Microbial Stability and Safety of Acid Sauces and Mayonnaise- Based Salads Assessed Through Probabilistic Growth/No Growth Models
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Microbial stability and safety of acid sauces and mayonnaise- based salads assessed through probabilistic growth/no growth models ir. An Vermeulen Voor Wouter… Promotoren: Prof. dr. ir. Frank Devlieghere Vakgroep voedselveiligheid en voedselkwaliteit Faculteit Bio-Ingenieurswetenschappen, UGent and Prof. dr. ir. Jan Van Impe Departement Chemische Ingenieurstechnieken Faculteit Ingenieurswetenschappen, KULeuven Decaan: Prof. dr. ir. Herman Van Langenhove Rector: Prof. dr. Paul Van Cauwenberge ir. An Vermeulen Microbial stability and safety of acid sauces and mayonnaise- based salads assessed through probabilistic growth/no growth models Thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor (Ph.D.) in Applied Biological Sciences Proefschrift voorgedragen tot het bekomen van de graad van Doctor in de Toegepaste Biologische Wetenschappen Titel van het doctoraat in het Nederlands: Microbiële stabiliteit en veiligheid van zure sausen en salades, aan de hand van probabilistische groei/niet-groeimodellen Illustration: Fictitious example of a growth/no growth model plotted in Matlab®7.1 (The Mathworks, Inc, Natick, MA, USA). To refer to this thesis: Vermeulen, A. 2008. Microbial stability and safety of acid sauces and mayonnaise-based salads assessed through probabilistic growth/no growth models Thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of doctor (Ph.D.) in Applied Biological Sciences. Faculty of Bioscience Engineering, University of Ghent ISBN number: 978-90-5989-215-6 The author and the promoters give the authorization to consult and copy parts of this work for personal use only. Every other use is subject to copyright laws. Permission to reproduce any material contained in this work should be obtained from the author. The research was performed at the: Laboratory of Food Microbiology and Food Preservation, Faculty of Bioscience Engineering, UGent, Ghent, Belgium Chemical and Biochemical Process Technology and Control Section, Faculty of Engineering, KULeuven, Leuven, Belgium Woord vooraf Als net afgestuurde bio-ingenieur begon ik een onderzoek aan het labo voor levensmiddelen-microbiologie en –conservering. Een onderwerp in de predictieve microbiologie leek me van bij het begin een mooie uitdaging. Het wiskundig beschrijven van observaties sprak me enorm aan. Het begon met één micro-organisme, Listeria monocytogenes, en het werd me onmiddellijk duidelijk dat héél veel observaties nodig zijn om een goed groei/niet-groeimodel te ontwikkelen. Zeker toen we het lumineuze idee hadden om ook de celdichtheid als variabele te gaan beschouwen groeide het aantal observaties exponentieel. Later steeg ook de interesse voor de bederforganismen en werden nog extra modellen ontwikkeld voor melkzuur- bacteriën en gisten. Mijn eerste onderzoeksjaren bestonden bijgevolg vooral uit het inoculeren van microtiterplaten, opvolgen van groei, en dataverwerking. Om een idee te geven: in totaal werden ongeveer 60 200 cupjes geïnoculeerd waarvan een groeicurve opgesteld werd. Elke groeicurve werd bepaald aan de hand van gemiddeld 60 optische densiteitsmetingen wat uiteindelijk ongeveer 3,6 miljoen data opleverde die verwerkt werden tot voorspellende modellen. Op sommige momenten zie je het dan even niet meer zitten en komen eigenschappen als doorzettingsvermogen en volharding naar boven. Wetenschappelijk onderzoek is iets wat je nooit alleen kan doen, maar wel met de hulp van vele anderen, daarom ben ik verschillende mensen een enorme dank verschuldigd. Eerst en vooral wil ik mijn twee promotoren bedanken: Prof. Devlieghere, Frank, voor het aanvaarden van het promotorschap, de belangrijke feedback tijdens het onderzoek en het voorzien van de nodige financiële middelen voor het uitvoeren van het onderzoek. Prof. Van Impe, Jan, voor het aanvaarden van het promotorschap en het ter beschikking stellen van uw medewerksters, Annemie en Kristel, om mij meer wegwijs te maken in de ontwikkeling van predictieve modellen. Eén van de belangrijkste factoren om een doctoraatsonderzoek vol te houden is het plezier om elke dag te gaan werken. Daarvoor wil ik graag al mijn collega’s en ex- collega’s van het LFMFP bedanken. Naast jullie hulp en steun, zorgden jullie elk op jullie eigen manier voor de nodige verstrooiing tijdens de voorbije jaren. Een extra dank u wel gaat uit naar Marie, Weronika, Nada, Trang, Katrijn en Elena die elk een steentje hebben bijgedragen bij het verzamelen van de vele data. Vervolgens wil ik ook graag mijn ouders bedanken. Jullie hebben mij altijd alle kansen gegeven om mijn leven uit te stippelen zoals ik het wil. Papa, de manier waarop jij je ziekte aanvaardde en bleef doorzetten voor ons, is voor mij dikwijls een inspiratiebron geweest, vooral tijdens de moeilijkere momenten van het doctoraatsonderzoek. Ik had zo graag gehad dat jij deze dag nog kon meemaken. Mama, jou wil ik heel graag bedanken voor het altijd klaarstaan met zowel praktische als morele steun op de momenten waarop het echt nodig was. Wouter, jij bent ongetwijfeld het mooiste dat mijn werk aan het labo mij heeft opgeleverd. Ik herinner me nog heel goed de eerste keer dat ik je opmerkte op het labo. Ondertussen zijn we samen sterk geëvolueerd tot man en vrouw en kunnen we samen uitkijken naar een mooie toekomst in ons nieuwe huis met ons eerste kindje, dat we in juli verwelkomen. Dank u wel, An 23 januari 2008 Table of contents Table of contents TABLE OF CONTENTS i INTRODUCTION AND OBJECTIVES v SUMMARY ix SAMENVATTING xiv 1 LITERATURE STUDY 1 1.1 MICROBIAL SAFETY AND STABILITY OF SAUCES AND SALADS 1 1.1.1 Classification and characterisation of emulsified sauces and salads 1 1.1.2 Preservation methods 5 1.1.3 Relevant microorganisms in emulsified sauces 20 1.1.4 Relevant microorganisms in mayonnaise-based salads 36 1.2 PREDICTIVE MICROBIOLOGY 43 1.2.1 Introduction 43 1.2.2 Kinetic models 44 1.2.3 Probability models 44 2 CHAPTER 2: GROWTH/NO GROWTH MODELS DESCRIBING THE INFLUENCE OF pH, LACTIC AND ACETIC ACID ON LACTIC ACID BACTERIA DEVELOPED TO DETERMINE THE STABILITY OF ACIDIFIED SAUCES 58 2.1 INTRODUCTION 59 2.2 MATERIALS AND METHODS 60 2.2.1 Bacterial strains and culture conditions 60 2.2.2 Data generation for growth/no growth modelling 61 2.2.3 Development of growth/no growth models 62 2.2.4 CIMSCEE code 63 2.3 RESULTS 64 2.3.1 Development of growth/no growth models 64 2.3.2 Comparison between the model for L. plantarum and L. fructivorans 73 2.3.3 Comparison with CIMSCEE code 74 Table of contents i 2.4 DISCUSSION 74 2.5 CONCLUSIONS 77 3 CHAPTER 3: MODELLING THE UNEXPECTED EFFECT OF ACETIC AND LACTIC ACID IN COMBINATION WITH pH ON THE GROWTH/NO GROWTH INTERFACE OF ZYGOSACCHAROMYCES BAILII 78 3.1 INTRODUCTION 80 3.2 MATERIALS AND METHODS 81 3.2.1 Yeast strain and culture condition 81 3.2.2 Data generation for growth/no growth modelling 82 3.2.3 Development of the growth/growth model 83 3.2.4 CIMSCEE code for stability of sauces 84 3.3 RESULTS 85 3.3.1 Description of trends observed in the growth/no growth data 85 3.3.2 Development of the growth/no growth model 87 3.3.3 Comparison with CIMSCEE code 98 3.4 DISCUSSION 99 3.5 CONCLUSIONS 102 4 CHAPTER 4: DEVELOPMENT OF A GROWTH/NO GROWTH MODEL FOR LISTERIA MONOCYTOGENES DESCRIBING THE INFLUENCE OF pH, WATER ACTIVITY AND ACETIC ACID AT 7°C 104 4.1 INTRODUCTION 106 4.2 MATERIALS AND METHODS 107 4.2.1 Media preparation 107 4.2.2 Inoculum preparation 108 4.2.3 Data collection and data processing 109 4.2.4 Development of the logistic regression model 110 4.3 RESULTS 111 4.3.1 Screening of the strains 111 4.3.2 Growth/no growth experiments 113 Table of contents ii 4.3.3 Influence of environmental conditions on the time to detection 123 4.4 DISCUSSION 125 4.5 CONCLUSIONS 127 5 CHAPTER 5: INFLUENCE OF THE INOCULATION LEVEL ON THE GROWTH/NO GROWTH INTERFACE OF LISTERIA MONOCYTOGENES AS A FUNCTION OF pH, aw AND ACETIC ACID 129 5.1 INTRODUCTION 131 5.2 MATERIALS AND METHODS 132 5.2.1 Preparation of different media 132 5.2.2 Inoculum preparation and inoculation procedure 132 5.2.3 Growth assessment 135 5.2.4 Development of growth/no growth models 135 5.3 RESULTS 138 5.3.1 Determination of the number of replicates 138 5.3.2 Data generation 140 5.3.3 Influence of inoculation level on growth probability 142 5.3.4 Model development 143 5.4 DISCUSSION 151 5.5 CONCLUSIONS 153 6 CHAPTER 6: PERFORMANCE OF A GROWTH/NO GROWTH MODEL FOR L. MONOCYTOGENES DEVELOPED FOR MAYONNAISE-BASED SALADS: INFLUENCE OF STRAIN VARIABILITY, FOOD MATRIX, INOCULATION LEVEL AND PRESENCE OF SORBIC AND BENZOIC ACID 155 6.1 INTRODUCTION 157 6.2 MATERIALS AND METHODS 158 6.2.1 Bacterial strains 158 6.2.2 Validation of the model robustness 158 6.2.3 Challenge test in sterile mayonnaise-surimi salad 161 6.2.4 Influence of chemical preservatives on the growth of L. monocytogenes 164 Table of contents iii 6.3 RESULTS 165 6.3.1 Validation of the growth/no growth model for different L. monocytogenes strains 165 6.3.2 Challenge tests in a laboratory-made, sterile mayonnaise-surimi salad 166 6.3.3 Influence of chemical preservatives on the growth of L. monocytogenes 169 6.4 DISCUSSION 171 6.5 CONCLUSIONS 174 7 CHAPTER 7: INCORPORATION OF THE DIFFERENT DEVELOPED GROWTH/NO GROWTH MODELS IN A USER-FRIENDLY SOFTWARE PACKAGE 176 7.1 INTRODUCTION 177 7.2 OVERVIEW OF AVAILABLE TERTIARY MODELS 178 7.3 SAUCE-SALAD MODEL DEVELOPMENT 180 7.3.1 Structure of the software 180 7.3.2 Model equations 185 7.3.3 Interpretation of the results 185 7.4 CONCLUSIONS 187 CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES 190 LIST OF ABBREVIATIONS 197 REFERENCES 200 APPENDIX: DETAILED DESCRIPTION ON THE GENERAL ASPECTS OF DATA GENERATION, MODEL DEVELOPMENT AND INTERPRETATION OF THE RESULTS 221 CURRICULUM VITAE I Table of contents iv Introduction and objectives Introduction and objectives Due to modern life-style and modern eating habits, consumers are more and more interested in Ready-To-Eat (RTE) meals.