Sử dụng các phương pháp vật lý để khống chế vi sinh vật

Tăng nhiệt

      Người Cổ Hy Lạp đã biết dùng lửa hay đun nước sôi để diệt khuẩn hay tiêu độc. Tăng nhiệt đến nay vẫn là phương pháp thường dùng nhất để diệt khuẩn. Chủ yếu có phương pháp dùng sức nóng ẩm và sức nóng khô.

      Sức nóng ẩm dễ dàng gây chết virus, vi khuẩn và nấm (bảng 15.2). Trong nước sôi sau 10 phút có thể làm chết các tế bào dinh dưỡng và bào tử của các vi sinh vật có nhân thực. Nhưng nhiệt độ sôi (100°C) không đủ sức làm chết nội bào tử của vi khuẩn. Bào tử vi khuẩn có thể tồn tại vài giờ trong nước sôi. Do đó cách đun sôi chỉ dùng để đun nước uống hoặc để tiêu độc các vật phẩm không bị phá hủy trong nước sôi, không thể dùng để diệt khuẩn.  

Bảng 15.2: Điều kiện ước chừng để diệt khuẩn bằng sức nóng ẩm

Vi sinh vật	Tế bào dinh dưỡng	Bào tử
Nấm men	5 min., 50-60°C	5 min., 70-80°C
Nấm sợi	30 min., 62°C	30 min., 80°C
Vi khuẩn	10 min., 60-70°C	2-trên 800 min., 100°C 0,5-12 min, 121°C
Virus	30 min., 60°C

(Theo sách của Prescott, Harley và Klein)

      Vì tăng nhiệt là biện pháp rất quan trọng để khống chế vi sinh vật cho nên cần có một tiêu chuẩn chính xác đối với hiệu suất diệt khuẩn bằng sức nóng (heat-killing efficiency). Trước đây dùng điểm gây chết do nhiệt (thermal death point, TDP). Đó là nhiệt độ thấp nhất đủ để diệt hết vi sinh vật trong dịch huyền phù (suspention) sau 10 phút. Nhưng vì vi sinh vật chết theo phương thức logarit, cho nên trên lý thuyết không có thể tiêu diệt hoàn toàn vi sinh vật trong một mẫu vật, tức là phải kéo dài thời gian tăng nhiệt. Vì vậy có một phương thức biểu thị chính xác hơn và đã được tiếp nhận rộng rãi, đó là Thời gian giảm thiểu thập phân (decimal reduction time, D) hoặc gọi là Trị số D (D value). Trị số D là thời gian cần thiết để diệt hết 90% vi sinh vật hoặc bào tử trong một mẫu vật ở một nhiệt độ nhất định. Trên một đồ thị bán logarit (semilogarithmic plot) thấy rõ số lượng vi sinh vật biến đổi theo thời gian tăng nhiệt (hình 15.2). Trị số D là thời gian cần thiết để số lượng vi sinh vật giảm 10 lần. Trị số D liên quan đến tính đề kháng của vi sinh vật đối với các nhiệt độ khác nhau. Từ trị số D mà tính ra trị số Z (Z value). Trị số Z là nhiệt độ tăng lên đủ để làm giảm 1/10 trị số D. Một cách biểu thị khác là trị số F (F value) đó là thời gian cần thiết (tính bằng min.) đủ để diệt hết một quần thể tế bào hoặc bào tử ở một nhiệt độ nhất định (thường là 121°C).

      Hình 15.2: Tính toán trị số Z

      Căn cứ vào trị số D ở các nhiệt độ khác nhau để tính ra trị số Z. Trị số Z có thể dùng để tính toán mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian sống sót của vi sinh vật. Trị số Z là số nhiệt độ tăng đủ để làm giảm 10% trị số D. Trong đồ thị này trị số Z là 10,50C. Trị số D biểu thị bằng thang logarit. (Theo sách của Prescott, Harley và Klein).

 

      Trị số D và trị số Z được ứng dụng rộng rãi trông công nghiệp chế biến thực phẩm. Khi sản xuất đồ hộp cần xử lý nhiệt sau khi đưa thực phẩm vào hộp và hàn hộp lại. Cần xử lý nhiệt để đủ mức diệt được vi khuẩn gây ngộ độc thịt Clostridium botulinum. Vi khuẩn này gây ra độc tố botulism rất nguy hiểm. Xử lý nhiệt độ đủ dài để làm cho số lượng bào tử của vi khuẩn này nếu có từ 10¹² giảm xuống chỉ còn 1 bào tử (10°). Trị số D đối với bào tử vi khuẩn này ở 121°C là 0,204 min., vì vậy để tiêu diệt 10¹² bào tử xuống còn 1 bào tử cần 12D hay 2,5 phút. Trị số Z đối với Clostridium botulinum là 10°C - tức là tăng 10°C thì giảm được 10 lần trị số D. Nếu diệt khuẩn ở 111°C thì trị số D phải tăng 10 lần, tức là 2,04 phút và trị số 12D tăng lên đến 24,5 phút . Bảng 15.3 nêu lên trị số D và trị số Z của một số vi khuẩn thường gặp trong thực phẩm.

Bảng 15.3: Trị số D và trị số Z của một số vi khuẩn gây bệnh gặp trong thực phẩm

Vi sinh vật	Cơ chất	D( ° C),phút	Z ( ° C)
Clostridium botul inum	Đệm phosphat	D121=0,204	10
Cl.perfringens (chủng kháng nhiệt)	MT nuôi cấy	D90=3-5	6-8
Salmonella	Sản phẩm gà	D60=0,39-0,40	4,9-5,1
Staphylococcus aureus	Sản phẩm gà SP gà tâyDung dịch NạCl 0,5%	D60=5,17-5,37D60=15,4     D60=2,0-2,5	5,2-5,8 6,85,6

(Theo sách của Prescott,Harley và Klein)

      Có 3 số liệu đối với tụ cầu vàng (S.aureus), cho thấy tốc độ làm chết vi khuẩn này thay đổi phụ thuộc vào môi trường và hiệu quả bảo vệ của chất hữu cơ.

      Với sức nóng ẩm phải cần nhiệt độ cao hơn 100°C thì mới có thể diệt được nội bào tử (endospores) của vi khuẩn, và cần có áp suất cao trong điều kiện bão hòa hới nước. Thiết bị diệt khuẩn thường dùng được gọi là autoclave (hình 15.3)

Hình 15.3: Hai loại autoclave nhỏ và lớn

      Về cơ bản autoclave cũng tương tự như nồi hầm chịu áp lực vẫn thường dùng trong gia đình. Tùy yêu cầu mà có cái dùng lửa, có cái dùng điện, có cái dùng hơi nước chuyển vào, có cái nhỏ, có cái vừa, có cái lớn hoặc rất lớn. Autoclave do nhà khoa học Chamberland phát minh ra vào năm 1884 và phát minh này đã thúc đẩy sự phát triển của Vi sinh vật học. Autoclave phải có van để đẩy hết không khí ra và trong nồi chỉ còn có hơi nước bão hòa. Có thể đóng van ngay từ đầu đợi áp lực nâng lên một ít rồi mới mở van để loại hết không khí ra. Cũng có thể mở van ngay từ đầu, khi thấy hới nước bay ra nhiều mới đóng van lại. Thường diệt khuẩn ở 121°C (áp suất 15 pounds) trong 15 phút. Có thể diệt hết mọi tế bào vi sinh vật và bào tử.

      Diệt khuẩn bằng sức nóng ẩm thông qua việc phá hủy acid nucleic, làm biến tính enzym và các protein khác, đồng thời còn có thể phá vỡ màng tế bào mà làm chết vi sinh vật.

      Diệt khuẩn bằng sức nóng ẩm phải tiến hành triệt để mới có hiệu quả. Khi chưa loại bỏ hết không khí thì ở áp suất 15 pounds nhiệt độ không thể đạt đến 121°C. Các vật cần xử lý không nên xếp chật quá cản trở việc tiếp xúc với hơi nước nóng. Lúc diệt khuẩn một bình có thể tích lớn thì phải giữ thời gian dài hơn, để làm cho toàn bộ dịch thể phải đạt tới 121°C. Chẳng hạn khi diệt khuẩn ở bình 5 lít thì phải xử lý trong 70 phút. Để khắc phục các nhân tố nói trên người ta thường xếp kèm với sinh vật chỉ thị khi diệt khuẩn các vật phẩm. Khi đó dùng ống (ampule) chứa môi trường dinh dưỡng vô khuẩn có thêm mảnh giấy có tẩm bào tử vi khuẩn Bacillus stearothermophilus hay Clostridium. sp PA3679. Diệt khuẩn xong phá vỡ ống trong điều kiện vô khuẩn và nuôi cấy vài ngày. Nếu sinh vật chỉ thi không sinh trưởng thì là việc diệt khuẩn đã thành công.

      Người ta thường xử lý nhiệt ở độ sôi đối với sữa và nhiều chất khác. Phương pháp này gọi là phương pháp khử trùng Pasteur (Pasteurization) để kỷ niệm phát minh này của ông. Vào thập kỷ 60 của thế kỷ 19 do rượu vang bị nhiễm khuẩn, gây khó khăn cho việc bảo quản và vận chuyển, gây khó khăn cho việc sản xuất rượu vang ở Pháp. Pasteur đã dùng kính hiển vi quan sát thấy các trong rượu bị ô nhiễm có mặt các vi khuẩn lên men lactic và acetic. Ông thấy xử lý ở nhiệt độ 55-60°C có thể làm chết các vi sinh vật này và có thể bảo quản tương đối lâu dài rượu vang. Năm 1886 hai nhà hóa học Đức là V.H. Soxhlet và F.Soxhlet sử dụng kỹ thuật này để bảo quản sữa và làm giảm việc sữa lây truyền mầm bệnh. Năm 1889 phương pháp tiêu độc Pasteur với sữa được nhập vào Hoa Kỳ và người ta đã dùng phương pháp này để xử lý sữa, bia, và nhiều loại bđồ uống khác. Phương pháp tiêu độc Pasteur không đạt tới mục đích diệt khuẩn nhưng đủ làm chết các vi khuẩn gây bệnh, giảm mạnh các vi khuẩn không gây bệnh nhưng làm hư hỏng thực phẩm và làm chậm rõ rệt tốc độ biến chất của thực phẩm.

      Có thể có hai phương pháp khử trùng sữa. Phương pháp tương đối cổ là xử lý ở 63 °C trong 30 phút. Còn phương pháp hiện thường được sử dụng là phương pháp khử trùng  ngắn (flash Pasteurization), còn gọi là phương pháp khử trùng ngắn ở nhiệt độ cao (high-temperature short-term, HTST), tức là xử lý ở 72°C chỉ trong 15 giây, sau đó nhanh chóng làm lạnh. Trong công nghiệp thực phẩm có lúc cũng còn dùng phương pháp khử trùng siêu nhiệt (ultrrahigh temperature, UHT), tức là xử lý sữa và các sản phẩm sữa ở nhiệt độ 140-150°C chỉ trong 1-3 giây. Sữa xử lý siêu nhiệt không cần bảo quản lạnh, có thể bảo quản hai tháng an toàn ở nhiệt độ phòng. Các gói cà phê kem (coffee creamer) cung cấp ở khách sạn thường được diệt khuẩn theo phương pháp này.

      Nhiều vật phẩm có thể diệt khuẩn bằng sức nóng khô (dry heat sterilization). Đưa các vật phẩm này vào tủ sấy và giữ nhiệt độ 160-170°C trong 2-3 giờ. Vi sinh vật bị chết do bị oxy hóa các thành phần tế bào, và làm biến tính protein. Mặc dầu diệt khuẩn bằng sức nóng khô không có hiệu quả cao như bằng sức nóng ẩm. Bào tử của vi khuẩn Clostridium botulinum bị chết ở 121°C sau 5 phút khi dùng sức nóng ẩm nhưng chỉ bị chết như vậy ở 160°C sau 2 giờ. Diệt khuẩn bằng sức nóng khô có những ưu thế riêng vì không làm ăn mòn các vật liệu thủy tinh và kim loại như sức nóng ẩm, có thể dùng để xử lý các dạng bột, dầu và các chất tương tự. Hầu hết các phòng thí nghiệm xửn lý hộp Petri và các pipét bằng sức nóng khô. Không thích hợp sử dụng phương pháp này để xử lý các vật phẩm bằng chất dẻo và cao su.

Hình 15.4: Tủ sấy nhiệt độ khô

Nhiệt độ thấp

      Nhiệt độ thấp được sử dụng để ức chế sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Đây là phương pháp quan trọng ngành vi sinh vật học thực phẩm. Ở nhiệt độ -20°C hay thấp hơn, vật phẩm bị đông lạnh, vi sinh vật bị đình chỉ sinh trưởng. Một số vi sinh vật bị chết vì các tinh thể băng là phá vỡ màng tế bào,.nhưng lạnh sâu không làm chết phần lớn các vi sinh vật nhiễm trên vật phẩm. Trên thực tế nhiều phòng thí nghiệm dùng các tủ lạnh sâu -30°C hay -70°C để bảo quản vi sinh vật. Vì thực phẩm đông lạnh có thể chứa nhiều vi sinh vật, cho nên khi làm tan băng phải xử lý ngay để tiêu thụ, tránh để tổn hại và để cho các vi sinh vật gây bện phát triển.

      Bảo quản lạnh giúp làm chậm sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật, nhưng không đủ làm ngừng hẳn sự sinh trưởng. Đáng mừng là phần lớn các vi sinh vật gây bệnh là thuộc loại ưa ấm (mesophilic) và không sinh trưởng được ở nhiệt độ 4°C. Các vật giữ lạnh bị hư hỏng bởi các vi khuẩn ưa lạnh (psychrophilic) và chịu lạnh (psychrotrophic) nhất là khi có tồn tại nước, các tủ lạnh chỉ dùng để bảo quản ngắn hạn thực phẩm và các vật phẩm khác.

 

Qua lọc

       Phương pháp qua lọc là phương pháp rất tốt để giảm thấp quần thể vi sinh vật đối với các vật liệu mẫn cảm với nhiệt độ và nhiều khi có thể dùng để diệt khuẩn các dung dịch. Qua lọc chỉ đơn giản là loại vi sinh vật khỏi dung dịch chứ không phải là diệt khuẩn. Có hai loại lọc vi sinh vật. Thiết bị qua lọc tầng sâu (depth filter): đó là loại thiết bị cấu tạo bởi sợi hay các vật chất dạng hạt, tạo thành một bản lọc khá dầy với những lỗ rất nhỏ. Dưới sức hút chân không dung dịch sẽ được lọc qua còn vi sinh vật bị giữ lại hay bị hấp phụ (adsorption) trên bề mặt bản lọc. Nguyên liệu để làm ra bản lọc này thường là đất Tảo silic (dimatomaceous earth) - đó là thiết bị lọc Berkefield. Còn có thể dùng một loại sứ (unglazed porcelain) - đó là thiết bị lọc Chamberlain. Hoặc còn có thể dùng thạch miên (asbestos) hay các nguyên liệu khác.

         Gần đây người ta dùng thiết bị màng lọc (membrane filters) thay thế cho thiết bị qua lọc tầng sâu. Màng lọc hình tròn, dày khoảng 0,1mm và được chế tạo bởi acetate cellulose, nitrate cellulose, polycarbonate, fluoride polyvinylidene hay các chất tổng hợp khác. Các màng lọc có lỗ với đường kính khoảng 0,2μm là có thể dùng để lọc bỏ phần lớn các tế bào dinh dưỡng của vi sinh vật, trừ virus. Dịch lọc thường chỉ từ 1ml đến vài lít. Màng lọc được lắp cố định trên một giá đặc biệt (hình 15.5) 

      Dưới áp lực của máy hút chân không dịch lọc được chuyển sang một bình vô khuẩn. Loại thiết bị màng lọc này được dùng trong ngành dược, lọc thuốc đau mắt, chuẩn bị các môi trường nuôi cấy, các loại dầu, chất kháng sinh và nhiều vật chất kém chịu nhiệt khác.

Hình 15.5: Thiết bị màng lọc

1. Bình Erlenmeyer đựng dịch cần lọc
2. Dịch lọc được đẩy sang thiết bị màng lọc nhờ máy bơm
3. Thiết bị màng lọc (với các loại hình các kích cỡ khác nhau).

      Phương pháp diệt khuẩn nhờ lọc còn dùng để lọc không khí. Hai ví dụ thường gặp là khẩu trang dùng trong ngoại khoa và nút bông dùng cho các ống nghiệm hay các bình nuôi cấy vi sinh vật. Không khí đi qua được nhưng vi sinh vật thì bị giữ lại bên ngoài. Phòng cấy Laminar thoáng khí nhưng an toàn sinh học (Laminar flow biological safety cabinet) đã sử dụng màng lọc không khí bằng các hạt hiệu lực cao HEPA (high-efficiency particulate filter). Nó có thể lọc được đến 99,97% các hạt có kích thước 0,3μm và được coi là một hệ thống lọc rất quan trọng. Người nuôi cấy vi sinh vật có thể thao tác thoải mái trong một phòng cấy mở một phần cửa nhưng rất an toàn nhờ luôn có một luồng không khí vô khuẩn được thổi từ phía trong và lại thoát ra qua màng lọc HEPA đặt ở phía trên. Khi thao tác với các vi sinh vật nguy hiểm như vi khuẩn lao Mycobacterium tuberculosis, virus gây ung thư, các ADN tái tổ hợp... nhất thiết cần sử dụng phòng cấy này. Thiết bị này được dùng trong các phòng thí nghiệm, trong công nghiệp, như là công nghiệp dược phẩm, để chuẩn bị môi trường, thao tác thí nghiệm, nuôi cấy mô…

 

Hình 15.6: Phòng cấy Laminar

Bức xạ (radiation)

      Bức xạ tử ngoại (Ultraviolet radiation-UV) với bước sóng 260nm có hiệu ứng diệt khuẩn rất mạnh, tuy nhiên không có khả năng xuyên qua thủy tinh, các màng bẩn, nước và một số cơ chất khác. Vì vậy UV chỉ dùng để diệt khuẩn trong một số trường hợp, ví dụ diệt khuẩn không khí trong tủ cấy, phòng nuôi cấy hoặc bền ngoài một số vật thể. UV có hại đối với da và mắt cho nên phải tắt đèn UV trước khi vào làm việc nơi có đèn này. UV cũng có thể dùng để diệt khuẩn nước, phải là một tầng nước mỏng đi qua đèn UV để đủ sức diệt mầm bệnh và các vi sinh vật khác..

      Bức xạ ion hóa (ionizing radiation) hay bức xạ điện ly có sức xuyên rất mạnh và được dùng rất tốt để diệt khuẩn. Nó có thể diệt cả tế bào dinh dưỡng lẫn bào tử vi khuẩn, cả vi sinh vật nhân nguyên thủy (procaryotic) lẫn các vi sinh vật có nhân thật (eucaryotic). Tia gamma từ nguồn cobalt 60 được dùng để diệt khuẩn nguội đối với chất kháng sinh, kích tố (hormones), chỉ khâu vết thương, các vật liệu y học bằng chất dẻo (plastic) như ống tiêm... Tia gamma còn được diệt khuẩn và tiêu độc (pasteurize) đối với thịt và các thực phẩm khác. Bức xạ ion hóa có thể diệt các vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm như Escherichia coli O157:H7, Staphylococcus aureus, Campylobacter jejuni... Cả cơ quan quản lý thực phẩm và thuốc Hoa Kỳ (FDA) lẫn tổ chức Y tế thế giới (WHO) đều xác định tính an toàn của việc chiếu xạ này đối với thực phẩm. Đã có một nhà máy chiếu xạ thương phẩm ở gần Tampa (bang Florida). Tiếc rằng phương pháp này chưa được ứng dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ, nguyên nhân là do giá còn cao và nhiều người còn lo ngại các ảnh hưởng bất lợi của việc chiếu xạ lên thực phẩm. Gần đây, Chính phủ Mỹ đã phê chuẩn việc chiếu xạ lên thịt gia cầm, thịt bò, thịt lợn, thịt bê, thịt cừu non, hoa quả, rau củ và các chất điều vị. Việc chiếu xạ trong tương lai sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi.