Bài học

Các yếu tố ảnh hưởng và kiểm soát vi sinh vật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được các yếu tố chi phối sinh trưởng của vi sinh vật (nhiệt độ, pH, độ ẩm, oxygen, chất dinh dưỡng), giải thích được cơ chế của các biện pháp kiểm soát vi sinh vật thường gặp, và chọn được phương pháp bảo quản phù hợp cho một loại thực phẩm cụ thể.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước học bốn pha sinh trưởng của quần thể vi sinh vật (same-grade bridge). Bài này trả lời câu hỏi: điều gì đẩy một quần thể nhanh tới pha log, và điều gì đẩy nó nhanh tới pha suy vong? Mọi biện pháp bảo quản thực phẩm con người dùng, từ ướp muối tới cấp đông, thực chất là can thiệp vào chính những yếu tố này.

Khởi động

Thịt tươi để ở nhiệt độ phòng chỉ sau một ngày đã có mùi ôi. Nhưng thịt được rang muối rồi phơi khô có thể để được cả tháng mà không hỏng, dù không hề dùng tủ lạnh. Muối và việc phơi khô đã làm gì với vi sinh vật gây thối rữa để tạo ra khác biệt lớn đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất tới sinh trưởng của vi sinh vật. Mỗi nhóm vi sinh vật có một khoảng nhiệt độ tối ưu riêng: vi khuẩn ưa lạnh sinh trưởng tốt nhất dưới 15°C, vi khuẩn ưa ấm — nhóm chiếm phần lớn vi khuẩn gây bệnh ở người — tối ưu ở 20-40°C, còn vi khuẩn ưa nhiệt sinh trưởng tốt nhất trên 45°C. Nhiệt độ quá cao làm biến tính protein và enzyme của tế bào — một khi đã biến tính, chúng mất hoạt tính vĩnh viễn, nên nhiệt độ cao (đun sôi, tiệt trùng) diệt vi sinh vật thật sự. Nhiệt độ quá thấp chỉ làm chậm tốc độ phản ứng của enzyme chứ không phá huỷ cấu trúc của chúng, nên làm lạnh chỉ ức chế tạm thời — tế bào vẫn sống và sẽ sinh trưởng trở lại khi được đưa về nhiệt độ ấm.

pH cũng chi phối sinh trưởng: đa số vi khuẩn ưa pH trung tính, khoảng 6 đến 8, còn nấm mốc và nấm men chịu được pH thấp hơn hẳn. Vì vậy acid hoá môi trường — bằng dấm, chanh, hay chính acid lactic sinh ra từ lên men — ức chế được nhiều loại vi khuẩn gây hư hỏng trong khi thực phẩm vẫn an toàn để ăn.

Nước tự do trong thực phẩm là điều kiện bắt buộc để vi sinh vật trao đổi chất; giảm lượng nước tự do đó — bằng cách phơi hoặc sấy khô, hoặc bằng cách ướp một lượng muối hay đường đậm đặc để tạo áp suất thẩm thấu cao — rút nước ra khỏi tế bào vi sinh vật theo cơ chế thẩm thấu, khiến tế bào mất nước và không thể hoạt động bình thường. Ngoài ra, oxygen cũng là yếu tố quan trọng: vi khuẩn hiếu khí cần oxygen để hô hấp, vi khuẩn kị khí bị oxygen gây hại hoặc chết, nên đóng gói hút chân không hay bao kín loại trừ oxygen ức chế được nhóm vi khuẩn hiếu khí gây hỏng thực phẩm.

Bên cạnh các yếu tố vật lí trên, con người còn kiểm soát vi sinh vật bằng hoá chất. Chất khử trùng diệt vi sinh vật trên bề mặt vô sinh — dụng cụ, sàn nhà — chứ không dùng được trên cơ thể sống vì nồng độ đủ diệt vi khuẩn cũng gây hại cho tế bào người. Kháng sinh thì ngược lại: đặc hiệu ức chế hoặc diệt vi khuẩn ngay bên trong cơ thể sống mà ít gây hại cho tế bào người, vì kháng sinh tác động vào cấu trúc hoặc enzyme đặc trưng riêng của vi khuẩn — ví dụ thành tế bào chứa peptidoglycan — mà tế bào người không có.

Biện pháp vật lí thay đổi điều kiện môi trường (nhiệt, nước); biện pháp hoá học đưa thêm chất ức chế hoặc diệt khuẩn vào thực phẩm.

Ví dụ

Giải thích cơ chế bảo quản thịt bằng ướp muối và phơi khô

1
Thịt tươi để ngoài không khí chỉ sau một ngày đã có mùi ôi do vi khuẩn phân giải protein. Thịt được rang muối rồi phơi khô — như thịt khô truyền thống — có thể để được nhiều tháng. Giải thích cơ chế vi sinh học đứng sau sự khác biệt này.
2
Thịt tươi có độ ẩm cao và pH gần trung tính — đúng điều kiện tối ưu để vi khuẩn ưa ấm gây thối rữa sinh trưởng nhanh, phân giải protein thịt và sinh ra mùi ôi chỉ sau một thời gian ngắn.
3
Muối ở nồng độ cao tạo ra một môi trường có áp suất thẩm thấu lớn hơn bên trong tế bào vi khuẩn. Theo cơ chế thẩm thấu, nước bị rút ra khỏi tế bào vi khuẩn ra ngoài, khiến tế bào mất nước và không thể trao đổi chất bình thường.
4
Phơi khô làm giảm trực tiếp lượng nước tự do còn lại trong thịt — nước là điều kiện bắt buộc cho mọi phản ứng trao đổi chất của vi sinh vật, nên thịt càng khô, vi sinh vật càng khó sinh trưởng.
5
Vậy ướp muối và phơi khô phối hợp hai cơ chế cùng nhắm vào yếu tố nước: muối rút nước ra khỏi tế bào vi khuẩn bằng thẩm thấu, còn phơi khô giảm nước tự do sẵn có trong thịt — cả hai đều khiến vi khuẩn gây thối rữa không thể sinh trưởng, nhờ đó thịt bảo quản được lâu hơn nhiều so với để tươi.

Ví dụ

Chọn phương pháp bảo quản phù hợp cho hai loại thực phẩm (dạng đề kiểm tra)

1
Đề xuất phương pháp bảo quản phù hợp cho hai tình huống sau và giải thích cơ chế: (a) một mẻ cá tươi mới đánh bắt ở vùng biển xa, cần giữ được nhiều tháng mà nơi đó không có điện để chạy tủ đông; (b) một hộp sữa tươi cần giữ được vài ngày trong tủ lạnh gia đình.
2
Không có điện nghĩa là không dùng được biện pháp làm lạnh hay cấp đông. Ướp muối kết hợp phơi hoặc sấy khô là lựa chọn phù hợp: muối tạo áp suất thẩm thấu rút nước khỏi tế bào vi sinh vật, phơi khô giảm thêm lượng nước tự do — cả hai không cần điện và cho thời gian bảo quản dài, đúng như cách làm cá khô mặn truyền thống.
3
Sữa tươi chỉ cần bảo quản vài ngày và không thể ướp muối hay phơi khô vì sẽ làm hỏng hoàn toàn tính chất của sữa. Làm lạnh ở khoảng 4°C là lựa chọn phù hợp: nhiệt độ thấp làm chậm tốc độ phản ứng của enzyme vi khuẩn, ức chế tạm thời sinh trưởng của vi khuẩn ưa ấm mà không cần thay đổi thành phần hay hương vị của sữa.
4
Hai phương pháp khác nhau đúng vì hai điều kiện ràng buộc khác nhau — thời gian bảo quản cần thiết và có hay không có điện — chứ không phải vì cá và sữa cần cơ chế ức chế khác nhau về bản chất.
5
Vậy tình huống (a) chọn ướp muối và phơi khô (rút nước, không cần điện, bảo quản dài ngày); tình huống (b) chọn làm lạnh 4°C (ức chế tạm thời, giữ nguyên chất lượng, phù hợp bảo quản ngắn ngày).

Phương pháp càng loại bỏ triệt để nước tự do hoặc hạ nhiệt độ càng sâu, thời gian bảo quản càng dài — nhưng đổi lại thường cần nhiều công sức hoặc thiết bị hơn.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến nhất là nghĩ làm lạnh DIỆT vi khuẩn giống như đun sôi — thực ra làm lạnh chỉ làm CHẬM tốc độ phản ứng enzyme, không phá huỷ cấu trúc protein của tế bào vi khuẩn; vi khuẩn trong tủ lạnh vẫn sống, chỉ sinh trưởng rất chậm, và sẽ hoạt động trở lại bình thường nếu để ở nhiệt độ phòng đủ lâu. Chỉ nhiệt độ cao mới thật sự diệt khuẩn, vì nó làm biến tính protein không thể phục hồi.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nhiệt độ, pH, nước tự do và oxygen là bốn yếu tố chính chi phối sinh trưởng vi sinh vật. Nhiệt độ cao diệt khuẩn (biến tính protein vĩnh viễn); nhiệt độ thấp chỉ ức chế tạm thời. Muối/đường đậm đặc và sấy khô rút nước bằng thẩm thấu. Acid hoá đẩy pH ra khỏi khoảng tối ưu của vi khuẩn. Hút chân không loại oxygen, ức chế nhóm hiếu khí.

Bài tiếp theo cho thấy mặt còn lại của câu chuyện: không phải lúc nào con người cũng muốn ức chế vi sinh vật — có những sản phẩm quen thuộc mà con người chủ động NUÔI chúng để khai thác.