Lebensmittelmikrobiologie

Die Lebensmittelmikrobiologie ist ein Zweig der Mikrobiologie und befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Lebensmitteln. Sie gehört zu den systemorientierten, angewandten Wissenschaften, und hat als empirische Wissenschaft eine sehr lange Entwicklungsgeschichte, beginnend mit dem Übergang der Menschheitsentwicklung von den Jägern und Sammlern zu sesshaften Gesellschaften mit dem Bedarf zur Lagerung und entsprechenden Zubereitung von Lebensmitteln.

Mikroorganismen können im Zusammenhang mit Lebensmitteln als nützlich oder als schädlich angesehen werden. Nützlich sind sie, wenn sie zur Herstellung von Lebensmitteln dienen, selbst als Lebensmittel dienen oder für die Biotechnologie oder Lebensmittelanalytik eingesetzt werden. Schädlich sind sie, wenn sie Lebensmittel verderben oder wenn pathogene Mikroorganismen durch Lebensmittel übertragen werden.

Herstellung von Lebensmitteln mit Hilfe von Mikroorganismen

Beispiele von Lebensmitteln, bei deren Herstellung Mikroorganismen genutzt werden:

• Milchprodukte wie Joghurt und ähnliche Sauermilchprodukte, Saure Sahne, Käse (Milchsäurebakterien, Kefirhefen, Propionibacterium, Brevibacterium linens (Rotschmierebakterium), Penicillium camemberti (Weissschimmel), Penicillium roqueforti (Blau- oder Edelschimmel), und viele mehr.
• Sauerkraut, Salzgurken und andere Sauergemüse (Milchsäurebakterien)
• Essig (Essigsäurebakterien: Acetobacter, Gluconacetobacter)
• Alkoholische Getränke wie Bier (Bierhefe Saccharomyces cerevisiae), Wein (Weinhefen), Pulque (das Bakterium Zymomonas mobilis), Sake (Aspergillus oryzae, Sake-Hefen)
• Weißgebäck (Backhefe Saccharomyces cerevisiae)
• Sauerteigbrot (Milchsäurebakterien und Hefen)
• Pökelfleisch (Nitrat-reduzierende Kokken, Milchsäurebakterien, Enterococcus faecium, Vibrio-Arten, halotolerante Hefen)
• Rohwürste (Milchsäurebakterien, nitratreduzierende Kokken (z.B. Staphylococcus carnosus, Streptomyces griseus, Penicillium nalgiovense)

Mikroorganismen als Lebensmittel

Beispiele für Mikroorganismen, die als Lebensmittel verwendet werden:

• Mikroalgen wie Scenedesmus und Chlorella werden in Massen kultiviert und als diätische Lebensmittel oder als Lebensmittel-Zusätze verwendet
• Das Cyanobakterium Spirulina wird aus afrikanischen Seen abgefischt und dort gegessen, in Europa als diätisches Lebensmittel verwendet
• Backhefe (Saccharomyces cerevisiae) und daraus hergestellte Hydrolysate ("Extrakte") werden als Vitamin B Supplemente verwendet, auch als Würzmittel oder Brotaufstrich ("Vegemite" und "Marmite (Lebensmittel)")
• Speisepilze: Große Fruchtkörper von vielen Basidiomycota (Ständerpilzen) und einigen Ascomycota (Schlauchpilzen) werden als Nahrungsmittel verwendet.

Lebensmittel- oder Mikroorganismen-spezifischer Verderb

Beispiele von Lebensmittel-Verderb, der spezifisch ist für bestimmte Lebensmittel oder für die verursachenden Mikroorganismen::

• Säuerung von Milch durch Milchsäurebakterien
• Verderb ungenügend erhitzter Dosenkonserven durch anaerobe Bakterien, die sehr hitzeresistente Endosporen bilden, zum Beispiel die Gattung Clostridium
• Ranzigwerden von Butter durch Lipase-bildende Bakterien wie Pseudomonas fragi und P. fluorescens
• Weichwerden von Gemüse durch Bakterien, die Pektinasen, Hemicellulasen oder Cellulasen bilden und damit die Mittellamellen der Pflanzengewebe auflösen, zum Beispiel Erwinia carotovora
• Fädenziehen von Getreideprodukten durch Bacillus subtilis
• Schleimbildung und Honiggeruch in Bier durch Pediococcus cerevisiae („Biersarcinen“)
• Säuerung von Wein durch Essigsäurebakterien
• Rote Flecken auf Backwaren durch Bildung von Serratia marcescens-Kolonien („Wunder der blutenden Hostie“)

Mikrobielle Lebensmittel-Vergiftungen

Bei Stoffwechseltätigkeit, Wachstum und Vermehrung in Lebensmitteln (und zum Teil auch erst im Darm) bilden einige Mikroorganismen Toxine. Beispiele für toxinbildende Mikroorganismen:

• Staphylococcus aureus und andere Staphylokokken (Gram-positive, kugelförmige Bakterien) bilden Enterotoxine, welche nach Aufnahme mit den Lebensmitteln zu Erbrechen und Durchfall führen.
• Clostridium botulinum (Gram-positives, endosporenbildendes, anaerobes Bakterium, verursacht Botulismus). Das Botulinum-Toxin gehört zu den stärksten bekannten Giften, hat aber wegen der Funktion als Inhibitor der Nervenweiterleitung in starker Verdünnung auch einen anderen Nutzen gefunden, nämlich als "Verjüngungsdroge" Botox.
• Clostridium perfringens (Gram-positives, Endosporen-bildendes, anaerobes Bakterium) kann neben seiner Funktion als Erreger des Wundbrandes/Gasbrandes auch Gastroenteritis verursachen, wobei die Toxine erst beim Wachstum und der Sporenbildung im Darm gebildet werden.
• Bacillus cereus (Gram-positives, Endosporen-bildendes, aerobes Bakterium) kann sowohl ein Erbrechenstoxin (im Lebensmittel) als auch ein Diarrhoe-Toxin (im Darm) produzieren.
• einige Schimmelpilze bilden Toxine (sog. Mykotoxine), zum Beispiel das stark lebertoxische und krebserregende Aflatoxin, das Ochratoxin, und das Patulin.
• Vergiftung von als Lebensmittel verwendeten Meerestieren durch toxische Algen, wie Gonyaulax catenella und G. tamarensis (Dinophyceae), oder durch toxinbildende Bakterien

Lebensmittel als Überträger pathogener Mikroorganismen

Beispiele für pathogene Mikroorganismen, die durch Lebensmittel übertragen werden:

Bakterien

• Salmonella-Arten, Verursacher von Diarrhöen, Typhus, Paratyphus
• Shigella-Arten, Erreger von Ruhr
• pathogene Stämme des Darmbakteriums Escherichia coli wie EPEC (enteropathogen), EHEC (enterohämorhagisch), EIEC (enteroinvasiv), ETEC (enterotoxisch); (die jeweils beiden letzten Buchstaben EC stehen für Escherichia coli)
• Yersinia enterocolitica, Erreger von Enteritiden, u. U. Arthritis als Spätfolge
• Vibrio cholerae, Erreger der Cholera
• Vibrio eltor, Erreger choleraähnlicher Erkrankungen
• Vibrio parahaemolyticus, Erreger akuten Brechdurchfalls, u. U. Septikämie
• Aeromonas, Plesiomonas, Erreger von Gastroenteritiden
• Listeria monocytogenes, Verursacher von Meningitis, Enzephalitis, Granulomen, Fehl- und Frühgeburten und anderen Erkrankungen
• Campylobacter jejuni, häufigster bakterieller Erreger von Gastroenteritiden, u.U. Nervenschädigung durch Autoimmunerkrankung (Guillain-Barré-Syndrom, GBS) als Spätfolge

Protozoen

• Lamblia intestinalis, Verursacher von Dysenterien
• Entamoeba histolytica, Verursacher von Dysenterien

Viren,

die verschiedene Krankheiten verursachen, besonders Picorna-, Reo-, Arena-, Arbo-, Noro- und Adeno-Viren

Maßnahmen gegen schädliche Wirkungen von Mikroorganismen

Beispiele für die Verhinderung oder Verzögerung von mikrobiellem Verderb von Lebensmitteln:

• Sterilisation durch Erhitzen, zum Beispiel Dosenkonserven
• Verminderung der Mikroorganismen-Konzentration durch Erhitzen (Pasteurisieren, und ähnliche Verfahren)
• Abtöten aller Mikroorganismen oder Verminderung der Mikroorganismen-Konzentration durch Bestrahlung mit Gammastrahlung, Ultraviolettstrahlung
• Konservierung durch Kühlen
• Konservierung durch Trocknen (Erniedrigung der Wasseraktivität)
• Konservierung durch Salzen (Erniedrigung der Wasseraktivität)
• Konservierung durch Säuern (zum Teil mit Hilfe von Bakterien)
• Konservierung durch Räuchern
• Konservierung durch Zusatz von Konservierungsstoffen, die die Aktivität von Mikroorganismen hemmen oder sie sogar abtöten

Maßnahmen zur Verhinderung der Kontamination von Lebensmitteln mit pathogenen, toxischen oder Lebensmittel-verderbenden Mikroorganismen:

• Sauberkeit bei der Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln
• Fernhalten von Kontaminationsquellen
• Personalhygiene
• Reinigung und Desinfektion von Räumen und Geräten

Literatur

• Johannes Krämer: Lebensmittel-Mikrobiologie, 6. Aufl., UTB Uni-Taschenbücher 1421, 2011, ISBN 978-3-8252-3607-6
• James M Jay, Martin J. Loessner, David A. Golden: "Modern Food Microbiology", 7. Aufl., Springer Verlag, 2005, ISBN 0-387-23180-3
• Gunther Müller, Herbert Weber: Mikrobiologie der Lebensmittel – Grundlagen, 8. Aufl. Behr’s Verlag, Hamburg, 1996, ISBN 3-86022-209-0
• Thomas J. Montville, Karl R. Matthews: Food microbiology: an introduction, ASM Press, Washington DC, 2004, ISBN 1-55581-308-9
• Michael P. Doyle, Larry R. Beuchat, Thomas J. Montville, Karl R. Matthews: Food microbiology: fundamentals and frontiers, ASM Press, Washington DC, 2001, ISBN 1-55581-208-2
• W. Holzapfel: Lexikon Lebensmittel-Mikrobiologie und –Hygiene, 3. Aufl., Behr’s Verlag, Hamburg, 2004, ISBN 3-89947-048-6
• Jürgen Baumgart (Hrsg.) u. a. Autoren: Mikrobiologische Untersuchung von Lebensmitteln, 3. Aufl. Behr’s Verlag, Hamburg, 1993, ISBN 3-86022-114-0
• Heribert Keweloh: Mikroorganismen in Lebensmitteln, 2. Aufl., Pfanneberg-Verlag, Haan-Gruiten, 2008, ISBN 3-8057-0527-1