Bakterien
Bakterien sind einzellige Organismen, die im Vergleich zu den Zellen anderer Organismen einen einfachen inneren Aufbau haben. Die Zunahme der Anzahl von Bakterien in einer Population wird von Mikrobiologen allgemein als Bakterienwachstum bezeichnet. Dieses Wachstum ist das Ergebnis der Teilung einer Bakterienzelle in zwei identische Bakterienzellen, ein Prozess, der als Binärspaltung bezeichnet wird. Unter optimalen Wachstumsbedingungen kann sich eine Bakterienzelle etwa alle 20 Minuten teilen. So kann eine einzige Zelle in 12 Stunden fast 70 Milliarden Zellen produzieren. Zu den Faktoren, die das Wachstum von Bakterien beeinflussen, gehören die Verfügbarkeit von Nährstoffen, die Feuchtigkeit, der pH-Wert, der Sauerstoffgehalt und die Anwesenheit oder Abwesenheit von hemmenden Substanzen (z. B. Antibiotika).
Der Nahrungsbedarf der meisten Bakterien besteht aus chemischen Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Magnesium, Kalium, Natrium, Calcium und Eisen. Diese Elemente erhalten die Bakterien durch die Nutzung von Gasen in der Atmosphäre und durch die Verstoffwechselung bestimmter Nahrungsbestandteile wie Kohlenhydrate und Proteine.
Temperatur und pH-Wert spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Wachstumsraten von Bakterien. Bakterien können in drei Gruppen eingeteilt werden, basierend auf ihrem Temperaturbedarf für optimales Wachstum: Thermophile (55-75 °C), Mesophile (20-45 °C) oder Psychrotrophe (10-20 °C). Darüber hinaus wachsen die meisten Bakterien am besten in einer neutralen Umgebung (pH-Wert gleich 7).
Bakterien benötigen für ihr Wachstum auch eine bestimmte Menge an verfügbarem Wasser. Die Verfügbarkeit von Wasser wird als Wasseraktivität ausgedrückt und ist definiert durch das Verhältnis des Dampfdrucks von Wasser im Lebensmittel zum Dampfdruck von reinem Wasser bei einer bestimmten Temperatur. Daher ist die Wasseraktivität eines jeden Lebensmittels immer ein Wert zwischen 0 und 1, wobei 0 für ein Fehlen von Wasser und 1 für reines Wasser steht. Die meisten Bakterien wachsen nicht in Lebensmitteln mit einer Wasseraktivität unter 0,91, obwohl einige halophile Bakterien (die hohe Salzkonzentrationen tolerieren können) in Lebensmitteln mit einer Wasseraktivität unter 0,75 wachsen können. Das Wachstum kann durch die Senkung der Wasseraktivität gesteuert werden – entweder durch die Zugabe von gelösten Stoffen wie Zucker, Glycerin und Salz oder durch den Entzug von Wasser durch Dehydrierung.
Die Sauerstoffanforderungen für ein optimales Wachstum variieren für verschiedene Bakterien erheblich. Einige Bakterien benötigen die Anwesenheit von freiem Sauerstoff zum Wachstum und werden als obligate Aerobier bezeichnet, während andere Bakterien durch die Anwesenheit von Sauerstoff vergiftet werden und als obligate Anaerobier bezeichnet werden. Fakultative Anaerobier sind Bakterien, die sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Sauerstoff wachsen können. Neben der Sauerstoffkonzentration beeinflusst auch das Sauerstoffreduktionspotenzial des Wachstumsmediums das Bakterienwachstum. Das Sauerstoffreduktionspotential ist ein relatives Maß für die oxidierende oder reduzierende Kapazität des Wachstumsmediums.
Wenn Bakterien ein Nahrungsmittelsubstrat kontaminieren, dauert es einige Zeit, bis sie zu wachsen beginnen. Diese Lag-Phase ist der Zeitraum, in dem sich die Bakterien an die Umgebung anpassen. Nach der Lag-Phase folgt die Log-Phase, in der die Population logarithmisch wächst. Während die Population wächst, verbrauchen die Bakterien die verfügbaren Nährstoffe und produzieren Abfallprodukte. Wenn das Nährstoffangebot erschöpft ist, tritt die Wachstumsrate in eine stationäre Phase ein, in der die Anzahl der lebensfähigen Bakterienzellen gleich bleibt. Während der stationären Phase ist die Wachstumsrate der Bakterienzellen gleich der Rate des bakteriellen Zelltods. Wenn die Rate des Zelltods größer wird als die Rate des Zellwachstums, tritt die Population in die Abbauphase ein.
Eine Bakterienpopulation wird entweder pro Gramm oder pro Quadratzentimeter Oberfläche angegeben. Selten übersteigt die gesamte bakterielle Population 1010 Zellen pro Gramm. Eine Population von weniger als 106 Zellen pro Gramm verursacht, außer bei Rohmilch, keinen merklichen Verderb. Populationen zwischen 106 und 107 Zellen pro Gramm verursachen bei einigen Lebensmitteln Verderb; sie können z. B. bei vakuumverpacktem Fleisch Fehlgerüche erzeugen. Populationen zwischen 107 und 108 Zellen pro Gramm verursachen Fehlgerüche in Fleisch und einigen Gemüsesorten. Bei Werten über 5 × 107 Zellen pro Gramm weisen die meisten Lebensmittel irgendeine Form des Verderbs auf.
Wenn die Bedingungen für das Wachstum von Bakterienzellen ungünstig sind (z. B. niedrige oder hohe Temperaturen oder geringer Feuchtigkeitsgehalt), können einige Bakterienarten resistente Zellen, sogenannte Endosporen, bilden. Endosporen sind sehr widerstandsfähig gegen Hitze, Chemikalien, Austrocknung (Austrocknung) und ultraviolettes Licht. Die Endosporen können über lange Zeiträume hinweg inaktiv bleiben. Wenn die Bedingungen für das Wachstum günstig werden (z. B. Auftauen von Fleisch), keimen die Endosporen aus und produzieren lebensfähige Zellen, die ein exponentielles Wachstum beginnen können.