المقاومة الحرارية للكائنات الحية.. الموت اللوغاريثمي للكائنات الحية ينطبق على السبورات والخلايا الخضرية

 المقاومة الحرارية للكائنات الحية

Heat resistance of microorganism

يعتبر الكلوستريديوم بوتيلانيوم Cl. Botulinum بكتريا سامة وذو مقاومة حرارية عالية غير أن هناك كائنات حية أخرى مثلاً PA-3679 تعتبر أكثر مقاومة وهي أيضاً سبورية، لاهوائية ومسببة للتلف إلا أنها غير سامة فهي تشبهها في خصائص نموها وتكاثرها ومن السهولة أن تنمو في وسط إنمائي مختبري.

فعند حساب المعاملة الحرارية يجب أن تكون كافية لهلاك بكتريا PA-3679 التي هي تحت الاختبار أولاً لأن هلاكها يعطينا دليلاً قاطعاً أن البوتيلانيوم قد هلكت فعلاً.

لقد ثبت بأن البكتريا المعرضة إلى الحرارة الرطبة تموت بسرعة تناقصية منتظمة أي أن عدد الخلايا الحية يتناقص لوغاريثمياً Logarithmic order of death مع الوقت المعرض له على درجة حرارة ثابتة وكنتيجة لذلك لو أخذنا المعلومات المتعلقة بالموت البكتيري في جدول الوقت للموت الحراري رقم (1) وخاصة بما يتعلق بدرجة حرارة 115.6م ونرسم الخط البياني لها على ورقة شبه لوغاريثمية وفيها توضع عدد الخلايا المتبقية الحية بعد كل فترة زمنية على الخط اللوغاريثمي العمودي ووقت التسخين على الخط الأفقي الاعتيادي (غير لوغاريثمي) وبعدها نرسم أفضل خط مستقيم يمر من خلال النقاط.

وهذا الخط يسمى بمنحنى البكتريا المتبقية Survivor curve وهذا يعني أنه عندما تكون الحرارة ثابتة ستهلك الخلايا الحية لوغاريثمياً بنفس النسبة في كل فترة من الفترات الزمنية المتساوية أي بمعنى آخر إذا هلك 90% في الدقيقة الأولى من مجموع الخلايا على درجة حرارة معينة يهلك 90% من المتبقي الحي في الدقيقة الثانية وكذلك 90% أخرى مما تبقى في الدقيقة الثالثة، وهكذا.

فالموت اللوغاريثمي للكائنات الحية ينطبق على السبورات والخلايا الخضرية سوية إلا أن انحدار الخط البياني يختلف فيما بينهما مما يدل على تفوق السبورات في مقاومتها للحرارة.

تعتبر ظاهرة الموت اللوغاريثمي مهمة في التعقيم الحراري للأغذية المعلبة لأنه كلما كان عدد الخلايا الحية كبيراً في الغذاء كلما كان وقت التسخين لتعقيم الغذاء كثيراً أيضاً وبنفس الوقت يتحتم استعمال ورقة نصف لوغاريثمية ذات دورات لوغاريثمية بعدد أكبر.

الجدول (1): يبين المعلومات التفصيلية حول الوقت للموت الحراري Thermal Death Time (TDT) لسبورات PA-3679 في البازلاء بما فيها عدد السبورات الأولى 10000سبور/نموذج غذائي، وقت التسخين (4)، عدد النماذج وقيمة D والمعمولة على درجات حرارية مختلفة.

درجة الحرارة (°م)	وقت التسخين (دقيقة)	عدد النماذج المسخنة	عدد النماذج التي أظهرت نمواً	قيمة (D)
110°م (230°ف)	25	6	6	19.65
	40	6	6
	60	6	6
	80	6	5
	110	6	صفر
	140	6	صفر
112.8°م (235°ف)	15	6	6	10.47
	30	6	6
	45	6	3
	60	6	صفر
	75	6	صفر
	90	6	صفر
115.6°م (240°ف)	10	6	6	2.92
	14	6	6
	18	6	6
	22	6	2
	28	6	صفر
	36	6	صفر
درجة الحرارة (°م)	وقت التسخين (دقيقة)	عدد النماذج المسخنة	عدد النماذج التي أظهرت نمواً	قيمة (D)
118.3°م (245°ف)	4	6	6	2.56
	6	6	6
	8.5	6	6
	11	6	3
	14	6	صفر
	20	6	صفر
121.1°م (250°ف)	3	6	6	1.23
	4	6	6
	5,5	6	2
	7.5	6	صفر
	10	6	صفر
	13	6	صفر

يوضح الشكل (1) مفهوم قيمة D وهو ما يسمى Decimal Reduction Time أو Death Rate Constant وهو عبارة عن الوقت اللازم على أية درجة لهلاك 90% من السبورات أو الخلايا الخضرية.

أما عددياً numerically فهو يساوي عدد الدقائق المطلوبة لمنحنى البكتريا المتبقية يتخطى دورة لوغاريثمية واحدة.

أما رياضياً فهو يساوي مقلوب الانحدار Reciprocal of slope لمنحنى البكتريا المتبقية.

أما الانحدار نفسه فيمكن التعبير عنه بالمعادلة التالية:

D = t (لوغاريثم a – لوغاريثم b)

=t وقت التسخين على درجة حرارة ثابتة

=D الوقت اللازم بالدقائق على درجة حرارة ثابتة لهلاك 90% من الخلايا البكترية

=a عدد الخلايا في بداية وقت التسخين

=b عدد الخلايا بعد نهاية وقت التسخين

فمن المعلومات المتوفرة على درجة 115.6م  في جدول (35) يمكن حساب قيمة D بعد توفر المعلومات التالية:

=a  10000 سبور

=b 2 سبور

=t 18 دقيقة

D = t (لوغاريثم a – لوغاريثم b)

18 = D (لوغاريثم 10000 – لوغاريثم 2)

=D  18 ÷ (4-0.301)

=D 4,85 دقيقة

فلو افترضنا أن كمية الغذاء الموجودة في العلبة تحتوي على مليون خلية ومن ثم استلمت هذه العلبة كمية من الحرارة لوقت معين يساوي 4(4D) D فالناتج هو أنها لا تزال تحتوي على 100 خلية حية.

فلو كان هناك 100 علبة من هذا النوع وبنفس الحمولة البكتيرية استلمت حرارة لوقت يساوي 7(7D) D لبقي في النهاية 10 خلايا حية ومن المحتمل فساد 10 علب وتعقيم 90 علبة.

فالمعتاد في الحسابات هو أن نحسب الوقت على أساس 12(12D) D أي أن العدد الأصلي يهبط 12 دورة لوغاريثمية ومع كل هذا ولكون موت البكتريا لوغاريثمي فإن العدد لا يهبط إلى الصفر وإنما نظرياً أو إحصائياً نبقي نقبل بوجود سبور واحد حي بعد 12D (1×10 12) للكلوستريديوم بوتيلانيوم.

فلو فرضنا أن الغذاء الموجود لدينا هو قليل الحموضة وأن الكائن الحي PA 3679 المقاوم للحرارة موجود في هذا الغذاء وعدد سبوراته كثيرة جداً. فمن الجدول (35) يمكن أن نعرف قيمة D له على الدرجة الحرارية المطلوب استعمالها في التعقيم.

فلأجل ضمان التخلص من هذه السبورات يجب أن نعرض جميع أجزاء الغذاء إلى هذه الدرجة الحرارية لفترة زمنية تساوي 12(12D) D.

فلو كان الغذاء في العلبة ملوثاً بمقدار بليون سبور/علبة (وهو عالي التلوث جداً) فيعد إعطائه 12D سنوي من الناحية النظرية أن هناك علبة واحدة تحتوي على سبور واحد من مجموع 1000 علبة أي أنه 999 علبة تم تعقيمها بشكل كامل.

أما إذا كانت نسبة التلوث مليون سبور/علبة (وهو لا يزال عالي التلوث) فعند تعقيمه بما يعادل 12D فستكون هناك علبة واحدة في كل مليون علبة تحتوي على سبور واحد و 999.999علبة معقمة.

بما أن المعاملة الحرارية تعطـى بمقدار 12D وهي مصـممة أصـلاً لتعقيم PA-3679 فهذه الحالة تعتبر أكثر فعالية ضد سبورات الكلوستريديوم بوتيلانيوم لكونها أقل مقاومة للحرارة من هذه البكتريا.

هذا وأن قيمة 12D التي تستعمل للأغذية القليلة الحموضة (pH أكثر من 4.5) تعتبر كثيرة بالنسبة للأغذية الحامضية والتي درجة حموضتها أقل من 4.5 وبذلك يستعمل أقل بكثير من 12D لتعقيمها فهي تحتاج إلى أكثر من بضع دقائق على درجة حرارة 100م.

لقد وجدنا بأن منحنى البكتريا المتبقية شكل (20) يعطي فكرة جيدة عن مقدار مقاومة السبورات الحرارية على درجة حرارة واحدة من خلال قيمة D ولكن لو أخذنا المقاومة على عدة درجات حرارية كما موجودة في جدول رقم (1) وعملنا خطاً بيانياً واحداً لحصلنا على منحنى جديد نسميه منحنى الوقت للموت الحراري وهو يعتبر أفضل مقياس لمقاومة الكائنات الحية للحرارة وفي هذا المنحنى نحصل على عدة نقاط وكل نقطة تمثل أصغر وقت كاف على أية درجة حرارة لقتل السبورات الموجودة.

شكل (21) يمثل منحنى الوقت للموت الحراري (TDT) للكلوستريديوم بوتيولانيوم في محلول الفوسفات المنظم كما ويمثل الشكل (22) منحنى آخر هو منحنى الوقت للموت الحراري لمقارنة السبورات مع الخلايا الخضرية البكتيرية من حيث مقاومتها للحرارة.

يرسم منحنى الوقت للموت الحراري على ورقة شبة لوغاريثمية يوضح وقت التسخين بالدقائق على الخط اللوغاريثمي العمودي ودرجات الحرارة على الخط الأفقي الاعتيادي (غير لوغاريثمي) وبعدها نرسم أفضل خط مستقيم يمر من خلال النقاط وهذا الخط أو المنحنى يشير إلى وجود قيمتين مهمتين وهما قيمة (F) وقيمة (Z).

أما قيمة (F) فهي عبارة عن عدد الدقائق المطلوبة لتحطيم عدد معين من الكائنات الحية على درجة حرارة معينة ومن المتعارف عليه عندما تكتب قيمة (F) هو أن نذكر درجة الحرارة وقيمة (Z) عليها فمثلاً 82.2 7.8 F تعني أن درجة الحرارة 82.2م و Z = 7.8م. أما إذا كتبت (Fo) فهذا يعني أنها كالآتي 121.1 10 F.

فلو كانت مثلا (Fo) = 3 دقيقة فهذا يعني أن المعاملة الحرارية تعادل 3 دقائق على درجة 121.1م وقيمة Z= 10م للقضاء على الكائنات الحية مع الافتراض بأن التسخين سريع والتبريد سريع ولا يأخذان وقتاً وهذه النقطة الأخيرة مهمة مع ضرورة مراعاة الانتباه إلى مدلولها.

أما قيمة Z فهي عددياً عبارة عن عدد الدرجات الحرارية المطلوبة لمنحنى الوقت للموت الحراري لأن يتخطى دورة لوغاريثمية واحدة. أما رياضياً فهي تساوي مقلوب الانحدار لهذا المنحنى.

تمتاز قيمتا F و Z بأنهما يمثلان بشكل كامل هذا المنحنى الميكروبي المهم ويعتبران القياس الكمي لمقاومة السبورات الحرارية على عدة درجات حرارية مختلفة فكلما تضاءلت قيمة Z كلما زاد وقت التعقيم أي بمعنى آخر أنه من الممكن هلاك الكائنات الحية بمدة 138 دقيقة على درجة حرارة 110م عندما تكون قيمة Z = 7.8م مقارنة مع كائن حي آخر يهلك في وقت 44 دقيقة على نفس الحرارة بينما قيمة Z= 12.2م والجدول رقم (36) يقارن عدة كائنات حية من حيث قيمتيD و Z للتعبير عن مقدار المقاومة الحرارية لكل منها.

يتأثر منحنى الوقت للموت الحراري بالوسط الإنمائي المختبري أو بمكونات الغذاء لما له من تأثير مباشر وغير مباشر على درجة مقاومة السبورات للحرارة فالمعلومات المتحصل عليها من غذاء لا يمكن تطبيقها على غذاء آخر وعليه يجب عمل منحنى الوقت للموت الحراري آخر في نفس الغذاء المطلوب حساب زمن التعقيم الحراري له.