Inactivation of microorganisms by high hydrostatic pressure: A literature review

Тарас П’ятковський

doi:10.61751/bmbr/4.2023.53

Автор(и)

Тарас П’ятковський Тернопільський національний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України https://orcid.org/0000-0003-1240-1680

DOI:

https://doi.org/10.61751/bmbr/4.2023.53

Ключові слова:

високий тиск, збудники, знешкодження, нетермічна обробка

Анотація

Використання високого гідростатичного тиску призначене для здійснення нетермічної інактивації мікроорганізмів у харчових продуктах, забезпечення збереження їх свіжості та запобігання харчовим інфекціям. Останні впливають на систему охорони здоров›я, харчову промисловість та, безпосередньо, на споживачів. Метою даної роботи було проведення аналізу літературних даних стосовно ефективності високого гідростатичного тиску проти патогенних та умовно патогенних мікроорганізмів, які передаються через вживання контамінованої їжі. Для огляду обиралися наукові публікації за 2011-2023 роки. Було обрано 44 наукових публікації, інформацію з яких було критично проаналізовано, систематизовано та оформлено у вигляді огляду літератури. Зазначені механізми впливу високого гідростатичного тиску на клітини мікроорганізмів. Для ілюстрації ефективності високого гідростатичного тиску проти мікроорганізмів дані з вибраних публікацій щодо ефективності та параметрів обробки зібрано у таблицях. Продемонстрована інактивація таких клінічно значимих мікроорганізмів як Bacillus cereus, Campylobacter jejuni, Clostridium perfringens, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Salmonella spp., Staphylococcus aureus та Toxoplasma gondii у рідинах та продуктах харчування. Показано, що обробка високим тиском є нетермічним методом обробки харчових продуктів, що відрізняє цей метод від традиційних термічних методів обробки, таких як кип’ятіння або пастеризація. Однією з помітних переваг застосування високого гідростатичного тиску є нетермічна інактивація різних мікроорганізмів, при якій зберігаються поживні та смакові властивості обробленого продукту. Також зазначається, що харчові продукти можуть оброблятися в кінцевій упаковці, що зменшує ризик їх мікробної контамінації на етапах після обробки. Основними недоліками є неможливість повної інактивації бактеріальних спор та велика вартість обладнання для обробки високим тиском. Поєднання обробки високим тиском із іншими методами, наприклад, термічною обробкою може вирішити обмеження стосовно інактивації спор

Отримано: 21.08.2023 | Переглянуто: 01.11.2023 | Прийнято: 28.11.2023

Біографія автора

Тарас П’ятковський, Тернопільський національний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України

Кандидат медичних наук, доцент 46001, майдан Волі, 1, м. Тернопіль, Україна

Посилання

Agregán R, Munekata PES, Zhang W, Zhang J, Pérez-Santaescolástica C, Lorenzo JM. High-pressure processing in the inactivation of Salmonella spp. in food products. Trends Food Sci Technol. 2021;107:31–37. DOI: 10.1016/j.tifs.2020.11.025

Rocha-Pimienta J, Martillanes S, Ramírez R, Garcia-Parra J, Delgado-Adamez J. Bacillus cereus spores and Staphylococcus aureus sub. aureus vegetative cells inactivation in human milk by high-pressure processing. Food Control. 2020;113:e107212. DOI: 10.1016/j.foodcont.2020.107212

Chuang S, Sheen S, Sommers CH, Sheen LY. Modeling the reduction of Salmonella and Listeria monocytogenes in ground chicken meat by high pressure processing and trans-cinnamaldehyde. LWT. 2021;139:e110601. DOI: 10.1016/j.lwt.2020.110601

Wu CP, Wu SM, Lin YH, Wu YH, Huang BC, Huang HW, Wang CY. High pressure processing-based hurdle strategy for microbial shelf life of packed food in the Cold Chain. Food Packag Shelf Life. 2022;34:e100983. DOI: 10.1016/j.fpsl.2022.100983

Chacha JS, Zhang L, Ofoedu CE, Suleiman RA, Dotto JM, Roobab U, et al. Revisiting non-thermal food processing and preservation methods – action mechanisms, pros and cons: A technological update (2016-2021). Foods. 2021;10(6):e1430. DOI: 10.3390/foods10061430

Levy R, Okun Z, Shpigelman A. High-pressure homogenization: Principles and applications beyond microbial inactivation. Food Eng Rev. 2021;13(3):490–8. DOI: 10.1007/s12393-020-09239-8

Rendueles E, Omer MK, Alvseike O, Alonso-Calleja C, Capita R, Prieto M. Microbiological food safety assessment of high hydrostatic pressure processing: A review. LWT. 2011;44(5):1251–60. DOI: 10.1016/j.lwt.2010.11.001

Aganovic K, Hertel C, Vogel RF, Johne R, Schlüter O, Schwarzenbolz U, et al. Aspects of high hydrostatic pressure food processing: Perspectives on technology and food safety. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2021;20(4):3225–66. DOI: 10.1111/1541-4337.12763

Sheen S, Cassidy J, Scullen B, Uknalis J, Sommers C. Inactivation of Salmonella spp. in ground chicken using high pressure processing. Food Control. 2015;57:41–47. DOI: 10.1016/j.foodcont.2015.04.005

AL-Mamun M, Chowdhury T, Biswas B, Absar N. Food poisoning and intoxication: A global leading concern for human health [Internet]. In: Food Safety and Preservation; 2018. Chapter 11. Elsevier; p. 307–52. DOI: 10.1016/B978-0-12-814956-0.00011-1

Lozova T. Modern scientific research of new methods of improving the quality and storage of bread. Her Lviv Univ Trade Econ Tech Sci. 2022;32:52–58. DOI: 10.36477/2522-1221-2022-32-07

Bernyk I, Kots I, Novgorodska N. Hydropulse equipment for intensification of massage processes and saturation of meat raw material ingredients. Food Resour. 2021;(17):22–32. DOI: 10.31073/foodresources2021-17-03

Podolak R, Whitman D, Black DG. Factors affecting microbial inactivation during high pressure processing in juices and beverages: A review. J Food Prot. 2020;83(9):1561–75. DOI: 10.4315/JFP-20-096

Huang HW, Wu SJ, Lu JK, Shyu YT, Wang CY. Current status and future trends of high-pressure processing in food industry. Food Control. 2017;72(Part A):1–8. DOI: 10.1016/j.foodcont.2016.07.019

de Alba M, Pérez-Andrés JM, Harrison SM, Brunton NP, Burgess CM, Kumar TB. High-pressure processing on microbial inactivation, quality parameters, and nutritional quality indices of mackerel fillets. Innov Food Sci Emerg Technol. 2019;55:80–87. DOI: 10.1016/j.ifset.2019.05.010

Liu F, Wang Y, Bi X, Guo X, Fu S, Liao X. Comparison of microbial inactivation and rheological characteristics of mango pulp after high hydrostatic pressure treatment and high temperature short time treatment. Food Bioprocess Technol. 2013; 6(10):2675–84. DOI: 10.1007/s11947-012-0953-z

Sehrawat R, Kaur BP, Nema PK, Tewari S, Kumar L. Microbial inactivation by high pressure processing: Principle, mechanism and factors responsible. Food Sci Biotechnol. 2021;30(1):19–35. DOI: 10.1007/s10068-020-00831-6

Dumay E, Chevalier-Lucia D, Picart-Palmade L, Benzaria A, Gràcia-Julià A, Blayo C. Technological aspects and potential applications of (ultra) high-pressure homogenisation. Trends Food Sci Technol. 2013;31(1):13–26. DOI: 10.1016/j.tifs.2012.03.005

Liu Y, Betti M, Gänzle MG. High pressure inactivation of Escherichia coli, Campylobacter jejuni, and spoilage microbiota on poultry meat. J Food Prot. 2012;75(3):497–3. DOI: 10.4315/0362-028X.JFP-11-316

Bièche C, de Lamballerie M, Chevret D, Federighi M, Tresse O. Dynamic proteome changes in Campylobacter jejuni 81-176 after high pressure shock and subsequent recovery. J Proteomics. 2012;75(4):1144–56. DOI: 10.1016/j.jprot.2011.10.028

Ceuppens S, Li D, Uyttendaele M, Renault P, Ross P, Van Ranst M, et al. Molecular methods in food safety microbiology: Interpretation and implications of nucleic acid detection. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2014;13(4):551–77. DOI: 10.1111/1541-4337.12072

Silva JL, Oliveira AC, Vieira TCRG, Oliveira GAP, Suarez MC, Foguel D. High-pressure chemical biology and biotechnology. Chem. Rev. 2014;114(14):7239–67. DOI: 10.1021/cr400204z

Bolumar T, Orlien V, Sikes A, Aganovic K, Bak KH, Guyon C, et al. High-pressure processing of meat: Molecular impacts and industrial applications. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2021;20(1):332–68. DOI: 10.1111/1541-4337.12670

Soni A, Oey I, Silcock P, Bremer P. Bacillus spores in the food industry: A review on resistance and response to novel inactivation technologies. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2016;15(6):1139–48. DOI: 10.1111/1541-4337.12231

Sarker MR, Akhtar S, Torres JA, Paredes-Sabja D. High hydrostatic pressure-induced inactivation of bacterial spores. Crit Rev Microbiol. 2015;41(1):18–26. DOI: 10.3109/1040841X.2013.788475

Mok JH, Sun Y, Pyatkovskyy T, Hu X, Sastry SK. Mechanisms of Bacillus subtilis spore inactivation by single- and multi-pulse high hydrostatic pressure (MP-HHP). Innov Food Sci Emerg Technol. 2022; 81:e103147. DOI: 10.1016/j.ifset.2022.103147

Zhou Y, Karwe M V., Matthews KR. Differences in inactivation of Escherichia coli O157: H7 strains in ground beef following repeated high pressure processing treatments and cold storage. Food Microbiol. 2016;58:7–12. DOI: 10.1016/j.fm.2016.02.010

Rode TM, Hovda MB. High pressure processing extend the shelf life of fresh salmon, cod and mackerel. Food Control. 2016;70:242–48. DOI: 10.1016/j.foodcont.2016.05.045

Aaby K, Grimsbo IH, Hovda MB, Rode TM. Effect of high pressure and thermal processing on shelf life and quality of strawberry purée and juice. Food Chem. 2018;260:115–23. DOI: 10.1016/j.foodchem.2018.03.100

Yu Y, Pan F, Ramaswamy HS, Zhu S, Yu L, Zhang Q. Effect of soaking and single/two cycle high pressure treatment on water absorption, color, morphology and cooked texture of brown rice. J Food Sci Technol. 2017;54(6):1655–64. DOI: 10.1007/s13197-017-2598-4

Abera WG, Yildiz F. Review on high-pressure processing of foods. Cogent Food Agric. 2019;5(1):e1568725. DOI: 10.1080/23311932.2019.1568725

Balasubramaniam VMB, Martínez-Monteagudo SI, Gupta R. Principles and application of high pressure-based technologies in the food industry. Annu Rev Food Sci Technol. 2015;6:435–62. DOI: 10.1146/annurev-food-022814-015539

Stratakos AC, Inguglia ES, Linton M, Tollerton J, Murphy L, Corcionivoschi N, et al. Effect of high pressure processing on the safety, shelf life and quality of raw milk. Innov Food Sci Emerg Technol. 2019; 52:325–33. DOI: 10.1016/j.ifset.2019.01.009

Yang D, Li R, Dong P, Rao L, Wang Y, Liao X. Influence of pressurization rate and mode on cell damage of Escherichia coli and Staphyloccocus aureus by high hydrostatic pressure. Front Microbiol. 2023;14:e1108194. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1108194

Allison A, Daniels E, Chowdhury S, Fouladkhah A. Effects of elevated hydrostatic pressure against mesophilic background microflora and habituated salmonella serovars in orange juice. Microorganisms. 2018;6(1):23. DOI: 10.3390/microorganisms6010023

Jofré A, Aymerich T, Bover-Cid S, Garriga M. Inactivation and recovery of Listeria monocytogenes, Salmonella enterica and Staphylococcus aureus after high hydrostatic pressure treatments up to 900 MPa. Int Microbiol. 2010;13(3):105–12. DOI: 10.2436/20.1501.01.115

Kameník J, Dušková M, Dorotíková K, Hušáková M, Ježek F. The effect of high-pressure processing on the survival of non-O157 shiga toxin-producing Escherichia coli in steak tartare: The good- or best-case scenario? Microorganisms. 2023;11(2):377. DOI: 10.3390/microorganisms11020377

Jackowska-Tracz A, Tracz M. Effects of high hydrostatic pressure on Campylobacter jejuni in poultry meat. Pol J Vet Sci. 2015;18(2):261–66. DOI: 10.1515/pjvs-2015-0034

Lee SH, Choe J, Shin DJ, Yong HI, Choi Y, Yoon Y, Jo C. Combined effect of high pressure and vinegar addition on the control of Clostridium perfringens and quality in nitrite-free emulsion-type sausage. Innov Food Sci Emerg Technol. 2019;52:429–37. DOI: 10.1016/j.ifset.2019.02.006

Hsu HY, Sheen S, Sites J, Cassidy J, Scullen B, Sommers C. Effect of high pressure processing on the survival of Shiga toxin-producing Escherichia coli (Big Six vs. O157:H7) in ground beef. Food Microbiol. 2015;48:1–7. DOI: 10.1016/j.fm.2014.12.002

Mukhopadhyay S, Sokorai K, Ukuku D, Fan X, Juneja V, Sites J, Cassidy J. Inactivation of Salmonella enterica and Listeria monocytogenes in cantaloupe puree by high hydrostatic pressure with/without added ascorbic acid. Int J Food Microbiol. 2016;235:77–84. DOI: 10.1016/j.ijfoodmicro.2016.07.007

Gracia MJ, Lázaro R, Pérez-Arquillué C, Pagán R, Ramos S, Garcia JL, Bayarri S. High-pressure processing (HPP) of raw and dry-cured ham from experimentally infected pigs as a potential tool for the risk control of Toxoplasma gondii. Innov Food Sci Emerg Technol. 2020;61:e102315. DOI: 10.1016/j.ifset.2020.102315

Argyri AA, Papadopoulou OS, Nisiotou A, Tassou CC, Chorianopoulos N. Effect of high pressure processing on the survival of Salmonella Enteritidis and shelf-life of chicken fillets. Food Microbiol. 2018;70:55–64. DOI: 10.1016/j.fm.2017.08.019

Gunther NW, Abdul-Wakeel A, Ramos R, Sheen S. Evaluation of hydrostatic high pressure and cold storage parameters for the reduction of Campylobacter jejuni in chicken livers. J Food Prot. 2019;82(6):1039–44. DOI: 10.4315/0362-028X.JFP-18-469