TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt Lehrstuhl für Technische Mikrobiologie Identification and growth dynamics of meat spoilage microbiota in modified atmosphere packaged poultry meat Linda Höll Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigten Dissertation. Vorsitzende/-r: Prof Dr. Karl-Heinz Engel Prüfende/-r der Dissertation: 1. Prof. Dr. Rudi F. Vogel 2. Prof. Dr. Horst-Christian Langowski Die Dissertation wurde am 08.02.2018 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt am 18.05.2018 angenommen. Identification and growth dynamics of meat spoilage microbiota in modified atmosphere packaged poultry meat Linda Höll Doctoral Thesis Freising 2018 Diese Arbeit wurde gefördert durch das Bundeministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) und die Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e. V. (IVLV) im Rahmen des Projektes AiF 17803 N. Teile dieser Arbeit wurden vorab in Fachzeitschriften publiziert. Details dazu sind in Kapitel 9 List of Publications and Student Theses (Seite 163) zu finden. Danksagung Danksagung Besonders möchte ich mich bei meinem Doktorvater Prof. Dr. Rudi F. Vogel bedanken, ohne den diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Danke für dein entgegengebrachtes Vertrauen, die zahlreichen Diskussionsrunden, die ständige Unterstützung und deine große Geduld. Außerdem möchte ich mich herzlich bei Prof. Dr. Horst-Christian Langowski für die Begutachtung der Arbeit bedanken, sowie bei Prof. Dr. Karl-Heinz Engel für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Ich danke meinen Projektpartnern Corinna Franke, Bendix Koopmann und Dr. Hannes Petermeier für die vielen fachübergreifenden Diskussionen und die konstruktive Zusammenarbeit. Prof. Dr. Matthias Ehrmann und Prof. Dr. Ludwig Niessen danke ich für die vielen Ratschläge und praktischen Tipps. Ein großes Dankeschön geht außerdem an Dr. Andreas Geißler und Dr. Jürgen Behr, die mich durch den Dschungel der Bioinformatik geleitet haben und ohne deren Zeit und Geduld Teile dieser Arbeit niemals machbar gewesen wären. Ich bedanke mich bei Angela Seppeur für die Unterstützung bei allen Organisationsfragen. Bei Sabine Forster, Maggie Schreiber, Andrea Pape und Monika Engel für die Unterstützung und Hilfe bei allen Fragen, sowie kleinen und großen Missgeschicken im Laboralltag. Ganz besonders möchte ich mich bei den anderen Kollegen vom TMW Lehrstuhl bedanken, mit denen die drei Jahre wie im Flug vergangen sind. Aus einigen wurden in dieser Zeit echte Freunde. Danke für die offenen Arme, die Schultern zum Anlehnen und Ohren zum Zuhören, für die unterhaltsamen Mittagspausen, Ausflüge ins Freisinger Nachtleben, für die kulinarischen Neu-Entdeckungen und die schönen Radtouren und Bergabenteuer. Außerdem möchte ich mich bei den Personen bedanken, die die Freisinger Zeit zu einer unvergesslichen gemacht haben und die mir sehr ans Herz gewachsen sind. Danke Evi und Philipp, ihr seid großartige Freunde geworden und ich hoffe das bleibt noch lange so! Und danke Steffi, der besten Mitbewohnerin der Welt, egal auf welchem Kontinent sie gerade ist. Zuletzt möchte ich mich von ganzem Herzen bei den wichtigsten Menschen in meinem Leben bedanken, Andy und meiner Familie. Für die Liebe, Geborgenheit, Unterstützung, Ehrlichkeit und die unendliche Geduld. Für das Vertrauen und Verständnis und die immer neue Kraft! Und bei meiner unvergesslichen Oma Rosl. Für den unermesslichen „Allgäuer Gwalt“, der einen die höchsten Gipfel im Leben erklimmen lässt. I Index Index Danksagung ........................................................................................................................... I Abbreviations ....................................................................................................................... VI 1 Introduction ........................................................................................................................ 1 1.1. A short history of food preservation ................................................................................ 1 1.2. Food consumption and loss in the 21st century ............................................................... 4 1.3. Ecological niche meat ..................................................................................................... 7 1.3.1. Biochemistry of meat and fat ....................................................................................... 7 1.3.2. Meat spoilage microbiota and their metabolic activities ................................................ 9 1.4. The detection and identification of meat-spoiling bacteria ............................................. 15 2 Hypotheses and Objectives .............................................................................................. 18 3 Material and Methods ....................................................................................................... 19 3.1. MALDI-TOF MS ............................................................................................................ 19 3.1.1. Direct transfer ............................................................................................................ 19 3.1.2. Cell extraction ............................................................................................................ 19 3.1.3. Data processing ......................................................................................................... 20 3.1.4. New entrance to the database ................................................................................... 20 3.1.5. Cluster analysis ......................................................................................................... 20 3.2. Detection and identification of volatile organic compounds by PTR- and HS-SPME GC- MS....................................................................................................................................... 21 3.3. HPLC analysis .............................................................................................................. 23 3.3.1. Analysis of amino acids ............................................................................................. 23 3.3.2. Analysis of organic acids ........................................................................................... 23 3.3.3. Analysis of carbohydrates .......................................................................................... 23 3.4. Spoilage experiments ................................................................................................... 24 3.4.1. Microbial enumeration ............................................................................................... 24 3.4.2. Determination of chemical parameters ...................................................................... 25 3.4.2.1. Determination of the gas composition ..................................................................... 25 3.4.2.2. pH measurement .................................................................................................... 25 II Index 3.4.3. Methods and aims of different spoilage experiments ................................................. 25 3.4.3.1. Establishment of a database for meat borne bacteria ............................................. 25 3.4.3.2. Identification and growth dynamics of the autochthonous microbiota in different atmospheres and storage temperatures .............................................................................. 26 3.4.3.3. Detection of volatile metabolites during (spontaneous) spoilage ............................. 27 3.4.3.4. Detection of volatile metabolites in single strain experiments .................................. 29 3.4.3.5. Sensory evaluation of meat spoilage ...................................................................... 30 3.5. Isolation and characterization of single strains .............................................................. 32 3.5.1. Media and culture conditions of isolated strains ......................................................... 34 3.5.2. Isolation of bacterial DNA .......................................................................................... 34 3.5.3. 16S rDNA sequence analysis .................................................................................... 34 3.5.4. Random-amplified polymorphic DNA (RAPD) PCR ................................................... 36 3.5.5. Antibiotic tests ........................................................................................................... 37 3.6. Genomics ..................................................................................................................... 38 3.6.1. Genomic DNA extraction ........................................................................................... 38 3.6.2. Data analysis ............................................................................................................. 38 3.7. Transcriptomics ............................................................................................................ 40 3.7.1. RNA extraction .........................................................................................................