Faktoren für das Wachstum von Mikroorganismen

Dazu gehören das Angebot an Nährstoffen, die Temperatur im Lager, die Feuchte (Wassergehalt) des eingelagerten Getreides bzw. Futtermittels, die Gegenwart von Sauerstoff und der pH-Wert. Befinden sich alle diese Faktoren in einem für sie optimalen Bereich, vermehren sie sich und es kommt zum Verderb.

Die Abbildung stellt das Prinzip der Konservierung grafisch als Hürdenlauf für Mikroorganismen dar. Die einzelnen Hürden stehen für die unterschiedlichen Wachstumsfaktoren von Mikroorganismen. Mikroorganismen überspringen mehrere Hürden wie Temperatur, Wasser, Sauerstoff und können dadurch schnell wachsen. Es wird gezeigt, dass die Mikroorganismen einfacher über die Hürden kommen, also schneller wachsen, je kleiner diese für sie sind. Wird aber ein Wachstumsfaktor verändert und somit die Hürde erhöht, wie in der Grafik am Beispiel „Säure“, dann wird das Wachstum der Mikroorgansimen direkt ausgebremst bzw. verhindert (Grafik von der AGRAVIS Raiffeisen AG).

Substratfaktoren verändern

Durch die gezielte Veränderung von einem oder mehreren dieser Faktoren ist es aber möglich, mikrobiellen Verderb zu verhindern. Vergleichbar ist dieses Prinzip auch mit einem Hürdenlauf. Sind alle Hürden niedrig, das heißt alle Faktoren sind optimal, vermehren sich die Mikroorganismen ungehindert. Wird jedoch eine oder mehrere der Hürden zu ihren Ungunsten verändert, also höher gesetzt, fällt es den

Einfluss der Faktoren bei trockenem Getreide

In trocken eingelagertem

Bei der Einlagerung von trockenem Getreide befinden sich alle Wachstumsfaktoren für Schimmelpilze in einem für sie günstigen Bereich. Das bedeutet, dass alle Hürden zu niedrig sind, um diese „auszubremsen“. Nur der gezielte Einsatz von Konservierungsmitteln kann das eingelagerte Getreide sicher vor Verderb schützen.

Die Substratfaktoren im Überblick

Nährstoffe

Temperatur

Jede Mikroorganismenart wächst in einem für sie typischen Temperaturbereich. Allgemein gilt, dass sich die einzelnen Arten mit zunehmender Temperatur schneller vermehren. Jedoch gibt es auch Min- und Max-Grenzen. Unterhalb des Temperaturminimums vermehren sich die Mikroorganismen nicht. Sie sterben aber auch nicht ab. Wird die untere Grenze wieder überschritten, setzt ihre erneute Vermehrung ein. Die Wachstumsgeschwindigkeit steigt dann bis zum Erreichen der optimalen Temperatur an. Übersteigt die Temperatur die optimalen Werte, sinkt die Wachstumsgeschwindigkeit wieder, bis sie komplett zum Erliegen kommt. Dabei werden die Mikrobenzellen so stark geschädigt, dass sie sich nicht mehr vermehren können und ggf. auch absterben.

In Abhängigkeit des optimalen Temperaturbereiches werden die Mikroorganismen in folgende Gruppen* eingeteilt:

Zwischen diesen Gruppen gibt es fließende Übergänge. Die Gruppe der mesophilen Mikroorganismen ist dabei am größten. In dieser Gruppe sind auch die produkttypischen und verderbanzeigenden Mikroorganismen von eingelagertem Getreide zu finden.

Feuchte

Mikrobielles Wachstum ist immer an das Vorhandensein von Wasser gebunden. Neben dem Feuchtegehalt im eigentlichen Sinne ist aber auch die Verfügbarkeit des Wassers (Wasseraktivität) entscheidend. Diese hängt neben dem reinen Wassergehalt auch von den Inhaltsstoffen ab, die Wasser binden können (zum Beispiel Zucker). Deshalb weichen die Angaben für die maximal zulässige Feuchte für eine sichere Lagerung je nach Gut voneinander ab. Maß für die Wasseraktivität ist der sogenannte aw–Wert. Allgemein gilt, dass ab einem ein aw–Wert von < 0,7 das zu lagernde Gut sicher vor einem mikrobiellen Verderb ist.

Beispiele für den Wassergehalt bei einem aw-Wert von < 0,7:

Die einzelnen Mikroorganismen stellen unterschiedliche Ansprüche an den Feuchtegehalt und die Wasserverfügbarkeit. Allgemein gilt, dass die mikrobielle Aktivität mit dem Wassergehalt steigt bzw. umgekehrt, durch den Wasserentzug mikrobielles Wachstum verhindert wird. Dabei reagieren die Bakterien und Hefen deutlich empfindlicher als Schimmelpilze.

aw-Wert Spanne für das Wachstum der Mikroorganismengruppen:

Die meisten Mikroorganismen wachsen bei einem aw-Wert von 0,98. Bakterien stellen die höchsten Ansprüche an den Gehalt an frei verfügbarem Wasser. Hefen können zwar schon bei niedrigeren aw-Werten wachsen als Bakterien, bevorzugen es aber immer noch relativ feucht. Beide Keimgruppen spielen deshalb beim Verderb von Getreide nur bei Kornfeuchten von > 23 Prozent eine Rolle. Demgegenüber benötigen Schimmelpilze für ihr Wachstum deutlich weniger Wasser. Bestimmte Arten der Gattungen Penicillium, Aspergillus oder Monascus können sogar unterhalb eines aw-Wertes von 0,8 wachsen. Sie werden auch als besonders osmotolerant oder xerophil bezeichnet. Für das einzulagernde Getreide bedeutet das, dass Kornfeuchten von unter < 14 Prozent erreicht werden sollten, um ein Wachstum dieser Schimmelpilze sicher ausschließen zu können. Das ist aber in der Praxis selten der Fall.

Die Grafik vergleicht das mikrobielle Wachstum in Abhängigkeit von der Feuchte und des aw-Wertes. Der aw-Wert ist dabei ein Maß für die Verfügbarkeit des enthaltenen Wassers. Schimmelpilze werden erst ab einer Feuchte von 15 % und einem aw-Wert von 0,80 gehemmt, während Bakterien und Hefen Restfeuchten ab 23 % bzw. aw-Werte von 0,90 benötigen. Je feuchter das Getreide ist, desto intensiver verläuft das Schimmelwachstum und desto stärker werden die Nährstoffe im Getreide geschädigt.

Sauerstoff

Aufgrund ihres unterschiedlichen Sauerstoffbedarfes werden aerobe, anaerobe und fakultativ anaerobe Mikroorganismen unterschieden. Aerobe Mikroorganismen wachsen nur in Anwesenheit von Sauerstoff, da sie diesen zur Energiegewinnung durch Atmung benötigen. Zu dieser Gruppe gehören alle Schimmelpilze. Auf anaerob wachsende Mikroorganismen wirkt Sauerstoff toxisch. Sie gewinnen ihre EnergieMobilität, Wärme und Strom sind ein bedeutendes Element für ein modernes Leben. durch Gärung. Zu dieser Gruppe gehören u.a. viele Bakterien (zum Beispiel Clostridien). Fakultativ anaerobe Mikroorganismen (wie Enterobacterien) wachsen sowohl bei Anwesenheit als auch Abwesenheit von Sauerstoff. Hefen hingegen können sich sowohl aerobe als auch anaerob entwickeln. Bei Anwesenheit von Sauerstoff, also aerob, gewinnen sie ihre Energie durch Atmung. Dabei entsteht Kohlendioxid und Wasser. Fehlt jedoch Sauerstoff, also unter anaeroben Bedingungen, sind sie in der Lage, ihren Stoffwechsel auf Gärung um zu schalten. MilchsäurebakterienMilchsäurebakterien werden als biologische Siliermittel bei der Silierung eingesetzt. stellen ebenfalls einen Sonderfall dar. Sie gewinnen ihre Energie durch Gärung (anaerob), sind aber in der Lage, geringe Mengen an Sauerstoff zu tolerieren. Sie werden deshalb auch als aerotolerant bezeichnet.

Sauerstoffansprüche von Mikroorganismen:

Getreide wird in der Regel aerob als lose Schüttung gelagert. Insofern kommen für einen potenziellen Verderb nur aerob wachsende Mikroorganismen in Frage. In Verbindung mit dem niedrigen Feuchtegehalt scheiden Bakterien und Hefen aus. Verdirbt Getreide, sind somit überwiegend Schimmelpilze dafür verantwortlich.

pH-Wert

Ein weiterer wichtiger Substratfaktor, der das Wachstum von Mikroorganismen beeinflusst, ist der pH-Wert im Futtermittel. Auch hier gibt es zwischen Bakterien, Hefen und Schimmelpilzen klare Unterschiede. Hefen und Schimmelpilze bevorzugen im Allgemeinen saure pH-Bereiche, Bakterien hingegen eher den Neutralbereich. Nur wenige sind säuretolerant, wie Milchsäurebakterien. Diese wachsen noch, wenn der pH-Wert 4,0 unterschreitet. Die meisten Bakterien reagieren außerdem sehr empfindlich auf Veränderungen im pH-Wert. Hefen und Schimmelpilze sind da deutlich unempfindlicher. Sie wachsen auch noch, wenn der pH-Wert im stark sauren Bereich liegt.

Allgemein gilt, dass die Säuretoleranz der Mikroorganismen abnimmt, wenn sich andere Substratfaktoren wie eine verminderte Wasserverfügbarkeit oder eine ungünstige Sauerstoffversorgung verschlechtern.

Die Grafik zeigt die pH-Bereiche, in denen im Futter enthaltene Mikroorganismen überleben. Außerhalb dieser pH-Wert - Bereiche können die jeweiligen Mikroorganismen nicht überleben. Es sind exemplarisch 11 verschiedene Mikroorganismen in der Grafik abgebildet. Je nach Art sind diese unterschiedlich überlebensfähig. So tolerieren Schimmel einen pH-Wert von 0 bis 11 und Hefen einen pH-Wert-Bereich von 1,5 bis 8,5. Bei Bakterien ist dieser Bereich deutlich enger. Lediglich Milchsäurebakterien überleben in einem Bereich von 3,5 bis 10,5 (Grafik nach Brooks 2009).

* Quelle: MÜLLER 1988