การเปลี่ยนแปลงสารอาหารโดยจุลินทรีย์
การเจริญของจุลินทรีย์เกี่ยวข้องกระบวนการเปลี่ยนแปลงของการใช้คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน และสารอาหารอื่นๆ โดยจุลินทรีย์มีความสามารถในการใช้สารอาหารได้แตกต่างกัน หรือ สารอาหารเดียวกันอาจถูกใช้โดยจุลินทรีย์ต่างชนิดกัน เช่น กลูโคส ถูกใช้ได้โดย homolactic acid bacteria และ heterolactic acid bacteria เป็นต้น หรือสารอาหารเดียวกันถูกใช้ในสภาพแวดล้อมต่างกันโดย จุลินทรีย์ต่างชนิดกัน
การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับอาหารเนื่องจากจุลินทรีย์ จึงมีผลต่อการเน่าเสียอาหารในลักษณะที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปจุลินทรีย์จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในอาหารได้หลายแบบ เช่น
1. การเปลี่ยนแปลงกลิ่นรสของอาหาร
จุลินทรีย์สามารถสร้างสารเคมี ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงกลิ่นรสของอาหาร การย่อย หรือเปลี่ยนแปลงกรดแอมิโน หรือโปรตีนที่มีในเนื้อสัตว์ จะทำให้เกิดสารประเภท แอมีน แอมโมเนียหรือ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ อินโดล และกรดไขมัน หรือการย่อยสลายคาร์โบไฮเดรต ทำให้เกิดกรดชนิดต่างๆ รวมทั้งแอลกอฮอล์ เอสเทอร์ คาร์บอนไดออกไซด์ การเกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ จากยีสต์ในอาหาร เช่น โยเกิร์ตทำให้เกิด fizzy feel เมื่อบริโภค กรณีในน้ำนมและครีม อาจเกิดกลิ่นหืนจากกิจกรรมของเอนไซม์ไลเปสจากจุลินทรีย์ เช่น Pseudomonas Bacillus cereus
2. การเปลี่ยนแปลงสี
เนื่องจากจุลินทรีย์มีการสร้างรงควัตถุ เช่น Halobacterium salinarum สร้างสารสีแดง Pseudomonas fluorescencs สร้างสารสีเขียวบนเนื้อไก่ การเกิด green rot ในไข่ไก่จาก Pseudomonas fluorescens การเกิด black spot บนเนื้อแช่เยือกแข็งจาก Rhizopus spp. นอกจากนี้จุลินทรีย์ยังสร้างสารเคมีบางชนิดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสีของอาหารได้ เช่น Proteus spp.สร้างไฮโดรเจนซัลไฟด์ทำให้เกิดสีดำขึ้นในไข่ หรือการเกิดสีเขียวในผลิตภัณฑ์เนื้อแปรรูปจากกลุ่ม Lactobacillus ที่สร้างไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ หรือไฮโดรเจนซัลไฟด์ ซึ่งจะไปทำปฏิกิริยากับรงควัตถุของเนื้อสัตว์ รา Sclerotinia fructigena ผลิตเอนไซม์ polyphenol oxidase ทำให้ผลไม้บางชนิดเกิดการเปลี่ยนแปลงสี เช่น การเกิด brown rot ใน แอปเปิ้ล
3. การเปลี่ยนแปลงเนื้อสัมผัส
จุลินทรีย์สามารถสร้างเอนไซม์ ซึ่งมีผลต่อการย่อยสลายโครงสร้างหรือสารบางชนิด ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเนื้อสัมผัสของอาหาร ตัวอย่างจุลินทรีย์ที่สร้างเอนไซม์ extracellular เช่น Aspergillus niger และ Bacillus cereus ผลิต Amylase Pseudomonas fluorescens ผลิต Proteinase เป็นต้น ตัวอย่างเช่นการเกิดเนื้อยุ่ยในเนื้อสัตว์และปลาจากเอนไซม์ Proteinase ของ Pseudomonas fluorescens แบคทีเรียบางชนิดสามารถสร้างเอนไซม์ pectinase ออกมาย่อยสลาย pectin ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญในผักและผลไม้ ทำให้ผิวของผักและผลไม้นิ่ม ช้ำและเละ ตัวอย่างการเน่าเสียแบบนี้ เช่น การเกิด soft rot ในมันฝรั่งจาก Erwinia carotovora และ soft rot ในผลไม้ตระกูลส้มจาก Penicillium citrinum
4. การเกิดแก๊ส
มีการสะสมแก๊ส เนื่องจากแก๊สที่เกิดขึ้น เช่น อาหารกระป๋องชนิดความเป็นกรดต่ำที่เกิดการเน่าเสียจาก Clostridium thermosaccharolyticum แบบ Thermophilic anaerobe spoilage (T.A spoilage) ซึ่งแบคทีเรียดังกล่าวจะย่อยสลายคาร์โบไฮเดรตในอาหาร เป็นกรดและแก๊ส แก๊สที่เกิดขึ้นเป็นแก๊สไฮโดรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งจะทำให้กระป๋องบวม และหากมีปริมาณแก๊สเกิดขึ้นมาก อาจทำให้กระป๋องระเบิดได้ หรือในกรณีการเน่าเสียของอาหารกระป๋องแบบ Sulfide stinker spoilage โดย Clostridium nigrificans ซึ่งจะสร้างแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ ที่ละลายน้ำได้ กระป๋องจึงไม่บวมแต่อาหารจะมีกลิ่นเหม็นแบบไข่เน่าและมีสีดำ นอกจากนี้ในผักดองอาจเกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากแบคทีเรียกรดแล็กติก
5. การเกิดเมือก
การสร้างเมือกของจุลินทรีย์กลุ่ม แบคทีเรียกรดแล็กติก เช่น Leuconostoc ทำให้น้ำหวาน น้ำอย น้ำผลไม้ และน้ำเชื่อม เกิดเมือกได้ ส่วนการเกิดเมือก (ropiness) บนผลิตภัณฑ์ขนมอบจากแบคทีเรีย Bacillus subtilis สำหรับ Achromobacter, Alcaligenes และ Micrococcus ทำให้เกิดเมือกบนผิวหนังไก่ เกิดเมือกบนผิวเนื้อสัตว์สดที่เก็บในตู้เย็น
6. การสูญเสียของเหลว
การสูญเสียของเหลว เช่น จุลินทรีย์ย่อยสลายโครงสร้างในการอุ้มน้ำของเนื้อสัมผัส ทำให้ส่วนที่เป็นของเหลวไหลออกมา
7. การเปลี่ยนแปลงความเป็นกรด-ด่าง
ค่าความเป็นกรด – ด่างลดลงจากการสร้างกรดของ lactic acid bacteria ที่ปนเปื้อนในน้ำนมดิบ หรือ การสร้างกรดจากแบคทีเรีย เช่น Bacillus stearothermophilus ในอาหารกระป๋องที่มีความเป็นกรดต่ำ ทำให้เกิดการเน่าเสียแบบ Flat sour spoilage การลดความเป็นกรด-ด่างของเนื้อหอย เนื่องจากการหมักสารคาร์โบไฮเดรต นอกจากนี้ อาจเพิ่มค่าความเป็นกรด-ด่างจากการ decarboxylation ของ amino acid โดยจุลินทรีย์ทำให้เกิดแอมโมเนียได้ เช่น กุ้งแห้ง
8.อื่นๆ
เช่น มีเส้นใยของราบนผิวเนื้อแห้ง ปลาแห้ง หรือ เส้นใยราปกคลุมบนขนมปัง
จุลินทรีย์ชนิดต่างๆที่เป็นสาเหตุของการเน่าเสียของอาหาร
เนื่องจากอาหารแต่ละชนิดมีองค์ประกอบบางอย่างที่แตกต่างกัน จุลินทรีย์แต่ละชนิดมีเอนไซม์ที่แตกต่างกัน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของอาหารแต่ละชนิด จึงเกิดจากจุลินทรีย์ต่างชนิดกัน ดังตารางที่ 3 ซึ่งแสดงตัวอย่างของชนิดจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดการเน่าเสียของอาหารแต่ละประเภท
อาหารทะเล – Achromobacter, Pseudomonas ,Vibrio
เนื้อสัตว์ สัตว์ปีกและผลิตภัณฑ์ – Achromobacter, Clostridium, Pseudomonas
ไข่และผลิตภัณฑ์ – Pseudomonas, Proteus
นมและผลิตภัณฑ์ – Pseudomonas, Micrococcus, Streptococcus
อาหารกระป๋อง – Bacillus stearothermophilus, Clostridium thermosaccharolyticum
ผักและผลไม้ – Botrytis, Erwinia, Penicillium
ธัญชาติ – mold
น้ำผลไม้ – Escherichia,Lactobacillus, Leuconostoc, Yeast
เครื่องเทศ – Bacillus, mold
แยม ผลไม้แห้ง – Saccharomyces ,Schizosaccharomyces
ลำดับการใช้สารอาหารโดยจุลินทรีย์
โดยทั่วไปจุลินทรีย์จะใช้คาร์โบไฮเดรตก่อนสารอาหารประเภทอื่น จากนั้นจะใช้ non-protein nitrogenous (NPN, เช่น amino acid, urea, creatine, trimethylamine oxide) และ proteinaceous compounds (proteins, peptides) และสุดท้ายจึงจะใช้ lipids (triglycerides, phospholipids, fatty acid, sterols) เป็นแหล่งพลังงาน นอกจากนี้ในกลุ่มสารอาหารกลุ่มเดียวกัน จุลินทรีย์จะใช้สารอาหารที่มีขนาดโมเลกุลเล็กก่อน เช่น Pseudomonas จะใช้กลูโคสในเนื้อสัตว์ก่อนหากมีกลูโคสปริมาณน้อย และเมื่อใช้กลูโคสหมด Pseudomonas ก็จะเริ่มใ ช้ กรดแอมิโนอิสระ และ non-protein nitrogenous อื่น ๆ หลังจากนั้นก็จะสร้างเอนไซม์เพื่อย่อยสลายสารอาหารโมเลกุลใหญ่ เช่น โปรตีน เพื่อให้ได้สารอาหารโมเลกุลเล็ก (peptides, amino acid) มาใช้ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของเนื้อสัตว์ ต่อจากนั้นจะผลิตเอนไซม์สำหรับย่อยสลายไขมัน แต่ในบางกรณี เช่น นม ซึ่งมีแล็กโทสและโปรตีนสูง จุลินทรีย์ที่สามารถใช้แล็กโทสได้ก็จะใช้แล็กโทสก่อน แต่จุลินทรีย์ที่ไม่สามารถ
ย่อยสลายแล็กโทสได้ก็จะใช้ non-protein nitrogenous และ proteinaceous compounds ก่อน ดังนั้นลักษณะการเน่าเสียที่เกิดขึ้นจึงแตกต่างกันตามชนิดจุลินทรีย์ และลำดับการใช้สารอาหาร
การเปลี่ยนแปลงของสารประกอบไนโตรเจนอินทรีย์
ไนโตรเจนมักจะอยู่ในรูปของโปรตีนซึ่งจะต้องถูกย่อยด้วยเอนไซม์จากอาหารเองหรือจากจุลินทรีย์ให้เป็นpolypeptide peptides หรือ amino acid ก่อนจุลินทรีย์จึงจะใช้เป็นแหล่งไนโตรเจนได้ แต่อาจมีจุลินทรีย์บางชนิดที่สามารถใช้ไนโตรเจนจากไนโตรเจนชนิดอื่นได้ การย่อยสลายโปรตีนอาจได้สารอื่นๆออกมาด้วยเช่น การสลายโปรตีนภายใต้สภาพที่ไม่มีออกซิเจน นอกจากจะได้peptides และ amino acids แล้วยังเกิดสารที่มีกลิ่นเหม็นเน่า (putrid) ด้วยเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Putrefaction สารที่อยู่ในกลุ่มดังกล่าวเช่น hydrogen sulfide, ethyl sulfide, mercaptans รวมทั้งแอมโมเนีย เอมีนต่างๆ เช่น histamine, tyramine, piperidine, putrescine, cadaverine, indole และ skatole
จุลินทรีย์จะมีการใช้กรดแอมิโนโดยการย้ายกลุ่มแอมิโนหรือกลุ่มคาร์บอกซิล หรือ ทั้งสองอย่างเป็นผลให้เกิดผลผลิตต่างๆ เช่น Pseudomonas จะให้ methylamine และ คาร์บอนไดออกไซด์จาก glycine แต่ Clostridium จะให้ acetic acid ammonia และ คาร์บอนไดออกไซด์ หรือถ้า Escherichia coli ใช้ serine จะให้ pyruvic acid และ ammonia แต่ Clostridium จะให้ proprionic acid, formic acid และ ammonia เป็นต้น
การเปลี่ยนแปลงของสารประกอบอินทรีย์ที่ไม่มีไนโตรเจน
สารประกอบอินทรีย์ที่ไม่มีไนโตรเจนที่จุลินทรีย์ใช้เป็นแหล่งพลังงานได้ เช่น คาร์โบไฮเดรต กรดอินทรีย์ อัลดีไฮด์ คีโตน แอลกอฮอล์ ไกลโคซายด์ และ ไขมัน
คาร์โบไฮเดรต
จุลินทรีย์มักมีการย่อยสลายไปใช้เป็นแหล่งพลังงานมากกว่าสารประกอบประเภทอื่นๆ โดยย่อยให้อยู่ในรูป simple sugars ก่อนนำไปใช้ เช่น ย่อยเป็น monosaccharides ในกรณีกลูโคส ที่สามารถถูกใช้โดยจุลินทรีย์หลายชนิดอาจให้ end-products ที่แตกต่างกัน เช่น การใช้กลูโคสในสภาพที่มีออกซิเจน จะเกิด น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ แต่การใช้กลูโคสในสภาพไม่มีออกซิเจนสามารถเกดการย่อยสลายกลูโคสได้หลายแบบ เช่น
- Alcoholic fermentation
- Simple lactic fermentation
- Mixed lactic fermentation
- Coliform type fermentation
- Propionic fermentation
- Butyric fermentation
กรดอินทรีย์ต่างๆ
จุลินทรีย์จะใช้กรดอินทรีย์ซึ่งมักจะอยู่ในรูปเกลือ ไปเป็นคาร์บอเนต ทำให้อาหารมีฤทธิ์เป็นด่างเพิ่มขึ้น หากกรดอินทรีย์ถูกออกซิไดส์อย่างสมบูรณ์จะได้น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ หรือกรดอินทรีย์อาจถูกออกซิไดส์ไปเป็นกรดชนิดอื่นเช่นกรดไขมันอิ่มตัวอาจถูกย่อยไปเป็นacetic acid
ไขมัน
จุลินทรีย์มีการสร้างเอนไซม์ไลเปสวึ่งจะย่อยไขมันเป็นกรดไขมันและกลีเซอรอล อย่างไรก็ตามไขมันมักเกิดการเปลี่ยนแปลงเองโดย การ auto-oxidation มากกว่า
สารประกอบ Pectin
สลายเพคติน เกิด methanol
ตัวอย่างการเน่าเสียของอาหารแต่ละประเภทจากจุลินทรีย์
| ตัวอย่างอาหาร | ลักษณะการเน่าเสีย | ตัวอย่างของจุลินทรีย์ที่เป็นสาเหตุของการเน่าเสีย |
| โดแช่เย็น | แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ รสเปรี้ยว | Lactobacillus และ Leuconostoc |
| ขนมปัง | เกิดจุดสีดำ | Rhizopus nigricans |
| ขนมปัง | เกิดเมือก (ropy) | Bacillus subtilis และ Bacillus licheniformis |
| เบียร์ | เกิดเมือก(ropiness) | Lactobacillus และ Pediococcus |
| เบียร์ | ขุ่น มีกลิ่นเหม็น | Zymomonas anaerobia |
| น้ำอ้อย | เกิดเมือก | Leuconostoc และ Bacillus |
| แตงกวาดอง | เนื้อนิ่มเละ | Bacillus และ Fusarium |
| น้ำนม | รสเปรี้ยว | Leuconostoc |
| นมข้นหวาน | เกิดลักษณะเม็ดกระดุม (โคโลนีของรา) | Aspergillus และ Penicillium |
| น้ำมะเขือเทศบรรจุกระป๋อง | รสเปรี้ยว (กระป๋องภายนอกแบบปกติ) | Bacillus thermoacidurans |
| เนื้อบรรจุกระป๋อง | สีดำ มีกลิ่นเหม็นคล้ายไข่เน่า (กระป๋องภายนอกแบบปกติ) | Clostridium nigrificans |
| ปลา | กลิ่นแอมโมเนีย | Pseudomonas และ Alteromonas |
| ปลาเค็ม | สีชมพู | Halobacterium และ Halococcus |
| ไข่ | จุดสีเขียว (green rot) | Pseudomonas fluorescens |
| ไส้กรอก | เกิดสีเขียว | Lactobacillus viridescens และ Leuconostoc |
| มะนาว | โคโลนีสีเขียว (green mold) | Penicillium digitatum |
| ผลไม้สด | โคโลนีสีเทา (gray mold rot) | Botrytis cinerea |
ตัวบ่งชี้การเน่าเสียอาหารจากจุลินทรีย์
มีการศึกษาเพื่อประเมินหาตัวบ่งชี้ที่มีประสิทธิภาพในการคาดคะเนหรือทำนายอายุการเก็บรักษาและการเน่าเสียของอาหารจากจุลินทรีย์ โดยตัวบ่งชี้อาจแบ่งเป็น 3 ประเภทดังนี้
1. ประสาทสัมผัส
ประสาทสัมผัส (Sensory criteria) เช่นการเปลี่ยนแปลงสี กลิ่น รส เนื้อสัมผัส หรือลักษณะ ปรากฏ การใช้ตัวบ่งชี้นี้อาจไม่เหมาะสมหากมีการใช้เป็นดัชนีเพียงอย่างเดียวในการบ่งชี้การเน่าเสียอาหาร เพราะการเปลี่ยนแปลงกลิ่นหรือเนื้อสัมผัสมักเกิดขึ้นเมื่อมีการเน่าเสียของอาหารมากแล้ว หรือกลิ่นรสของอาหารที่เน่าเสียแล้วอาจถูกกลบด้วยกลิ่นรสของส่วนผสมที่เติมหรือมีในอาหาร เช่น เครื่องเทศ เป็นต้น นอกจากนี้กลิ่นสารระเหยของอาหารที่เน่าเสียอาจไม่สามารถตรวจสอบได้ ถ้าอาหารนั้นสัมผัสกับอากาศและเมื่อเปรียบเทียบกับอาหารชนิดเดียวกันที่บรรจุในภาชนะบรรจุ รวมทั้งผู้ตรวจสอบแต่ละคนมีความสามารถในระบบประสาทสัมผัสที่แตกต่างกัน ดังนั้นควรใช้ประสาทสัมผัสร่วมกับตัวบ่งชี้อื่นๆ
2. ทางจุลชีววิทยา
อาหารแต่ละชนิดมักมีการเน่าเสียจากจุลินทรีย์ที่แตกต่างกัน เพราะสภาพแวดล้อมของอาหารมีผลต่อชนิดของจุลินทรีย์ โดยทั่วไปจะเลือกจุลินทรีย์ที่เป็นpredominant ของอาหารนั้นเป็นตัวบ่งชี้การเน่าเสีย เช่น เนื้อสัตว์แช่เย็นที่เก็บในสภาพที่มีอากาศจะมีการเน่าเสียจากจุลินทรีย์แกรมลบ รูปร่างrod ชอบอุณหภูมิต่ำและเจริญในที่มีออกซิเจน ดังนั้นจุลินทรีย์กลุ่มนี้จึงเหมาะที่จะเป็นตัวบ่งชี้การเน่าเสียของเนื้อแช่เย็นที่เก็บรักษาในสภาพดังกล่าว แต่การตรวจสอบจำนวนของจุลินทรีย์ที่ใช้เป็นตัวบ่งชี้การเน่าเสียอาหารจะใช้เวลานานกว่าจะทราบผล อย่างไรก็ตามสามารถแก้ไขปัญหาดังกล่าวได้ เช่นไม่ตรวจนับจำนวนเซลล์โดยตรงแต่ตรวจสอบปริมาณของสาร Lipopolysaccharide แทนก็จะสามารถประเมินจำนวนของแบคทีเรียแกรมลบในอาหารได้ วิธีนี้จะไม่สามารถใช้กับอาหารที่เน่าเสียจากแบคทีเรียแกรมบวก ดังนั้นต้องใช้วิธีการอื่นๆ
3. ทางเคมี
เมื่อจุลินทรีย์เจริญในอาหารจะมีการสร้างสารต่างๆหลายชนิดขึ้นซึ่งอาจมีผลหรือความสัมพันธ์ต่อการเน่าเสียของอาหาร หากมีวิธีการที่เหมาะสม สามารถตรวจสอบสารเฉพาะที่เกิดขึ้น(โดยเฉพาะกรณีที่สารดังกล่าวมีปริมาณต่ำ) ก่อนที่อาหารจะเน่าเสีย ผลการตรวจสอบที่ได้จะสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้การเน่าเสียของอาหารได้ อย่างไรก็ตามสารแต่ละชนิดที่เกิดขึ้นจะสร้างจากจุลินทรีย์ต่างกลุ่มต่างชนิดกัน ดังนั้นสารที่ตัวบ่งชี้ในอาหารชนิดหนึ่ง อาจไม่สามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ในอาหารอีกชนิดหนึ่งได้ การเปลี่ยนแปลงความเป็นกรด-ด่าง สามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้การเน่าเสียของเนื้อสัตว์จากจุลินทรีย์ได้ เนื้อสัตว์ในสภาพดีมีค่าความเป็นกรด-ด่าง 5.5 เมื่อจุลินทรีย์มีการใช้คาร์โบไฮเดรต จะทำให้เกิดกรด ค่าความเป็นกรด-ด่างจะลดลง แต่เมื่อจุลินทรีย์ใช้กรดแอมิโน จะทำให้ค่าความเป็นกรด-ด่างเพิ่มขึ้นสูงถึง 8 ได้ แต่ในกรณีของอาหารที่มีไขมันต่ำแต่มีปริมาณของฟอสเฟตสูง (มีคุณสมบัติเป็นbuffer) ค่าความเป็นกรด-ด่างจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงชัดเจน ถึงแม้จะมีการเจริญของจุลินทรีย์ ดังนั้นค่าความเป็นกรด-ด่างจึงไม่เหมาะสมที่จะใช้เป็นตัวบ่งชี้การเน่าเสียของอาหารชนิดนี้
ตารางที่ 5 สารที่จุลินทรีย์ผลิตซึ่งใช้บ่งชี้คุณภาพของอาหาร
| สารที่จุลินทรีย์ผลิต | ตัวอย่างของอาหาร |
|
Cadaverine และ Putrescine |
เนื้อวัวบรรจุในสภาพสุญญากาศ |
|
Ethanol |
น้ำแอปเปิ้ล |
|
Histamine |
ปลาทูนาบรรจุกระป๋อง |
|
Lactic acid |
ผักกระป๋อง |
|
Trimethylamine |
ปลา |
|
Volatile fatty acid |
เนยเหลว และครีม |
ในการเลือกตัวบ่งชี้ใดต้องพิจารณาหลายปัจจัย เช่น ชนิดอาหาร และอาจมีการใช้ตัวบ่งชี้มากกว่าหนึ่งในการบ่งบอกการเน่าเสียของอาหารชนิดหนึ่ง รวมทั้งยังต้องมีการศึกษาหาตัวบ่งชี้อื่นๆที่มีความเหมาะสมต่อไป
วิชาสอนของ อ. เจริญ 