Impact of climate change on the microbiological spoilage of non-refrigerated food products
Creators: name: Μίσιου, Ουρανία Δ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Θερμόφιλα σπορογόνα βακτήρια
Κλιματική αλλαγή
Μικροβιολογική αλλοίωση
Ποσοτική μικροβιολογία
Thermophilic spore-forming bacteria
Climate change
Microbiological spoilage
Predictive microbiology

description: 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 τρόφιμα αυτά 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. Λαμβάνοντας υπόψη την περιφερειακή ετερογένεια της αύξησης της θερμοκρασίας και την εποχικότητά, 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, συμπεριλαμβανομένων των Geobacillus stearothermophilus, Bacillus licheniformis, Bacillus coagulans και Anoxybacillus flavithermus. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκαν έναντι της παρατηρούμενης ανάπτυξης των προαναφερθέντων βακίλλων σε γάλα εβαπορέ και ροφήματα φυτικής προέλευσης κατά την αποθήκευση σε σταθερές και μη ισοθερμικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης υπέδειξαν καλή απόδοση των μοντέλων σε όλα τα υπό μελέτη τρόφιμα. 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 στην Ευρώπη. 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.
description: Microbiologically stable or shelf-stable foods include products which will not spoil or cause disease when stored at ambient temperature or “on the shelf”. They represent a major group in the food market and include products of high consumption, such as canned foods, products processed with Ultra High Temperatures (i.e UHT milk), pasteurized acidic foods (fruit and vegetable juices), dried foods etc. These products undergo a severe heat process, which is primarily designed to destroy spores of pathogenic Clostridium botulinum. Other spoilage spore-forming bacteria, however, are more heat resistant and can survive the thermal process designed to control this pathogen. Despite this microbial contamination, these foods are considered shelf-stable because the survivors of the heat process are thermophilic and require a certain storage time at high temperatures in order to grow to spoilage levels. Such time-high temperature conditions are currently very rare under normal distribution and storage conditions prevailing in regions with temperate climate. Considering the climate change and the expected increase of the planet’s temperature however, the question that arises is how marginal the latter limiting condition for spoilage is and whether global warming can threaten the microbiological stability of non-refrigerated foods. A positive answer to the latter question could lead to significant socioeconomic consequences and would require a high level of preparedness by both the food industry and policy makers. Considering the regional heterogeneity of temperature increase and the seasonality of warming, the increase of global mean surface temperature is expected to have a significant impact on the temperature conditions in which the shelf-stable foods are exposed during distribution and storage with a potential effect in their microbiological stability. Hence, the objective of this Ph.D. thesis was to model the dynamics of microbial changes in non-refrigerated, heat-processed food products by evaluating the impact of climate change on their spoilage potential and to re-assess their microbiological stability through the employment of quantitative microbial spoilage risk assessment (QMSRA). In addition, we evaluated the impact of potential strategies to mitigate the increased risk of spoilage due to climate change was evaluated. The study was mainly focused on thermophilic bacilli, including species of the Geobacillus, Bacillus and Anoxybacillus genus. The first part of the research was focused on the development and validation of growth models for several thermophilic bacilli, including Geobacillus stearothermophilus, Bacillus licheniformis, Bacillus coagulans and Anoxybacillus flavithermus. The developed models were validated against the observed growth of the above-mentioned bacilli in evaporated milk and plant-based milk alternatives during storage at static and non-isothermal conditions. The validation results indicated a good performance of the developed models for all tested products. In the second part of this research, two QMSRA models were employed to estimate the risk of spoilage of evaporated milk and plant-based milk alternatives due to the growth of G. stearothermophilus under current climatic conditions and climate change scenarios in Europe. Overall, the models developed in this Ph.D. thesis, along with the quantitative data provided can be used as an effective tool by the food industry for predicting spoilage of non-refrigerated food products, including plant-based milk alternatives and bovine milk, particularly during distribution and storage at retail and domestic levels. Moreover, the developed QMRSA models can support risk management decisions for these products by quantifying the potential risk under current climatic conditions and climate change scenarios and allowing for a better preparedness by the food industry and policy makers.