משמש זה מכבר לשימור מזון ומואץ באמצעות תוספת מלח או סוכר, המפחיתים את פעילות המים במזונות.
- ליופיליזציה משלבת חשיפה לקור והתייבשות לאחסון ארוך טווח של מזון וחומרי מעבדה, אך חיידקים נשארים וניתנים לייבוש מחדש.
- קרינה מייננת, כולל הקרנת גמא, היא דרך יעילה לעקר חומרים רגישים לחום וארוזים. קרינה לא יוניונית, כמו אור אולטרה סגול, אינה מסוגלת לחדור למשטחים אך שימושית לעיקור פני השטח.
- סינון HEPA משמש בדרך כלל במערכות אוורור בבתי חולים ובארונות בטיחות ביולוגיים במעבדות למניעת העברת חיידקים הנישאים באוויר. סינון ממברנה משמש בדרך כלל להסרת חיידקים מתמיסות רגישות לחום.
הערות שוליים
- 1 משרד החקלאות האמריקאי. "הקפאה ובטיחות מזון", 2013. http://www.fsis.usda.gov/wps/portal/...afety/CT_Index. גישה ל- 8 ביוני 2016.
- 2 סי פרסטל. "עיבוד בלחץ גבוה: תובנות על טכנולוגיה ודרישות רגולטוריות." מזון למחשבה/נייר לבן. סדרה כרך 10. ליברמור, קליפורניה: מעבדת המזון הלאומית; יולי 2013.
- 3 מינהל המזון והתרופות האמריקני. "קינטיקה של השבתה מיקרוביאלית לטכנולוגיות עיבוד מזון אלטרנטיביות: עיבוד בלחץ גבוה". 2000. www.fda.gov/food/Foodsciencer... /ucm101456 6. כה"מ. ניגש ל -19 ביולי 2106.
- 4 CL מקארטי ואח '. "התפרצות גדולה של בוטוליזם הקשורה לארוחת פוטלוק בכנסייה - אוהיו, 2015." דו"ח שבועי של תחלואה ותמותה 64, מס '29 (2015): 802—803.
- 5 בבוקר ג'ונסון ואח '. "קבלת צרכנים של בשר עופות מוכן לאכילה מוקרנת בקרן אלקטרונים." שימור עיבוד מזון, 28 מס '4 (2004) :302—319.