Рост специфичной биопленки на оборудовании розлива в зависимости от продукта и окружающей среды
14.04.2016

Роланд Паль, д-р тех. наук, руководитель научно-исследовательского института пива и напитков (Research Institute for Beer and Beverage Production) Берлинского научно-исследовательского института пивоварения (VLB, Германия)
Ян Фишер, инженер, сотрудник научно-исследовательского института пива и напитков (Research Institute for Beer and Beverage Production) Берлинского научно-исследовательского института пивоварения (VLB, Германия)

Риск, возникающий за счет роста биопленки на оборудовании при розливе напитков, хорошо известен. В рамках научно-исследовательской программы INNOKOM-Ost в институте VLB в настоящее время разрабатывается проект, который посвящен развитию новых подходов к решению проблем с биопленкой.

ИСХОДНАЯ СИТУАЦИЯ

Скопления микроорганизмов в виде биопленки могут рассматриваться как первоначальная и одна из самых зарекомендовавших себя форм жизни. Большинство микробиологов считают биопленку естественной жизненной формой микроорганизмов. Старейшие, из найденных на сегодняшний день ископаемых, образовались из биопленок микроорганизмов, существовавших 3,2 млрд. лет назад. Поэтому биопленка рассматривается подчас как первоначальная форма жизни. Но и на сегодняшний день биопленка широко распространена и встречается на большинстве заводов по розливу напитков. Каких размеров может достичь эта биопленка в экстремальном случае, представлено на рис. 1. 

Упрощенно: биопленка состоит из воды, микроорганизмов и внеклеточных полимерных веществ. Эти вещества образуют в соединении с водой гидрогели; таким образом, возникает гелеобразная матрица, которая обволакивает клетки микроорганизмов. Внеклеточные полимерные вещества состоят из полисахаридов, белков, липидов и нуклеиновых кислот.

Биопленка в качестве жизненного пространства дает клеткам большое количество преимуществ по сравнению с одиночной клеткой. Наряду с защитой от влияния внешней среды, осуществляемой гелеобразной матрицей, в биопленке удерживаются вода и питательные вещества, которые при определенных условиях расщепляются экзо-ферментами и становятся пригодными к потреблению. Но самый интересный феномен биопленки заключается в создании условий для синергетической совместной жизни различных видов микроорганизмов: аэробные микроорганизмы создают за счет потребления кислорода анаэробные условия, в которых в свою очередь могут обитать анаэробные микроорганизмы. 

Межклеточная коммуникация осуществляется с помощью сигнальных молекул, а также происходит обмен генами (горизонтальный перенос генов). 

Преимущества такой жизненной формы микроорганизмов, как биопленка, по сравнению с одиночными клетками являются проблемой на предприятиях, производящих напитки, так как их самой важной задачей является розлив микробиологически чистых напитков. От биопленок исходит намного больший риск контаминации продукта, чем от одиночных клеток. Здесь необходимо упомянуть защитную функцию гелеобразной матрицы биопленки по отношению к мерам мойки и дезинфекции. Кроме того, благодаря биопленке на поверхностях в цехе розлива могут появляться и анаэробные микроорганизмы, что имеет особенно важное значение, так как они способны привести к порче карбонизированных напитков. 

В общем, становится ясно, что производители напитков должны поставить задачу уничтожения биопленок на первое место. Знания в области биопленок в последние годы значительно увеличились, но только небольшое количество методик диагностирования и уничтожения биопленок находят применение в производственной практике. При развитии стратегий уничтожения биопленок необходимо принять во внимание, что эти формы являются специфичными. Отсутствует универсальная модель построения биопленок, так как они сильно отличаются друг от друга. Нет быстрого и единого решения проблематики биопленок на оборудовании розлива – все всегда зависит от специфичных условий на предприятии.

ИДЕЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Именно эти примечания, касающиеся специфичности биопленки, и отражают те рассуждения, которые в конечном итоге привели к созданию научно-исследовательского проекта под названием «Рост специфичной биопленки на оборудовании розлива в зависимости от продукта и окружающей среды». Формирование биопленки значительно варьирует в зависимости от внешних факторов, таких как окружающая среда, наличие питательных веществ и время года. На рис. 2 представлены стадии процесса образования биопленки.

В первую очередь к смоченной поверхности за счет необратимой адгезии прикрепляются органические макромолекулы, например полисахариды, и таким образом на ней формируется тонкий слой молекул. На оборудовании линии розлива вышеописанный процесс может произойти, в частности, вследствие попадания на поверхность остатков напитка (стадия 1 на рис. 2). Затем к сформированному тонкому слою могут хорошо прикрепляться определенные микроорганизмы из окружающей среды – так называемые первичные поселенцы) (стадия 2). Еще одно свойство этих первичных поселенцев заключается в их способности выделять внеклеточные полимеры. Другие виды микроорганизмов прикрепляются к ним, и таким образом образуется трехмерная биопленка (стадия 3). Микробиологический рост в биопленке продолжается, новые клетки из окружающей среды прочно присоединяются к ней, и вышеназванные эффекты синергетической совместной жизни микроорганизмов начинают действовать. Кроме этого отдельные клетки или даже полные фрагменты биопленки отделяются и начинают формировать новую колонию на другом участке оборудования или, что еще хуже, попадают в открытую тару и приводят позже к порче продукта (стадия 4).

Очень быстро становится ясно, что все стадии образования биопленки зависят от условий окружающей среды. Уже на первую стадию ее формирования (адгезия молекул органических веществ) влияет вид разливаемого напитка. Кроме этого, за счет различных внешних воздействий (например, климатических условий) и из-за разного вида производимых напитков формируются значительные различия в видах микроорганизмов, а также в их количестве и размещении на производстве. Дополнительно к этому стоит учитывать развитие сообщества микроорганизмов, а также изменения в строении клеток в зависимости от времени года. На предприятиях розлива напитков поступление питательных веществ в биопленку происходит в первую очередь за счет остатков производимого продукта. Различные напитки имеют разные свойства: состав питательных веществ, значения pH, содержание алкоголя и других ингредиентов, что в свою очередь значительно влияет на формирование биопленки. 

Все эти вышеназванные факторы приводят к возникновению многочисленных вопросов, которые должен задавать себе каждый производитель напитков в целях получения информации об индивидуальной «системе биопленки» на оборудовании линии розлива, например:

• Насколько высок потенциал риска образования биопленки на определенной линии розлива при производстве определенного напитка в определенное время года?
• Как быстро растет биопленка на определенном оборудовании?
• Какой вид микроорганизмов биопленки наиболее вероятен на конкретном предприятии?
• Насколько велик риск инфекции от биопленки на оборудовании розлива?
• В какой момент времени на предприятии впервые были обнаружены микроорганизмы, вредящие пиву (например, анаэробные микроорганизмы)?

Поиском ответов на эти вопросы в настоящее время занимаются сотрудники института VLB в рамках научно- исследовательского проекта. Основная идея состоит в исследовании методик выращивания и в изучении специфичных биопленок, образующихся в зависимости от продукта и окружающей среды на производствах напитков. Выращивание специфичной для производства и времени года биопленки проводится непосредственно на оборудовании линии розлива. 

По мере роста биопленки идентифицируются участвующие в ее формировании микроорганизмы. Их разведение реализуется с помощью специальных устройств, которые интегрируются в окружающую среду оборудования линии розлива. 

Разработка таких устройств и является первичной целью научно-исследовательского проекта. Полученная информация может позже быть использована, например, для оптимизации мойки и дезинфекции c применением изменяющихся индивидуальных контрмер, которые учитывают специфичные особенности биопленки и время года.

МЕТОДИКА ВЫРАЩИВАНИЯ БИОПЛЕНКИ

Первой задачей научно-исследовательского проекта являлась разработка оборудования для формирования биопленки, которое стало центральным элементом этого проекта. Основная идея заключается в следующем: напиток (субстрат) из открытого резервуара (предварительное обогащение микроорганизмами из окружающей среды) подается при помощи шлангового перестальтического насоса на поверхность для выращивания биопленки. Эта поверхность устанавливается на участках оборудования линии розлива, представляющих наибольший интерес, например в области блока розлива. Выращивание биопленки происходит во время текущего функционирования производства, и в качестве субстрата используется тот напиток, который в данный момент производится. Поверхностью для выращивания биопленки служат, например, листы стали такого же качества, как и в оборудовании розлива, которые в самом лучшем случае находятся в наличии на складе запчастей для соответствующего оборудования.

Естественно, можно применять и другие материалы, на которых было замечено формирование биопленки на практике, такие как, например, корпусы из оргстекла. Таким образом, воспроизводится один из недостаточно поддающихся мойке участков оборудования розлива. 

Конструкция оборудования с поверхностью для выращивания биопленки предусматривает рециркуляцию субстрата по поверхности таким образом, как это показано на рис. 3. 

В предварительных испытаниях сотрудники VLB неоднократно делали опыты, в результате которых уже через несколько часов можно было визуально наблюдать рост биопленки. На рис. 4 представлена выращенная через 168 часов биопленка. Субстратом в данном случае являлось пиво (сорта Пилзнер).

Больше информации в печатаной версии журнала.



ИНТЕРНЕТ-МАГАЗИН
ЧИТАТЬ ЖУРНАЛ
наверх