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Quantifizierung des Sauerstoffverbrauchs von fleischverderbenden Mikroorganismen unter 30 % CO2 / 70 % O2 Atmosphäre

Messungen in einer simulierten Fleischverpackungs-Umgebung mit optischen O2 Sensor Spots SP-PSt3

Sandra Kolbek
Lehrstuhl für Technische Mikrobiologie, Technische Universität München, Deutschland

Um die rote Farbe von Fleischprodukten länger aufrecht zu erhalten, werden Rind- und Schweinefleisch unter modifizierter Atmosphäre verpackt. Dabei kommt vor allem eine Schutzatmosphäre bestehend aus 30 % CO2 und 70 % O2 zum Einsatz. Der hohe Sauerstoffanteil in der Schutzgasverpackung verhindert das Oxidieren des im Blut vorkommenden Farbstoffes Myoglobin zu dem bräunlichen Metmyoglobin.
In vorangegangenen Arbeiten an unserem Lehrstuhl für Technische Mikrobiologie, wurde eine Abnahme des Sauerstoffgehalts in Schutzgas-verpacktem Rindfleisch über die Lagerzeit von mehrere Tagen, bei durchgängiger Kühlung, festgestellt. Dies hatte eine unerwünschte Farbveränderung des Fleischproduktes zur Folge. Zudem änderte sich die vorherrschende Mikrobiota des Fleisches in Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts in der Verpackung. Die sich daraus ergebende Fragestellung lautete: Welche fleischverderbenden Mikroorganismen sind in der Lage Sauerstoff zu verbrauchen und somit zur Abnahme des Sauerstoffgehalts in der Verpackung beizutragen? Und wie hoch ist der Beitrag dieser Mikroorganismen an der Sauerstoffzehrung in der Fleischverpackung?

Material & Methoden

Es wurde ein Modell System in 1 Liter Hochdruckflaschen entwickelt, welches die Bedingungen auf echtem Fleisch wiederspiegelt. Die Flaschen wurden zur Hälfte mit einem fleischähnlichen Medium befüllt und der Kopfraum der Flaschen wurde mit der Schutzgasatmosphäre von 30 % CO2 und 70 % O2 ersetzt. Durch einen Butyl-Stopfen konnten die Flaschen gasdicht verschlossen werden. Somit konnte das Fermentationsmedium mit echtem Fleisch und der Kopfraum der Flaschen mit dem Kopfraum in Fleischverpackungen gleichgesetzt werden. Über zwei Kanülen konnte sowohl der Kopfraum, als auch das Wachstum der Bakterien über die Zeit hinweg aufgezeichnet werden. Ein O2 Sensor Spot SP-PSt3 wurde auf der Innenseite der Glasflaschen auf Höhe des Mediums angebracht. So konnte mit einem Fibox 3 LCD trace Sauerstoffmessgerät der gelöste Sauerstoffgehalt im Medium nicht invasiv durch die Flaschenwand überwacht werden. Die Flaschen wurden mit den fünf fleischverderbenden Mikroorganismen Brochothrix thermosphacta, Carnobacterium divergens, Carnobacterium maltaromaticum, Leuconostoc gelidum subsp. gelidum und Leuconostoc gelidum subsp. gasicomitatum beimpft.

Ergebnisse & Auswertung

Alle Spezies waren in der Lage, den gelösten Sauerstoff im Medium zu verwerten. Die maximale sowie durchschnittliche Sauerstoffaufnahmerate (Oxygen Uptake Rate = OUR) wurde für alle Spezies berechnet. Hierfür wurde zunächst die Diffusionskonstante kLa für die drei Fermentationsmedien (12,5 g/l Fleischextrakt, 50 g/l Fleischextrakt und 100 g/l Fleischextrakt) über die Ausgasungsmethode berechnet.

Anschließend wurde die durchschnittliche sowie maximale Sauerstoffaufnahmerate (OUR) mit der Formel OUR = kLa • ([O2]* - [O2]) - d[O2] / dt berechnet.
Es ergab sich folgender Zusammenhang von gelöstem Sauerstoff (dissolved oxygen = DO), OUR und Zellzahl (cell count CFU) im Medium:

Die berechneten maximalen sowie durchschnittlichen Werte der OUR für alle Spezies sind in nachfolgendem Diagramm dargestellt:

Es zeigte sich eine signifikant höhere Sauerstoffaufnahmerate pro Zelle für die Spezies  B. thermosphacta im Vergleich zu den anderen vier Milchsäurebakterien.
Bei Betrachtung des Kopfraums der Flaschen konnte ebenfalls eine deutliche Abnahme des Sauerstoffgehalt für alle Spezies festgestellt werden.

Berechnungen zum Gesamtsauerstoffverbrauch im Kopfraum über den Zeitraum von 60 Stunden ergaben ebenfalls eine deutlich höhere Sauerstoffaufnahmerate pro Zelle der Spezies B. thermosphacta im Vergleich zu den anderen Milchsäurebakterien.

Zusammenfassung

Diese Ergebnisse beweisen, dass alle fünf untersuchten fleischverderbenden Mikroorganismen zur Abnahme des Sauerstoffgehalts in Fleischverpackungen beitragen. Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass B. thermosphacter  einen höheren Beitrag an der Sauerstoffzehrung in Fleischverpackungen leistet, als die anderen untersuchten Spezies. Das nicht invasive, optische Messprinzip des SP-PSt3 Sensor Spots erwies sich als sehr vorteilhaft für diese Experimente, da es möglich war den Sauerstoffgehalt des Mediums durch die Flaschenwand zu messen ohne das geschlossene, gasdichte System verändern zu müssen.

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