Levensmiddelenmicrobiologie

Historisch overzicht en introductie tot de levensmiddelenmicrobiologie.

Door Siemen Schoustra, 1998.

- Onderdeel van het dictaat Inleiding Levensmiddelenmicrobiologie, Wageningen Universiteit. Al eeuwen lang wordt de mens geconfronteerd met de aanwezigheid van micro-organismen in levensmiddelen. Aan de ene kant maakt de mens gebruik van micro-organismen bij het bereiden en langer houdbaar maken van levensmiddelen en aan de andere kant kunnen micro-organismen bederf veroorzaken.

- Al in de prehistorie moet de mens zich hebben bezig gehouden met het vraagstuk van het voorkomen van bederf. Als er een mammoet gevangen en geslacht was, leverde dit een grote hoeveelheid vlees op die niet in één keer opgegeten kon worden.

Micro-organismen (bacteriën, schimmels, gisten)

Helpen ons: fermentatie (zuurkool, kaas, worst)

Hinderen ons: bederf (eiwitafbraak, verzuring, gasvorming, etc.)

Bedreigen ons: voedselvergiftiging en voedselinfecties

Figuur 1.1. De levensmiddelenmicrobiologie houdt zich bezig met de relatie tussen micro-organismen (m.o.) en levensmiddelen.

Vanaf ongeveer 10.000 tot 20.000 jaar geleden ging de mens geleidelijk over van het jagen en verzamelen naar de landbouw en een vaste woonplaats. Momenteel wordt nog steeds veel onderzoek gedaan naar de landbouwmethoden van deze prehistorische culturen. Duidelijk is dat het noodzakelijk was voedsel te conserveren in tijden van overvloed voor tijden van schaarste, het conserveren van vlees en vis met behulp van zout waren essentiële ontwikkelingen. Rond 3.000 voor Christus werd in de delta van de Eufraat (nu Irak) deze conserveermethode gebruikt. Van de Egyptenaren is bekend dat ze conserveerden met olie en zout. Op verschillende plaatsen werden conserveermethoden ontwikkeld, die vaak hetzelfde principe haddee gaten dat levensmiddelen afgesloten van lucht, licht en vocht bewaard moesten worden, al wist men toen niet waarom.

Producten zoals wijn, bier, brood en kaas zoals wij die nu kennen, zijn eigenlijk al in de oudheid ontstaan en steeds verder verfijnd sindsdien. Rond 7000 voor Christus kende men het neolitische brood. Dit was ongerezen en werd bereid uit meel gemaakt van primitieve grassen, waarvan de aren werden verhit om gedorst te kunnen worden. Later, rond 2500 voor Christus, werden er in het Nijl-dal granen verbouwd die zonder verhittingsstap gedorst konden worden en die nog konden kiemen na het dorsen. Het gebruik van gekiemd graan zorgde voor aangenamere eeteigenschappen. Dit brood diende aanvankelijk ook als een grondstof voor de bereiding van bier.

Ook hebben verzuurde (melk)producten een lange geschiedenis, vooral bij veenomaden is fermentatie veel gebruikt als conserveermethode. De zuurgraad van de verzuurde producten draagt bij aan de veiligheid door de remming van de groei van pathogenen. Bij melkproducten is er een aanvullend effect, namelijk dat het eiwit coaguleert en neerslaat bij een verlaging van de pH. Dit eiwit kan gemakkelijk worden afgescheiden als kaas. Hierbij was ook stremsel (een caseïne-coagulerend protease) onontbeerlijk. Hiervoor leerde men extracten van bepaalde planten en van kalvermagen te gebruiken. Op deze manier kan melk in geconcentreerde vorm lang bewaard en gemakkelijker vervoerd worden. Nog altijd worden in ontwikkelingslanden tal van verzuurde melkproducten op traditionele manier bereid.

Zout werd een zeer waardevol artikel in de oudheid. Gezegd wordt dat zout één van de belangrijkste redenen was voor de Romeinen om het huidige Israël te bezetten vanwege de aanwezigheid van de Dode Zee. In veel religies is het verboden om bepaalde dingen te eten, bijvoorbeeld varkensvlees voor Joden en Moslims. Gedacht wordt dat dit zijn oorsprong heeft gevonden in het feit dat via deze levensmiddelen vaak ziektes verspreid werden. Rond 900 na Christus stelde Leo IV, de heerser van het Byzantijnse Rijk, een wet in die verbood een bepaald soort bloedworst (bloed in een maag van varken en daarna roken) te maken. Hier stond verbanning en een boete van 10 goudstaven (nu ƒ70.000,--) op. Leo IV deed dit omdat het eten van deze bloedworst vaak een dodelijke voedselvergiftiging veroorzaakte, vermoedelijk botulisme.

De oude Grieken en de Romeinen maakten al melding van voedselvergiftigingen die veroorzaakt werden door het eten van besmet graan. Ook in de Middeleeuwen deden zich veel epidemieën voor. In 1582 werd het verband gelegd tussen de groei van een schimmel op het graan en de ziekteverschijnselen. Nu weten we dat deze vergiftigingen veroorzaakt worden door ergot alkaloïden, die geproduceerd worden door Claviceps purpurea (zie ook hoofdstuk 5).

Omdat de exacte oorzaak en het mechanisme van veel ziekteverschijnselen niet bekend was, traden vergiftigingen met een microbiologische oorsprong steeds opnieuw op. In 1793, dus 9 eeuwen na de wet van Leo IV, vielen er doden na het eten van bloedworst bij een uitbraak van botulisme in Duitsland.

In 1795 schreef Napoleon een prijsvraag uit voor een nieuwe conserveermethode. Hij had problemen bij de voedselvoorziening van zijn troepen. Nicolas Appert won deze prijs in 1805. Hij had een methode ontwikkeld waarbij levensmiddelen in grote glazen potten werden gedaan en vervolgens werden verhit in kokend water. Na aandringen van Napoleon bracht Nicolas Appert in 1810 een boek uit waarin hij zijn methode beschreef. In datzelfde jaar kwam Durand in Engeland met het patent om blikken van tin te gebruiken bij het verhitten van levensmiddelen. Antonie van Leeuwehoek had in 1683 al micro-organismen gezien onder de microscoop. Appert was hier niet van op de hoogte, hij was gewoon kok van beroep.

Figuur 1.1. De titelpagina van het boek van Nicolas Appert.

Tussen 1854 en 1864 legde Louis Pasteur een wetenschappelijke basis onder de conserveermethoden gebaseerd op verhitten en stond hij aan de wieg van de moderne levensmiddelenmicrobiologie. Hij toonde aan dat micro-organismen een essentiële rol spelen bij de bereiding van bier en wijn. Het zogenaamde "pasteuriseren" werd voor het eerst commercieel gebruikt in 1867 bij de bereiding van wijn. In 1876 toonde Pasteur aan dat gistcellen levende cellen zijn. Koch ontwikkelde in dezelfde tijd methoden om bacteriën in reincultuur te kweken en zo specifiek bepaalde ziektes te associëren met bepaalde bacteriën. In 1884 werd de Gram kleuring ontwikkeld door Gram in Denemarken. In 1888 isoleerde A.A. Gärtner een bacterie bij een grote uitbraak van voedselvergiftiging na het eten van vlees. Later is deze bacterie Salmonella enteritidis gaan heten. Deze bacterie veroorzaakt nog steeds problemen. In 1994 werden in de Verenigde Staten 225.000 mensen ziek na het eten van roomijs. In 1896 ontdekte Van Ermengem de oorzaak van botulisme, Clostridium botulinum.

Figuur 1.2. Louis Pasteur aan het werk. Bron: Instituut Pasteur

Uber einen neuen anaeroben Bacillus und seine Beziehungen zum Botulismus

Prof. Dr. E. van Ermengem, 1896, Zeitschrif für Hygiëne, jaargang 26

In 1896 schreef Prof van Ermengem dit artikel over een geval van voedselvergifting, het wordt gezien als een van de eerste artikelen over dit onderwerp. Zeer nauwgezet (het artikel omvat 60 pagina's) beschrijft hij eerst een feest waar een grote groep mensen bloedworst eet en hier ziek van wordt. Iedereen die de bloedworst gegeten heeft, wordt ziek.

Hij gaat uitgebreid in op hoe de worst gemaakt is, welke grondstoffen erin zitten en hoe de worst bewaard is. Hierna beschrijft hij uitgebreid welke symptomen de ziekte bij de mensen veroorzaakte. Hij vergelijkt deze symptomen ook met gevallen van voedselvergifting van de jaren ervoor.

In de bloedworst die de ziekte veroorzaakt blijkt een reinculture te zitten van een stam die hij omschrijft als een Bacillus. Hij geeft een groot aantal karakteristieken van deze stam, zoals het maximale zoutgehalte van het medium waarbij de stam nog kan groeien. Ook schrijft hij over het toxine dat de stam produceert. Hij onderzocht het effect van het toxine bij onder andere muizen, konijnen en katten.

Figuur 1.3. Opstelling om anaerobe bacteriën te bestuderen.

Figuur 1.4. Autoclaaf, stoof en andere apparaten die in de tijd van Pasteur werden gebruikt.

Bron: Bridson, E., Louis Pasteur: a microbial genius, Culture, jaargang 15, 1994

Biografie van Louis Pasteur - Louis Pasteur (1822-1895) wordt gezien als de eerste microbioloog en de grondlegger van de wetenschap op dit gebied zoals wij die nu kennen. Hij was tijdens zijn leven al een nationale held en na zijn dood zou zijn faam alleen nog maar groeien, zoals dit vaker gebeurt bij beroemde mensen. Hij stierf in 1895 op 72-jarige leeftijd. Tegenwoordig heeft elke Franse stad een Rue of Avenue Pasteur en staan er vele standbeelden van hem. Tot voor kort stond hij ook op een Frans bankbiljet. Zijn naam is een werkwoord geworden. Na zijn overlijden kreeg hij een heldenbegrafenis. De rouwstoet trok van de Notre Dame begeleid door de Republikeinse garde door de stratenvan Parijs. Hij werd in een graftombe gelegd in de catacomben van zijn eigen Institut Pasteur, waar hij in de jaren daarvoor gewerkt en gewoond had.

Het begin van zijn loopbaan was niet zo glorieus. Hij stamde uit een leerlooiersgezin uit de Jura, hardwerkende mensen, gehecht aan hun familie. Louis zou het verder gaan schoppen, hij zou misschien leraar worden. Hij was echter een matige leerling, met maar net voldoende voor de vakken natuur- en scheikunde. Hij zakte voor het toelatingsexamen van een prestigieuze hogeschool in Parijs, maar werd uiteindelijk toch toegelaten. Na zijn promotie werd hij leraar in Straatsburg, daarna hoogleraar scheikunde in Rijsel (Lille). In 1857 keert hij terug naar zijn oude school in Parijs om studenten te begeleiden. Hier krijgt hij ook de beschikking over een laboratorium en later wordt hij benoemd tot hoogleraar aan de Sorbonne. Hier krijgt hij de steun van Louis Napoléon bij de bouw van een laboratorium dat moet laten zien dat de Franse natie qua wetenschap superieur is. Pasteur blijkt een hardwerkende onderzoeker, een goede fondsenwerver en een goed organisator.

Zijn eerste werk was op het gebied van de chemie. Hij toonde bij wijnsteenzuur aan dat chemisch identieke stoffen een asymmetrische kristalstructuur kunnen hebben en gepolariseerd licht in tegengestelde richting kunnen afbuigen. Deze optische activiteit leek hem de essentie van levensprocessen, zoals gisting. Velen geloofden dat er spontane generatie van leven mogelijk was uit organische stof (generatio spontanea), Pasteur had aangetoond dat het gistingsproces in wijn en bier afhankelijk is van de aanwezigheid van micro-organismen.

Als hij zijn eigen laboratorium heeft, begint hij met onderzoek naar de bestrijding van infectieziekten.

In zijn nieuwe laboratorium begint hij met onderzoek naar een middel tegen anthrax, een besmettelijke ziekte voor schapen, koeien en geiten, soms ook voor mensen. Hij ontwikkelt een vaccin en wint veel respect van boeren en de Franse regering. Hij gaat in 1885 verder met een middel tegen hondsdolheid (rabies). Er ligt een lange incubatietijd tussen het gebeten worden door een dier met hondsdolheid en het optreden van de ziekte, dit geeft ruimte voor vaccinaties. Zijn proeven berusten op een verzwakking van het rabies-virus, waarmee hij konijnen besmette. Dit virus is nog wel sterk genoeg om bij de mens afweerstoffen op te wekken.

In het jaar	LOUIS PASTEUR (1822-1895)
1822	Geboren in Dole
1847	Doctoraat natuur- en scheikunde aan de École Normale Supérieure in Parijs
1847	Ontdekking van de asymmetrie van kristallen
1849-1854	Hoogleraar scheikunde in Straatsburg
1854-1857	Hoogleraar scheikunde in Lille
1857	Eerste publicatie over fermentatie
1857-1867	Directeur van de École Normale Supérieure in Parijs
1861	Ontdekking van anaerobe bacteriën
1861	Verwerping van de generatio spontanea
1865	Begin van studies aan ziekten van de zijderups
1866	Publicatie over wijngebreken en pasteurisatie
1867-1874	Hoogleraar aan de Sorbonne
1873	Lid van de Académie de Médicine
1876	Boek over biergebreken
1881	Eerste publicatie over hondsdolheid
1882	Lid van de Académie Française
1885	Inenting van Joseph Meister
1888	Officiële opening van het Institut Pasteur
1895	Overleden in Parijs

Er komt een doorbraak als Joseph Meisner, een negenjarig jongetje gebeten door hondsdolle honden, naar hem toe komt. Pasteur vaccineert hem en hij herstelt zonder hondsdolheid. Joseph Meisner werd hierna conciërge op het later opgerichte Institut Pasteur. Anderhalf jaar na de eerste vaccinatie zijn er al 1.200 mensen met beten met succes gevaccineerd.

Figuur 1.5. Het Institut Pasteur in 1888. Bron: Bridson, E., Louis Pasteur: a microbial genius, Culture, jaargang 15, 1994

In 1888 wordt het Insititut Pasteur geopend. Louis is dan 65 jaar en slijt zijn laatste jaren hier overdekt met eerbewijzen, waaronder het lidmaatschap van de Académie Française. Later zijn er door historici kanttekeningen geplaatst bij het werk van Pasteur. Na gedetailleerd onderzoek van zijn labjournaals bleek dat hij regelmatig dingen verzweeg en anders deed voorkomen dan hij bij experimenten vond. Ook prensenteerde hij wel eens resultaten van anderen als resultaten van hemzelf. Dit laat niet onverlet dat hij een pionier in de wetenschap geweest is.

Vanaf het einde van de 19e eeuw werden er in Europese landen wetten en richtlijnen ingevoerd die het verplichtten bepaalde producten te pasteuriseren. In 1924 werd er in de VS een Pasteurized Milk Ordinace van kracht. Hierin stond welke tijd-temperatuur combinaties er gevolgd moesten worden. Ook sinds die tijd kwam het steriliseren steeds verder op.

Rond 1900 hadden Russell en Hastings tijd-temperatuur combinaties gedefinieerd die tuberculose veroorzakende bacetriën uitschakelen. Sindsdien komt tuberculose bijna niet meer voor in de Westerse wereld.

Tot in de jaren '60 van de 20e eeuw veranderde er aan de levensmiddelenmicrobiologie niet veel na het baanbrekende werk van Louis Pasteur. Het was een beschrijvende en kwalitatieve wetenschap die vooral gericht was op het weten wat er gebeurt en niet zozeer op onderliggende principes. Dit is ook niet verwonderlijk, eerst moet men weten wat er gebeurt, voordat men zich bezig kan houden met de onderliggende principes. De ontwikkeling van de moleculaire biologie rond de jaren '60 heeft een grote invloed gehad op de ontwikkeling van het vakgebied. Van veel organismen werden de metabole routes opgehelderd en hun groeikarakteristieken bepaald.

De zuivelindustrie bijvoorbeeld is de afgelopen paar decennia veranderd van een ambacht naar een zeer technologische industrie waar allerlei variabelen in de hand worden gehouden. Zonder de kennis van de metabolismen van de betrokken micro-organismen en de kennis over plasmiden zou dit niet mogelijk zijn geweest. Ook de kennis over bacteriofagen was hiervoor onontbeerlijk.

Figuren 1.6. en 1.7. Door het innemen van dit "ferment" zou je ook tot op oudere leeftijd gezond blijven. Een gezondheids-drankje van Metchnikoff, rond 1900.

Bron: Bibel, D.J., Elie Metchnikoff's Bacillus of long life, ASM News, jaargang 54, 1988.

Ook in de analytische microbiologie zijn er de afgelopen paar decennia stormachtige ontwikkelingen geweest. Pasteur zou niet weten wat hij zag in een modern lab waar (naast het klassieke uitplaten) allerlei nieuwe dingen gekomen zijn als ELISA, microtiter platen en API strips. Snelle testmethoden voor Salmonella hebben de detectietijd terug gebracht van 5 dagen naar minder dan 48 uur. De 24- en 12- uursgrens komen in zicht en waarschijnlijk zal de 4 uur grens ook ooit wel gehaald worden.

De analysemethoden binnen een proces zijn ook veranderd. Er is een verschuiving opgetreden van detectie naar preventie binnen een proces. In 1959 werd er bij de NASA gestudeerd op een nieuw concept voor het maken van (vrijwel) geheel veilige levensmiddelen voor de ruimtevaart. Dit was nodig omdat de concepten voor bijvoorbeeld elektronica (gewoon elk onderdeel uittesten) niet toegepast kunnen worden. Dit zou veel te veel monsters vergen en er zou te weinig over blijven van het levensmiddel. Het HACCP (=hazard analysis critical control points) concept werd ontwikkeld, waarbij tijdens het proces ketencontrole plaats vindt; de grondstof, het proces, de omgeving, opslag en dergelijke. Daarvoor werden er ook controles uitgevoerd, maar niet als een geïntegreerd onderdeel in het proces. Het HACCP werd voor het eerst gepresenteerd in 1971 en heeft vooral de afgelopen jaren een grote vlucht genomen. In 1996 werd het door de Europese Unie verplicht gesteld voor alle levensmiddelenbedrijven.

In de toekomst kijken is altijd moeilijk en een onzeker iets. Te verwachten is wel dat er ook in de komende decennia nog stormachtige ontwikkelingen op stapel staan. Producten moeten steeds meer "vers" bij de consument komen en de consument kan zich overal op de wereld bevinden (de "global market") Zeer recent is de opkomst van de "gezondheidsproducten" met hierin een microbiologisch supplement die de darmflora positief zou beïnvloeden. Dit zal verder uitgebouwd en onderzocht worden. Hiernaast staan de ontwikkelingen op het gebied van de moleculaire biologie niet stil en dit zal ook zeker invloed hebben op de levensmiddelenmicrobiologie. Wat te denken van de koeien die melk geven met een menselijk eiwit erin? Wordt dit gevolgd door startercultures in de zuivelindustrie die yoghurt maken met bepaalde lichaamseigen componenten? Maatschappelijke discussies hierover hebben nog geen duidelijkheid gebracht over de aanvaardbaarheid en wenselijkheid hiervan en zijn dus nog lang niet afgelopen.

In het jaar	Waarnemingen:
1683	Antonie van Leeuwenhoek neemt micro-organismen waar onder een microscoop
1810	Appert introduceert conserveren door verhitten
1813	Opkomst van SO2 als conserveermiddel voor vlees
1835	Newton krijgt in Engeland een patent voor het maken van gecondenseerde melk
1840	Fruit en vis worden ingeblikt
1843	Sterilisatie met behulp van stoom wordt geprobeerd
1845	aardappelziekte (veroorzaakt door Phytophthora infestans) teistert Ierland, velen emigreren naar de Verenigde Staten
1854	Louis Pasteur begint met zijn onderzoeken
1866	Louis Pasteur publiceert Étude sur le vin
1880	In Duitsland begint men met het pasteuriseren van melk
1884	Koch presenteert zijn postulaten
1896	Van Geuns (uit Amsterdam) telt bacteriën in melk
1896	Van Ermengem ontdekt de oorzaak van botulisme, Clostridium botulinum
1902	De term psychrofiel wordt gehanteerd voor bacteriën die kunnen groeien bij 0 ° C
1905	Het Centraal Bureau voor Schimmelcultures (CBS) wordt opgericht
1907	Metchnikoff isoleert één van de yoghurt bacteriën, Lactobacillus bulgaricus
1915	Twort en d'Herelle ontdekken bacteriofagen
1922	Esty en Meyer bepalen de "Thermal Death Time Curve" van Clostridium botulinum sporen, waar de "botulinum-cook" op gebaseerd is
1925	Diepvriezen van voedsel tegen microbiologisch bederf uitgevonden
1928	Gasbewaring wordt commercieel toegepast voor appels
1929	Penicilline wordt ontdekt door Flemming
1938	Voedselvergiftigingen door melk worden toegeschreven aan: Vibrio soorten (nu Campylobacter)
1944	Avery, Macleod en McCarty laten zien dat DNA de drager van de erfelijkheid is
1951	het aseptisch inblikken van stromend gesteriliseerde producten wordt ingevoerd (Martin process, USA); het werd echter pas een groot succes door TetraPak
1953	Watson en Crick ontdekken de dubbelspiraal-structuur van DNA
1955	Sorbinezuur wordt goedgekeurd als conserveermiddel
1964	in Japan is ruim de helft van de Shigella (veroorzaakt dysenterie) stammen antibioticamultiresistent geworden
1966	De productie van aflatoxine wordt toegeschreven aan Aspergillus flavus
1970	Smith, Arber en Nathans ontdekken restrictie-enzymen, waardoor recombinant DNA gemaakt kan worden
1976	In Birmingham wordt een fabriek voor single cell protein geopend
1977	De FAO/IAEA/WHO accepteert voedseldoorstraling tot 10 kG
1978	Saccharomyces cerevisiae kan met behulp van plasmiden genetisch worden getransformeerd
1988	Nisine krijgt de GRAS status in de VS
1993	Opmars van levensmiddelen met hierin "gezondheidsbevorderende" melkzuurbacteriën begint
1994	Yakult opent een fabriek in Nederland
1996	De EU stelt HACCP verplicht voor Europese levensmiddelenbedrijven
2005	Meer dan de helft van de voedselvergiftigingen en -infecties wordt toegeschreven aan virussen
2013	Productie van lichaamseigen eiwitten door micro-organismen van startercultures geaccepteerd
2016	Er komt een verpakking op de markt die van kleur verandert als het aantal aanwezige micro-organismen verandert
2017	Levensmiddelen waarin micro-organismen vanzelf afsterven door middel van speciale toevoegingen
2020	Er verschijnen tabletten op de markt die de darmflora optimaal kunnen aanpassen aan een bepaald activiteiten patroon

Literatuur:

Bibel, D.J., Elie Metchnikoff's Bacillus of long life, 1988, ASM News, jaargang 54.
Bridson, E., Louis Pasteur: a microbial genius, 1994, Culture, jaargang 15
Brock, T. Milestones in microbiology, 1975, American society for microbiology, Washington DC, 270 p.
Debré, P., Louis Pasteur, Éditions Flammarion, Parijs, 1995, 563 p.
Doyle, M.P., Beuchat, L.R., Montville, T.J., Food microbiology, fundaments and frontiers, 1997, ASM press, Washington DC.
Dunning, A.J., Louis Pastuer, een held met gebreken, 1995, artikel uit NRC Handelsblad van 9 sept.
Ermengem, E. van, Untersuchungen über Fälle von Fleishvergiftung mit Symptomen von Botulismus, 1896, Zentralblatt Bakt. I Org, jaargang 19, p. 442 Ermengem, E. van, Uber einen neuen anaëroben Bacillus und seine Beziehungen zum Botulismus, 1897, Zeitschrift für Hygiëne Inf., jaargang 26, p. 1. Geison, G.L., The private science of Louis Pasteur, 1995, Princeton university press, Princeton, 378 p.
Jay, J., Modern food microbiology, 1996, International Thomson publishing, New York, 662 p.
Krasner, R.I., Pasteur: High priest of microbiology, 1995, ASM News, jaargang 61, nr 11, p. 575-579.

---

Bron : Levensmiddelentechnologie - Wageningen Universiteit - Postbus 8129, 6700 EV Wageningen