Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Aus den Instituten: Ausgabe 04/2015, 06.04.2015

Nachweis und Kontrolle der Keimbelastung im Lebensmittel

Bakterien, Hefen und Schimmel haben einen grossen Einfluss auf die Herstellung, Haltbarkeit und Sicherheit von Lebensmitteln. Die Fachstelle Mikrobiologie am ILGI (ZHAW) arbeitet deshalb mit Mikroorganismen, die für Fermentationen, Verderb oder Sicherheit von Lebensmitteln relevant sind. Zudem erarbeitet das Team Verfahren zum Nachweis pathogener Keime im Lebensmittel.

Autor: Prof. Dr. Lars Fieseler, Leiter der Fachstelle Mikrobiologie am ILGI

Die Fachstelle Mikrobiologie gehört zu den grössten Fachstellen des Instituts für Lebensmittel- und Getränke­innovation, ILGI, der ZHAW in Wädenswil und besetzt im Bereich Haltbarkeit und Sicherheit einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt des Institutes. Die Ergebnisse aus angewandten Forschungsarbeiten fliessen in die Lehraktivität der Fachstelle ein, um Studierenden einen grösstmöglichen Zugang zu aktuellen Entwicklungen, Heraus­forderungen und alltäglichen Routinefragen der Lebensmittelbranche zu bieten. Die Verbindung von Lehre und Forschung repräsentiert die wichtigsten Leistungsaufträge der Schweizerischen Fachhochschulen.

Mikrobiologie in der Lehre.

Im Studiengang Lebensmitteltechnologie ist die Mikrobiologie ein wichtiger Bestandteil des Curriculums. Bereits nach Abschluss des zweiten Semesters können die Studierenden die wesentlichen Eigenschaften lebensmittelrelevanter Bakterien, Hefen und Schimmel sowie deren Toxine in verschiedenen Produkten beschreiben, Risikoanalysen für die einzelnen Lebensmittelkategorien erarbeiten und die gesetzlichen Anforderungen an die mikrobiologische Lebensmittelqualität auslegen. Im anschliessenden dritten Semester führt die Fachstelle das erste mikrobiologische Praktikum durch, in dem die Studierenden sterile Arbeitstechniken erlernen und Prozesshygienekriterien analysieren.  Anhand von Untersuchung ausgewählter Lebensmittel werden die wichtigsten kulturellen Nachweismethoden von Indikatororganismen und ausgewählten Verderbskeimen erlernt. Darüber hinaus evaluieren die Studierenden Hygienekonzepte von Lebensmittelbetrieben.

Im fünften Semester können die Studierenden je nach Studienvertiefung und Belegung der Wahlfächer selbstständig testen, wie sich biologische Verfahren zur Haltbarmachung oder zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit einsetzen lassen. Des Weiteren vermitteln die Dozenten die obligatorischen ISO Referenzmethoden und alternative Nachweisverfahren zur Detektion pathogener Keime, mit denen Lebensmittelsicherheitskriterien überprüft werden können. Dazu stehen Sicherheitslabore der Risikostufe 2 zur Verfügung. Im sechsten Semester behandeln die Studierenden in Zusammenarbeit mit Unternehmen aus der Lebensmittelindustrie aktuelle Fragestellungen im Rahmen von Fallstudien mittels «problem based learning».

Forschungsschwerpunkte.

In den Forschungs- und Entwicklungsprojekten der Fachstellen entwickeln die Wissenschaftler neue Nachweisverfahren für lebensmittelrelevante Mikro­organismen und untersuchen Massnahmen zur Reduktion und Kontrolle von pathogenen Bakterien und Verderbskeimen. Neben den klassischen Wegen zur Haltbarmachung setzen die Forscher dazu vor allem biologische Verfahren ein, die auf natürlichem Weg Bakterien inhibieren, die Eigenschaften des Lebensmittels nicht beeinflussen und eine hohe Qualität bewirken. Dazu werden Bakteriophagen und Schutzkulturen verwendet.

Bakteriophagen (Phagen) sind Viren, die nur Bakterien infizieren können und pathogene Keime in Lebensmitteln gezielt zerstören. Sie kommen in der Umwelt vor und lassen sich von dort leicht isolieren. In der Natur regulieren Phagen die Zusammensetzung von Bakterienpopulationen und tragen massgeblich zur Aufrechterhaltung natürlicher Gleichgewichte bei.  Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sich Bakterio­phagen optimal zur Kontrolle pathogener Bakterien. Sie zeichnen sich durch eine hohe Spezifität aus, da sie nur Bakterien ihrer Zielspezies infizieren können und die restliche intrinsische Mikroflora nicht beeinflussen. Bislang sind erst sehr wenige Phagenpräparate für den Einsatz in Lebensmitteln kommerziell erhältlich. Diese stufen Behörden als «generally recognized as safe» (GRAS) ein, weshalb Produzenten sie in Lebensmittel einsetzen dürfen. In den Forschungsarbeiten isolieren und charakterisieren die Wissenschaftler Bakteriophagen für den Einsatz in Lebensmitteln, um Bakterien spezifisch kontrollieren oder eliminieren zu können. Das Team erarbeitet Verfahren, die die Effektivität der Phagen im Lebensmittel maximieren und untersucht die bakteriellen Mechanismen der Phagenresistenz, um den langfristigen Einsatz von Bakteriophagen beurteilen zu können.

Bei den Schutzkulturen handelt es sich vor allem um Milchsäurebakterien mit besonderen antimikrobiellen Eigenschaften, die ebenfalls auf einem natürlichen Weg zu einer verlängerten Haltbarkeit von fermentierten Lebensmitteln beitragen. Die verwendeten Kulturen sind wie die Bakteriophagen GRAS und werden im Lebensmittelbereich traditionell eingesetzt. Die Effektivität von antimikrobiell wirksamen Kulturen, Bakteriophagen oder weiteren Massnahmen zur Haltbarmachung von Lebensmitteln testen die Forscher in umfangreichen challenge tests, in denen sie Lebensmittel gezielt mit Verderbskeimen oder pathogenen Bakterien kontaminieren und die Entwicklung der Keimzahlen in behandelten und unbehandelten Proben vergleichen.

Um die positiven Eigenschaften von Mikroorganismen weiter gezielt nutzen zu können, entwickeln die Experten ausserdem neue funktionelle Kulturen, um Lebensmittel natürlich anreichern zu können. Dazu gehören unter anderem Kulturen, die die Fähigkeit besitzen strukturgebende Stoffe, wie zum Beispiel ß-Glucan, oder auch aromarelevante Stoffe, wie beispielsweise Glutamat, zu bilden. Für die Entwicklung von Schutz- und anderen funktionellen Kulturen steht der Fachstelle eine stetig wachsende Sammlung von Mikroorganismen aus natürlichen Habitaten zur Verfügung. Derzeit befinden sich darin rund 2000 Isolate von Milch- und Essigsäurebakterien, aber auch von Hefen und weiteren Mikroorganismen. In einem ersten Schritt testet das Team die Stämme bezüglich der jeweils erwünschten Eigenschaften. Dabei setzt es standardisierte Screeningverfahren ein.

Aufgrund des steigenden Bedürfnisses mikrobielle Kontaminationen in der Praxis möglichst schnell und präzise nachweisen zu können, entwickeln die Wissenschaftler neue Detektionsverfahren, die entweder auf der Anwendung chromogener Selektionsmedien basieren oder auf molekularbiologische und technologische Innovationen, wie die quantitative PCR oder die Impedanz Durchflusszytometrie, zurückgreifen.

Die Mehrzahl der Forschungsprojekte führt die Fachstelle in Kooperation mit Betrieben aus der Lebensmittelindustrie, technologisch orientierten Unternehmen und Partnern aus der Wissenschaft durch. Studentische Arbeiten integrieren die Dozenten in Form von Semester-, Bachelor- und Masterarbeiten in das F&E Programm. Als zertifiziertes Labor nehmen die Spezialisten darüber hinaus regelmässig an Ringversuchen teil. Die Finanzierung der Forschungsarbeiten erfolgt unter anderem durch Swiss Food Research (SFR), der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) und dem Schweizerischen National­fond (SNF).

Weiterbildung.

Neben Forschung und Lehre bilden die berufsbegleitenden Weiterbildungskurse einen weiteren wichtigen Leistungsauftrag der Fachstelle. In diesem Jahr haben die Verantwortlichen die Inhalte der Weiterbildungskurse neu strukturiert und überarbeitet. Neben den verbindlichen ISO Referenzmethoden zum Nachweis von Mikroorganismen in den Bereichen Prozesshygiene und Lebensmittelsicherheit demonstrieren die Forscher ausserdem molekularbiologische und immunologische Nachweisverfahren. Die Teilnehmer dieser Kurse sollen die Kompetenz erlangen ein geeignetes Nachweissystem für ein bestimmtes Lebensmittel und bestimmte Produktepaletten auszuwählen und im eigenen Betrieb ein­setzen zu können.

Neue funktionelle Kulturen reichern Lebensmittel auf natürliche Weise an


Weitere Informationen zur Fachstelle
http://lsfm.zhaw.ch/de/science/institute-zentren/zle/mb.html
lars.fieseler@zhaw.ch (Bakteriophagen und Nachweisverfahren)
susanne.miescher-schwenninger@zhaw.ch (Funktionelle Kulturen)
Dieser Artikel ist der dritte von zehn Beiträgen, der die Fachstellen am Institut für Lebensmittel- und Getränkeinnovation, ILGI, der ZHAW vorstellt.



Tamara Kotrba hat im Rahmen ihrer Masterarbeit am ILGI den Salmonellaphagen TK 611 isoliert (elektronenmikroskopische Aufnahme von J. Klumpp, ETHZ)


Antimikrobielle Aktivität zellfreier Kulturüberstände von Milchsäurebakterien gegen Listeria monocytogenes (Aufnahme von D. Haefeli, Studentin im Masterstudiengang Lebensmitteltechnologie am ILGI)