Teil des Pfeilers Lebensmittelmikrobiologie des TAAG Learning Centers. Er knüpft an das Umgebungsmonitoring in Betrieben und an Listeria monocytogenes an, den Krankheitserreger, der am stärksten mit Persistenz im Betrieb verbunden wird.
Inhaltsverzeichnis
Bakterien leben nicht frei
Im Labor stellen wir uns Bakterien gern als Zellen vor, die in einer Nährbouillon schweben. In einem Lebensmittelbetrieb ist der häufigere Fall ein anderer: Zellen, die an einer Oberfläche haften, sich gruppieren und von einer Matrix umhüllt sind, die sie selbst produzieren. Das ist ein Biofilm. Eine in Biofouling veröffentlichte Übersichtsarbeit definiert ihn als Gemeinschaft von Mikroorganismen, die an einer Oberfläche haftet und von einer komplexen Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen umgeben ist.
Der Unterschied liegt nicht nur in der Form. Ein Bakterium im Biofilm toleriert Austrocknung, den Wasserstrom einer Spülung und Desinfektionsmittel besser als dasselbe Bakterium in Suspension. Deshalb kann eine Linie sauber aussehen, eine Sichtkontrolle bestehen und trotzdem weiter Mikroorganismen an das Produkt abgeben.
Woraus ein Biofilm besteht
Flemming und Wingender beschrieben in Nature Reviews Microbiology die Matrix eines Biofilms als hydratisiertes Netzwerk extrazellulärer polymerer Substanzen (EPS), das vor allem aus Polysacchariden, Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden besteht. Diese Matrix erfüllt mehrere Funktionen zugleich:
- Sie verleiht mechanische Stabilität und fixiert die Zellen an der Oberfläche.
- Sie bildet ein dreidimensionales Netzwerk, das die Zellen zusammenhält.
- Sie wirkt als externes Verdauungssystem: Sie hält Enzyme in der Nähe der Zellen, um Reste organischer Substanz zu verwerten.
In einem Betrieb ist diese organische Substanz reichlich vorhanden: Reste von Milch, Fleisch, Saft oder Teig, die nach der Produktion in Dichtungen, Ventilen und verkratzten Oberflächen verbleiben.
Wie er sich Schritt für Schritt bildet
Die Übersichtsarbeit von Galié und Mitarbeitern in Frontiers in Microbiology fasst die Abfolge in der Lebensmittelindustrie zusammen:
- Konditionierung der Oberfläche: Proteine, Fette und andere Lebensmittelreste bedecken das Material und verändern seine Eigenschaften.
- Reversible Adhäsion: Die ersten Zellen nähern sich und haften schwach; sie lassen sich noch mit einer Spülung ablösen.
- Irreversible Adhäsion und Mikrokolonien: Die Zellen produzieren Matrix und beginnen, sich vor Ort zu vermehren.
- Reifung: Es entsteht eine dreidimensionale Struktur mit Nährstoff- und Sauerstoffgradienten.
- Dispersion: Ein Teil der Zellen wird freigesetzt und besiedelt andere Oberflächen oder gelangt in das Produkt.
Die praktische Schlussfolgerung lautet: Der Moment zum Handeln ist früh. Eine Reinigung, die erfolgt, solange die Zellen noch in der reversiblen Phase sind, ist deutlich erfolgreicher als eine, die auf einen reifen Biofilm trifft. Deshalb wiegen die Reinigungshäufigkeit und die Zeit, die eine Anlage zwischen Produktionsende und Beginn der Sanierung verschmutzt bleibt, ebenso schwer wie das gewählte Chemikalienprodukt.
Die Dispersionsphase erklärt außerdem ein Muster, das viele Qualitätsteams kennen: Produktkontaminationen, die intermittierend auftreten, mit wochenlang negativen Ergebnissen und einem vereinzelten positiven ohne erkennbare Ursache. Ein etablierter Biofilm setzt Zellen unregelmäßig frei, und diese Unregelmäßigkeit lässt ihn bei sporadischer Probenahme unentdeckt.
Wo sie im Betrieb auftreten
Dieselbe Übersichtsarbeit nennt in der Milchindustrie Rohrleitungen, Butterzentrifugen, Käsereitanks, Pasteure und Abfüllwerkzeuge, mit so unterschiedlichen Arten wie psychrotrophen Pseudomonas und dem thermophilen Geobacillus stearothermophilus. Bei frischem Fisch führt sie Biofilme mit Aeromonas hydrophila, L. monocytogenes, Salmonella enterica oder Vibrio spp. an. Die Risiken der einzelnen Sektoren werden im Artikel über Mikrobiologie in der Milchindustrie vertieft.
Material und Oberflächenbeschaffenheit zählen
Biofilme bilden sich auf Edelstahl, Polyethylen, Polypropylen, Gummi, PVC, Glas und Holz. Die Oberflächenbeschaffenheit verändert das Ergebnis: In den ausgewerteten Studien war unbehandelter oder geschliffener Stahl für Salmonella am leichtesten zu besiedeln, elektropolierter Stahl dagegen kaum. Eine verkratzte Oberfläche, eine rissige Dichtung oder eine schlecht ausgeführte Schweißnaht bieten Rückzugsräume, die kein chemisches Produkt vollständig erreicht.
Biofilm, Persistenz und Listeria
Listeria monocytogenes ist das am besten untersuchte Beispiel für Persistenz im Betrieb: Derselbe Stamm tritt über Monate oder Jahre an derselben Anlage auf. Carpentier und Cerf analysierten in einer Übersichtsarbeit im International Journal of Food Microbiology, warum das geschieht, und kamen zu einem Schluss, der den Ansatz verändert. Die mit dem Vorkommen von Listeria in Betrieben verbundenen Faktoren sind jene, die ihr Wachstum begünstigen, und diese Bedingungen finden sich in den sogenannten Rückzugsorten: Stellen, die durch unhygienisches Design von Anlagen und Einrichtungen oder durch beschädigte Materialien geschützt und schwer zu beseitigen sind.
Die Autoren schlugen vor, dass es keine L. monocytogenes-Stämme mit einzigartigen Eigenschaften gibt, die sie persistent machen, sondern Rückzugsorte, an denen jeder Stamm persistieren kann. Sie führten außerdem aus, dass bei niedriger Anfangsbelastung frühes Reinigen und Desinfizieren der einzige Weg ist, ihre Etablierung zu verhindern. Für das Qualitätsteam lautet die Botschaft: Persistenz bekämpft man vor allem mit hygienischem Design und Instandhaltung, nicht nur mit einem stärkeren Desinfektionsmittel.
Warum er Desinfektionsmittel besser toleriert
Die Übersichtsarbeit in Biofouling beschreibt die Resistenz von Biofilmen gegenüber der Desinfektion als multifaktoriellen Prozess, der mit der räumlichen Organisation der Gemeinschaft zusammenhängt. Zu den meistgenannten Mechanismen zählen:
- Die Matrix als Barriere: Die extrazellulären Polymere erschweren die Diffusion des Biozids und können mit ihm reagieren, bevor es die Zellen erreicht.
- Physiologische Heterogenität: Sauerstoff- und Nährstoffgradienten erzeugen Zonen mit langsam wachsenden Zellen und Persisterzellen, die gegenüber vielen Wirkstoffen weniger empfindlich sind.
- Gemischte Gemeinschaften: Sánchez-Vizuete und Mitarbeiter untersuchten in Frontiers in Microbiology, wie nicht pathogene Bakterien Krankheitserreger schützen können. Ein Beispiel: Ein von Anlagen isolierter Bacillus subtilis schützte Staphylococcus aureus vor Peressigsäure.
- Genetische Anpassung: Einige aus Betrieben isolierte L. monocytogenes-Stämme tragen Gene wie qacH oder bcrABC, Pumpen, die quartäre Ammoniumverbindungen ausschleusen.
Gemischte Gemeinschaften sind im Betrieb die Regel, nicht die Ausnahme. Galié und Mitarbeiter zitieren eine Studie, in der das Überleben von E. coli O157:H7 auf Oberflächen der Industrie in Anwesenheit anderer Arten bis auf das Sechsfache anstieg.
Wie er kontrolliert wird
Vorbeugen vor Beseitigen
Die Kontrolle beginnt beim Design: glatte Oberflächen ohne Spalten, intakte Dichtungen, demontierbare Anlagen und keine Toträume, in denen sich Produkt ansammelt. Die Gute Herstellungspraxis und die vorbeugende Instandhaltung sind in der Praxis das erste Werkzeug gegen Biofilme.
Erst reinigen, dann desinfizieren
Ein Desinfektionsmittel, das auf Schmutz oder auf intakte Matrix aufgebracht wird, verliert einen großen Teil seiner Wirkung. Deshalb muss die Reinigung mit geeignetem Reinigungsmittel und mechanischer Einwirkung bzw. Turbulenz in geschlossenen Kreisläufen die organische Substanz entfernen und die Matrix aufbrechen, bevor desinfiziert wird. Die Arbeit von Galié nennt unter den in der Industrie verwendeten Desinfektionsmitteln Natriumhypochlorit, Peressigsäure, Chlordioxid, Wasserstoffperoxid, Ozon und quartäre Ammoniumverbindungen.
Ergänzende Werkzeuge
Für schwierige Biofilme werden Enzyme untersucht und eingesetzt, die die Matrix abbauen (Proteasen, Cellulasen, Glykosidasen, DNasen), ebenso Bakteriophagen wie P100 gegen Listeria, Bakteriozine wie Nisin und ätherische Öle. Sie sind Ergänzungen: Keines ersetzt ein gut konzipiertes Reinigungsprogramm.
Woran man erkennt, ob die Kontrolle funktioniert
Ein Biofilm ist mit bloßem Auge erst sichtbar, wenn er sehr groß ist; die Verifizierung hängt also von der Probenahme ab. Einige Leitlinien:
- Nach Reinigung und Desinfektion sowie vor Produktionsbeginn beproben, wie im Artikel über Oberflächen nach der Sanitisierung beschrieben.
- Demontierbare Stellen einbeziehen: Dichtungen, Ventilinnenräume, Walzen, Schaber und Abläufe, mit den Techniken der Oberflächenprobenahme.
- Wiederholte Positivbefunde an derselben Stelle als Hinweis auf einen Rückzugsort behandeln und nicht als Einzelbefund, im Rahmen des Programms für das Umgebungsmonitoring.
- Wenn ein Isolat erneut auftritt, es mit den früheren vergleichen; die Genomsequenzierung zeigt, ob es sich um denselben residenten Stamm handelt.
Biofilme beeinträchtigen nicht nur die Lebensmittelsicherheit. Sie erklären auch viele Probleme wiederkehrenden Verderbs, etwa die durch resistente Hefen verursachten, die im Artikel über Zygosaccharomyces beschrieben sind.
Fazit
Ein Biofilm macht aus einer punktuellen Kontamination ein Problem, das sich wiederholt: Die anhaftenden, durch ihre Matrix geschützten Zellen überleben Reinigungen, die dieselben Bakterien in Suspension beseitigen würden. Die Evidenz deutet darauf hin, dass die Persistenz eher von Rückzugsorten als von besonderen Stämmen abhängt; die Kontrolle kombiniert daher hygienisches Design, Instandhaltung, Reinigung vor der Desinfektion und eine Probenahme, die dort sucht, wo sich der Biofilm tatsächlich versteckt.
Über TAAG
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Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Biofilm in der Lebensmittelindustrie?
Er ist eine Gemeinschaft von Mikroorganismen, die an einer Betriebsoberfläche wie Edelstahl, Gummi oder Kunststoff haftet und von einer Matrix aus Polysacchariden, Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden umhüllt ist, die die Zellen selbst produzieren.
Warum ist ein Biofilm widerstandsfähiger gegen Desinfektionsmittel?
Weil die Matrix das Eindringen des Desinfektionsmittels erschwert, im Biofilm langsam wachsende, weniger empfindliche Zellen vorkommen, Begleitarten die Krankheitserreger schützen können und einige Stämme Gene für die Toleranz gegenüber bestimmten Bioziden tragen.
Persistiert Listeria im Betrieb, weil sie besondere Stämme hat?
Die Übersichtsarbeit von Carpentier und Cerf schlägt vor, dass dies nicht der Fall ist: Die Persistenz erklärt sich durch Rückzugsorte in Anlagen und Einrichtungen mit unhygienischem Design oder beschädigten Materialien, an denen jeder Stamm wachsen und die Reinigung überleben kann.
Genügt es, die Konzentration des Desinfektionsmittels zu erhöhen?
Nein. Ohne vorherige Reinigung, die die organische Substanz entfernt und die Matrix aufbricht, verliert das Desinfektionsmittel an Wirkung. Die Kontrolle stützt sich auf hygienisches Design, Instandhaltung, Reinigung, Desinfektion und Verifizierung durch Probenahme.