Occurrence of Alicyclobacillus bacteria in beverage ingredients and control with plant extracts

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-04-12
Department
Major/Subject
Biotekniikka ja elintarviketekniikka
Mcode
KE3002
Degree programme
Language
en
Pages
112 + 12
Series
Abstract
Consumer demands of more natural and healthy products have directed the beverage industry to minimise the usage of synthetic additives and thermal processing and to increase the content of real juices and new functional ingredients in beverages. This trend can be expected to increase product spoilage rate unless new preservatives and methods are used. Thermoacidophilic, endospore-forming bacteria belonging to the genus Alicyclobacillus are a spoilage threat to beverage industry due their ability to survive through pasteurization process and cause smoky and medicinal off-flavours and tastes in ambient stored fruit juices and juice drinks. The aim of this master’s thesis was to find a new potential plant based antimicrobial agent against Alicyclobacillus acidoterrestris to inhibit the outgrowth of Alicyclobacillus spores in fruit juice. 12 phenolic extracts were studied against A. acidoterrestris spores. Statistical modelling was ap-plied for evaluating combined effects between antimicrobial plant extracts, recipe factors and storage temperature. Fluorescence staining together with microscopy or fluorometry was used in mode of action studies. The occurrence of alicyclobacilli in juices and beverage ingredients was also studied by using the International federation of fruit juice producer standard method No 12. In addition, a new differential growth medium was evaluated for detecting guaiacol producing spoilage strains. Selective medium could not reliably separate the guaiacol producing strains from non-guaiacol producing strains. Bacteria isolated from ingredients and beverages were identified to belong to Alicyclobacillus acidocaldarius, Alicyclobacillus acidoterrestris and Alicyclobacillus sendaiensis species. A guaiacol-producing A. acidoterrestris strain was found in the sweetener, indicating that that sweeteners could act as possible carriers of Alicyclobacillus into products. During the inspection process of beverage ingredients it was suspected that current methods may not be sufficient for detecting alicyclobacilli positive samples reliably. Instructions of how to pretreat different ingredient groups would be needed. Since it is possible that Alicyclobacillus spores may pass the inspection process unnoticed, the control methods during the beverage production and in the final product are urgently called for. Both bitter hop residue and birch leaf extract proved to be effective for inhibiting the growth of A. acidoterrestris in apple juice and trypticase soy broth in 100 mg/l – 500 mg/l concentrations at 45 °C for seven days. Although effective, the organoleptic properties may prevent the usage of the bitter hops extract since the odour is characteristic to hops. Around 130 mg/l of birch leaf extract was found to be effective for inhibiting the growth of A. acidoterrestris E1733 for 30 days in apple juice at 32-42°C. In addition, antimicrobial activity of birch leaves were found to be insensitive to variations of growth conditions and storing in the freezer for 24 months. However, since birch leaves have only food supplementary status, the EU novel food status for the extract may apply. Thus, the chemical composition of birch leaf extract and possible toxicological and antinutritive effects should be next evaluated.

Kuluttajien vaatimukset luonnonmukaisemmista tuotteista ovat ohjanneet juomateollisuutta vähentämään kemiallisten säilöntäaineiden ja korkeiden pastörointilämpötilojen käyttöä sekä lisäämään mehujen ja kasviperäisten raaka-aineiden käyttöä. Tämä suuntaus altistaa juomat entistä herkemmin mikrobiologiselle pilaantumiselle. Lämpimissä ja happamissa olosuhteissa viihtyvät itiölliset Alicyclobacillus-suvun bakteerit ovat merkittävä uhka juomateollisuudelle, koska ne selviävät pastöroinnista sekä kykenevät tuottamaan erilaisissa mehupohjaisissa juomissa guajakolia ja halofenoleja, jotka aiheuttavat tuotteissa lääkemäisiä virhehajuja ja –makuja. Tämän työn tavoitteena oli tutkia erilaisten luonnollisten kasviperäisten uutteiden soveltuvuutta alisyklobasillien kasvun estoon mehussa. 12 fenolisen uutteen antimikrobista tehoa tutkittiiin Alicyclobacillus acidoterrestris –bakteerin estoon. Tilastollista mallinnusta hyödynnettiin mahdollisten reseptimuuttujien ja koivunlehtiuutteen välisten yhteisvaikutusten tutkimisessa. Fluoresenssivärjäysmenetelmien ja mikroskopian avulla selvitettiin uutteen mahdollista toimintamekanismia. Työssä tutkittiin myös Alicyclobacillus –bakteerien esiintymistä mehuissa ja juomien raaka-aineisssa käyttämällä kansainvälisen hedelmämehutuottajien (IFU) standardin numero 12 mukaista viljelymenetelmää. Bakteerit tunnistettiin DNA sekvensoinnin avulla. Lisäksi työssä arvioitiin uuden selektiivisen viljelyalustan toimivuus guajakolia tuottavien pilaajakantojen osoittamisessa. Selektiivialusta ei kyennyt erottelemaan luottettavasti guajakolia tuottavia kantoja. Raaka-aineista ja juomista löydetyt bakteerit kuuluivat Alicyclobacillus acidocaldarius, Alicyclobacillus acidoter-restris sekä Alicyclobacillus sendaiensis lajeihin. Makeutusaineiden osoitettiin olevan mahdolli-nen guajakolia tuottavien A. acidoterrestris -bakteerien lähde juomien valmistuksessa. Alicyclobacillus-bakteereita löydettiin myös juomista. Lisäksi havaittiin, että IFU-standardin mukaista viljelymenetelmää noudatettaessa osa raaka-ainenäytteistä mahdollisesti inhiboi Alicyclobacillus-bakteerin kasvua viljelyalustoilla aiheuttaen vääriä negatiivisia tuloksia ja siten erityyppisten raaka-aineiden esikäsittelymenetelmiä tulisikin kehittää. Koska on mahdollista, että Alicyclobacillus-bakteerien itiöt jäävät raaka-aineiden valvontaprosessissa huomaamatta, tarvitaan toimivia kontrollointime-netelmiä juoman valmistusprosessiin ja lopputuotteeseen estämään tuotteen pilaantuminen. Koivunlehtiuute ja kaupallisen humalauutteen valmistuksessa syntyvä ”bitter” sivujae estivät A. acidoterrestris –bakteerin kasvun tryptikaasisoijaliemessä ja omenamehussa 100 mg/l - 500 mg/l pitoisuuksissa seitsemän päivää 45 °C -asteessa. Humalajakeen voimakas tuoksu ja maku voivat rajoittaa sen käytöä mehusovelluksissa. Jatkotutkimukset koivunlehtiuutteella osoittivat, että se estäää n. 130 mg/l pitoisuuksissa A. acidoterrestris-bakteerin kasvun omenamehussa ainakin 30 päivän ajan 32-42 °C:ssa. Uutteen antimikrobiset ominaisuudet eivät olleeet herkkiä koivun kasvuolosuhteiden vaihteluille sekä säilyivät 24 kuukautta pakastuksessa. Koivunlehtiuutteen käyttämiseksi alisyklobasillien kasvunestoon juomissa, sille tulisi hakea uuselintarvike- tai lisäainestatus. Turvallisuusarviointia varten koivunlehtiuutteen kemiallinen koostumus sekä mahdolliset toksikologiset ja antinutritiiviset vaikutukset tulisi selvittää.
Description
Supervisor
Nordström, Katrina
Thesis advisor
Juvonen, Riikka
Keywords
Alicyclobacillus, kasviuutteet, luonnolliset antimikrobiset uutteet, mehut, mehujen raaka-aineet, osoitus- ja kontrollointimenetelmät
Other note
Citation