Onderdeel van de pijler Levensmiddelenmicrobiologie van het TAAG Leercentrum. Sluit aan op omgevingsmonitoring in fabrieken en op Listeria monocytogenes, de pathogeen die het sterkst met persistentie in fabrieken wordt geassocieerd.
Inhoudsopgave
Bacteriën leven niet los van elkaar
In het laboratorium stellen we ons bacteriën meestal voor als cellen die in een bouillon zweven. In een voedingsmiddelenfabriek is de gebruikelijke situatie een andere: cellen die aan een oppervlak zijn gehecht, in groepjes zitten en omhuld zijn door een matrix die ze zelf produceren. Dat is een biofilm. Een overzichtsartikel in Biofouling definieert het als een gemeenschap van micro-organismen die aan een oppervlak is gehecht en omgeven wordt door een complexe matrix van extracellulaire polymere stoffen.
Het verschil zit niet alleen in de vorm. Een bacterie in een biofilm is beter bestand tegen uitdroging, de waterstroom van een spoeling en ontsmettingsmiddelen dan dezelfde bacterie in suspensie. Daarom kan een lijn er schoon uitzien, een visuele inspectie doorstaan en toch micro-organismen aan het product blijven afgeven.
Waaruit een biofilm bestaat
Flemming en Wingender beschreven in Nature Reviews Microbiology de matrix van een biofilm als een gehydrateerd netwerk van extracellulaire polymere stoffen (EPS), vooral opgebouwd uit polysachariden, eiwitten, nucleïnezuren en lipiden. Die matrix vervult tegelijk meerdere functies:
- Ze geeft mechanische stabiliteit en verankert de cellen aan het oppervlak.
- Ze vormt een driedimensionaal netwerk dat de cellen bij elkaar houdt.
- Ze werkt als een extern spijsverteringsstelsel: ze houdt enzymen dicht bij de cellen vast om resten organisch materiaal te benutten.
In een fabriek is dat organisch materiaal ruim voorhanden: resten melk, vlees, sap of deeg die na de productie achterblijven in afdichtingen, kleppen en bekraste oppervlakken.
Hoe hij zich vormt, stap voor stap
Het overzichtsartikel van Galié en collega's in Frontiers in Microbiology vat de opeenvolging in de voedingsmiddelenindustrie samen:
- Conditionering van het oppervlak: eiwitten, vetten en andere voedselresten bedekken het materiaal en veranderen de eigenschappen ervan.
- Reversibele hechting: de eerste cellen naderen en hechten zich zwak; ze kunnen nog loskomen met een spoeling.
- Irreversibele hechting en microkolonies: de cellen produceren matrix en beginnen zich ter plaatse te vermenigvuldigen.
- Rijping: er ontstaat een driedimensionale structuur met gradiënten van voedingsstoffen en zuurstof.
- Dispersie: een deel van de cellen komt vrij en koloniseert andere oppervlakken of komt in het product terecht.
De praktische conclusie is dat je vroeg moet ingrijpen. Een reiniging die plaatsvindt wanneer de cellen nog in de reversibele fase zitten, is veel succesvoller dan een reiniging tegen een volwassen biofilm. Daarom wegen de reinigingsfrequentie en de tijd die een machine vuil blijft tussen het einde van de productie en het begin van de sanitatie even zwaar als het gekozen chemische product.
De dispersiefase verklaart bovendien een patroon dat veel kwaliteitsteams herkennen: productbesmettingen die met tussenpozen opduiken, met weken van negatieve resultaten en één geïsoleerde positieve zonder duidelijke oorzaak. Een gevestigde biofilm geeft cellen onregelmatig af, en door die onregelmatigheid ziet een sporadische bemonstering hem over het hoofd.
Waar ze in een fabriek voorkomen
Hetzelfde overzichtsartikel noemt in de zuivelindustrie leidingen, botercentrifuges, kaasbakken, pasteurisators en verpakkingsgereedschap, met zo uiteenlopende soorten als psychrotrofe Pseudomonas en de thermofiel Geobacillus stearothermophilus. Bij verse vis vermeldt het biofilms met Aeromonas hydrophila, L. monocytogenes, Salmonella enterica of Vibrio spp. De risico's van elke sector komen aan bod in het artikel over microbiologie in de zuivelindustrie.
Het materiaal en de afwerking ervan doen ertoe
Biofilms vormen zich op roestvrij staal, polyethyleen, polypropyleen, rubber, pvc, glas en hout. De afwerking van het oppervlak verandert het resultaat: in de beoordeelde studies was onbehandeld of geschuurd staal het gemakkelijkst te koloniseren door Salmonella, terwijl elektrogepolijst staal dat nauwelijks was. Een bekrast oppervlak, een gebarsten afdichting of een slecht afgewerkte las bieden een schuilplaats die geen chemisch product volledig bereikt.
Biofilm, persistentie en Listeria
Listeria monocytogenes is het best bestudeerde voorbeeld van persistentie in fabrieken: dezelfde stam duikt maanden of jaren op in dezelfde machine. Carpentier en Cerf analyseerden in een overzicht in het International Journal of Food Microbiology waarom dat gebeurt en kwamen tot een conclusie die de aanpak verandert. De factoren die samenhangen met de aanwezigheid van Listeria in fabrieken zijn dezelfde die de groei ervan bevorderen, en die omstandigheden doen zich voor op de zogenoemde schuilplaatsen: plekken die worden beschermd door een onhygiënisch ontwerp van apparatuur en installaties of door beschadigde materialen, en die moeilijk te elimineren zijn.
De auteurs stelden dat er geen L. monocytogenes-stammen met unieke eigenschappen bestaan die ze persistent maken, maar schuilplaatsen waar elke stam kan blijven voortbestaan. Ze stelden ook dat bij een lage aanvankelijke belasting snel reinigen en ontsmetten de enige manier is om te voorkomen dat de bacterie zich vestigt. Voor het kwaliteitsteam is de boodschap dat persistentie vooral wordt bestreden met hygiënisch ontwerp en onderhoud, niet alleen met een krachtiger ontsmettingsmiddel.
Waarom hij beter bestand is tegen ontsmettingsmiddelen
Het overzicht in Biofouling beschrijft de resistentie van biofilms tegen desinfectie als een multifactorieel proces, gekoppeld aan de ruimtelijke organisatie van de gemeenschap. Tot de meest genoemde mechanismen behoren:
- De matrix als barrière: de extracellulaire polymeren bemoeilijken de diffusie van het biocide en kunnen ermee reageren voordat het de cellen bereikt.
- Fysiologische heterogeniteit: de gradiënten van zuurstof en voedingsstoffen veroorzaken zones met langzaam groeiende cellen en persisters, die minder gevoelig zijn voor veel middelen.
- Gemengde gemeenschappen: Sánchez-Vizuete en collega's bespraken in Frontiers in Microbiology hoe niet-pathogene bacteriën pathogenen kunnen beschermen. Een voorbeeld: een Bacillus subtilis geïsoleerd uit apparatuur beschermde Staphylococcus aureus tegen perazijnzuur.
- Genetische aanpassing: sommige uit fabrieken geïsoleerde L. monocytogenes-stammen dragen genen zoals qacH of bcrABC, pompen die quaternaire ammoniumverbindingen uitstoten.
Gemengde gemeenschappen zijn in de fabriek de regel, niet de uitzondering. Galié en collega's noemen een studie waarin de overleving van E. coli O157:H7 op oppervlakken in de industrie tot zesmaal toenam in aanwezigheid van andere soorten.
Hoe je hem beheerst
Voorkomen vóór verwijderen
De beheersing begint bij het ontwerp: gladde oppervlakken zonder spleten, afdichtingen in goede staat, demonteerbare apparatuur en geen dode zones waar product zich ophoopt. De goede productiepraktijken (GMP) en het preventief onderhoud zijn in de praktijk het eerste wapen tegen biofilms.
Eerst reinigen, daarna ontsmetten
Een ontsmettingsmiddel dat op vuil of op een intacte matrix wordt aangebracht, verliest een groot deel van zijn werking. Daarom moet de reiniging, met een geschikt reinigingsmiddel en mechanische actie of turbulentie in gesloten circuits, het organisch materiaal verwijderen en de matrix doorbreken vóór de desinfectie. Het overzicht van Galié noemt onder de in de industrie gebruikte ontsmettingsmiddelen natriumhypochloriet, perazijnzuur, chloordioxide, waterstofperoxide, ozon en quaternaire ammoniumverbindingen.
Aanvullende hulpmiddelen
Voor lastige biofilms worden enzymen bestudeerd en gebruikt die de matrix afbreken (proteasen, cellulasen, glycosidasen, DNasen), evenals bacteriofagen zoals P100 tegen Listeria, bacteriocinen zoals nisine en etherische oliën. Het zijn aanvullingen: geen enkele vervangt een goed ontworpen reinigingsprogramma.
Hoe weet je of de beheersing werkt
Een biofilm is pas met het blote oog zichtbaar als hij erg groot is, dus de verificatie hangt af van bemonstering. Enkele richtlijnen:
- Bemonster na reiniging en desinfectie en ook vóór de start van de productie, zoals beschreven in het artikel over oppervlakken na sanitatie.
- Neem punten op die worden gedemonteerd: afdichtingen, binnenkant van kleppen, rollen, schrapers en afvoeren, met de technieken van oppervlaktebemonstering.
- Behandel herhaalde positieve resultaten op hetzelfde punt als signaal van een schuilplaats en niet als een geïsoleerde vondst, binnen het programma van omgevingsmonitoring.
- Wanneer een isolaat terugkomt, vergelijk het dan met de eerdere; met genoomsequencing kan worden bepaald of het om dezelfde residente stam gaat.
Biofilms beïnvloeden niet alleen de veiligheid. Ze verklaren ook veel problemen van terugkerend bederf, zoals die veroorzaakt door de resistente gisten die worden beschreven in het artikel over Zygosaccharomyces.
Conclusie
Een biofilm maakt van een eenmalige besmetting een terugkerend probleem: de gehechte cellen, beschermd door hun matrix, overleven reinigingen die dezelfde bacteriën in suspensie zouden doden. Het bewijs wijst erop dat persistentie meer afhangt van schuilplaatsen dan van speciale stammen, dus de beheersing combineert hygiënisch ontwerp, onderhoud, reinigen vóór ontsmetten en een bemonstering die zoekt waar de biofilm zich werkelijk verbergt.
Over TAAG
Ontdek hoe de voor oppervlakken gevalideerde moleculaire detectiekits van TAAG helpen om positieve resultaten van een omgevingsmonitoringprogramma snel te bevestigen.
Veelgestelde vragen
Wat is een biofilm in de voedingsmiddelenindustrie?
Het is een gemeenschap van micro-organismen die aan een oppervlak in de fabriek is gehecht, zoals roestvrij staal, rubber of kunststof, en omhuld wordt door een matrix van polysachariden, eiwitten, nucleïnezuren en lipiden die de cellen zelf produceren.
Waarom is een biofilm resistenter tegen ontsmettingsmiddelen?
Omdat de matrix de toegang van het ontsmettingsmiddel bemoeilijkt, er binnen de biofilm langzaam groeiende, minder gevoelige cellen zitten, begeleidende soorten pathogenen kunnen beschermen en sommige stammen genen voor tolerantie tegen bepaalde biociden dragen.
Blijft Listeria in een fabriek bestaan omdat er speciale stammen zijn?
Het overzicht van Carpentier en Cerf stelt van niet: de persistentie wordt verklaard door schuilplaatsen in apparatuur en installaties met een onhygiënisch ontwerp of beschadigde materialen, waar elke stam kan groeien en de reiniging kan overleven.
Volstaat het om de concentratie van het ontsmettingsmiddel te verhogen?
Nee. Zonder voorafgaande reiniging die het organisch materiaal verwijdert en de matrix doorbreekt, verliest het ontsmettingsmiddel zijn werking. De beheersing berust op hygiënisch ontwerp, onderhoud, reiniging, desinfectie en verificatie door bemonstering.