Существуют вещества, которые замедляют или полностью тормозят рост микроорганизмов. Если вещество подавляет рост бактерий, а после его удаления или снижения концентрации рост их возобновляется вновь, то говорят о бактериостатическом действии, в то время как бактерицидные вещества вызывают гибель клеток.
Проявление того или иного действия дезинфектантов связано с концентрацией химических агентов, с температурой и величиной рН среды; также имеют значение видовые различия микроорганизмов, возраст вегетативных клеток, спорообразование.
Эффективность различных агентов, применяемых для уничтожения микроорганизмов, характеризуется показателем D10, который обозначает время, необходимое для того, чтобы в определенной популяции при определенных условиях среды вызвать гибель 90% клеток.
Механизм действия различных антимикробных препаратов на микроорганизмы отличается один от другого. Это может быть повреждение поверхностей структур (клеточной стенки и цитоплазматической мембраны) либо повреждение ферментов и нарушение метаболизма, подавление синтеза белков и нуклеиновых кислот антибиотиками. В табл. 6 приведены сведения по механизму действия некоторых дезинфицирующих веществ.
Различают химическую, термическую и химотермическую дезинфекции.
Метод термической дезинфекции предполагает подачу пара в трубопроводы и аппараты, при этом все поверхности должны быть нагреты до 90°С и выдержаны при этой температуре не менее 10 мин. Этот способ используют на этапе получения чистой культуры дрожжей.
Для дезинфекции оборудования и производственных помещений используют метод химической дезинфекции, при этом на поверхность наносится химический состав, который остается в течение некоторого времени (от 30 до 60 мин) и затем смывается водой. Обычно химическая дезинфекция проводится при той температуре, при которой осуществляются технологические процессы в данном оборудовании.
Химотермическая дезинфекция предполагает применение повышенных температур (60-100°С) с целью снижения концентрации дезинфектантов или сокращения времени их воздействия.
Таблица 6
Механизм действия дезинфицирующих веществ
Направление действия | Дезинфицирующие агенты | Механизм действия |
Повреждение клеточной стенки и клеточных мембран | Этанол | Коагуляция белка |
Детергенты | Нарушение функции клеточных мембран | |
Повреждение ферментов и нарушение метаболизма | Тяжелые металлы | Связывание SН-группы ферментных белков, в результате чего изменяется их структура и ферментативная активность. Блокирование функциональной сульфгидрильной группы КоА |
Антимицин А | Нарушает перенос электронов по дыхательной цепи | |
2,4-динитрофенол | Разобщение процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях | |
EDТА | Связывание коферментов (главным образом двухвалентных металлов) | |
Фторацетат | Блокирование цикла трикарбоновых кислот | |
Конкурентное ингибирование | Оксид углерода | Подавление дыхания за счет конкурирования с кислородом за цитохромоксидазу (конкурентное торможение) |
Сульфонамид | Антиметаболит 4-аминобензоата. Аминобензоат входит в состав тетрагидрофолевой кислоты. Метаболит и антиметаболит беспрепятственно входят в клетку и включаются в фолиевую кислоту | |
Канаванин | Антиметаболит аргинина | |
Малонат | Антиметаболит сукцината. Малонат ингибирует сукцинатдегидрогеназу, фермент ЦТК | |
Подавление синтеза нуклеиновых кислот и белка | Антибиотики | Направлен на функцию рибосом, влияет на синтез ДНК и РНК |
В открытых системах, а также на многих участках технологического процесса в пределах закрытых систем (производство напитков, склады) химическая дезинфекция обычно не применяется.
В табл. 7 даны сведения о некоторых типах дезинфицирующих средств, применяемых в пищевой промышленности. Дезинфектанты подразделяются на окисляющие (например, хлорсодержащие препараты, надуксусная кислота, перекись водорода и т. д.) и неокисляющие типы (например, щелочи и кислоты).
При выборе дезинфицирующего вещества следует остановиться на таких показателях, как:
- совместимость с другими химическими веществами;
- совместимость с материалами оборудования;
- толерантность к жесткой воде;
- низкая способность к пенообразованию или ее полное отсутствие;
- безопасность при использовании (отсутствие раздражения кожи при контакте);
- способность к длительному хранению;
- не влияние на пеностойкость;
- широкая антимикробная активность при низких концентрациях и низких температурах;
- экономичность в использовании;
- минимальное влияние на окружающую среду.
К сожалению, ни один из дезинфектантов не обладает всеми вышеперечисленными характеристиками.
Механизмы действия, преимущества и недостатки применения дезинфектантов. Дезинфицирующие вещества, предлагаемые фирмами, содержат не только чистый препарат антисептика, но также и некоторое количество вспомогательных средств: ПАВ – для улучшения смачиваемости; комплексообразователи – для снижения выпадения солей жесткости.
Эффективность применения дезинфицирующих растворов зависит от:
- природы дезинфицирующего вещества;
- чистоты обрабатываемой поверхности;
- температуры раствора;
- рН среды;
- концентрации дезинфектанта;
- времени обработки.
Важным обстоятельством для обеспечения результативной дезинфекции является чистая поверхность, так как если на поверхности остается много загрязняющих веществ, то для того, чтобы получить надежный эффект, необходимо увеличивать рабочие концентрации дезинфектантов. Это наглядно проявляется при использовании препаратов, содержащих активный хлор, а также в случае применения надуксусной кислоты. Белковой чувствительностью отличаются также альдегидные соединения.
Таблица 7
Типы дезинфицирующих веществ
Дезинфицирующие вещества | Применение | Отрицательный эффект | Примечание |
Соединения хлора (гипохлорит, хлорамины, хлорфосфаты, препараты на основе дихлоризоциануровой кислоты: хлордезан, дихлор-1, хлорцин-N) | Применяются в закрытых системах и только в щелочной среде | Белковый дефект*, вызывает коррозию, появление посторонних привкусов в пиве | Экологически опасны. Концентрация 100-500 мг/дм3 по активному хлору, температура не выше 25 °С. Стойкость при храпении ограничена |
Надуксусная кислота (НУК) | Применяется в закрытых системах, может добавляться в воду при ополаскивании | Белковый дефект, вызывают коррозию. Из-за запаха не добавляется в замочные чаны. Действует на кожу | Активная концентрация 0,1-1,0% (в дезоксоне-4 содержится 5-9% НУК). Оптимальные температуры 0-30°С. Экологически безвредная. Хорошая смываемость |
Галогеноуксусные кислоты (монохлоруксусная, монобромуксусная) | Рекомендуются для дезинфекции по методу СИП при производстве напитков. Многократное использование | Высокая токсичность, не используются в замочных чанах | - |
Четвертичные соединения аммония (катамин АБ, QAV, Quats – катионные ПАВ), олигомеры, бигуаниды, азотсодержащие амфотерные ПАВ, производные жирных аминов | В открытых системах (мойки бутылок, лагерных и бродильных танков) | Ограниченное применение, так как адсорбируются на поверхности оборудования, отрицательно влияют на качество пены (инактивируют тензиды), плохо смываются | Низкая активная концентрация (0,2 -0,5%), не имеют запаха, слабые коррозийные свойства. QAV в комбинации с альдегидом дает быстрый антимикробный эффект. Недостаточно эффективно действуют на грамотрицательные бактерии. Применение ограничено областью рН |
Пероксид водорода | При ведении чистой культуры дрожжей, для обработки семенных дрожжей, в цехе розлива | - | Не должны смешиваться с соединениями, содержащими хлор |
Альдегиды (формальдегид, глутардиальдегид, глиоксаль) | В закрытых системах | Ограниченное применение из-за высокой белковой чувствительности. Очень медленно действуют, поэтому используются в комбинации с четвертичными соединениями. В щелочной среде нестабильны | |
Йодные препараты, спиртовые аэрозольные препараты | Дезинфекция наружных участков разливочных машин | Ограниченное применение. Применяют только в кислой среде и при низких температурах | Короткое время воздействия, низкие температуры, активные концентрации по йоду 15-25 мг/дм3 |
Азотная кислота |
Дезинфекция но методу СИП
|
Возможно повышение уровня нитратов в пиве | Активная концентрация 5-10% |
Каустическая сода | Высокие коррозийные свойства | Горячие 2-3%-ные растворы (80-90°С). Для предотвращения развития посторонних микроорганизмов в щелочи следует вносить дезинфицирующие добавки |
* Белковый дефект – явление взаимодействия дезинфицирующего вещества с органическими соединениями, в результате чего снижается активная концентрация дезинфектанта.
Следующим важным фактором является температура: многие вещества снижают свою активность при низких температурах обработки, однако это не относится к надуксусной кислоте, которая одинаково хорошо действует в широком диапазоне температур (от 0 до 30°С).
Эффективность дезинфекции определяется концентрацией активного вещества в растворе. Между тем в настоящее время практически не существует приборов, с помощью которых можно проверять концентрацию этих веществ в отработанных растворах, поэтому дезинфицирующие средства почти всегда используют однократно. Более того, препараты, содержащие активный хлор, не могут использоваться многократно, так как восстановленные соединения хлора вызывают коррозию поверхностей.
Особенностью некоторых дезинфектантов является избирательность действия по отношению к различным микроорганизмам (табл. 8).
Фактором, определяющим дезинфицирующий эффект, является концентрация дезраствора; при этом следует иметь в виду, что при уменьшении концентрации препарата необходимо увеличить длительность обработки поверхности.
Снижение дезинфицирующего эффекта от применения дезинфектантов может быть связано со следующими факторами:
- наличием органических остатков;
- смешением катионных и анионных тензидов (в связи с этим не рекомендуется самостоятельно составлять смеси дезинфицирующих средств, а перед дезинфекцией тщательно смывать моющий раствор, приготовленный на основе соединений аммония);
- с низкой концентрацией веществ (поэтому следует использовать автоматические дозаторы, вести постоянный контроль за концентрациями растворов, а также выдерживать программу обработки);
- при обработке не соблюдены требуемые интервалы значений температуры и величины рН.
Таблица 8
Спектр действия дезинфицирующих веществ
Дезинфицирующие вещества | Бактерии | Вирусы | Грибы | ||||
грамположительные | грамотрицательные | дрожжи | плесени | ||||
Споры | Вегета-тивные | Мико-бактерии | |||||
Надуксусная кислота | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ | ++ |
Активный хлор | ++ | ++ | + | ++ | ++ | + | + |
Йод, соединения йода | ++ | ++ | + | ++ | +- | + | + |
Альдегиды | ++ | ++ | ++ | ++ | +- | + | + |
Фенол и дериваты | - | ++ | ++ | ++ | +- | + | + |
Этиловый спирт | - | ++ | ++ | ++ | +- | + | + |
Аммонийные соединения | - | ++ | - | + | +- | ++ | +- |
Гуанидины | - | ++ | - | ++ | - | + | + |
Амфотерные соединения | - | ++ | + | ++ | - | ++ | ++ |
Примечание. (++) – хороший дезинфицирующий эффект; (+) – средний эффект; (-) – не действует; (+-) – селективное (избирательное) действие.
Дезинфектанты. Препараты на основе надуксусной кислоты (НУК). Надуксусная кислота (СН3СОООН) в настоящее время представляет собой наиболее экологически безопасный дезинфектант, так как продуктами ее распада являются, кислород и уксусная кислота (СН3СООН):
2СН3СОООН →2СН3СООН + О2
В водном растворе образуется пероксид водорода (Н2О2), который является сильным окислителем:
СН3СОООН + Н2О → сн3соон + н2о2
НУК хорошо смывается с поверхности оборудования и имеет целый ряд других технологических преимуществ по сравнению с другими дезинфектантами. В то же время она обладает очень неприятным запахом, при больших концентрациях вызывает коррозию, химически активна и выступает как сильный окислитель; НУК отрицательно действует на резиновые прокладки. Растворы НУК не очень стабильны, и для нее характерен белковый дефект, т. е. взаимодействие с органическими соединениями. Она рекомендована только для мойки по методу СИП в качестве завершающего процесс дезинфицирующего средства, а вследствие проявления биоцидного эффекта при низких температурах НУК применяется для дезинфекции форфасов и танков.
Хлорсодержащие дезинфектанты и другие галогены. Дезинфицирующие вещества на основе активного хлора находят широкое применение в промышленности, несмотря на целый ряд недостатков.
Активный хлор применяется в двух видах:
- неорганические соединения, содержащие ионы гипохлорита;
- органические хлорсодержащие соединения (например, трихлоризоцианурат).
Существенным недостатком этих препаратов является образование органических устойчивых галоидных соединений и хлорного газа, который получается при взаимодействии хлорсодержащих препаратов с кислотами.
На производстве обычно используется гипохлорит натрия (NaОСl). Это соединение наиболее стабильно в слабом растворе щелочи, поэтому концентрат его поставляется на завод с NaOH (значении рН около 12). В используемых растворах 50-300 мкг/дм3 значения рН составляют 7-9. При оптимальном для дезинфекции значении рН 5,0 раствор менее стабилен. При рН менее 5,0 выделяется газ Сl2. NaOCl гидролизует протеины, делая их более растворимыми и легко удаляемыми.
Это соединение имеет много преимуществ, среди них отсутствие образования пены, толерантность к жесткой воде, оно не оставляет остатков в виде активных компонентов, имеет широкий антимикробный спектр, действует быстро и экономично в использовании.
Диоксид хлора. Это бактерицидное средство с широким спектром действия на микроорганизмы. Бактерицидный эффект связан с его высокой окисляющей способностью. Отмечено отсутствие адаптации микроорганизмов к этому препарату.
Диоксид хлора (СlО2) получают непосредственно на пивоваренном заводе из хлорита натрия (NaClО2) и соляной кислоты (HCl).
Ранее диоксид хлора широко использовали для обработки воды и сточных вод вместо хлора и озона. При дезинфекции воды применяют двуокись хлора в концентрациях 0,2-0,4 мг/дм3. В качестве дезинфицирующего агента в пивоварении рекомендованы дозировки 1–3 мг/дм3. Для ополаскивания аппаратов после дезинфекции с точки зрения микробиологической чистоты рекомендуется добавлять в воду 0,8 мг/дм3 СlО2.
Несомненными преимуществами данного хлорсодержащего препарата являются его низкая себестоимость и относительная безопасность для окружающей среды, так как отсутствует образование канцерогенных продуктов: хлорфенолов, тригалометана, в значительной степени снижается образование высокомолекулярных соединений органогалогенов. Двуокись хлора не вступает во взаимодействие с ионами NH4+ и аминосоединениями.
Препараты йода. Йодные препараты используют для дезинфекции разливочных и укупоривающих машин. Эти препараты характеризуются быстротой действия и широким дезинфицирующим спектром влияния на микроорганизмы.
В пивоварении йод используют в сочетании с ПАВ (йодофоры), в качестве активного вещества выступает йод. Для проявления его активности оптимальное значение величины pH около 5,0. ПАВ, в свою очередь, улучшает смачивание и проникновение йода в органическое загрязнение. Эти соединения более эффективны, чем гипохлориты, но они дороже последних. Используют их в ваннах для отмочки, при распылении в концентрациях 10 мг/дм3 свободного йода. Рабочие растворы нестабильны и по мере хранения обесцвечиваются. При больших концентрациях они обладают коррозионными свойствами.
Препараты брома. Бром используют редко, только для обработки оборотной воды.
Бромноватистая кислота наряду с хлорноватистой может быть образована растворением бром-хлор-диэтилхидантоина, поставляемого в твердом или порошкообразном состоянии, в воде с помощью броматора:
C5H6BrClN2О2 + 2Н2О → C5H8N2О2 + НОВr + НОСl
Поступление воды в броматор регулируется так, чтобы поддерживать определенный уровень брома – 0,5 мкг/дм3. В этом виде бром обладает меньшей коррозионной активностью, чем гипохлорит. Бром-хлор-диэтилхидантоин обеспечивает сравнительно безопасный путь при использовании брома.
2-бром-2-нитропропан-1,3-диол (БНПД) – является медленно действующим биоцидом. Он используется для обработки рециркулирующей воды; действует в кислой среде и разлагается под действием микроорганизмов. Активен против широкого спектра микроорганизмов.
Пероксид водорода и другие окислители. Пероксид водорода (Н2О2) поставляется в растворе, где он частично разлагается:
2Н2О2→2Н2О + О2
Использование пероксида водорода для ручной дезинфекции не рекомендовано. Это вещество главным образом используется для распрыскивания из моющих головок, например, при асептическом розливе. Н2О2 является бактерицидным и фунгицидным средством, однако некоторые бактерии и грибы проявляют к пероксиду водорода меньшую чувствительность, так как они способны продуцировать фермент каталазу, разрушающую его. В виду того, что это вещество действует медленно, для хорошего антимикробного эффекта необходимы длительный контакт и/или повышение температуры.
Альдегидные препараты. Формальдегид, глутаральдегид, глиоксаль редко используют в пивоварении в связи с высокой белковой чувствительностью и медленным воздействием на микроорганизмы (иногда несколько часов). Глутаральдегид применяют в тоннельных пастеризаторах. Оптимальный уровень рН находится в диапазоне от щелочного до слабокислого.
Следует учитывать влияние этих соединений на организм человека. В настоящее время дискутируется вопрос об их канцерогенности.
Изотиазолины. Эти вещества используют в тоннельных пастеризаторах и башенных охладителях. Эффект достигается при длительном воздействии препарата. Здесь их антимикробная активность заключается в действии на сульфитредуцирующие бактерии, которые являются причиной появления черной слизи, постороннего запаха и коррозии. Изотиазолины добавляют в растворы моющих веществ, чтобы увеличить срок использования последних.
Дезинфектанты неокислительного действия. К типу неокисляющих дезинфектантов относятся четвертичные аммонийные соединения, бигуанидины, растворы этанола, каустика, кислот и фенольные соединения (последние в пивоварении не используют).
Четвертичные аммонийные соединения (ЧАС) – это катионные ПАВ:
ЧАС имеют значительно меньший дезинфицирующий эффект, чем окислители, они образуют пену, что не подходит при использовании технологии СИП. Кроме того, наблюдается «привыкание» к ним микроорганизмов. Эти вещества используются главным образом для отмачивания засохшей грязи и ручной мойки при концентрациях более 200 мкг/дм3. Спектр рН для проявления их активности от 3 до 10. Но они малорастворимы, а с таннином пива образуют осадок, поэтому применяются редко.
Бигуанидины являются производными от натурального вещества гуанидина, обнаруженного в злаках и овощах:
Активность бигуанидинов наблюдается при рН от 3 до 9, причем при рН более 9 они выпадают в осадок. Так как бигуанидины не образуют пену, их применяют в системах СИП. Их также используют для отмачивания засохшей грязи, при ручной мойке и в качестве биоцида в тоннельных пастеризаторах. Эти соединения малоэффективны по отношению к дрожжам и плесневым грибам, а также спорам бактерий. Главное достоинство их – малотоксичность.
Спиртовые аэрозоли применяют для дезинфекции разливочных машин в области стерильного розлива.
Каустик (каустическая сода) при высоких температурах интенсивно воздействует на контаминирующую микрофлору, что видно на примере наиболее устойчивой ее формы – спор (табл. 9).
Таблица 9
Концентрация NaOH (в об. %) при которой достигается гибель 25% спор Bacillus subtilis
Температура, °С | Время, мин | ||||
1 | 2 | 4 | 8 | 16 | |
49,0 | 2,44 | 1,64 | 1,10 | 0,74 | 0,50 |
54,5 | 2,15 | 1,44 | 0,97 | 0,65 | 0,44 |
60,0 | 1,90 | 1,28 | 0,86 | 0,58. | 0,39 |
65,5 | 1,66 | 1,12 | 0,75 | 0,51 | 0,34 |
71,0 | 1,46 | 0,89 | 0,66 | 0,45 | 0,30 |
Пар. Эффективен для стерилизации оборудования, но используется в пивоварении в ограниченных масштабах. Пар должен быть влажным и не содержать воздуха. Для получения эффекта стерилизации обработка может длиться до 1,5 ч. Применение пара ограничено в связи с его дороговизной, опасностью использования, а кроме того, может иметь место затвердевание загрязнений (при плохо вымытых поверхностях) и, наконец, он отрицательно влияет на резиновые прокладки.
В настоящее время для дезинфекции оборудования используют горячую воду с температурой более 85°С.