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1 Princípios de Microbiologia Prof. Analy Leite analy.leite@gmail.com Universidade Federal do Rio de Janeiro – Campus Macaé Ciências Biológicas Disciplina: Biotecnologia na produção de alimentos “Não há qualquer campo do saber humano, seja na indústria, na agricultura, no preparo de alimentos, em conexão com problemas de habitação ou de vestuário, na preservação da saúde humana ou de animais e no combate às doenças, em que o microrganismo não desempenhe um papel importante e às vezes, dominante.” Selman A . Wasksman (1942) • Organismos: procariotos (bactérias, arqueas), eucariotos inferiores (algas, protozoários, fungos) e também os vírus. Archea Fungo Alga Protozoário Vírus MICROBIOLOGIA DEFINIÇÃO: Ramo da Biologia que estuda os seres microscópicos em seus diferentes aspectos Características gerais Microrganismos: Mais importante grupo dos seres vivos, sobre o qual sustenta a vida no planeta Ambientes ◦ Solo, geleiras, interior de seres vivos, porções profundas da crosta terrestre; Controle e aplicação ◦ Desenvolvimento tecnológico da humanidade Processos fermentativos, controle de doenças, engenharia genética Capacidade de desenvolver diversidade de reações bioquímicas Célula como unidade básica 2 Classificação Reinos ◦ Bacteria: Archea e Bacterias ◦ Protozoa: protozóarios ◦ Fungi: fungos ◦ Plantae: algas multicelulares e plantas ◦ Animalia: Animais superiores ◦ Chromista: algumas algas Características bactérias Procariotos ◦ não possuem envoltório nuclear: Cocos, bacilos, espirilos e espiroquetas Morfologia bactéria Glicocálice: aderencia, proteção e reserva de nutrientes Flagelos: locomoção Fímbrias: aderência (pílus sexual: conjugação) Parede celular: pepetídeoglicano ◦ Gram + ◦ Gram – Complexa Membrana celular ◦ Permeabilidade seletiva ◦ Transporte nutrientes ◦ Bicamada fosfolípidica Citoplasma ◦ ribossomos Morfologia bactérias Informação hereditária ◦ DNA ◦ Cromossomo Plasmídeos ◦ Contem genes importantes, mas não essenciais à sobrevivência Estrutura de resistência ◦ Esporos 3 Morfologia fungos Fungos ◦ Eucariotos, uni ou multicelulares Fungos filamentosos ◦ Massas visíveis – micélios (filamento longo ou hifas) Leveduras ◦ Unicelulares, arredondadas e > bactérias ◦ Parede celular rígida Tamanho, proteção, resistência ◦ Membrana citoplasmática Regula troca com meio externo Núcleo Nucléolo, cromossomos e histonas Morfologia dos fungos Talo ou micélio ◦ Filamentos – hifas Crescem apicalmente Retomam o crescimento Novo ponto de crescimento Leveduras: reprodução fissão ou gemas Fungos dimórficos ◦ Formam hifas ou vivem como leveduras Esporos assexuados ◦ Esporangiósforos, conídios Esporos sexuados (gametângios) ◦ Zigósporos, oósporos, ascósporos Crescimento microbiano Número de células de uma determinada população microbiana Curvas de crescimento ◦ Representação gráfica do aumento do número de indivíduos em um determinado tempo Taxa de crescimento ◦ Variação no número ou massa por unidade de tempo Tempo de geração ◦ Intervalo de tempo necessário para que uma célula se duplique, variável para os organismos. ◦ Dependente de fatores genéticos e nutricionais Em 7 horas, 1 bactéria se multiplica em 7.000.000 4 Medidas de crescimento microbiano Contagem total de células ou contagem direta ◦ Células vivas ou mortas? ◦ Dimensão das células, agregados celulares ◦ Diluições da suspensão em câmaras de Neubauer ou lâmina corada ◦ Enumerar no microscópio Estimativa do número de células ◦ Escala MacFarland (solução de BaSO4 ) ◦ Grau de turvação distinto Contagem de microrganismos viáveis Estimativa do número de células capazes de se reproduzir em uma amostra Diluições seriadas da suspensão celular Semeadura em meio sólido Incubação Contagem do número de células viáveis Estimativa do número de microrganismo vivos em função da diluição Contagem de placas entre 30 a 300 UFC Triplicatas para cada diluição Contagem de microrganismos viáveis Elevada sensibilidade Diferentes tipos de microrganismos Meios de cultura seletivos, diferenciais Membranas filtrantes ◦ Colocadas diretamente sobre os meios de cultura Contagem padrão em placas 10 ml 10 g do alimento 90 ml do diluente homogeneizar ou 10-1 10 ml 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10 ml 10 ml 10 ml 90 ml do diluente em cada garrafa de diluição Aproximadamente 15 ml de APC por placa. Movimentos em 8 e ∞ para homogeneizar Contagem de bactérias mesófilas totais Incubar a 37°C / 24h 1 ml 1 ml 1 ml ...em profundidade ou pour plate 5 ...em superfície ou spread plate 0,1 ml Contagem S. aureus Ágar Baird Parker Incubar a 37°C/ 24 h 10 ml 10 g do alimento 90 ml do diluente 10-1 10 -2 10-3 90 ml do diluente 0,1 ml 0,1 ml Contar colônias típicas Contagem padrão em placas Determinação peso úmido ou seco Pesagem direta da biomassa presente em uma suspensão Estimativa do peso seco ou peso úmido Utilizado quando o número preciso de microrganismos não é necessário Biomassa centrifugada ou filtrada Lavada Transferida para frascos e secas em estufa até peso constante Pouco precisas, necessário grande amostragem Turbidimetria Medida da turvação de uma suspensão microbiana Quantificação por espectrofotômetro em um comprimento de onda determinado Elaboração de uma curva padrão Curvas de calibração com base em determinações de peso seco Rápida e fácil execução Menos precisa Não permite determinação de células viáveis Determinação Química de componentes viáveis Calculo da massa microbiana pela dosagem de componentes celulares ◦ Proteínas e ácidos nucleicos Sensível Amostras pequenas Composição química pode ser muito variável ◦ Condições de crescimento Composição do meio de cultura , idade da cultura e velocidade de crescimento 6 Número mais provável Utilizada na avaliação de coliformes totais e fecais Baseia-se em análises estatísticas 3 séries de 5 ou 3tubos Cada série com diluições seriadas da amostra em solução salina fisiológica Após incubação ◦ Tubos positivos – determina-se o NMP por consulta a tabela de NMP Curva de crescimento Cultura sistema fechado (descontínuo) ◦ Fase lag ◦ Fase log ◦ Fase estacionária ◦ Fase de declínio Curvas de crescimento Culturas contínuas ◦ Utilizada em processos industriais para obtenção de produtos microbiológicos ◦ Interesse em manter as células em fase log ou estacionária ◦ Biorreatores Crescimento em equilíbrio dinâmico Controle de densidade populacional e taxa de crescimento Curva de crescimento dos microrganismos Log Tempo lag log estacionária declínio 7 Curva de crescimento Fase lag Adaptação metabólica, síntese de enzimas; Sem aumento da população Duração variável Estresses, injúrias físicas, químicas ou transferência meio rico para pobre Fase log ou exponencial Duração variável Absorção de nutrientes, crescimento Crescimento exponencial limitado Condições desfavorável pela escassez de nutrientes, acúmulo de metabólitos tóxicos e limitação de espaço Disponibilidade de nutrientes ê, céls menos capazes de gerar ATP, ê taxa de crescimento. Curva de crescimento Fase estacionária ◦ Escassez de nutrientes ◦ Acúmulo de metabólitos tóxicos ◦ Tx de divisão celular ≈tx de morte celular ◦ Número de céls. Viáveis constante ◦ Síntese de metabólitos secundários Antibióticos, enzimas ◦ Esporulação das bactérias Fase declínio ◦ Processo de morte das céls ◦ Alguns em divisão ◦ Tx de morte > tx de divisão ◦ No de céls viáveis decresce exponencialemnte ◦ Completa extinção e esporulação da população Fatores ambientais que afetam o crescimento microbiano Temperatua Agitação Luz pH Nutrientes Tensão de oxigênio Água Pressão osmótica Interações entre microrganismos Compostos antimicrobianos Crescimento microbiano Temperatura Um dos fatores principais é temperatura, reações químicas e enzimáticas + rápidas, acelerando tx crescimento Desnaturação de proteínas e ácidos nucleicos, inviabilizando sobrevivência Ponto ótimo crescimento Temperatura mínima e máxima 8 Temperatura Microrganismo Temperatura de crescimento Mínima Ótima Máxima Termófilos 40 - 45 55 - 75 60 - 90 Mesófilos 5 - 15 30 - 45 35 - 47 Psicrotróficos -5 - +5 25 - 30 30 - 35 Psicrófilos -5 - +5 12 - 15 15 - 20 Classificação dos microrganismos quanto à temperatura de crescimento Mantenha comida quente, quente! Acima de 60° Mantenha comida fria, fria! Abaixo de 5° Aqueça ou resfrie a comida rapidamente A zona perigosa de temperatura para alimentos A temperatura é o mais importante fator ambiental que afeta o crescimento microbiano! Adaptações ao frio Enzimas que funcionam melhor em temperaturas baixas e desnaturam-se em temperatura branda. Aumento do conteúdo de ácidos graxos na membrana. ↑Lipídios da membrana com ácidos graxos polinsaturados. 9 Agitação Aeração do meio Favorável aos microrganismos aeróbios Homogeneização dos nutrientes Luz Importante para as algas Bactérias fotossintetizantes Bactérias inibidas por luz Concentração de íons hidrogênio O pH varia de 0 a 14, sendo 7 o valor que expressa neutralidade Quanto maior a concentração de H+ menor é o pH O pH pode ser determinado pelo uso de um pHmetro A maioria dos microrganismos crescem em pH próximo à neutralidade ou levemente ácido Poucas espécies sobrevivem abaixo de pH 2 e acima de pH 10 Bactérias mais exigentes que fungos filamentosos e leveduras pH adverso afeta: funcionamento das enzimas microbianas e transporte de nutrientes para o interior da célula pH pH Aumento de acidez Aumento de alcalinidade 1 3 2 5 6 4 7 8 10 9 0 12 11 14 13 Neutro suco de limão, maçã laranja tomate, beringela banana, batata, queijos carne bovina, frango, leite, manteiga leite de magnésia Bactérias patogênicas Bactérias lácticas Bactérias acéticas Bolores Leveduras A ci dó fil os A lc al ifí lic os 10 Classificação dos microrganismos quanto ao crescimento em diferentes valores de pH Neutrófilos: pH 6,0 a 8,0 Acidófilos: pH abaixo de 6,0 Alcalófilos: pH acima de 8,0 Valores de pH para multiplicação de alguns microrganismos Organismo pH mínimo pH ótimo pH máximo Maioria das bactérias 4,5 6,5 a 7,5 9,0 C. botulinum 4,5 a 5,0 6,0 a 8,0 8,5 a 8,8 C. perfringens 5,0 a 5,5 6,0 a 7,6 8,5 Escherichia coli 4,3 a 4,4 6,0 a 8,0 9,0 a 10 Lactobacillus (maioria) 3,0 a 4,4 5,5 a 6,0 7,2 a 8,0 Salmonella 4,5 a 5,0 6,0 a 7,5 8,0 a 9,6 S. aureus 4,0 a 4,7 6,0 a 7,0 9,5 a 9,8 Leveduras 1,5 a 3,5 4,0 a 6,5 8,0 a 8,5 S. cerevisae 2,0 a 2,4 4,0 a 5,0 - Fungos filamentosos 1,5 a 3,5 4,5 a 6,8 8,0 a 11 Penicillium 1,9 4,5 a 6,7 9,3 Efeito do pH nos microrganismos Aumento da concentração de ácido intracelular: afeta atividades celulares como permeabilidade e ação de diferentes enzimas e sinalizadores Ác. fraco H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Ác. forte acidifica meio intracel. • maior gasto de energia para manter o pH intracelular • desnaturação de proteínas e efeito sobre DNA • alteração na atividade enzimática • menor velocidade de crescimento Mecanismos de defesa dos microrganismos contra os efeitos dos ácidos Evitam a entrada de H+. Retiram H+ na proporção que eles entram. Tampão intracelular evita a destruição de componentes chave como o DNA e ATP, que necessitam de pH neutro. Produção de compostos neutros: acetoína ou descarboxilação de aminoácidos H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ 11 Nutrientes Disponibilidade de nutrientes essenciais ◦ Fontes de energia: nitrogênio, vitaminas, fatores de crescimento e minerais Requerimentos nutricionais diversificados Para quase qualquer substância, há um microrganismo capaz de metabolizá-lo Fungos filamentosos < necessidades, seguidos por leveduras, bactérias Gram – e Gram + Fornecem nutrientes utilizados pelos microrganismos na produção de energia e síntese celular Necessidade depende dos caminhos metabólicos que o microrganismo dispõe para obter energia Fontes de Energia .............................e quem é capaz de utilizá-las Carboidratos ................................a maioria dos microrganismos Substâncias nitrogenadas (amônia) ..... Clostridium Proteínas e lipídios ................................. Bolores Composição do alimento: Nutrientes Fontes de Nitrogênio: Peptídeos, Aminoácidos, Amônia Fatores de Crescimento: Vitaminas – coenzimas envolvidas em várias reações - Biotina, ácido fólico, riboflavina, tiamina, piridoxina, nicotinamida Sais minerais: Mg++, Mn++, Na+, K+, P (ATP), S (aa) Quanto aos fatores de crescimento G+ são mais exigentes. Tensão de oxigênio Microrganismos aeróbios necessitam de oxigênio. Predominam na superfície de alimentos exposta ao ar. Microrganismos anaeróbios estritos: não crescem na presença de oxigênio. Microrganismos anaeróbios facultativos: podem crescer bem em diferentes concentrações de oxigênio Microaerófilos: requerem concetrações baixas de oxigênio Anaeróbios aerotolerantes: toleram presença de oxigênio, embora não necessitem 12 Água Essencial a qualquer ser vivo Solvente universal Necessidade de água dos microrganismos deve ser descrita em termos de atividade de água (Aa) Atividade de Água Razão entre a pressão de vapor de equilíbrio do substrato e a pressão de vapor da água pura na mesma temperatura ◦ Principal determinante da sobrevivência, crescimento e desenvolvimento de uma comunidade bacteriana. ◦ Depende da disponibilidade de água e concentração de solutos. Atividade de água (Aw) É a água que está disponível para utilização • Varia de 0,0 a 1,0, onde 1,0 é a água pura O H H + + - Na+ Cl- O H H + + - O H H + + - OH H + + - OH H + + - O H H + + - água soluto água + soluto água livre Aa = pressão do vaporde água da amostra pressão do vapor da água pura Água pura ⇒ Aa = 1 13 Valores de Aa mínima para multiplicação de microrganismos Organismos Aa Bactérias deterioradoras 0,91 Leveduras deterioradoras 0,88 Bolores deterioradores 0,80 Bactérias halofílicas 0,75 Bolores xerofílicos 0,65 Leveduras osmofílicas 0,61 C. botulinum tipo E 0,97 Pseudomonas 0,97 Escherichia coli 0,96 C. botulinum tipos A e B 0,94 Staphylococcus aureus 0,86 Candida scottii 0,92 Aspergillus echinulatus 0,64 Amarelo – patogênicos; Cor-de-rosa – deteriorantes; Verde – tolerantes (eventualmente deteriorantes ou toxigênicos) Atividade de água (Aw) mínima para a multiplicação de diferentes microrganimos Microrganismo Aw mínimo Maioria das bactérias 0,88 a 0,91 Maioria das leveduras 0,88 Maioria dos fungos filamentosos 0,80 Fonte: Jay, 1991 Tolerância quando à Atividade de Água 0,99 0,83 0,61 BACTÉRIAS FUNGOS G + G - bactérias halofílicas - 0,76 leveduras xerofílicas - 0,61 bolores osmofílicos - 0,60 Efeito de baixa atividade de água no crescimento dos microrganismos Aumento da fase LAG Diminuição da taxa de crescimento e contagem final dos microrganismos Afeta a produção de substâncias como a enterotoxina B de S. aureus soluto água 14 Proteção dos microrganismos contra a redução da Aa Acúmulo de solutos: Íons K+, glutamato, glutamina, prolina, alanina, sacarose, γ-aminobutírico, trealose, glicinobetaína, glicosil-glicerol. Meio com alta concentração osmótica Acúmulo interno de solutos Pressão osmótica Tolerâncias dos microrganismos quanto à pressão osmótica do meio ◦ Halofílicos: necessitam de ambientes com elevada concentração salina para sobreviver. ◦ Halodúricos: suportam ambientes com alta concentração de sal. ◦ Xerofílicos: afinidade a ambientes secos, falta de água. ◦ Osmofílicos: necessitam de ambiente com baixa Aa obtida por alta pressão osmótica, como produtos açucarados. ◦ Osmodúricos: suportam, mas não necessitam de ambientes com elevada concentração de açúcar. Interações entre microrganismos Presença e atividade de outros microrganismos – competição Produção de substâncias inibidoras ou letais ◦ Ácidos orgânicos – bactérias láticas ◦ Acido lático – bactéria lática ◦ Álcool – Levedura ◦ Antibiotico – Fungos filamentosos ◦ Bacteriocinas – vários ◦ Peróxido de hidrogênio – estreptococos, lactobacilos 15 Componentes antimicrobianos Naturais ◦ Condimento óleos essências (eugenol no cravo, alicina no alho, isotimol no orégano) ◦ Ovo A clara contem diversos agente antimicrobianos (lisozima, avidina) além do pH desfavorável a multiplicação (9 a 10). ◦ Leite Contem substancias antimicrobianas naturais, especificas (Imunoglobulinas, fator complemento, macrófagos e linfócitos) e e inespecíficas (Sistema lactoperoxidase, lactoferrina, lisozima). Adicionados ◦ Benzoatos, sorbato, citrato e etc. • Envoltórios: o cascas o membranas o película o pele Composição do Alimento: estrutura biológica Cultivo microbiano Meios de cultura ◦ Conhecimento sobre as necessidades das espécies Nutricionais, ambientais ◦ Diversidade microbiana Diferentes formas de nutrição e necessidade de atendimento dessas demandas das espécies ◦ Infactível existência de meio de cultura universal Inibidores, úteis, inúteis, exigências ◦ Variedade de meios de cultura Fonte de carbono Fonte de energia Dióxido de carbono (autotróficos) Compostos orgânicos (heterotróficos) Luz Fotoautotróficos: • Bactérias do enxofre púrpuras e verdes • Algas • Plantas • cianofícias Fotoheterotróficos • Bactérias púrpuras e verdes não enxofradas Compostos químicos Quimioautotróficos (compostos químicos inorgânicos) • Bactérias nitrificantes • Do ferro • Do hidrogênio • Do enxofre Quimioheterotróficos • Diversas bactérias • Fungos • Protozoários • Animais Classificação microrganismos quanto aos tipos de nutrição 16 Meios de cultura Quanto à composição: ◦ Sintéticos: composição qualitativa e quantitativa conhecida; Íons metálicos, fontes de carbono, nitrogênio Maior reprodutibilidade, composição conhecida ◦ Complexos: constituintes naturais que o suplementam com gde qtd de nutrientes, como vitaminas e aminoácidos Composição não exatamente conhecida Extrato de levedura, extrato de carne, extrato de rúmen bovino, soro, peptona, gema de ovo, etc. Permite a simulação e até melhoria dos ambientes naturais Meios de cultura Estado físico ◦ Líquidos Maior facilidade de desenvolvimento Meios de recuperação de culturas enfraquecidas Limitação: crescimento misturado ◦ Sólidos Adição de um agente gelificante (ágar) Ágar pode inibir o crescimento de alguns microrganismos autotróficos (sílica gel) Gelatina Importantes no isolamento de microrganismo Contagem de microrganismos viáveis Meios de cultura Especiais ◦ Seletivos Estimulam crescimento de alguma espécie específica ou inibem crescimento de outros tipos Inibidores para espécies não desejáveis liquido ◦ Enriquecimento Interesse em um grupo específico presente em uma população mista liquido ◦ Diferenciais Atribuem características específicas às colônias Coloração, formação de halos sólido Conservação Importante após isolamento e eventual modificação genética ◦ Conservação, viabilidade, pureza, estabilidade genética Diferentes métodos Congelamento Liofilização 17 Conservação Técnicas de Preservação ◦ Armazenamento sob refrigeração Meios sólidos Reduz atividade metabólica, Tx de multiplicação ◦ Armazenamento em líquidos quimicamente inerte Recoberta por óleo mineral estéril ◦ Congelamento ◦ Liofilização Bibliografia Microbiologia de Alimentos. James Jay. ArtMed. 2005. Microbiologia de Alimentos. Franco e Landgraf. Biotecnologia de Alimentos. Pastore et al. 2013
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