Mikroorganismen in Lebensmitteln - Europa-Lehrmittel · Vorwort „Mikroorganismen in Lebensmitteln“ gliedert sich in drei Teile: Mikroorganismen – Grundlagen Lebensmittel und

Mikroorganismenin LebensmittelnTheorie und Praxis der Lebensmittelhygiene

Dr. Heribert Keweloh6. Auflage

Bestell-Nr.: 05271

Titelei (001-006) 2014:Titelei (001-006) 2014 11.07.16 16:30 Seite 1

Autor Priv.-Doz. Dr. Heribert Keweloh 46147 OberhausenForststraße [email protected]

Unter Mitarbeit von Johann Hamdorf, NienborstelMaria Revermann, Hanau-Steinheim

Verlagslektorat Benno Buir

Bildbearbeitung Verlag Europa-Lehrmittel 73760 Ostfildern

Illustrationen Wolfgang Herzig 45134 Essen

Impressum2

6. Auflage 2016

Druck 5 4 3 2 1

Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf dieBehebung von Druckfehlern unter einander unverändert sind.

ISBN 978-3-8057-0718-3

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Satz, Layout: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, 50374 Erftstadt

Druck: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH,33100 Paderborn


Vorwort„Mikroorganismen in Lebensmitteln“ gliedert sich in drei Teile:

● Mikroorganismen – Grundlagen

● Lebensmittel und Gesundheitsgefährdungen

● Lebensmittelhygiene

Erstmalig behandelt somit ein und dasselbe Fachbuch umfassend sowohl die mikrobiologischen Grundlagen der Lebensmittelhygiene, die Vielzahl der biologischen, chemischen und physikalischen Gefahrenquellen bei der Lebens-mittelherstellung und die konkreten Anwendungen in der Betriebspraxis. Die systematische Gliederung ermöglicht auchdem wissenschaftlich nicht ausgebildeten Leser Sinn und Zweck hygienischer Vorgehensweisen und die Einschätzungder Bedeutung von Prozessen der Lebensmittelsicherheit zu verstehen.

„Mikroorganismen in Lebensmitteln“ richtet sich an alle Fachkräfte und Betriebsleiter, die mit Hygiene und Hygieneschulung der Mitarbeiter befasst sind. Es ist für folgende Lebensmittelunternehmen besonders zugeschnit-ten:

● Betriebe der Gastronomie und Gemeinschaftsverpflegung

● Handwerkliche Betriebe wie Fleischereien, Bäckereien und Konditoreien.

Darüber hinaus kann „Mikroorganismen in Lebensmitteln“● als zielgerichtetes Arbeitsmittel in der Ausbildung und

● für eine selbstständige Einarbeitung in Hygienewissen im Lebensmittelbereichgenutzt werden. Zur Vertiefung des Stoffes dienen Aufgaben und Zusammenfassungen der wesentlichen Inhalte amEnde der Kapitel.

„Mikroorganismen in Lebensmitteln“ kann an allen Berufs- und Fachschulen, die sich wie im Berufsfeld Ernäh-rung und Hauswirtschaft mit dem Thema Lebensmittel befassen, sowie in einigen Hochschulbereichen wieder Ökotrophologie als Sekundärliteratur eingesetzt werden.

Das Buch enthält Erklärungen der Fachbegriffe, genau dort wo sie in jedem Kapitel zuerst auftauchen. Es kann auf-grund seiner Struktur mit informativen und weiterführenden Hinweisen am Textrand auch als Nachschlagewerk her-vorragend eingesetzt werden. Das Buch enthält zahl reiche neu gestaltete, sowohl informa tive als auch anschaulicheGrafiken zur Theorie und zahlreiche Fotos zu den praktischen Aspekten des Themas.

Wichtige Merksätze sind am Rand mit einem ! gekennzeichnet.

Neu in der 6. Auflage:

Buch und CD wurden durchgängig aktualisiert.

Dem Buch ist eine CD beigelegt, auf der ein Handbuch als Vorlage für Lebensmittelunternehmen der Gemeinschaftsverpflegung zur Einrichtung eines HACCP-Systems dargestellt ist. Es entspricht denAnforderungen der neuen EU-Verordnungen und kann von den Betriebsverantwortlichen als Grund-lage eines Eigenkontrollsystems genutzt werden.

Die CD enthält

● ein Beispiel-HACCP-Konzept mit Arbeitsanweisungen und Checklisten,

● relevante Gesetzestexte,

● sämtliche Grafiken und viele Fotos des Buches zur Übernahme in Arbeitsblätter oder eigene Schulungsunterlagen.

Für Fehlerhinweise, wohlwollende oder kritische Meinungsäußerungen sowie Anregungen und Ergänzungen zum Buchsind Autor und Verlag dankbar.

Sommer 2016

Vorwort 3


1 Mikroorganismen – eine Übersicht _____________________________________ 7

1.1 Klassen der Mikroorganismen ___________________________________________ 71.1.1 Bakterien ______________________________________________________________________ 81.1.2 Archäen ________________________________________________________________________ 81.1.3 Pilze ____________________________________________________________________________ 91.1.4 Protozoen _____________________________________________________________________ 9

1.2 Viren und Prionen __________________________________________________________ 10

1.3 Bedeutung der Mikroorganismen für den Menschen ______________ 101.3.1 Mikroben in Lebensmitteln _________________________________________________ 101.3.2 Mikroorganismen außerhalb des Lebensmittelbereiches _______________ 13

2 Eigenschaften der Mikroorganismen ___________________________________ 17

2.1 Bakterien _____________________________________________________________________ 172.1.1 Zellen der Bakterien _________________________________________________________ 172.1.2 Einteilung der Bakterien _____________________________________________________ 212.1.3 Stoffwechsel von Bakterien _________________________________________________ 272.1.4 Wachstum und Vermehrung von Bakterien ______________________________ 332.1.5 Bakteriensporen und andere Dauerformen ______________________________ 39

2.2 Pilze ___________________________________________________________________________ 422.2.1 Zellen der Pilze _______________________________________________________________ 442.2.2 Einteilung der Pilze __________________________________________________________ 462.2.3 Stoffwechsel von Pilzen _____________________________________________________ 512.2.4 Wachstum und Vermehrung von Hefen __________________________________ 532.2.5 Wachstum und Sporenbildung von Hyphenpilzen _____________________ 55

2.3 Protozoen ____________________________________________________________________ 58

2.4 Viren und Prionen __________________________________________________________ 612.4.1 Viren ___________________________________________________________________________ 612.4.2 Prionen ________________________________________________________________________ 69

3 Standorte und Übertragung von Mikroorganismen ________________ 72

3.1 Erdboden, Wasser und Luft als Standorte von Mikroorganismen 743.1.1 Mikroben im Erdboden _____________________________________________________ 743.1.2 Mikroben in natürlichen Gewässern ______________________________________ 753.1.3 Keime im Trinkwasser _______________________________________________________ 763.1.4 Mikroorganismen in der Luft _______________________________________________ 78

3.2 Menschen, Tiere und Pflanzen als Lebensraum von Mikroben ___ 813.2.1 Normalflora des Menschen _________________________________________________ 813.2.2 Mikroben auf der Haut des Menschen ____________________________________ 823.2.3 Besiedlung von Schleimhäuten des Menschen __________________________ 833.2.4 Tiere als Träger von Mikroben ______________________________________________ 853.2.5 Pflanzen als Träger von Mikroben _________________________________________ 90

4 Wachstumsfaktoren der Mikroorganismen und Verderbvon Lebensmitteln __________________________________________________________ 94

4.1 Wachstumsfaktoren von Mikroorganismen ___________________________ 944.2 Verderb durch Mikroorganismen _______________________________________ 954.3 Temperatur __________________________________________________________________ 1014.4 Wasseraktivität und Feuchtigkeit ________________________________________ 1064.5 pH-Wert und Säuren _______________________________________________________ 1114.6 Sauerstoff und Gasatmosphäre __________________________________________ 1174.7 Inhaltsstoffe der Lebensmittel ___________________________________________ 123

5 Konservierung von Lebensmitteln und Abtötung von Keimen ___ 131

5.1 Physikalische Konservierungsverfahren ________________________________ 1325.1.1 Senkung der Temperatur ___________________________________________________ 1335.1.2 Erhöhung der Temperatur __________________________________________________ 1365.1.3 Senkung des Wassergehaltes _______________________________________________ 1405.1.4 Änderungen der Gasphase _________________________________________________ 142

Inhalt4

Teil AMikroorganismen

– Grundlagen


5.1.5 Behandlung mit ionisierenden Strahlen __________________________________ 1435.1.6 Hochdruckentkeimung ______________________________________________________ 145

5.2 Chemische Konservierungsverfahren __________________________________ 1455.2.1 Zuckern ________________________________________________________________________ 1465.2.2 Salzen __________________________________________________________________________ 1465.2.3 Pökeln _________________________________________________________________________ 1475.2.4 Räuchern ______________________________________________________________________ 1485.2.5 Zugabe von Säuren __________________________________________________________ 1505.2.6 Zugabe von Konservierungsstoffen _______________________________________ 151

5.3 Biologische Konservierungsverfahren __________________________________ 1525.3.1 Milchsäuregärung ____________________________________________________________ 1525.3.2 Alkoholische Gärung ________________________________________________________ 154

6 Herstellung von Lebensmitteln mithilfe von Mikroorganismen __ 156

6.1 Historische Entwicklung ___________________________________________________ 1586.2 Herstellung fermentierter Lebensmittel _______________________________ 1616.2.1 Herstellung von Rohwürsten _______________________________________________ 1636.2.2 Brotherstellung mithilfe von Hefen und Sauerteigkulturen ____________ 1656.2.3 Weitere fermentierte Lebensmittel ________________________________________ 169

6.3 Produktion mikrobieller Biomasse ______________________________________ 1756.3.1 Starter- und Schutzkulturen ________________________________________________ 1756.3.2 Probiotische Kulturen ________________________________________________________ 1776.3.3 Zuchtpilze und Backhefen __________________________________________________ 178

6.4 Mikrobielle Produkte als Hilfs- und Zusatzstoffe _____________________ 1786.5 Einsatz von gentechnisch veränderten Mikroorganismen _________ 181

1 Lebensmittelsicherheit: Vorbeugender Gesundheitsschutz _______ 185

1.1 Lebensmittelinfektionen und Krankheitserreger ____________________ 1881.2 Lebensmittelsicherheit als Hygieneziel ________________________________ 191

2 Bakterien als Gesundheitsgefährdungen ______________________________ 193

2.1 Infektionen durch Bakterien ______________________________________________ 1952.1.1 Enteritis-Salmonellen ________________________________________________________ 2002.1.2 Typhus-Salmonellen _________________________________________________________ 2052.1.3 Campylobacter-Bakterien ____________________________________________________ 2062.1.4 Colibakterien _________________________________________________________________ 2082.1.5 Shigellen ______________________________________________________________________ 2102.1.6 Yersinien _______________________________________________________________________ 2122.1.7 Choleraerreger und andere Vibrionen ____________________________________ 2132.1.8 Listerien ________________________________________________________________________ 2152.1.9 Bakterielle Sporenbildner ___________________________________________________ 217

2.2 Lebensmittelvergiftungen durch Bakterien ___________________________ 2192.2.1 Botulismus-Clostridien ______________________________________________________ 2192.2.2 Staphylokokken ______________________________________________________________ 2222.2.3 Histaminvergiftungen hervorrufende Bakterien _________________________ 2242.2.4 Muschel- und Fischvergiftungen durch mikrobiell gebildete Toxine _ 226

3 Weitere biologische Gesundheitsgefährdungen _____________________ 227

3.1 Pilze ___________________________________________________________________________ 2273.1.1 Giftpilze _______________________________________________________________________ 2283.1.2 Mykotoxine ___________________________________________________________________ 229

3.2 Viren ___________________________________________________________________________ 2333.2.1 Diarrhö-Viren _________________________________________________________________ 2333.2.2 Polio-Viren ____________________________________________________________________ 2343.2.3 Hepatitis A-Viren _____________________________________________________________ 235

3.3 BSE-Erreger __________________________________________________________________ 2363.4 Protozoen ____________________________________________________________________ 238

Inhalt 5

Teil BLebensmittel undGesundheitsgefährdungen


3.4.1 Toxoplasmose-Erreger _______________________________________________________ 2393.4.2 Weitere Darmparasiten ______________________________________________________ 240

3.5 Wurmparasiten ______________________________________________________________ 2413.5.1 Bandwürmer __________________________________________________________________ 2423.5.2 Fadenwürmer _________________________________________________________________ 244

3.6 Tierische Schädlinge _______________________________________________________ 2463.6.1 Milben und Insekten _________________________________________________________ 2483.6.2 Nager und Vögel _____________________________________________________________ 251

4 Chemische und physikalische Gesundheitsgefährdungen _________ 254

4.1 Chemische Gefahrstoffe in Lebensmitteln ____________________________ 2544.1.1 Chlororganische Umweltgifte und Schwermetalle ______________________ 2584.1.2 Desinfektionsmittel und andere Betriebschemikalien ___________________ 2624.1.3 Rückstände aus der Pflanzen- und Tierproduktion ______________________ 2634.1.4 Bei starker Erhitzung entstehende Problemstoffe _______________________ 2664.1.5 Natürliche Inhaltsstoffe von Pflanzen _____________________________________ 2684.1.6 Radioaktiv belastete Lebensmittel _________________________________________ 2704.1.7 Gentechnisch veränderte Lebensmittel ___________________________________ 271

4.2 Physikalische Gefahren in Lebensmitteln ______________________________ 272

1 Hygienevorschriften und Hygieneanforderungen ___________________ 275

1.1 Lebensmittel- und Hygienegesetze _____________________________________ 2751.2 Hygieneempfehlungen ____________________________________________________ 2791.3 Betriebliche Eigenkontrollen und HACCP _____________________________ 2801.4 Anforderungen an Hygiene und Lebensmittelsicherheit ___________ 2871.5 Schulungen und Unterweisungen der Mitarbeiter __________________ 2901.6 Lebensmittelüberwachung _______________________________________________ 294

2 Hygienepraxis in Lebensmittel verarbeitenden Betrieben _________ 296

2.1 Allgemeine betriebliche Anforderungen ______________________________ 2972.2 Reinigung und Desinfektion ______________________________________________ 3052.3 Abfallentsorgung ___________________________________________________________ 3102.4 Schädlingsbekämpfung ___________________________________________________ 3122.5 Personalhygiene ____________________________________________________________ 316

3 Betriebshygiene in Gastronomie und Gemeinschaftsverpflegung 320

3.1 Warenannahme und Lagerhaltung _____________________________________ 3213.2 Speisenherstellung _________________________________________________________ 3233.3 Speisenausgabe _____________________________________________________________ 3303.4 Entkoppelte Zubereitungsverfahren in der

Gemeinschaftsverpflegung _______________________________________________ 3313.5 Herstellung und Verkauf von Speiseeis ________________________________ 3343.6 Betrieb von Getränkeschankanlagen ___________________________________ 3353.7 Gefahrenanalyse für die HACCP-Kontrollen __________________________ 336

4 Betriebshygiene im Fleischerhandwerk ________________________________ 339

4.1 Fleischgewinnung __________________________________________________________ 3404.2 Fleischzerlegung und -verarbeitung ____________________________________ 3444.3 Fleischvertrieb _______________________________________________________________ 3484.4 Gefahrenanalyse für die HACCP-Kontrollen __________________________ 351

5 Betriebshygiene im Back- und Konditorhandwerk __________________ 353

5.1 Herstellung von Back- und Konditorwaren ___________________________ 3545.2 Vertrieb von Back- und Konditorwaren ________________________________ 3595.3 Gefahrenanalyse für die HACCP-Kontrollen __________________________ 361

6 Lebensmittelhygiene in Privathaushalten _____________________________ 363

Merkblätter ___________________________________________________________________________ 372

Bildquellenverzeichnis ______________________________________________________________ 374Sachwortverzeichnis ________________________________________________________________ 375Literaturverzeichnis _________________________________________________________________ 384

Inhalt6

Teil CLebensmittelhygiene

Anhang


1 Mikroorganismen – eine Übersicht

Zu den Mikroorganismen oder Mikroben zählt man all die Lebewesen,die zu klein sind, um mit dem menschlichen Auge gesehen zu werden.Mikroorganismen sind Lebewesen, die nur mit mikrobiologischen Methoden und mithilfe des Mikroskops untersucht werden können. Erstdas Mikroskop offenbart, dass sich auch die Mikroorganismen in ihrerGröße stark unterscheiden. Die Mikroorganismen sind keine einheitlicheKlasse von Lebewesen. Sie sind in ihren Kennzeichen und Zellstrukturensehr unterschiedlich.

1.1 Klassen der Mikroorganismen

Die Mikroorganismen können in vier Klassen, in die Bakterien, die Archäen, die Pilze und die Protozoen unterteilt werden. Abb. 1 zeigt,dass alle heutigen Lebewesen, einschließlich dieser Mikrobenklassen, zueinem von drei Reichen gehören. Diese drei Reiche haben sich in der ge-meinsamen Abstammung aller Lebewesen (Evolution) schon sehr frühgetrennt.

1.1 Klassen der Mikroorganismen 7

Mikroorganismen, MikrobenKleinstlebewesen, nur mit demMikroskop sichtbar Mikroskop, LichtmikroskopOptisches Instrument zur Vergrößerung, geeignet für Bakterien, aber nicht für kleinere Teilchen wie VirenKennzeichen von LebewesenGestalt, Entwicklung von Geburt bis Tod, Fortpflanzungund Vermehrung, Bewegungund Verhalten, Stoffwechsel

EvolutionEntstehung der ersten Lebens-formen auf der Erde und Weiterentwicklung bis zur heutigen Vielfalt der Arten

Teil A

Mikroorganismen – Grundlagen

Evolution

Heute:

Mikro-organismen

Bakterien Archäen

Pilze Protozoen

Pflanzen TiereMensch

Höhere Organismen

Entstehung des Lebens auf der Erde

Abb. 1Die Entstehung der drei Reiche der Lebewesen und ihre Zugehörigkeit zu den Mikroorganismen

Die drei Reiche der Lebewesen, die eine äußerst geringe Verwandtschaftuntereinander haben, sind:

1. Die Bakterien (ausschließlich Mikroorganismen),

2. die Archäen oder Archäbakterien (ausschließlich Mikroorganismen)und

3. die „höheren Organismen“. Zu diesen zählen die Tiere und die Pflan-zen sowie einige Gruppen von Mikroorganismen, nämlich die Pilzeund die Protozoen.

Teil A (007-184) 2016:Teil A (007-184) 2014 12.07.16 08:58 Seite 7

1.1.1 Bakterien

Die kleinsten und am einfachsten aufgebauten Mikroorganismen sinddie Bakterien; sie bestehen nur aus einer Zelle. Alle Bakterien sind Ein-zeller, auch wenn sie oft in Gemeinschaft mit anderen leben. Vertreterder Bakterien haben fast alle Lebensräume auf der Erde erobert, ein-schließlich des Menschen, der Tiere und der Pflanzen. Mit der Anwesen-heit der nicht sichtbaren Lebewesen muss fast überall gerechnet werden.Diese Klasse der Mikroben, die in Teil A – 2.1 behandelt wird, hat inihren Fähigkeiten und Beziehungen zum Menschen eine erstaunliche Viel-falt entwickelt.

1 Mikroorganismen – eine Übersicht8

pH-Wert Messzahl des Säurewertes

auf einer Skala von 0 (extremsauer) bis 14 (extrem basisch)

Abb. 1Stäbchenförmige Bakterien

1.1.2 Archäen

Erst vor wenigen Jahren wurde eine gänzlich neue, ursprüngliche Klasse von Mikroorganismen entdeckt, die Archäen oder Archäbakte-rien. Sie sind wie die Bakterien Einzeller. In der Größe und im Zellaufbausind sie Bakterien ähnlich, zeigen aber in ihren Enzymen und in ihrembiochemischen Aufbau große Unterschiede. Archäen leben an extrem lebensfeindlichen Standorten, an denen man lange Zeit keine Lebewe-sen vermutet hat. Man findet sie z.B. im Wasser heißer Quellen. DieseMikroben werden in kochendem Wasser nicht abgetötet, im Gegenteil,manche vermehren sich sogar noch bei Temperaturen über 100 °C. Dieoptimale Wachstumstemperatur von Pyrodictium, dessen Zellen ein cha rak teristischen Netzwerk ausbilden (Abb. 2), beträgt beispielsweise110 °C. Andere Archäen leben in extrem sauren Gewässern bis zu einempH-Wert von 1, wieder andere in Salzseen wie dem Toten Meer.

Abb. 2Pyrodictium, ein in

vulkanischen Gebieten derTiefsee vorkommenderVertreter der Archäen

ZelleKleinste selbstständige

lebens- und vermehrungsfähigebiologische Struktur

EinzellerSelbstständige Lebewesen, aus

einzelnen Zellen bestehend


1.1.3 Pilze

Wesentlich größer und im Zellaufbau komplexer als Bakterien und Archäen sind die Pilze (Teil A – 2.2), die im Gegensatz zu den zuerst ge-nannten Mikroben einen Zellkern und Chromosomen besitzen. Pilzewerden zu den Mikroorganismen gezählt, sie bestehen aus einem meistnicht sichtbaren Geflecht extrem dünner, oft langer Zellfäden, den Zell-hyphen. Pilze von oft völlig unterschiedlichem Aussehen haben bei derLebensmittelherstellung und in der Lebensmittelhygiene große Bedeu-tung:

● SpeisepilzeSpeisepilze wie die Champignons und Steinpilze gehören zur Gruppe derStänderpilze, die zu bestimmten Zeiten mit dem Auge sichtbare Vermeh-rungsformen bilden. Diese „Fruchtkörper“ werden im allgemeinenSprachgebrauch als Pilze bezeichnet. Der eigentliche Pilz ist nicht sicht-bar und wächst mit seinen Zellhyphen im Boden.

● SchimmelpilzeDer Begriff „Schimmelpilze“ hat sich für die Pilze eingebürgert, die in Lebensmitteln und einigen anderen organischen Substanzen wachsenund auf ihnen sichtbare, oft gefärbte Überzüge, den „Schimmel“, bilden.

● HefenHefen gehören ebenfalls zu den Pilzen, obgleich sie meist als Einzeller mitkugeliger Gestalt leben und sich durch Sprossung vermehren. Unter bestimmten Umweltbedingungen wachsen viele von ihnen wie typischePilze in Form von Zellhyphen.

1.1 Klassen der Mikroorganismen 9

ZellkernZellstruktur, die bei allen höhe-ren Lebewesen die Erbanlagenin Form der Chromosomen enthältChromosomenIm Mikroskop sichtbare, ausDNA und Proteinen bestehendeStrukturen der Zellkerne höherer OrganismenZellhyphenMikroskopisch kleine, fadenför-mige Zellen der Pilze und Ac-tinomyceten

Sprossung, KnospungBildung eines kleinen Auswuch-ses an der Mutterzelle, der sichvergrößert, später abtrennt undeigenständig als Tochterzelleweiterwächst

a. b.

Abb. 1Pilzea. Schimmelpilzeb. Hefen

1.1.4 Protozoen

Eine weitere eigenständige Mikrobenklasse sind die Protozoen (Teil A –2.3). Typische Vertreter dieser Klasse können sich, z.B. mit Geißeln,aktiv fortbewegen.

Viele Protozoen sind Parasiten. Zu ihnen gehören viele Krankheits -erreger wie die Erreger der Malaria und der Afrikanischen Schlafkrank-heit. Von der Größe und dem Aufbau ihrer Zellen sind sie den Pilzen ähn-lich.

ParasitenLeben in oder an einemanderen Organismus, ernährensich auf seine Kosten undvermehren sich in ihm


1.2 Viren und Prionen

Viren (Teil A – 2.4.1) und BSE-Erreger oder Prionen (Teil A – 2.4.2)haben keinen Stoffwechsel und bestehen nicht aus Zellen. Sie sind des-halb keine Lebewesen und somit auch keine Mikroorganismen. Virenund Prionen sind noch wesentlich kleiner als beispielsweise Bakterien.Aufgrund ihrer geringen Größe werden sie mit mikrobiologischen Methoden untersucht und oft den Mikroorganismen gleichgestellt. AlsKrankheitserreger habensie eine große Bedeutung.

Viren sind Parasiten undzur Vermehrung auf dieZellen von Lebewesen,ihren Wirten, angewiesen.Nur in den Wirtszellen kön-nen sie sich fortpflanzen.

BSE-Erreger sind Erreger,die nach den bisherigen Erkenntnissen nur aus Pro-teinen und nicht aus demgenetischem Material DNA bestehen. Über die Vermehrung der Prionengibt es noch keine gesicherten Erkenntnisse.

1.3 Bedeutung der Mikroorganismen für den Menschen

1.3.1 Mikroben in Lebensmitteln

Mikroorganismen befinden sich häufig in oder auf Lebensmitteln, wo siefür den Menschen eine nützliche oder schädliche Wirkung habenkönnen (Abb. 1, Seite 11). Viele Keime sind für unsere Ernährung unent-behrlich; sie werden zur Herstellung und Veredlung von Lebensmit-teln eingesetzt. Andere Mikroben üben negative Einflüsse auf Lebens-mittel und die Gesundheit des Menschen aus. Sie sind für Verderb derNahrung, Lebensmittelvergiftungen und Ausbruch von Lebensmit-telinfektionen verantwortlich.


BSEAbkürzung für „bovine spongi-form encephalopathy“, tödlich

verlaufende Erkrankung bei Rindern, die wahrscheinlich

von Prionen-Erregern hervor -gerufen wird

PrionInfektiöses Partikel aus Protein

ohne DNA oder RNA, wahr-scheinlicher Auslöser von BSE

und der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit

StoffwechselGesamtheit der aufeinander abgestimmten chemischen Reaktionen einer Zelle oder

eines OrganismusProteine, Eiweiße

Gefaltete Ketten aus meist überhundert Aminosäuren in

bestimmter, durch Gene fest -gelegter Reihenfolge, oft mit der

Funktion eines EnzymsDNA (DNS)

Deoxyribonucleic acid(Desoxyribonukleinsäure), diechemische Substanz der Gene

KeimeUmgangssprachlich für

Mikroorganismen; im medizinischen Sprachgebrauch

Krankheitserreger

Abb. 1Ciliaten als Vertreter

der Protozoen

Abb. 2 Tabakmosaik-Viren


Schädliche Wirkungen von Mikroben in Lebensmitteln

● Der Verderb von Lebensmitteln wird meist durch bestimmte Mikro-ben verursacht, die die Nährstoffe der Nahrungsmittel abbauen.Dabei scheiden sie übelriechende und -schmeckende Stoffe aus.

Häufig sind Bakterien, Hefen und Schimmelpilze die Ursache für Lebensmittelverderb.

● Lebensmittelvergiftungen entstehen, wenn durch Mikroorganismengebildete Giftstoffe über die Nahrung aufgenommen werden, ohnedass die Mikroben selbst in den Körper gelangen müssen.

Der Begriff Lebensmittelvergiftung wird häufig für alle Arten von Er-krankungen benutzt, die durch Lebensmittel ausgelöst werden, alsoz.B. auch für Salmonelleninfektionen.

Viele Bakterien, Ständer- und Schimmelpilze rufen Lebensmittelver-giftungen hervor, da sie giftige Substanzen (Toxine) bilden können.Auch Protozoen, die von Muscheln aufgenommen werden können,bilden Toxine und sind dann die Ursache von Muschelvergiftungen.

● Lebensmittelinfektionen können nach dem Genuss von Nahrungs-mitteln entstehen, die Krankheitserreger enthalten.

Dabei dringen lebende Keime, wie z.B. Salmonellen, in den mensch-lichen Körper ein und gelangen in den Darm. Dort vermehren sie sich,bilden Toxine und können bisweilen lebensgefährliche Erkrankungenhervorrufen.

Der Körper reagiert gegen die Keime, in dem er seine Abwehrsyste-me aufruft und sein Immunsystem aktiviert, dadurch treten z.B. Krank-heitssymptome wie Fieber auf.

Viele Bakterien und Viren sind gefürchtete Infektionserreger, Hefen undSchimmelpilze nur in seltenen Fällen. Auch einige Protozoen könnenüber Lebensmittel auf den Menschen übertragen werden und Krank-heiten auslösen.

1.3 Bedeutung der Mikroorganismen für den Menschen 11

VerderbMeist durch Mikroorganismenverursachte negative Verände-rungen der Eigenschaften vonLebensmitteln

LebensmittelvergiftungenErkrankungen, die durch vonMikroben gebildete Giftstoffeverursacht werden

ToxineVon Mikroben oder Pflanzengebildete und für Menschen giftige Substanzen

LebensmittelinfektionenErkrankungen nach Übertragung von Keimen überdie Nahrung mit Vermehrungder Keime im Körper

Verderb von

Lebensmitteln

Lebensmittel-infektionenLebensmittel-

vergiftungen

Herstellung und Veredlung

von Lebensmitteln

nützlich

schädlichMikroorganismen

Abb. 1Schäden und Nutzen von Mikroben im Lebensmittelbereich


Wie Abb. 1 zeigt, können Vertreter aus allen Klassen der Mikroorganis-men im Bereich der Lebensmittel eine Bedrohung darstellen.


Fermentierte LebensmittelLebensmittel, deren Herstellungauf Stoffumwandlungen durch

Mikroorganismen oder derenEnzyme beruhenStarterkulturen

Industriell gezüchtete Kulturenvon Mikroorganismen, die zur

Herstellung und Veredlung vonLebensmitteln eingesetzt

werdenBiomasse

Von Lebewesen, hier Mikro -organismen, gebildete und

nach der Kultivierung geernteteMasse an biologischem

MaterialHilfsstoffe

Nur zur Verarbeitung zugesetzte Stoffe (z.B. Enzyme)

ZusatzstoffeZulassungspflichtige Stoffe, die

Lebensmitteln zugegeben werden und dort verbleiben

(z.B. Konservierungs- und Farbstoffe)

Verderb von

Lebensmitteln

Lebensmittel-infektionen

Lebensmittel-vergiftungen

Bakterien Hefen Schimmelpilze Protozoen Viren

Abb. 1Lebensmittelgefährdungendurch verschiedene Mikro -

organismen-Klassen und Viren

Für die Lebensmittelindustrie nützliche Mikroorganismen

Die in der Ernährungstechnologie genutzten Mikroorganismen sind fastausnahmslos entweder Bakterien oder Pilze. Besonders Hefen und Bak-terien dienen in einer Vielzahl von Verfahren der Lebensmittelherstel-lung. Sie kommen in Brauereien, in Fleisch und Milch verarbeitenden undanderen Betrieben zum Einsatz.

● Hefen und Milchsäurebakterien haben bei der Herstellung fermen-tierter Lebensmittel (Teil A – 6.2) die größte Bedeutung. Auch Schim-melpilze spielen für die Reifung von z.B. Edelschimmelkäse eine wich-tige Rolle.

● Neben Bakterien und Hefen sind Schimmelpilze in einigen Starterkul-turen enthalten und müssen als Biomasse (Teil A – 6.3) produziertwerden. Einige Pilze liefern die für uns essbaren Pilzfruchtkörper. Hierist ein Teil der Biomasse, und zwar der sichtbare Anteil der Pilze, dasHerstellungsprodukt.

● Neben einigen Hefen werden vorallem Bakterien und Schimmelpilzeeingesetzt, um verschiedene Hilfs-und Zusatzstoffe (Teil A – 6.4) fürdie Lebensmittelproduktion zu pro-duzieren.

Abb. 1, S. 13 zeigt eine Übersicht, wel-che Klassen der Mikroben in welcherWeise industriell genutzt werden. Die Abb. 2 Edelschimmelkäse


Mikroorganismen, die Nahrungsmittel schädigen, sind oft eng verwandtmit denen, die an der Herstellung von Lebensmitteln beteiligt sind. Einund dieselbe Mikrobe kann bisweilen eine gewünschte Veränderung,eine Reifung herbeiführen oder – zum falschen Zeitpunkt – eine unge-wünschte, die als Verderb bezeichnet wird.


BiotechnologieVerfahren der wirtschaftlichenNutzung von Mikroorganismen,tierischen und pflanzlichen Zellen oder ihrer Teile wie z.B.Enzymen AntibiotikaVon Mikroorganismen gebildeteund als Medikamente verwen-dete Substanzen mit Wirkunggegen bestimmte MikrobenHormonVon Mensch, Tier und Pflanzegebildete Steuer- oder Regulationsstoffe, oft in Drüsenausgeschüttet und in entferntliegenden Zellen wirksam DiagnostikVerfahren zur Feststellung einerErkrankung, bei Infektionen imwesentlichen Identifizierung desErregers

Biomasse Fermentierte Lebensmittel

Hilfs- und Zusatzstoffe(Mikrobielle Produkte)

Bakterien Hefen Schimmelpilze Speisepilze

Abb. 1Die Klassen der Mikro -organismen und nützliche Aktivitäten im Lebensmittelbereich

1.3.2 Mikroorganismen außerhalb des Lebensmittelbereiches

Einsatz in der Biotechnologie

Zahlreiche Mikroben sind im Sinne und zum Wohle des Menschen tätig.Die wirtschaftliche Nutzung der Mikroorganismen und ihrer Zellbestand-teile, im weiteren Sinnen auch von Pflanzen und Tieren, wird als Biotech-nologie bezeichnet.

Dabei werden Rohstoffe verschiedenster Art in wertvolle Stoffe oder Energien umgewandelt. Abb. 1, S. 14 zeigt, dass außer in der Lebensmit-tel verarbeitenden Industrie auch in anderen Sparten der Biotechnologie Mikroorganismen gebraucht werden.

● Landwirtschaft

In der Landwirtschaft werden Futterstoffe eingesetzt, die von bestimm-ten Mikroben produziert werden. Durch eine Milchsäuregärung(Kap. 5.3.1) entsteht haltbares Tierfutter, Silage, aus pflanzlichenMate rialien.

● Gesundheitsbiotechnologie

Von größter wirtschaftlicher Bedeutung ist die Produktion von Anti-biotika durch Bakterien und Pilze im Bereich der Gesundheitsbiotech-nologie. Viele Wirkstoffe in der Medizin wie Hormone und zur Diagnostik notwendige Substanzen werden heutzutage durch gen-technisch veränderte Mikroben erzeugt.


● UmweltbiotechnologieVielfältige Aufgaben haben Mikroben im Dienst der Umwelt. In Klär-werken und Abluftfiltern, bei Kompostierungen und der Reinigung belasteter Böden bauen sie Abfall- oder Problemstoffe ab; in Biogas-anlagen dienen sie sogar der Energiegewinnung.

● IndustriebiotechnologieAuch die Industrie setzt an vielen Stellen auf die Mitarbeit der Mikro-organismen. Diese produzieren Enzyme, die in großen Mengen vonder Waschmittel-, aber auch von der Textil-, Leder- und Papierindus-trie benötigt werden. Chemikalien wie Ethanol dienen als Kraftstoffeoder Lösungsmittel. Bei der Laugung minderwertiger Kupfer- undUran erze bringen Mikroorganismen die Metalle in wasserlöslicheForm, sodass sie in einem nachfolgenden Schritt in wirtschaftlichenMengen gewonnen werden können.


EnzymeEiweißstoffe, die chemische Vorgänge (Reaktionen) im

Stoffwechsel erleichtern, ohnedabei selbst verändert zu

werden

Biotechnologie

Mikroorganismen

Landwirtschaft

Lebensmittel-biotechnologie

Gesundheits-biotechnologie

Industrie-biotechnologie

z.B. Antibiotika, Hormone wie Insulin,

Diagnostika

z.B. Biokraftstoffe,technische Enzyme,

Erzlaugung

z.B. Silage,Aminosäuren für

Tierfutter

Umwelt-biotechnologie

z.B. Biogas,Wasserreinigung,Bodensanierung

Wertstoffe,Energie

Rohprodukte

Abb. 1Einsatz von Mikroorganismen

in der Biotechnologie

Weitere nützliche Wirkungen von Mikroorganismen

Auf der Haut und im Darmtrakt sind viele Mikroorganismen enge Mitbewohner des Menschen. Der Mensch hat wesentlich mehr Bakte-rien in und auf seinem Körper als Zellen im Körper. Es gibt zahlreiche Be-weise, dass viele dieser Keime für das menschliche Wohlbefinden notwen-dig sind und langfristig seine Gesundheit fördern. Sie konkurrieren mitden pathogenen Keimen um knappe Nährstoffe und günstige Aufent-haltsorte; ohne diese Keime hätten die Krankheitserreger ein leichtes Spiel.

Der weitaus größte Teil der auf der Erde vorhandenen Mikroorganismenhat keine direkte Beziehung zum Menschen und keine Wirkung auf dieErnährung oder die Gesundheit des Menschen. Viele Bakterien undPilze leben in Gewässern, Böden oder in engem Kontakt mit Pflanzen undTieren. Auch sie sind nützlich und notwendig für die Kreisläufe derNatur, da sie dafür sorgen, dass die von der Natur gebildete Biomassekomplett mineralisiert wird.

Pathogene KeimeKrankheiten hervorrufende

Mikroorganismen

MineralisationÜberführung von totem

organischem Material in Mineralien, bzw. anorganische

Substanzen


Krankheitserreger und Übertragungswege

Bei Lebensmittelinfektionen gelangen die krankmachenden Mikrobenmeist durch eine fäkal-orale Übertragung oder Schmierinfektion aufden Menschen.

Nicht alle Krankheitserreger werden über die Nahrung übertragen.

Es gibt weitere Infektionswege wie z.B.:

● die Übertragung durch die Luft, meist in Form winziger Flüssigkeit-stropfen (Tröpfcheninfektion), z.B. bei Schnupfen- und Grippeviren;

● direkter Kontakt von Mensch zu Mensch über Körpersekrete wie Blutz.B. bei den AIDS verursachenden Viren oder

● Übertragungen durch stechende und/oder blutsaugende Insekten/Zecken oder Biss eines Tieres wie beim Tollwuterreger.

Ein bestimmter Krankheitserreger ist meist auf einen Weg der Übertra-gung spezialisiert. Eine Salmonelleninfektion (Teil B – 2.1.1) wird man inder Regel über verseuchte Lebensmittel erlangen, Tuberkulose wird fastimmer durch Einatmen von keimhaltigen Hustentröpfchen der Luft ver-breitet.

Tollwutviren werden über den Biss z.B. eines Fuchses und die AIDS her-vorrufenden HIV-Viren meist direkt von Mensch zu Mensch beispiels -weise beim Geschlechtsverkehr weitergegeben.

Abb. 1 fasst alle nützlichen und schädlichen Wirkungen der Mikroorga-nismen auf den Menschen zusammen.


Fäkal-orale Übertragung,SchmierinfektionMit dem Darminhalt (fäkal)ausgeschiedene Erreger gelangen z.B. über verschmutzte Hände und eventuell Lebensmittel zu eineranderen Person und werdenvon ihm mit dem Mund (oral)aufgenommen.

TuberkuloseDurch Mycobacterium tuber-culosis verursachte Infektionmit unterschiedlichen Krank-heitsverläufen, bei der primärdie Lunge, später andere Organe befallen werden.

nützlich

schädlich

Mikroorganismen

Herstellung von

Lebensmitteln

Aktivitäten in biotechnologischen

Anwendungen

Leistungen in den Kreisläufen

der Natur

Positive Einflüsse auf den

menschlichen Körper

Verderb von

Lebensmitteln

Lebensmittel-infektionen

Lebensmittel-vergiftungen

Infektionen mit anderen Über-tragungswegen

Abb. 1Übersicht der Schäden undNutzen von Mikroorganismen


Neue Keime tauchen auf

Die Bedeutung einiger Krankheitserreger ist erst in letzter Zeit erkanntworden. Seit wenigen Jahren weiß man beispielsweise, dass Magenge-schwüre und Magenkrebs durch ein Bakterium im Magen, Helicobacterpylori, verursacht werden.

Obgleich krankheitserregende Keime seit vielen Jahren intensiv erforschtwerden, erscheinen immer wieder unbekannte Erreger und neue Varian-ten. Über dreißig neue Krankheitserreger wurden in den letzten 20 – 25Jahren entdeckt. Bislang völlig unbekannte Erreger sind aufgetaucht (z.B.das HIV-Virus). Bei dem EHEC-Ausbruch in Deutschland im Jahre 2011 tratein stark veränderter EHEC-Keim (Teil B 2.1.4) auf, dessen Erbgut in großen Teilen von E. coli-Bakterien stammt, die in der Dritten Welt alsDurchfallerreger gefürchtet und für Diarrhöen bei Reisenden bekannt sind.

Mikroorganismen – das Wichtigste in Kürze

● Die Mikroorganismen können in vier Klassen eingeteilt werden, indie Bakterien, Archäen sowie die zu den „höheren Organismen“gehörenden Pilze und Protozoen.

● Bakterien sind die kleinsten Lebewesen; sie bestehen nur aus einerZelle, die einen einfachen Aufbau aufweist.

● Pilze bestehen aus mikroskopisch kleinen, aber oft langen Zell - fäden, den Zellhyphen. In diese Gruppe gehören die Speisepilze,die Schimmelpilze und die Hefen.

● Viren und Prionen verhalten sich in vielen Aspekten wie Mikro -organismen. Sie sind aber keine Lebewesen, da sie keinen eigenenStoffwechsel haben und nicht aus Zellen bestehen.

● Einige Mikroorganismen sind für Nahrungsverderb, Lebensmittel-vergiftungen und den Ausbruch von Lebensmittelinfektionen verantwortlich; andere haben eine wichtige Bedeutung bei der Herstellung vieler Lebensmittel.

Überprüfen Sie Ihr Wissen

! Was versteht man unter Mikroorganismen?

@ Wie entstehen Lebensmittelvergiftungen und wie Lebensmittelinfek-tionen?

# Warum sind Viren keine Mikroorganismen?

$ Was sind Prionen und woraus bestehen sie?

% Welche Gruppen der Mikroorganismen spielen bei der Lebensmittel-herstellung eine bedeutende Rolle?

^ Nennen Sie weitere Einsatzgebiete von Mikroorganismen zum Wohlder Menschen.



2 Eigenschaften der Mikroorganismen

2.1 Bakterien

Bakterien sind die klassischen Einzeller, sie bestehen nur aus einer ein-zigen Zelle. Auch wenn sie oft in Ketten oder Zellhaufen zusammenhän-gen, so ist jede Zelle ein komplettes Lebewesen. Jede Bakterienzelle istfähig, sich zu vermehren und auf Umweltveränderungen zu reagieren.Seit einigen Jahren weiß man, dass sich viele Bakterien untereinanderüber Signalstoffe sogar verständigen können.

Größe von Bakterien

Bakterien sind, bis auf einige sogenannte Riesenbakterien, die kleinstenLebewesen. Für sie ist ein Durchmesser von einem Mikrometer (1 µm),d.h. ein tausendstel Millimeter typisch. Die geringe Größe bringt aberdurchaus auch Vorteile für diese Mikroben. Bakterien haben größere Stoff-umsätze und können schneller wachsen als andere Lebewesen. Ein wich-tiger Grund dafür ist, dass ihre Transportwege, beispielsweise der Wegder Stoffe in die Zelle hinein, extrem klein sind. Das Mikroskop lässtwegen der geringen Dimensionen der Bakterien kaum Einzelheiten der Zellen erkennen. Sichtbar ist meist nur die äußere Gestalt der Mikroben,die Form der Zellen.

2.1.1 Zellen der Bakterien

Mit dem Mikroskop kann gesehen werden, ob die Bakterien beweglichsind oder nicht. Viele Bakterien können sich schwimmend fortbewe-gen. Verantwortlich für die Fortbewegung sind eine oder mehrere Geißeln. Diese Strukturen sind für das Lichtmikroskop schon zu klein,können aber mit dem Elektronenmikroskop sichtbar gemacht werden.Die Geißeln sind entweder an einem (monopolar) oder beiden Zellpo-len (bipolar) verankert; sie sind bei einigen Arten aber auch über den ge-samten Zellkörper verteilt (peritriche Begeißelung). Die Geißeln treibendie Zellen wie Schiffsrotoren durch ihre flüssige Umwelt.

Zytoplasma und Zellmembran

Abb. 1, S. 18 zeigt, wie die Zellen der Bakterien aufgebaut sind. Derinnere Raum der Bakterienzelle, Zytoplasma genannt, ist reich an unter-schiedlichen Enzymen.

Diese werden von den Mikroben in ihrem Stoffwechsel für mannig -faltige Aufgaben z.B. zum Abbau der Nahrungsstoffe benötigt. Im Zytoplasma werden Substanzen wie Zuckerverbindungen angereichert,die die Keime verwerten können. Die für die Zelle wichtigen Stoffe kön-nen nicht nach außen verloren gehen, weil die ringsum völlig geschlos-sene Zellmembran dies verhindert.

Die Membran besteht aus Lipiden und Proteinen und ist Barriere undKontrollorgan für jeglichen Stoffaustausch. Die Zelle enthält außerdemzahlreiche Ribosomen, an denen die Eiweiße produziert werden.

Außerdem findet man Einschlüsse von Speicherstoffen, die für schlechteZeiten in der Zelle gelagert werden.

2.1 Bakterien 17

EinzellerSelbstständige Lebewesen, auseinzelnen Zellen bestehendZelleKleinste selbstständiglebens- und vermehrungsfähigebiologische Struktur

GeißelFortbewegungsorgan vieler Bakterien, das aus einer Proteinspirale besteht und perRotation die Zelle antreibt ElektronenmikroskopVergrößerungsinstrument, dasanstelle von sichtbarem LichtElektronenstrahlen einsetztPeritrichViele Geißeln auf der gesamtenZelloberflächeEnzymeEiweißstoffe, die chemische Vorgänge (Reaktionen) imStoff wechsel erleichtern, ohnedabei selbst verändert zu werden ZellmembranZelluläre Barriere und Kontroll-organ für den Stoffaustausch,aufgebaut aus Lipiden und Proteinen LipideFettlösliche Substanzen, oft ausFettsäuren und Glycerin aufgebaut und in MembranenenthaltenProteine, EiweißeGefaltete Ketten aus meist überhundert Aminosäuren in be-stimmter, durch Gene festgeleg-ter Reihenfolge, oft mit derFunktion eines Enzyms


Erbanlagen der Bakterien

Alle „höheren Lebewesen“ einschließlich der Hefen und Schimmelpilzebesitzen wie die menschlichen Zellen einen Zellkern, einen durch eineMembran abgetrennten Raum. In ihm sind die Gene oder Erbanlagengespeichert. Die DNA-Kette mit den Genen ist, vielfach aufgerollt unddicht gepackt, Bestandteil der Chromosomen. Bakterien sind wie die Archäen Lebewesen ohne Zellkern und besitzen keine Chromosomen.Die Erbinformationen der Bakterien sind im Zytoplasma auf einer ring-förmig geschlossenen Kette aus DNA, der chemischen Substanz der Ge-ne, aneinandergereiht. Im Gegensatz zu allen anderen Lebewesen sindin Bakterienzellen auch keine durch Membranen abgetrennte Räume, so-genannte Organellen, zu finden.

Die Zellen der Bakterien sind die kleinsten und am einfachsten aufge-bauten Zellen in der belebten Welt. Sie besitzen keinen Zellkern undkeine Chromosomen.

Zellhülle der Bakterien

Die Form der Bakterien wird von der Zellwand, dem starren äußerenGerüst der Zellen, bestimmt. Sie bietet dem Zellinneren Schutz vor mechanischen Beschädigungen. Die Zellwand besteht, chemisch gese-hen, im wesentlichen aus Murein, einer einzigartigen Verbindung. DasMurein ist ein riesig großes, netzartiges Molekül aus langen Zuckerket-ten mit Verzweigungen aus Aminosäuren. Murein kommt nur bei Bak-terien und bei keinen anderen Lebewesen vor. Dies ist der Grund,warum die Anwendung von Antibiotika so nützlich und hilfreich bei derBekämpfung von Infektionskrankheiten ist. Denn viele Antibiotika wiez.B. das Penicillin greifen eben dieses Murein und nur allein diese für Bak-terien typische Verbindung an. Sie können meist ohne Bedenken (d.h.ohne Nebenwirkungen) in den menschlichen Organismus eingeführtwerden, da sie menschliche Zellbestandteile nicht als Ziele erkennen.

2 Eigenschaften der Mikroorganismen18

Gen, ErbanlageDurch die Reihenfolge der

Bausteine der DNA festgelegteInformationen zum Bau der

ProteineDNA (DNS)

Deoxyribonucleic acid(Desoxyribonukleinsäure), diechemische Substanz der Gene

ZellwandStabile Hüllschicht außerhalb

der Zelle zum Schutz vor mechanischer Beschädigung

MureinZellwandmaterial der Bakterien

AminosäurenBausteine der Proteine; in

einem Protein können 20 unter-schiedliche Aminosäuren

enthalten seinAntibiotika

Von Mikroorganismen gebildeteund als Medikamente verwen-dete Substanzen mit Wirkung

gegen bestimmte Mikroben

Beispiele für Antibiotika● Penicillin● Streptomyzin● Chloramphenikol● Tetrazyklin

Struktur Funktion Zytoplasma enthält die Enzyme

Zellwand bestimmt die Form der Zelle und bietet Schutz Zellmembran kontrolliert Aufnahme von Substanzen

Einschlüsse enthalten Speicherstoffe Bakterien-DNA speichert die Erbanlagen Ribosomen Produktionsstätten für Proteine (Eiweiße) Geißeln dienen der schwimmenden FortbewegungAbb. 1

Bakterienzelle: Strukturen undihre Funktionen


Gramfärbung

Im Jahre 1884 wurde von dem Bakteriologen Christian Gram eine Methode zur Färbung von Bakterien entwickelt, die in Abb. 1 dargestelltist. Bis auf den heutigen Tag ist sie in der Mikrobiologie von großer Bedeutung. Der dänische Mikrobiologe hatte beobachtet, dass sich Bak-terien darin unterscheiden, ob sie einen Farbstoff nach Zugabe von Alkohol wieder freisetzen oder nicht. Erst wesentlich später stellte sichheraus, dass diese Gramfärbung etwas darüber aussagt, wie die Zell-wand der jeweiligen Bakterien aufgebaut ist. Bei Bakterien kommen näm-lich zwei grundsätzlich verschiedene Zellwandtypen vor, die es schonbei den Vorfahren der heutigen Keime vor langer Zeit gab. Somit kanndie Gramfärbung zur Einteilung der Bakterien in Gruppen (Teil A – 2.1.2)eingesetzt werden, die die natürliche Verwandtschaft der heutigen Bak-terien widerspiegelt.

2.1 Bakterien 19

GramfärbungFärbemethode zur Unterscheidung von grampositiven und gramnegativen Bakterien

Zugabedes Farbstoffs

1.

Zugabe von Alkohol

2.

Mikroskopieren

3.

Pipette

Objektträgeraus Glas mit

BakterienGramnegative

Bakterien(Farbstoff wird

ausgespült)

Grampositive Bakterien

(Farbstoff ist im Zellinneren

eingeschlossen)

Abb. 1Färbemethode zur Unter-scheidung von grampositivenund gramnegativen Bakterien

Zellwand der grampositiven Bakterien

Die grampositiven Bakterien, wie z.B. die als „Eitererreger“ bekanntenStaphylokokken, besitzen eine sehr dicke Zellwand, die aus vielen Schich-ten Murein besteht. Bei der Gramfärbung verlieren sie das hier gebun -dene Wasser an den zugegebenen Alkohol. Das führt dazu, dass die Zell-wandschichten sich eng aufeinander lagern und eine für den Farbstoff undurchlässige Barriere bilden. DerFarbstoff verbleibt in ihnen. Grampo-sitive Bakterien, wie die Milchsäure-bakterien, sind für die Lebensmittel-herstellung von großer Bedeutung(Teil A – 6.3.1). Viele von ihnen könnenauch unter widrigen Umweltbedin-gungen überleben, nicht zuletzt auf-grund ihrer robusten äußeren Hülle.

Grampositive BakterienGruppe von Bakterien mitmehrschichtiger Zellwand undohne äußere Membran, durchdie Gramfärbung von anderenKeimen unterscheidbar

Abb. 2Mikroskopisches Bild grampositiver (blau) undgramnegativer Bakterien(nachträglich rot gefärbt)


Zellhülle der gramnegativen Bakterien

Gramnegative Bakterien lassen den Farbstoff bei Alkoholzugabe während der Gramfärbung wieder heraussickern. Denn ihre Zellwand istwesentlich dünner als bei den Grampositiven. Sie besteht nur aus eineroder sehr wenigen Mureinschichten. Stattdessen haben sie außerhalbder eigentlichen Zellwand eine weitere und gänzlich andere Hüllschicht.Diese wird „äußere Membran“ genannt. Sie ist aus großen, komplexenMolekülen aufgebaut, die an einem Ende Fettsäuren besitzen, die sich zueiner Membran zusammenlagern. Das andere Ende besteht aus langenZuckerketten. Diese stellen die äußerste Umgrenzung der Mikroben dar.Das menschliche Immunsystem reagiert auf diese Membrananhängselheftigst; sie sind starke Antigene. Werden diese Substanzen beim Todder Mikroben frei, dann führen sie zu Fieber und Entzündungsreak -tionen. Man hat diesen Verbindungen der gramnegativen Bakterien, diebei lebenden Keimen im Zellinneren zu finden sind, den Namen Endo -toxine (gr. endon = innen) gegeben. Im Gegensatz dazu werden Exo-toxine (lat. extra = außerhalb) von einigen gramnegativen und grampo-sitiven Bakterien gebildet und schon zu Lebzeiten ausgeschieden.

Schutz der gramnegativen Bakterien durch die äußere Membran

Abb. 1 zeigt, dass die „äußere Membran“, die das Endotoxin enthält,für die Keime eine wichtige Funktion hat. Sie verhindert das Eindringenvon gefährlichen Verbindungen in die Zelle. Dies sind beispielsweiseviele Antibiotika, die die Zellwand oder andere Zellstrukturen wie die Ribosomen angreifen. Die äußere Membran ist auch für Enzyme und andere Proteine wie die Antikörper nicht durchlässig. Lysozym ist z.B.ein für Bakterien gefährliches Enzym, da es deren Zellwand zerstört. Lysozym ist in hohen Mengen in der Tränenflüssigkeit oder im Hühner -eiweiß zu finden und kann grampositive Bakterien unschädlich machen.Gegen die gramnegativen richtet es wenig aus, da es nicht bis zur eigentlichen Zellwand gelangt. Gramnegative Bakterien sind viele Mikro-ben, die wie die Salmonellen im Dünndarm von Mensch und Tier „zuHause“ sind. Ihre besondere Zellhülle beschirmt sie gut vor den dort vor-handenen Enzymen und Gallensäuren.

2 Eigenschaften der Mikroorganismen20

Gramnegative BakterienGruppe von Bakterien mit einer

äußeren Membran außerhalbder Zellwand, durch die

Gramfärbung von anderen Keimen unterscheidbar

AntigeneMolekülstrukturen, die z.B. an

der Zelloberfläche von Mikroor-ganismen liegen und von

Antikörpern des Immunsystemseines höheren Organismus

erkannt werdenEndotoxine

toxische Zellbestandteile allergramnegativer Bakterien, die

erst bei Zelltod und -auflösungfrei werden und Entzündungs -

reaktionen in Gang setzenExotoxine

toxische Proteine, die von lebenden Bakterien gebildetund ausgeschieden werden

AntikörperProteine des Immunsystems im

Blut und anderen Körper -flüssigkeiten, die sich an

spezifische Antigene z.B. vonBakterien binden

GallensäurenIn der Leber zur Fettverdauunghergestellte Verbindungen, diemit der Gallenflüssigkeit in denDünndarm freigesetzt werden

Gramnegative Bakterienmit dünner Zellwand

und äußerer Membran

Grampositive Bakterienmit vielschichtiger

Zellwand

• greifen die Zell- wand oder Zellkom- ponenten an

• töten die Bakterien ab

• dringen nicht in die Zelle ein

• Bakterien überleben

Antibiotika Antibiotika

Abb. 1Unterschiede in der Zellhülle

grampositiver und gramnegativer Bakterien und

in der Wirkungvieler Antibiotika


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Mikroorganismen in Lebensmitteln - Europa-Lehrmittel · Vorwort „Mikroorganismen in Lebensmitteln“ gliedert sich in drei Teile: Mikroorganismen – Grundlagen Lebensmittel und