Biofilmy mikrobiologiczne w przemyśle mięsnym: aspekty zdrowotne i metody kontroli

Czym są biofilmy mikrobiologiczne?

Biofilmy mikrobiologiczne to społeczności mikroorganizmów, zdolne do przyczepiania się do powierzchni (żywej lub nieożywionej) lub do siebie nawzajem. Biofilmy mogą składać się z pojedynczych gatunków mikroorganizmów lub kombinacji wielogatunkowej [1]. Szacuje się, że od 40% do 80% mikroorganizmów na ziemi jest zdolna do tworzenia biofilmów [2]. Mikroby wytwarzają macierz polimerową składającą się z polimerów zewnątrzkomórkowych, które z kolei składają się głównie z białek, lipidów, polisacharydów, kwasów nukleinowych i innych makrocząsteczek [1].  

W przemyśle spożywczym biofilmy mikrobiologiczne mogą pojawiać się na powierzchniach mających kontakt z żywnością lub na powierzchniach, które nie mają z nią kontaktu. Niewiarygodny jest fakt, że mogą tworzyć się już po 4 godzinach od umycia linii produkcyjnej [3]. Mikroorganizmy w biofilmie zwykle są znacznie bardziej oporne na biocydy czy środki do mycia i dezynfekcji, niż te same mikroorganizmy w formie zawiesiny.  Niestety, dowiedziono także, że strukturalne cechy biofilmu i mikroby w nim zawarte odpowiadają za rozwój oporności na antybiotyki. Szacuje się, że mikroorganizmy zasiedlające biofilm wykazują nawet 10-1000x wzrost lekooporności w porównaniu z planktonicznym („tradycyjnym”) organizmem [4].

Formowanie biofilmu to dynamiczny i złożony proces, który jest uwarunkowany wieloma czynnikami biologicznymi, fizyko-chemicznymi i środowiskowymi [5]. Na jego wpływ mają m. in. struktura powierzchni komórek, produkcja substancji zewnątrzkomórkowych, stan fizjologiczny komórek, czynniki związane z powierzchnią (np. porowatość czy rodzaj materiału), dostępność składników odżywczych, pH, temperatura czy obecność tlenu [1, 5]. Rozwój prawdziwego biofilmu może trwać dni, a nawet tygodnie i niekoniecznie jest jednorodny w czasie i przestrzeni [6]. Na Rysunku 1 przedstawiono etapy powstawania biofilmu mikrobiologicznego.

Rysunek 1. Etapy powstawania biofilmu (opracowanie własne na podstawie [4])

Biofilmy w przemyśle mięsnym

Podobnie jak inne gałęzie przemysłu spożywczego, przemysł mięsny zmaga się z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi czyszczenia i dezynfekcji. Eliminacja mikroorganizmów związanych z biofilmem na urządzeniach przetwórczych jest zadaniem niezwykle trudnym, ponieważ, jeśli biofilm się utworzy, nie jest on usuwany podczas codziennej dezynfekcji i muszą zostać podjęte dodatkowe działania [6]. W przetwórstwie mięsnym biofilmy mogą się rozwijać na powierzchniach roboczych, taśmach produkcyjnych, maszynach i urządzeniach, a także na podłogach, ścianach, rurach i w systemie wodnym [7]. Adhezji mikroorganizmów sprzyja obecność surowców i resztek białka, tłuszczu, jak również temperatura, duża wilgotność powietrza [4].

Biofilmy w przetwórstwie mięsnym powodują szereg problemów. Zaczynając od zanieczyszczenia mikrobiologicznego surowców i produktów, co stanowi ryzyko dla zdrowia konsumentów, przez skrócenie trwałości mięsa i produktów mięsnych, a w konsekwencji powodują straty ekonomiczne (konieczność przestojów w produkcji, strat produktów, a także ryzyko kar sanitarno-epidemiologicznych). Obecność biofilmów prowadzi do trudności w czyszczeniu i dezynfekcji oraz do korozji biologicznej urządzeń [6. 7].

Najczęściej spotykanymi mikroorganizmami tworzącymi biofilmy spożywcze w przemyśle mięsnym są Listeria monocytogenes, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus cereus, Escherichia coli O157:H7, Staphylococcus spp. [1, 8], a w przetwórstwie drobiarskim dodatkowo Salmonella spp., Campylobacter spp. i grzyby [7, 9]. Szczególnym zagrożeniem są biofilmy tworzone przez bakterie Listeria monocytogenes, które mogą przetrwać nawet kilka lat. Pod względem bezpieczeństwa żywności, to właśnie L. monocytogenes jest uznawana za najbardziej uciążliwy mikroorganizm ze względu na jej zdolność do przetrwania w temperaturach chłodniczych, zarówno w surowym mięsie, jak i w gotowych do spożycia produktach mięsnych. Ponadto, L. monocytogenes jest bardzo oporna na środki dezynfekujące [8, 10, 11].

Biofilmy jako źródło patogenów chorobotwórczych, aspekty zdrowotne

Biofilmy stanowią rezerwuar drobnoustrojów chorobotwórczych, które mogą przechodzić z powierzchni technologicznych na mięso i produkty mięsne. Komórki mikroorganizmów mogą się odrywać i uwalniać do środowiska produkcyjnego, zanieczyszczając w ten sposób cały zakład mięsny. Prowadzi to do wtórnego skażenia mięsa i produktów gotowych, często bez widocznych oznak psucia [8].

Patogeny uwalniane z biofilmów stanowią poważne zagrożenie dla życia ludzi, gdyż mogą powodować listeriozę, salmonellozę czy kampylobakteriozę, czyli bakteryjne choroby zakaźne, wywołujące zakażenia przewodu pokarmowego [12], a także szczególnie groźne zakażenia E. coli O157:H7, która jest jedną z najgroźniejszych patogenów jelitowych człowieka [13]. Choroby te mogą być długotrwałe i trudne do leczenia, zwłaszcza u osób z obniżoną odpornością. Szacuje się, że w opiece zdrowotnej ludzi biofilmy odpowiadają za 70% wszystkich zakażeń wywoływanych przez mikroorganizmy [4].

Metody kontroli i eliminacji biofilmów mikrobiologicznych

Badania naukowe wykazały, że biofilmy stanowią główne źródło zanieczyszczeń podczas zanieczyszczania żywności oraz, że trwałość biofilmów na powierzchniach mających kontakt z żywnością i na sprzęcie jest kluczowym czynnikiem stanowiącym trwałe źródło zanieczyszczeń. Istotne jest również to, że niektóre mikroorganizmy tworzące biofilm, które są obecne w środowiskach zakładów spożywczych, to patogeny ludzkie. Dlatego niezwykle ważne jest znalezienie nowych i skutecznych strategii eliminacji lub kontroli tworzenia się biofilmów, które są siedliskiem szkodliwych patogenów [1].

Najskuteczniejszym sposobem zwalczania biofilmów bakteryjnych w przetwórstwie mięsnym jest zapobieganie ich powstawaniu. Ograniczenie tworzenia się biofilmów w newralgicznych miejscach jest możliwe dzięki stosowaniu aseptycznych metod przetwarzania, regularnemu czyszczeniu i dezynfekcji oraz sterylizacji sprzętu po każdym użyciu [14].

Standardowe programy sanitacji obejmują usuwanie zanieczyszczeń, płukanie, namaczanie w detergencie, płukanie, dezynfekcję i płukanie końcowe, co w przypadku biofilmów nie jest satysfakcjonujące [6]. Dlatego opracowano różne metody usuwania biofilmów spożywczych, które można ogólnie podzielić na 4 kategorie:

(1) Metody chemiczne mają na celu zniszczenie komórek mikroorganizmów, a także uniemożliwienie ponownego tworzenia biofilmu przez usunięcie resztek organicznych. Stosuje się głównie środki zasadowe (np. wodorotlenek sodu), środki kwasowe (np. kwas azotowy, kwas nadoctowy), środki utleniające (np. nadtlenek wodoru, chlor) i środki powierzchniowo czynne (detergenty).

(2) Metody fizyczne polegają na mechanicznym oddziaływaniu na powierzchnię, w celu usunięcia struktury biofilmu, dzięki działaniu sił fizycznych, sił tarcia, ciśnienia, temperatury, ultradźwięków czy promieniowania.

(3) Metody biologiczne opierają się na wykorzystaniu naturalnych procesów biologicznych, bakteriofagów, enzymów, probiotyków czy biosurfaktantów.

(4) Metody kombinowane polegają na łączeniu kilku technik jednocześnie, tak aby zwiększyć skuteczność w eliminacji i zapobieganiu ponownemu tworzeniu się biofilmu. W praktyce przemysłowej najskuteczniejsze jest łączenie metod fizycznych z chemicznymi, np. połączenie mycia wysokociśnieniowego ze środkami zasadowymi, łączenie enzymów proteolitycznych z falami ultradźwiękowymi lub zastosowanie ultradźwięków z detergentem [10, 14].

Podsumowanie

Biofilmy mikrobiologiczne są poważnym problemem w przemyśle mięsnym. W celu minimalizacji liczby mikroorganizmów związanych z biofilmem na urządzeniach przetwórczych, kluczowa jest identyfikacja krytycznych miejsc i poświęcenie im pełnej uwagi podczas dezynfekcji. Ponadto należy dokładnie rozważyć właściwy dobór i zastosowanie środków czyszczących i dezynfekujących, a także odpowiedni program sanitarny. Tak naprawdę, to metody kontroli biofilmów zaczynają się już na etapie zapobiegania ich powstawania. Odpowiednie projektowanie działów produkcyjnych, projektowanie całych parków maszynowych zgodnie z zasadami higieny czy odpowiedni wybór materiałów do urządzeń może zapobiec ich tworzeniu. Kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa żywności i jakości produktów mięsnych jest też odpowiednie szkolenie personelu.

Dr inż. Anna Łepecka – Zakład Technologii Mięsa i Tłuszczu, Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. W. Dąbrowskiego – Państwowy Instytut Badawczy

Literatura i źródła cytowań

• Liu, X., Yao, H., Zhao, X., & Ge, C. (2023). Biofilm formation and control of foodborne pathogenic bacteria. Molecules, 28(6), 2432. 
• Flemming, H. C., & Wuertz, S. (2019). Bacteria and archaea on Earth and their abundance in biofilms. Nature Reviews Microbiology, 17(4), 247-260.
• Gunduz, G. T., & Tuncel, G. (2006). Biofilm formation in an ice cream plant. Antonie Van Leeuwenhoek, 89(3), 329-336.
• Sharma, S., Mohler, J., Mahajan, S. D., Schwartz, S. A., Bruggemann, L., & Aalinkeel, R. (2023). Microbial biofilm: a review on formation, infection, antibiotic resistance, control measures, and innovative treatment. Microorganisms, 11(6), 1614.
• Alotaibi, G. F., & Bukhari, M. A. (2021). Factors influencing bacterial biofilm formation and development. American Journal of Biomedical Science & Research, 12(6), 617-626.
• Jessen, B., & Lammert, L. (2003). Biofilm and disinfection in meat processing plants. International Biodeterioration & Biodegradation, 51(4), 265-269.
• Alves, V. F., Tadielo, L. E., Pires, A. C. M. D. S., Pereira, M. G., Bersot, L. D. S., & De Martinis, E. C. P. (2024). Hidden places for foodborne bacterial pathogens and novel approaches to control biofilms in the meat industry. Foods, 13(24), 3994.
• Wang, R. (2019). Biofilms and meat safety: a mini-review. Journal of Food Protection, 82(1), 120-127.
• Rossi, D. A., Melo, R. T., Mendonça, E. P., & Monteiro, G. P. (2017). Biofilms of Salmonella and Campylobacter in the poultry industry. [in:] Poultry Science, Edited by Milad Manafi; 93-114.
• Rather, M. A., Gupta, K., Bardhan, P., Borah, M., Sarkar, A., Eldiehy, K. S., ... & Mandal, M. (2021). Microbial biofilm: A matter of grave concern for human health and food industry. Journal of Basic Microbiology, 61(5), 380-395.
• Paiva, J., Silva, V., Poeta, P., & Saraiva, C. (2025). Antimicrobial Resistance Profile and Biofilm Formation of Listeria monocytogenes Isolated from Meat. Antibiotics, 14(5), 454.
• Silva, A., Silva, V., Gomes, J. P., Coelho, A., Batista, R., Saraiva, C., ... & Poeta, P. (2024). Listeria monocytogenes from food products and food associated environments: Antimicrobial resistance, genetic clustering and biofilm Insights. Antibiotics, 13(5), 447.
• Oloketuyi, S. F., & Khan, F. (2017). Strategies for biofilm inhibition and virulence attenuation of foodborne pathogen-Escherichia coli O157:H7. Current Microbiology, 74(12), 1477-1489.
• Daniluk, K. J., Wójcicki, M., & Juszczuk-Kubiak, E. (2021). Biofilm bakteryjny i możliwości jego eliminacji w przemyśle spożywczym. Żywność. Technologia. Jakość., 28, 2, 5 – 20.