Impact of climate change on the microbiological spoilage of non-refrigerated food products
Authors: Μίσιου Ουρανία 
Published: February 2023

Τα μικροβιολογικώς σταθερά τρόφιμα περιλαμβάνουν προϊόντα που δεν αλλοιώνονται ή δεν αποτελούν κίνδυνο για την υγεία των καταναλωτών όταν διατηρούνται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος ή «στο ράφι». Αντιπροσωπεύουν μια σημαντική ομάδα στην αγορά τροφίμων και περιλαμβάνουν προϊόντα υψηλής κατανάλωσης, όπως κονσερβοποιημένα τρόφιμα, προϊόντα επεξεργασμένα με εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες (π.χ. γάλα UHT), παστεριωμένα τρόφιμα μέτριας ή υψηλής οξύτητας (χυμοί φρούτων και λαχανικών), αποξηραμένα τρόφιμα κ.λπ. Τα μικροβιολογικώς σταθερά τρόφιμα δεν είναι αποστειρωμένα, αλλά οι μικροοργανισμοί που περιέχουν δεν μπορούν να αναπτυχθούν κατά τη διανομή και την αποθήκευσή τους σε επίπεδα που μπορεί να προκαλέσουν αλλοίωση. Για παράδειγμα, τα κονσερβοποιημένα τρόφιμα υφίστανται μια θερμική επεξεργασία, η οποία έχει σχεδιαστεί κυρίως για να καταστρέφει τα σπόρια του παθογόνου Clostridium botulinum. Ωστόσο, άλλα αλλοιογόνα βακτήρια που σχηματίζουν σπόρια είναι πιο ανθεκτικά στη θερμότητα και μπορούν να επιβιώσουν της εν λόγω θερμικής επεξεργασίας. Παρά την παρουσία μικροοργανισμών, τα τρόφιμα αυτά θεωρούνται μικροβιολογικώς σταθερά επειδή τα βακτήρια που επιβιώνουν της θερμικής διαδικασίας είναι θερμόφιλα και απαιτούν συγκεκριμένο χρόνο αποθήκευσης σε υψηλές θερμοκρασίες προκειμένου να αναπτυχθούν σε επίπεδα αλλοίωσης. Τέτοιες συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας είναι επί του παρόντος πολύ σπάνιες υπό τις κανονικές συνθήκες διανομής και αποθήκευσης που επικρατούν σε περιοχές με εύκρατο κλίμα. Λαμβάνοντας υπόψη την κλιματική αλλαγή και την αναμενόμενη αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη, ωστόσο, τίθεται το ερώτημα πόσο οριακή είναι η τελευταία περιοριστική συνθήκη αλλοίωσης και εάν η υπερθέρμανση του πλανήτη μπορεί να απειλήσει τη μικροβιολογική σταθερότητα των τροφίμων που διακινούνται εκτός ψυγείου. Μια θετική απάντηση στο τελευταίο ερώτημα θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντικές κοινωνικοοικονομικές συνέπειες και θα απαιτούσε υψηλό επίπεδο ετοιμότητας τόσο από τη βιομηχανία τροφίμων όσο και από τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής για τα τρόφιμα.Οι μελέτες της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC) παρέχουν προβλέψεις για την αύξηση της θερμοκρασίας με βάση πέντε σενάρια που σχετίζονται με την αύξηση του πληθυσμού, την οικονομική ανάπτυξη και τη χρήση πηγών άνθρακα. Με βάση την τελευταία έκθεση, η αύξηση της επιφανειακής θερμοκρασίας μέχρι το τέλος του 21ου αιώνα (2081 - 2100), σε σχέση με το 1986-2005, είναι πιθανό να είναι 1,0 έως 1,8 °C υπό το σενάριο RCP 1.9, 1,3 έως 2,4 ° C υπό το RCP2.6, 2,1 έως 3,5 °C υπό το RCP4.5, 2,8 έως 4,6 °C υπό το RCP7.0 και 3,3 έως 5,7 °C υπό το ακραίο σενάριο RCP8.5. Πρόσφατες μελέτες που βασίζονται σε πιθανολογικές προβλέψεις εκπομπών CO2 και μεταβολής της θερμοκρασίας έως το 2100 αναφέρουν ότι το πιθανό εύρος αύξησης της παγκόσμιας θερμοκρασίας είναι 2,0 - 4,9 °C, με διάμεσο 3,2 °C και μόνο 5 % και 1 % πιθανότητες ότι θα είναι μικρότερο από 2 °C και 1,5 °C, αντίστοιχα. Λαμβάνοντας υπόψη την περιφερειακή ετερογένεια της αύξησης της θερμοκρασίας και την εποχικότητά της σε οποιοδήποτε από τα παραπάνω σενάρια, η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας αναμένεται να έχει σημαντικό αντίκτυπο στις θερμοκρασιακές συνθήκες διακίνησης και αποθήκευσης των τροφίμων που συντηρούνται εκτός ψυγείου με πιθανή επίδραση στη μικροβιολογική τους σταθερότητα.Με βάση τα παραπάνω, ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη εργαλείων ποσοτικής μικροβιολογίας, η εκτίμηση του αντίκτυπου της κλιματικής αλλαγής στο δυναμικό αλλοίωσής των μικροβιολογικώς σταθερών θερμικά επεξεργασμένων τροφίμων και η αξιολόγηση των δυνητικών παρεμβάσεων για τη μείωση του αυξημένου κινδύνου αλλοίωσης λόγω της κλιματικής αλλαγής. Η διατριβή επικεντρώθηκε κυρίως στους θερμόφιλους βάκιλλους του γένους Geobacillus, Bacillus και Anoxybacillus.Το πρώτο κομμάτι της έρευνας επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη και αξιολόγηση μοντέλων ανάπτυξης για διάφορους θερμόφιλους βακίλλους. Πιο συγκεκριμένα, το μοντέλο θεμελιωδών παραμέτρων για την επίδραση της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη του Geobacillus stearothermophilus ATCC 7953 που αναπτύχθηκε από τους Kakagianni, Gougouli, & Koutsoumanis, 2016 επεκτάθηκε ως προς την επίδραση του pH (εύρος: 5,7–8,5) και της ενεργότητας νερού (aw) (εύρος: 0,985–0,999). Οι τιμές των θεμελιωδών παραμέτρων pHmin, pHopt, pHmax, awmin, και awopt ήταν 5,65 ±0,14, 6,74 ±0,03, 8.71 ±0,03, 0,984 ±0,007 και 0,998 ±0,001, αντίστοιχα. Η κινητική συμπεριφορά του G. stearothermophilus αξιολογήθηκε σε επτά εμπορικώς διαθέσιμα ροφήματα φυτικής προέλευσης που συντηρούνται εκτός ψυγείου υπό σταθερές συνθήκες (62 °C) και οι εκτιμώμενοι μέγιστοι ειδικοί ρυθμοί ανάπτυξης χρησιμοποιήθηκαν για να τον προσδιορισμό του βέλτιστου ρυθμού ανάπτυξης για κάθε προϊόν. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν έναντι της παρατηρούμενης ανάπτυξης του G. stearothermophilus κατά την αποθήκευση σε μη ισοθερμικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης υπέδειξαν καλή απόδοση του μοντέλου με συνολικό συντελεστή μεροληψίας (Bf) =1,06 και συντελεστή ακρίβειας (Af) =1,12. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκαν μοντέλα θεμελιωδών παραμέτρων για την επίδραση της θερμοκρασίας (εύρος: 32-59 °C), του pH (εύρος: 5,0-8,5) και της aw (εύρος: 0,980-0,995) στο ρυθμό ανάπτυξης του Bacillus coagulans DSM 1 σε εργαστηριακό υπόστρωμα brain heart infusion broth (BHI). Οι εκτιμώμενες τιμές των θεμελιωδών παραμέτρων Tmin, Topt, Tmax, pHmin, pHopt, pHmax, awmin και awopt ήταν 23,77 ± 0,19 °C, 52,89 ± 0,01°C, 59,37± 0,07 °C, 4,70 ± 0,02, 6,43 ± 0,02, 8,56 ± 0,01, 0,969 ± 0,0007 και 0,998 ± 0,0011, αντίστοιχα. Η κινητική συμπεριφορά του B. coagulans μελετήθηκε σε πέντρ εμπορικώς διαθέσιμα θερμικώς επεξεργασμένα έτοιμα προς κατανάλωση τρόφιμα που συντηρούνται εκτός ψυγείου σε σταθερές συνθήκες στους 53 °C με σκοπό να υπολογιστεί ο βέλτιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης σε κάθε τρόφιμο. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν σε πέντε επιλεγμένα τρόφιμα μέσω της σύγκρισης παρατηρούμενης και προβλεπόμενης ανάπτυξης του B. coagulans σε τέσσερα μεταβαλλόμενα προφίλ θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης υπέδειξαν καλή απόδοση του μοντέλου με Bf και Af 1,00 και 1,12, αντίστοιχα.Επιπλέον, μελετήθηκε η κινητική συμπεριφορά του Anoxybacillus flavithermus και του Bacillus licheniformis σε εργαστηριακό υπόστρωμα σε διάφορες συνθήκες θερμοκρασίας και pH. Για τη μοντελοποίηση της επίδρασης της θερμοκρασίας και του pH στο μέγιστο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα θεμελιωδών παραμέτρων. Οι εκτιμώμενες τιμές των θεμελιωδών παραμέτρων Tmin,Topt,Tmax, pHmin και pH(1/2) του A. flavithermus ήταν 28,70 ± 0,26, 61,23 ±0,16 και 71,52 ± 0,32 °C 5,52 ± 0,01 και 5,73 ± 0,01, αντίστοιχα, ενώ του B. licheniformis ήταν 11,68 ± 0,03, 48,05 ± 0,15, 57,14 ± 0,01 °C, 4,71 ± 0,01 και 5,670 ± 0,08, αντίστοιχα. Η κινητική συμπεριφορά του A. flavithermus και του B. licheniformis ερευνήθηκε σε ρόφημα φυτικής προέλευσης με βάση τον αρακά στους 62 και 49 °C, αντίστοιχα, με σκοπό την προσαρμογή του μοντέλου στο συγκεκριμένο προϊόν. Ο εκτιμώμενος μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης () του A. flavithermus και του B. licheniformis στο ρόφημα φυτικής προέλευσης ήταν 2,555 ± 0,09 και 2,229 ± 0,13 1/h, αντίστοιχα. Τα προσαρμοσμένα μοντέλα αξιολογήθηκαν περαιτέρω τόσο σε στατικές όσο και σε μεταβαλλόμενες συνθήκες θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης υπέδειξαν καλή απόδοση και των δύο μοντέλων με το 85.7 και το 97.4 % των προβλεπόμενων πληθυσμών του A. flavithermus και του B. licheniformis, αντίστοιχα, να βρίσκονται μεταξύ της ζώνης -10 % και 10 % του σχετικού σφάλματος (RE), ενώ καμία τιμή δε βρέθηκε εκτός της ζώνης σχετικού σφάλματος -20 % και 20 %. Στο δεύτερο μέρος αυτής της έρευνας, δύο μοντέλα ποσοτικού προσδιορισμού της επικινδυνότητας αλλοίωσης (QMSRA) δημιουργήθηκαν για να εκτιμηθεί ο κίνδυνος της αλλοίωσης λόγω της ανάπτυξης του Geobacillus stearothermophilus σε γάλα εβαπορέ και σε ρόφημα φυτικής προέλευσης υπό τις επικρατούσες συνθήκες αλλά και σε σενάρια κλιματικής αλλαγής. Το πρώτο μοντέλο QMSRA δημιουργήθηκε για να ποσοτικοποιήσει την επικινδυνότητα της αλλοίωσης των ροφημάτων γάλακτος στην Ευρώπη. Η αξιολόγηση του κινδύνου πραγματοποιήθηκε για τη Βόρεια (Πολωνία) και τη Νότια (Ελλάδα) Ευρώπη, και η επικινδυνότητα αλλοίωσης εκτιμήθηκε για τις επικρατούσες συνθήκες, αλλά και για ένα σενάριο κλιματικής αλλαγής. Ως κίνδυνος αλλοίωσης ορίστηκε η πιθανότητα η συγκέντρωση του G. stearothermophilus κατά την κατανάλωση να φτάσει τη μέγιστη συγκέντρωση (Nmax=107.5 CFU/mL). Βάση των αποτελεσμάτων, η επικινδυνότητα αλλοίωσης υπό τις επικρατούσες συνθήκες θεωρείται αμελητέα για τη Βόρεια Ευρώπη, ενώ για τη Νότια Ευρώπη η επικινδυνότητα ήταν 6,2×10-3 95% CI (2,3×10-3;1,1×10-2). Ωστόσο, η επικινδυνότητα αυξήθηκε και στις δύο υπό μελέτη χώρες όταν εφαρμόστηκε το σενάριο της κλιματικής αλλαγής. Επομένως, η ένταση της θερμικής επεξεργασίας και η χρήση μονωμένων φορτηγών για τη διακίνηση ερευνήθηκαν ως στρατηγικές μείωσης του κινδύνου και οδήγησαν σε σημαντική μείωση της επικινδυνότητας. Στο δεύτερο μοντέλο QMSRA, αξιολογήθηκε η επικινδυνότητα της αλλοίωσης λόγω της ανάπτυξης του G. stearothermophilus σε γάλα εβαπορέ για 3 διαφορετικά σενάρια κλιματικής αλλαγής σε 38 Ευρωπαϊκές πρωτεύουσες. Τα αποτελέσματα του μοντέλου δείχνουν ότι οι τρέχουσες θερμοκρασίες κατά τη διανομή και την αποθήκευση σε εύκρατα κλίματα δεν επιτρέπουν την ανάπτυξη του G. stearothermophilus σε επίπεδα που μπορεί να προκαλέσουν αλλοίωση, διασφαλίζοντας τη μικροβιολογική σταθερότητα του γάλακτος εβαπορέ. Το μοντέλο προέβλεψε ότι η τελευταία περιοριστική συνθήκη μπορεί να εξαλειφθεί λόγω της κλιματικής αλλαγής και της αύξησης της θερμοκρασίας. Η αδυναμία περιορισμού της αύξησης της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας επιφάνειας κάτω από τους 2 °C μπορεί να οδηγήσει σε πολύ υψηλό κίνδυνο αλλοίωσης στην περιοχή της Νότιας Ευρώπης και να προκαλέσει την κατάρρευση της εφοδιαστικής αλυσίδας. Η επίδραση της μονωμένης μεταφοράς και αποθήκευσης ως στρατηγική μείωσης του υψηλού κινδύνου αλλοίωσης που αναμένεται από την υπερθέρμανση του πλανήτη οδήγησε στην εξάλειψη του ρίσκου αλλοίωσης για τα σενάρια αύξησης της θερμοκρασίας κατά 1,5 °C και 3 °C, ενώ μείωσε σημαντικά τον κίνδυνο αλλοίωσης για το ακραίο σενάριο της αύξησης της θερμοκρασίας 4,5 °C.Συνολικά, τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη διδακτορική διατριβή μαζί με τα ποσοτικά δεδομένα που παρέχονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αποτελεσματικό εργαλείο από τη βιομηχανία τροφίμων για την πρόβλεψη της αλλοίωσης των προϊόντων που διακινούνται και συντηρούνται εκτός ψυγείου, συμπεριλαμβανομένων των ροφημάτων φυτικής προέλευσης και του αγελαδινού γάλακτος, ιδιαίτερα κατά τη διανομή και αποθήκευση σε επίπεδο λιανικής και οικιακής χρήσης. Επιπλέον, τα μοντέλα QMRSA που αναπτύχθηκαν μπορούν να υποστηρίξουν τις αποφάσεις διαχείρισης επικινδυνότητας αυτών των προϊόντων ποσοτικοποιώντας την πιθανή αλλοίωση υπό τις επικρατούσες κλιματικές συνθήκες αλλά και σε σενάρια κλιματικής αλλαγής, επιτρέποντας την μεγαλύτερη ετοιμότητα, τόσο από τη βιομηχανία τροφίμων όσο και από τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής για τα τρόφιμα.