DE1814084C3 - Verfahren zum Abtöten und/oder Inaktivieren und/oder Attenuieren von Mikroorganismen - Google Patents

Verfahren zum Abtöten und/oder Inaktivieren und/oder Attenuieren von Mikroorganismen

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DE1814084C3 DE19681814084 DE1814084A DE1814084C3 DE 1814084 C3 DE1814084 C3 DE 1814084C3 DE 19681814084 DE19681814084 DE 19681814084 DE 1814084 A DE1814084 A DE 1814084A DE 1814084 C3 DE1814084 C3 DE 1814084C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtöten und/oder Inaktivieren und/oder Attenuieren von Mikroorganismen in einer Substanz oder einem Präparat, durch Aussetzen der Substanz bzw. des Präparats einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld.
Das Verfahren gemäß Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Behandlung abgebrochen wird, sobald die infolge der ttiermischen Wirkung des Kraftfeldes ansteigende mittlere Temperatur der Substanz bzw. des Präparats nahe aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher die Eiweißbestandteile der abzutötenden und/oder inaktivierenden und/oder zu attenuierenden Mikroorganismen gerinnen.
Schließlich nutzt das Verfahren auch die Einwirkung des elektromagnetischen Wechselfeldes als solchen insbesondere zur Schädigung der in den Mikroorganismen enthaltenen Nukleinsäuren.
Mit Mikroorganismen sollen hier alle Erreger, wie z. B. Viren, Bakterien, Mycoplasmen, Rickettsien, Bazillen und deren Sporen, sowie deren Produkte, wie z. B. Toxine etc. gemeint sein.
Das Verfahren eignet sich auch zur Zerstörung von Enzymen, die in den Produkten enthalten sein können.
Wenn auch dem Grunde nach die Zahl der Produkte,
die durch das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise sterilisiert werden können, nicht begrenzt ist, so läßt sich die Erfindung in erster linie nicht nur zum Sterilisieren von Lebensmitteln, sondern auch zum Abtöten und/oder Inaktivieren bzw. Attenuieren von Kolonien oder Kulturen von Mikroorganismen verwenden, wie dies z. B. bei der Herstellung von Impfseren erforderlich ist Das der Erfindung entsprechende Verfahren kann auch Anwendung finden, um Erreger lebens- bzw. fortpflanzungsunfähig zu machen oder sie diesbezüglich zu schädigen, ohne die in ihnen enthaltenen oder die von ihnen bereits ausgeschiedenen Wirkstoffe (Eiveiße) zu zerstören. Dies wird insbesondere dann möglich sein, wenn die dielektrischen bzw. Wärmeleiteigenschaften dieser Substanzen sich von denjenigen der Erreger selbst im Sinne des Verfahrens günstig unterscheiden.
Eine weitere Wirkungsweise des Verfahrens beruht darauf, daß die Riesenmoleküle der zu vernichtenden oder zu schädigenden Nukleinsäuren (DNS und RNS) außer von der Wärme auch von elektromagnetischen Wechselfeldern und infolge der Letzteren auftretenden mechanischen Bedingungen im Sinne des Verfahrens beeinflußt werden.
2s Diese Riesenmoleküle stellen nicht nur elektrisch beeinflußbare Körper dar, sie weisen an manchen Stellen ihrer meist schraubenlinienförmig verlaufenden »Ketten« zwischen ihren Amino-Säure »Bausteinen« Bindungen auf, die keine chemischen Valenzen, sondern nur Van der Waals'sche Anziehungskräfte darstellen, die elektrostatischer Natur sind. Vor allem an diesen Stellen werden naturgemäß die elektromagnetischen Einflüsse des Kraftfeldes und die von diesen letzteren hervorgerufene kinetische Wirkung wirksam, welch letztere schon darum beachtlich ist, weil sich Eiweißmoleküle unter gewissen Voraussetzungen wie Dipole verhalten und bestrebt sind, sich im Magnetfeld auszurichten. Dies wirkt im Sinne der durch die Erfindung angestrebten Wirkung günstig, da ja die Van der Waals'schen Anziehungskräfte dem Abstand der durch sie verbundenen Moleküle umgekehrt proportional sind. Eine Abstandszunahme um nur 5 A kann beispielsweise in besonderen Fällen eine Verringerung dieser Kräfte auf ein Hundertstel zur Folge haben.
Beim Abtöten und/oder Inaktivieren von Mikroorganismen tritt insofern ein Problem auf, als die zur Abtötung und/oder Inaktivierung bzw. Attenuierung führende Maßnahme die übrigen Bestandteile des Produktes möglichst wenig beeinflussen soll. Je mehr die dielektrische Beeinflussung des Produktes erhöht wird, um so* stärker ist diese Beeinflussung.
Bei der Beseitigung obiger Schwierigkeit geht die vorliegende Erfindung von der Erkenntnis aus, daß, wenn die mittlere Dielektrizitätskonstante und/oder der dielektrische Verlustfaktor (tang. <5) des Produktes geringer sind als die der abzutötenden Mikroorganismen, der Temperaturanstieg der Hochfrequenzerwärmung in den Mikroorganismen wesentlich schneller erfolgt als in der diese enthaltenden Substanz oder in dem diese enthaltenden Produkt Im umgekehrten Fall tritt die gleiche Wirkung ein, wenn die Mikroorganismen von ihrem Material oder von ihrer Struktur her schlechtere Wärmeleiter sind als ihre Umgebung und die aufgenommene (thermische) Energie nur viel
6s langsamer abstrahlen können. Die aufgenommene Energie staut sich somit in ihnen auf. Ein solches Beispiel sind die Bakterien-Sporen. Dementsprechend ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung
der Gesamtmasse des zu behandelnden Objekts auf eine mittlere Temperatur erfolgt, die geringfügig unter der Temperatur liegt, bei welcher die Eiweißbestandteile der abzutötenden und/oder zu inaktivierenden Mikroorganismen gerinnen. Das Maß, um welches die S mittlere Temperatur des Produktes unter der Eiweißgerinnungstemperatur der abzutötenden und/oder zu inaktivierenden Mikroorganismen (nachfolgend nur noch kurz Gerinnungstemperatur genannt) liegt, hängt von mehreren Faktoren ab. Zunächst einmal ist hier der Unterschied der mittleren Dielektrizitätskonstanten und/oder dem dielektrischen Verlustfaktor (tang, <$) von Produkten und Mikroorganismen wesentlich. Ist dieser Unterschied groß, so kann auch die Temperatur, auf welche erwärmt wird, tiefer unter der Gerinnungstemperatur liegen. Je geringer der Unterschied der Dielektrizitätskonstanten ist, um so näher muß die Temperatur, auf welche erwärmt wird, an der Gerinnungstemperatur liegen, es sei denn, daß die Verschiedenheit in der Wärmeleitfähigkeit im Mikroorganjsmus einen Wärmestau verursacht, wodurch Energie in der Hauptsache nur nach innen — zu den für den Mikroorganismus lebenswichtigen Aminosäuren und Nukleinsäuren — abfließen kana Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die Energiedichte, mit welcher die Produkte bestrahlt werden. Je geringer die Energiedichte ist, um so höher muß auch die Temperatur liegen, auf welche erwärmt wird, da bei geringerer Energiedichte die in den Mikroorganismen erzeugte Wärme mehr Zeit hat, in das umgebende Produkt abzufließen. Je höher die Energiedichte ist, um so kürzer kann die Bestrahlungszeit gewählt werden und um so niedriger kann die Temperatur liegen, auf welche das Produkt erwärmt wird, denn die Gerinnung der Eiweiße erfolgt ja bekanntlich ohne Verzug, sobald die kritische Temperatür erreicht ist
Wenn auch die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, so ist doch das Hauptanwendungsgebiet derselben die Abtötung und/oder Inaktivierung von Mikroorganismen in einen hohen Wasserbestandteil aufweisenden Produkten, wie z. B. Lebensmittelkonserven und Bakterienkulturen.
Die Erfindung hat eine außerordentliche Anwendungsbreite, da die meisten abzutötenden Mikroorganismen eine Umhüllung aus Wachs oder wachsähnlichen Substanzen besitzen, deren mittlere Dielektrizitätskonstante und/oder deren dielektrischer Verlustfaktor (tang, ό) relativ groß und deren Wärmeleitfähigkeit relativ gering ist Dadurch entsteht in dieser Umhüllung eine erhöhte Temperatur, welche die Eiweißbestandtei-Ie des Mikroorganismus im Inneren der Umhüllung bereits gerinnen läßt, wenn die mittlere Temperatur des umgebenden Produkts noch unter der Gerinnungstemperatur liegt Andere Mikroorganismen enthalten in ihrem Inneren fetthaltige Substanzen (z. B. Liposaccharide), welche die im Kraftfeld aufgenommene Wärme länger speichern als ihre im wesentlichen aus Wasser bestehende Umgebung. In diesem Falle geht die thermische Wirkung des Verfahrens auf die zu schädigenden oder zu vernichtenden Proteine von diesem, in ihrer unmittelbaren Nähe befindlichen Material aus. Die Gerinnungstemperatur ist natürlich für die verschiedenen Mikroorganismen unterschiedlich. Sie liegt in der Regel zwischen 60 und 85° C. Liposaccharide gerinnen z. B. erst bei ungefähr 82° C. Die Gerinnungstemperaturen für die verschiedenen Eiweiße können der einschlägigen Fachliteratur entnommen werden.
Die Erwärmung erfolgt vorteilhaft auf einen Wert, der über etwa dem Mittelwert zwischen 37°C und der Eiweißgerinnungstemperatur des Mikroorganismus Hegt Auf der anderen Seite wird es bevorzugt, daß die Erwärmung auf eine Temperatur erfolgt, die möglichst mehr als 3° C unter der Eiweißgerinnungstemperatur der abzutötenden Mikroorganismen liegt Innerhalb dieser Grenzen wird man in den allermeisten Fällen auskommen, wenn auch Oberschreitungen derselben in Sonderfällen nicht ausgeschlossen sind.
Vorteilhaft wird die Behandlung des Produktes und/oder Präparates, wenn besonders der Gehalt an Desoxyribonukleinsäure bzw. Ribonukleinsäure der Mikroorganismen durch die nichtthermischen Einwirkungen des elektromagnetischen Kraftfeldes geschädigt werden soll, so ausgeführt, daß eine um etwa 10° C unter der Gerinnungstemperatur der Eiweißbestandteile der Mikroorganismen liegende mittlere Temperatur des Produktes und/oder Präparates nicht überschritten wird. Diese Behandlung ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine Inaktivierung und/oder Attenuierung der Mikroorganismen erreicht werden soll.
Nachfolgend werden einige Beispiele der Erfindung beschrieben.
Versuch 1
Eine in Rinderbouillon aufgehängte Staphylococcusaureaus-haeirolyticus-kultur mit einer Keimzahl von 1 640 000 pro cm3 wurde bei Zimmertemperatur (etwa 210C) in eine luftdichte, aus einem Material mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor gefertigte und zuvor sterilisierte Umhüllung eingeschlossen und anschließend während 120 Sekunden einem elektromagnetischen Kraftfeld mit einer Frequenz von 2450 MHz ausgesetzt.
Die Temperatur der Flüssigkeit stieg während der Behandlung mit dem elektromagnetischen Kraftfeld auf 6O0C an. Anschließend wurde das so behandelte Präparat während 48 Stunden in einem elektrisch betriebenen, automatischen Brutofen bei 37° C bebrütet.
Nach Ablauf dieser Zeit konnten keine Keime mehr festgestellt werden. Dieser negative Befund ergab sich auch bei späteren Nachuntersuchungen.
Es hat somit bei diesem Versuch, der knapp unter der Pasteurisierungstemperatur stattfand, die völlige Vernichtung der Kultur stattgefunden. Dieses Ergebnis ist besonders wegen der vergleichsweise sehr kurzen Erhitzungsdauer bemerkenswert; die Temperatur des Präparats — ebenso wie die der in den weiter unten beschriebenen Versuchen verwendeten — sank bei Aussetzen des Präparats der Zimmertemperatur von ca. 21°C sehr schnell von der Maximaltemperatur auf die Zimmertemperatur ab. Bis zum Eintritt in den Brutofen verging jeweils eine gute Stunde. Mit den Präparaten in den weiter unten beschriebenen Versuchen wurde ebenso verfahren.
Es ist weiterhin zu bemerken, daß absichtlich eine Keimzahl gewählt worden war, wie sie in dieser Höhe in der Natur nicht vorkommt.
Versuch 2
Das bei diesem Versuch verwendete Ausgangspräparat glich in allen Einzelheiten demjenigen, welches in Versuch 1 verwendet wurde. Auch das Kraftfeld war das gleiche, nur die Dauer der Behandlung wurde von 120 Sekunden auf 90 Sekunden herabgesetzt.
Die Temperatur der Flüssigkeit stieg während der
Behandlung mit dem elektromagnetischen Kraftfeld auf 50°Can.
Nach 48 Stunden Bebrütung bei +370C — wie oben beschrieben -- wurden nur noch 45 000 pro cm3 Staphylococcus aureus haemolyticus gefunden. Die Keimzahl war von 1 640 000 auf 45 000 also sehr wesentlich gesunken, obwohl die mittlere Temperatur des Präparats erheblich unter der Pasteurisierungstemperatur blieb.
Hierauf wurde das Präparat bei -20" C auf 21 Tage eingefroren und anschließend während 48 Stunden bei +370C — wie oben beschrieben — bebrütet Bei der Auszählung konnten nur noch 14 500 fortpflanzungsfähige Keime pro cm3 festgestellt werden.
Die Toxizitlt und die haemolytischen Eigenschaften der noch fortpflanzungsfähigen Keime blieb unverändert
Es ist bekannt daß Bakterien durch Einfrieren in ihrer Fortpflanzungsfähigkeit gehemmt werden, doch ist diese Hemmung unverhältnismäßig geringer (etwa 1%) als die hier 21 Tage nach der thermischen Behandlung gefundene Hemmung von 66%. Bei Viren ist eine solche Hemmung nicht vorhanden.
Versuch 3
Bei diesem Versuch und beim weiter unten angeführten Versuch 4 wurde ein anderes Grundpräparat verwendet Es bestand aus einer in physiologischer Kochsalzlösung (0,8% NaCl) aufgehängten Kultur von Poxvirus vacciniae, wie sie — wenn auch nicht in dieser Konzentration — für die Pockenschutzimpfung verwendet wird, mit einer Keimzahl von 50 000 000 pro cm3. Diese Kultur wurde mit Staphylococcus-aureus-Bakterien solcherart infiziert daß außer den Viren auch noch 54 000 pro cm3 Staphylococci zu verzeichnen waren. Die Versuchsanordnung blieb die gleiche wie für den Versuch 1 beschrieben.
Bei diesem Versuch wurde das Präparat während 120 Sekunden dem Kraftfeld ausgesetzt Die Temperatur der Flüssigkeit stieg während der Behandlung mit dem elektromagnetischen Kraftfeld auf 6O0C. Auch dieses Präparat wurde während 48 Stunden bei 37° C bebrütet
Bei der darauffolgenden Untersuchung konnten weder Poxvirus vacciniae noch Staphylococcus aureus festgestellt werden. Dieses Ergebnis blieb auch bei späteren Nachuntersuchungen bestehen.
Somit wurden Bakterien wie Viren bei einer mittleren Temperatur des Präparats knapp unter der Pasteurisierungstemperatur vernichtet
Versuch 4
Das Grundpräparat und alle anderen Versuchsbedingungen einschließlich Kraftfeld blieben bei diesem Versuch genau die gleichen wie bei Versuch 3, nur die Zeitdauer der dielektrischen Behandlung wurde von 120 auf 90 Sekunden herabgesetzt
Die Temperatur der Flüssigkeit stieg während der Behandlung mit dem elektromagnetischen Kraftfeld auf 500C
Anschließend wurde das Präparat während 48 Stunden bei 37° C bebrütet
Die Keimzahl für Staphylococcus aureus sank von 54 000 auf 12 Stück und die Keimzahl von Poxvirus vacciniae von 50 000 000 auf 50 Stück pro cm3. Dieser objektive Befund (Keimzahl) hat sich auch bei nach nochmaligem Auftauen und Wiedereinfrieren durchgeführten Bebrütungen und Auszählungen nicht verändert
Somit konnte festgestellt werden, daß bei einer mittleren Temperatur des Präparats, welche 10 bis 15°C unter der Pasteurisierungstemperatur (Gerinnungstemperatur) lag, die Keimzahl sowohl von Viren als auch von Bakterien bedeutend gesenkt und daß die Fortpflanzungsfähigkeit der Keime gehemmt worden war (Attenuierung).
Es wurde fernerhin erwiesen, daß Viren prozentual stärker in Mitleidenschaft gezogen wurden als Bakterien. Zumindest in der beschriebenen Versuchsanordnung zeigten sich die Viren empfindlicher, was die Abtötuig der einen Art bei Erhaltung der anderen nahelegt, wenn die Kultur gemischter Art oder besser gesagt verseucht ist
Bei weiteren Versuchen wurde festgestellt, daß Sporen auf diese Behandlung ähnlich wie Bakterien reagierten.
Ein mit frischer Leberwurst durchgeführter Versuch ergab Bakterienfreiheit nach 100 Sekunden bei einer Temperatur von etwa 62° C.
Aus den Ergebnissen der Versuche 1 bis 4 erhellt:
a) daß die dielektrische Behandlung in den Mikroorganismen eine höhere Temperatur erzeugt als in deren wässerigen Umgebung und
b) daß die Einwirkungen des Kraftfeldes — entweder durch elektromagnetische oder durch mechanische Kräfte, welch letztere Folgen der elektromagnetischen Kräfte sein müssen — eine durch die Erfindung beabsichtigte Wirkung auf die Mikroorganismen bzw. auf deren Komponenten ausüben.
Diesen Schluß lassen insbesondere die Ergebnisse der Versuche 2 und 4 wegen der bei diesen vorhandenen erheblichen Differenz zwischen der erreichten Temperatur und der Gerinnungstemperatur, sowie wegen fortschreitender Senkung der Keimzahl lange nach Beendigung der Erhitzung und die Hemmung der Fortpflanzungsfähigkeit trotz mehrfachen Auftauens zu.,

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Abtöten und/oder Inaktivieren und/oder Attenuieren von Mikroorganismen in einer Substanz und/oder einem Präparat, durch Aussetzen der Substanz bzw. des Präparates einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld, dadurch gekennzeichnet, daß diese Behandlung abgebrochen wird, sobald die infolge der thermischen Wirkung des Kraftfeldes ansteigende mittlere Temperatur der Substanz bzw. des Präparates nahe aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher die Eiweißbestandteile der abzutötenden und/oder zu inaktivierenden und/oder zu attenuierenden Mikroorganismen gerinnen.
Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf eine Temperatur erfolgt, die über etwa dem Mittelwert zwischen 37° C und der Eiweißgerinnungstemperatur der Mikroorganismen liegt
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf eine Temperatur erfolgt, die mehr als 3° C unter der Eiweißgerinnungstemperatur der abzutötenden Mikroorganismen liegt
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch kurzfristige Bestrahlung mit hoher Energiedichte bewirkt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Behandlung des Produktes und/oder Präparates im elektromagnetischen Kraftfeld, insbesondere bei der Inaktivierung und/oder Attenuierung von Mikroorganismen, eine um etwa 100C unter der Gerinnungstemperatur der Eiweißbestandteile der Mikroorganismen liegende mittlere Temperatur des Produktes und/oder Präparates nicht überschritten wird.
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