Micro- en macroscopisch onderzoek van de invloed van de voedselmicrostructuur op microbiële dynamieken: Toepassing in/op visproducten

In de huidige maatschappij blijft microbiologische voedselveiligheid een grote uitdaging die vraagt om betere strategieën om de aanwezigheid van gevaarlijke aantallen pathogenen in ons voedsel te vermijden. Door gebruik te maken van predictieve microbiologie kan het effect van voedselverwerkings-, distributie- en opslagomstandigheden op de microbiologische voedselveiligheid gekwantificeerd worden d.m.v. wiskundige modellen die het groei- en inactivatiegedrag van pathogenen beschrijven. Deze modellen leiden op hun beurt tot een meer realistische inschatting van voedselveiligheidsrisicio’s gedurende de gehele voedselverwerkings- en distributiecyclus. De effectiviteit van predictieve microbiologie is echter deels gelimiteerd omwille van de beperkte kennis betreffende de invloed van de voedselmicrostructuur op microbiële dynamieken. Deze situatie is deels veroorzaakt door het feit dat predictieve modellen bijna exclusief ontwikkeld zijn op basis van experimenten in vloeibare modelsystemen. Hoewel modellen die volgens deze methode ontwikkeld zijn accuraat het microbiële gedrag in vloeibare voedingsproducten kunnen voorspellen, is hun toepasbaarheid eerder beperkt voor voedingsproducten met een complexere microstructuur zoals waterige gels, emulsies en gegelleerde emulsies. Daarom zijn onderzoekers recent gestart met het gebruik van modelsystemen met verschillende microstructuren voor microbiologische experimenten. Zo worden de voordelen van artificiële voedselmodelsystemen en echte voedingsproducten gecombineerd. Dit soort modelsystemen vertonen vaak echter ook variaties in compositie en fysicochemische kenmerken, waardoor het geïsoleerde effect van de voedselmicrostructuur op de microbiële dynamieken niet voldoende verklaard kan worden.

Het algemene doel van deze dissertatie was het verklaren van het effect van de voedselmicrostructuur op microbiële dynamieken, zowel voor groei als voor thermische inactivatie. Om het geïsoleerde effect van de voedselmicrostructuur systematisch te onderzoeken, werd een set artificiële voedselmodelsystemen met verschillende microstructuren ontwikkeld. Als specifieke case-study werd de compositie van de modelsystemen gebaseerd op bereide visproducten (bv. vissoep, vispaté), terwijl typische voedselmicrostructurele elementen van zulke producten ook geïncorporeerd werden (bv. vetdruppels, een visco-elastische voedselmatrix). Om alle sub-objectieven van deze dissertatie te behalen, werden elf verschillende modelsystemen ontwikkeld: een vloeistof, een xanthaan-gomoplossing (een viskeuze vloeistof), een waterige gel, emulsies (1, 5, 10 en 20% vet) en gegelleerde emulsies (1, 5, 10 en 20% vet). Het werd aangetoond dat alle systemen geschikt waren voor typische groei- en (thermische) inactivatie-experimenten met de bacterie Listeria monocytogenes (een voedselpathogeen) als modelmicro-organisme. De modelsystemen maakten het mogelijk om het effect van verschillende microstructurele aspecten op microbiële dynamieken te isoleren.

Om de invloed van de voedselmicrostructuur op de groeidynamieken van L. monocytogenes te onderzoeken, werden groeiexperimenten uitgevoerd in/op de modelsystemen, zowel op macro- en microschaal. Hierbij werd gefocust op de invloed van de microbiële groeimorfologie, de aard van de voedselmatrix (viskeus of gegelleerd, reologie), de aanwezigheid van vetdruppels in de voedselmatrix en het vetgehalte. De experimenten op macroschaal (gebaseerd op plaattellingen) werden uitgevoerd bij 4, 7 (enkel voor de emulsies en gegelleerde emulsies met verschillend vetgehalte) en 10°C. De aard van de voedselmatrix beïnvloedde de maximale specifieke groeisnelheid μmax van L. monocytogenes, dewelke significant hoger was in de viskeuze systemen dan in de gegelleerde systemen. De duur van de lagfase λ werd niet significant beïnvloed. De aanwezigheid van een kleine hoeveelheid vetdruppels (1% vetgehalte) leidde tot een kortere λ en een hogere μmax. Een hoger vetgehalte van 5% resulteerde in een verdere reductie van λ, maar een verdere verhoging in vetgehalte had geen significante invloed op λ. Het verband tussen het vetgehalte en μmax was complexer, maar volgde dezelfde trends voor de emulsies en de gegelleerde emulsies. De experimenten op microschaal werden uitgevoerd bij 10°C, gebruik makende van een Green Fluorescent Protein (GFP) L. monocytogenes stam. Verklaringen voor de op macroschaal geobserveerde fenomenen werden geleverd d.m.v. Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM). De verschijningsvorm van L. monocytogenes was in alle modelsystemen een combinatie van individuele cellen, kleine celclusters en microkolonies van verschillende grootte. De relatieve verdeling over deze categorieën was afhankelijk van de aard van de voedselmatrix en het vetgehalte. Zowel een toename in viscositeit en vetgehalte van de voedselmatrix resulteerden in een grotere koloniegrootte. Hoewel L. monocytogenes vooral in de waterige fase van de modelsystemen groeide, werd ook een gedeeltelijke voorkeur van de bacteriën voor de vet-waterinterfase aangetoond. Zowel de bacteriële groeimorfologie en de bacteriële voorkeur voor een bepaalde fase oefenden ook een significante invloed uit op de microbiële groeidynamieken.

De invloed van de voedselmicrostructuur op de thermische inactivatiedynamieken van L. monocytogenes werd zowel op labo- en pilootschaal onderzocht. Op laboschaal werd L. monocytogenes geïnactiveerd in de verschillende modelsystemen in temperatuurgecontroleerde waterbaden bij 59, 64 en 69°C. De aanwezigheid van een gegelleerde matrix verhoogde de thermotolerantie van L. monocytogenes, maar de aanwezigheid van vetdruppels verhoogde enkel de maximale specifieke inactivatiesnelheid kmax. Hoewel de invloed van het vetgehalte op kmax op een complexe manier afhankelijk was van de thermische geleidbaarheid, de reologie en de inactivatietemperatuur, werd de thermotolerantie van de bacteriën niet op een gelijkaardige manier beïnvloed omwille van de kleinschalige experimenten. Sublethal injury (SI) was hoger in de viskeuze dan in de gegelleerde systemen, hoger wanneer cellen voordien in de voedselmatrix waren gegroeid en hoger in systemen met een hoger vetgehalte. Betreffende de toepasbaarheid in pilootschaalopstellingen die relevant zijn voor deze dissertatie werd aangetoond dat de viskeuze modelsystemen (de vloeistof, de xanthaan-gomoplossing en de emulsies) geschikt waren voor behandelingen met het Shakasysteem (combinatie van verwarming en horizontale heen-en-weerbewegingen), terwijl de vloeistof het enige systeem was dat kon gebruikt worden voor microgolfbehandelingen. In het Shakasysteem volgden de logdreducties in de verschillende modelsystemen de volgende trend: vloeistof ≥ emulsie 10% ≥ xanthaan ≥ emulsie 20%. Warmteoverdracht werd aanzienlijk beïnvloed door de aard van de voedselmatrix, de aanwezigheid van vetdruppels en het vetgehalte. Dit resulteerde in een invloed op de thermotolerantie van L. monocytogenes in aanvulling op de directe invloed van deze factoren op de bacteriële thermotolerantie. Het SI-percentage, dat in sommige gevallen waarden tot 99% bereikte, was het hoogste in de vloeistof en het laagste in het xanthaan-gomsysteem. De twee emulsies vertoonden een tussenliggend gedrag.

In het algemeen werd in deze dissertatie de invloed van de voedselmicrostructuur op microbiële dynamieken verder opgehelderd. Het werd aangetoond dat geïsoleerde effecten gerelateerd aan de voedselmicrostructuur (bv. aard van de voedselmatrix en de aanwezigheid van vetdruppels) een aanzienlijke invloed uitoefenen op microbiële groei- en inactivatiedynamieken. Dit onderzoek zal bijgevolg ook bijdragen tot de ontwikkeling van meer accurate predictieve modellen die rekening zullen houden met de invloed van de voedselmicrostructuur op microbiële dynamieken.