Development and application of predictive models for the growth of thermophilic spore - forming bacteria in foods

Abstract

The emergence of thermophilic endospore-forming bacteria is troublesome regarding the quality of thermally processed non-refrigerated foods especially in hot climate countries. The overall objective of the present PhD thesis was to develop mathematical models for thermophilic spoilers and apply them for predicting spoilage of non-refrigerated foods. The first part of this research was undertaken to provide an approach for modeling the effect of temperature on Geobacillus stearothermophilus growth and in predicting spoilage of evaporated milk. Considering the temperature fluctuations during supply chain of evaporated milk, the developed model was further validated under dynamic temperature conditions. The model is able to describe satisfactorily the growth of G. stearothermophilus and to provide realistic predictions for evaporated milk spoilage. In the second part of the study, a growth/no growth interface model was developed, predicting the probability of growth of Alicyclobacillus acidoterrestris as a function of temperature and pH. A satisfactory goodness-of-fit of the logistic polynomial regression model to the binary data was demonstrated. Furthermore, the effects of temperature and pH on A.acidoterrestris growth rate were investigated and quantitatively described using the cardinal temperature model with inflection and the cardinal pH model, respectively. The developed models were validated against growth data of A.acidoterrestris obtained in pasteurized fruit drinks. The validation results showed a good performance of the models in fruit drinks at both static and dynamic temperature conditions. After the above studies conducted at the population level, the research was extended at the single spore level of G.stearothermophilus in order to evaluate the growth response of more realistic concentrations and to take variability into account. A significant variability of lag times (λ) was observed among individual spores at all temperatures tested. To interpret the observations, a probabilistic growth model for G.stearothermophilus individual spores, taking into account the λ variability, was developed. Growth simulations for different initial contamination levels showed that for low N0 the number of cells in the population at any time is highly variable, while as N0 increases to levels exceeding 100 spores a significant decrease of the above variability and a shorter λ of the population are resulted. The quantitative description of individual spore heterogeneity can be used in stochastic approaches for evaluating the spoilage potential and enable decision-making, based on the “acceptable level of risk”. Subsequently, the predictive model for the effect of storage temperature on the growth of G.stearothermophilus was also applied in order to assess the risk of evaporated milk spoilage in the markets of the Mediterranean region. The quantitative data provided in the present study can assist the food industry to effectively evaluate the microbiological stability of these products throughout distribution and storage at a reduced cost and assess whether and under which conditions it may be possible to export a product to a country without spoilage problems. Future applications of the developed models may include the evaluation of the impact of global warming on the quality of thermally processed non-refrigerated foods, which will help the food industry to design effective quality management and logistic systems.

Τα θερμόφιλα σπορογόνα βακτήρια αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα ποιότητας σε θερμικά επεξεργασμένα τρόφιμα που διακινούνται και αποθηκεύονται εκτός ψυγείου ειδικά σε χώρες με θερμό κλίμα. Το βασικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση μαθηματικών μοντέλων πρόβλεψης της συμπεριφοράς θερμόφιλων σπορογόνων μικροοργανισμών και η εφαρμογή τους για την εκτίμηση του χρόνου αλλοίωσης των θερμικά επεξεργασμένων τροφίμων που διακινούνται και αποθηκεύονται εκτός ψυγείου. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στη μαθηματική περιγραφή της επίδρασης της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη του Geobacillus stearothermophilus και την πρόβλεψη της αλλοίωσης του συμπυκνωμένου-αποστειρωμένου γάλακτος. Λαμβάνοντας υπόψη τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της αλυσίδας εφοδιασμού του προϊόντος, το μοντέλο αξιολογήθηκε περαιτέρω σε δυναμικές συνθήκες θερμοκρασίας. Το μοντέλο περιγράφει ικανοποιητικά την ανάπτυξη του G.stearothermophilus και δίνει ρεαλιστικές προβλέψεις για την αλλοίωση του συμπυκνωμένου-αποστειρωμένου γάλακτος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αναπτύχθηκε ένα μοντέλο πρόβλεψης της πιθανότητας ανάπτυξης του Alicyclobacillus acidoterrestris ως συνάρτηση της θερμοκρασίας και του pΗ. Αποδείχθηκε η ικανοποιητική προσαρμογή του πολυωνυμικού μοντέλου λογιστικής παλινδρόμησης στα δυαδικά δεδομένα. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε ποσοτική περιγραφή της συνδυαστικής επίδρασης της θερμοκρασίας και του pH στο ρυθμό ανάπτυξής του χρησιμοποιώντας το θεμελιώδες μοντέλο θερμοκρασίας και pH, αντίστοιχα. Τα μοντέλα στη συνέχεια αξιολογήθηκαν έναντι των δεδομένων ανάπτυξης του μικροοργανισμού που ελήφθησαν σε παστεριωμένα ποτά φρούτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ καλές επιδόσεις των μοντέλων στα ποτά φρούτων σε στατικές και δυναμικές θερμοκρασιακές συνθήκες συντήρησης. Μετά τις παραπάνω μελέτες που διεξήχθησαν σε επίπεδο πληθυσμού, η έρευνα επεκτάθηκε σε επίπεδο μεμονωμένων σπορίων του G.stearothermophilus προκειμένου να αξιολογηθεί η απόκριση της ανάπτυξης πιο ρεαλιστικών επιπέδων αρχικής επιμόλυνσης και να ληφθεί υπόψη η μεταβλητότητα στην ατομική συμπεριφορά των σπορίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μεταβλητότητα του χρόνου υστέρησης (λ) μεταξύ των μεμονωμένων σπορίων σε όλες τις εξεταζόμενες θερμοκρασίες. Για την ερμηνεία των παρατηρήσεων, αναπτύχθηκε ένα στοχαστικό μοντέλο ανάπτυξης για μεμονωμένα σπόρια του G.stearothermophilus, λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβλητότητα του λ. Οι προσομοιώσεις ανάπτυξης για διαφορετικά αρχικά επίπεδα επιμόλυνσης έδειξαν ότι για χαμηλό Ν0 ο αριθμός των κυττάρων στον πληθυσμό ανά πάσα χρονική στιγμή παρουσιάζει πολύ μεγάλη μεταβλητότητα, ενώ όσο αυξάνεται σε επίπεδα που υπερβαίνουν τα 100 σπόρια μειώνεται σημαντικά η παραπάνω μεταβλητότητα και το λ του πληθυσμού. Οι στοχαστικές προσεγγίσεις που προτείνονται σε σχέση με την ετερογένεια της ατομικής συμπεριφοράς των σπορίων μπορούν να υποστηρίξουν τη λήψη αποφάσεων με βάση το "αποδεκτό επίπεδο επικινδυνότητας". Στο τελευταίο μέρος της διατριβής χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο πρόβλεψης για την επίδραση της θερμοκρασίας στην ανάπτυξη του G.stearothermophilus, προκειμένου να εκτιμηθεί η επικινδυνότητα αλλοίωσης του συμπυκνωμένου-αποστειρωμένου γάλακτος στις αγορές της Μεσογείου. Τα ποσοτικά αυτά στοιχεία μπορούν να βοηθήσουν τη βιομηχανία τροφίμων να αξιολογήσει τη μικροβιολογική σταθερότητα του προϊόντος στην αλυσίδα εφοδιασμού με μειωμένο κόστος και να αξιολογήσει εάν και υπό ποιες συνθήκες θα εξάγει ένα προϊόν σε μία χώρα ελαχιστοποιώντας τα προβλήματα αλλοίωσης. Τα ποσοτικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για τη μελέτη των επιπτώσεων της υπερθέρμανσης του πλανήτη στην ποιότητα των τροφίμων που διακινούνται και αποθηκεύονται εκτός ψυγείου και να βοηθήσουν τη βιομηχανία τροφίμων στον αποτελεσματικό σχεδιασμό συστημάτων διασφάλισης της ποιότητας και διαχείρισης της εφοδιαστικής αλυσίδας.