Revolution oder bloße Evolution? Durchflusszytometrie und Verifizierung von Reinigung und Desinfektion in der Lebensmittelherstellung

Die Lebensmittelsicherheit hängt zu einem großen Teil von den hygienischen Bedingungen in den Einrichtungen zur Lebensmittelherstellung ab. Ein hoher Gehalt an Verderbnisbakterien kann die Haltbarkeit und Qualität von Lebensmitteln beeinträchtigen, während das Vorhandensein von Krankheitserregern (wie Salmonellen und Listerien) zu schweren Erkrankungen führen kann. Lebensmittelhersteller müssen darauf achten, ihre Verarbeitungsumgebung sauber und frei von pathogenen Mikroorganismen zu halten, um eine Kreuzkontamination des Endprodukts zu verhindern. Doch wie wird dies derzeit bewerkstelligt?

Visuelle Inspektion

Die visuelle Inspektion ist zwar eine Voraussetzung, aber an sich nicht ausreichend. Sie ist ein subjektives und ungenaues Mittel zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Reinigung. Noch wichtiger ist, dass selbst wenn eine Oberfläche keine offensichtlichen Rückstände aufweist, dies nicht bedeutet, dass sie makellos ist. Eine visuelle Inspektion kann nicht sicherstellen, dass alle Lebensmittelrückstände vom vorherigen Durchlauf entfernt wurden oder dass ein Desinfektionsmittel den mikrobiellen Gehalt auf der Oberfläche wirksam reduziert hat.

Mikrobielle Auszählung mit kulturbasierten Methoden

Dies sind die traditionellen Methoden zur Überwachung der Hygiene in der Verarbeitungsumgebung. Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, Proben zu nehmen: durch Kontakt und durch Abstrich. Bei kontaktbasierten Methoden werden Platten oder Dip-Slides auf die zu beprobende Oberfläche gelegt und dann inkubiert. Bei der Tupfermethode werden die Proben mit Tupferstäbchen oder Schwämmen entnommen, die in einer Pufferlösung gespült werden, die dann in sterile Medien eingeimpft und bebrütet wird. Die größte Einschränkung dieser traditionellen Methoden zur mikrobiellen Bestimmung ist die Zeit, die es braucht, um Ergebnisse zu erhalten. Außerdem lassen sich die meisten Bakterienarten nicht auf Agar kultivieren, ein Phänomen, das als Anomalie der großen Plattenzahl bekannt ist.

ATP-Nachweis

Adenosintriphosphat (ATP) ist ein Nukleotid, das Zellen zur Energiebereitstellung nutzen. Es kann als die molekulare "Währungseinheit" für Energie in allen lebenden Zellen betrachtet werden. Energie wird übertragen, wenn ATP in sein Nukleosid und freies Phosphat zerfällt. Durch die Hydrolyse der kovalenten Verbindungen der Phosphate wird Energie freigesetzt, die für Reaktionen genutzt wird. Kommerzielle ATP-Testsysteme nutzen die in der Natur weit verbreitete Luciferin/Luciferase-Reaktion, um mit der von ATP bereitgestellten Energie Licht zu erzeugen. Je mehr Licht emittiert wird, desto mehr ATP ist vorhanden, was indirekt auf mehr Lebensmittelrückstände oder (möglicherweise) mehr Mikroorganismen hinweisen könnte. Es gibt jedoch einen wichtigen Vorbehalt: Da diese Systeme auf einer enzymatischen Reaktion beruhen, könnten potenzielle Hemmstoffe oder nicht optimale Umgebungsbedingungen zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Die Umgebungstemperatur könnte die Reaktionszeit verlängern, während Licht es schwierig machen könnte, korrekte Messwerte zu erhalten. Darüber hinaus können Desinfektionsmittel die Reaktion beeinträchtigen, so dass es möglicherweise keine echte Korrelation zwischen den auf der Oberfläche vorhandenen lebenden Bakterien und den Ergebnissen der ATP-Messung gibt. Daher werden ATP-basierte Methoden normalerweise verwendet, um Oberflächen vor der Anwendung des Desinfektionsmittels zu testen. ATP-Methoden haben einen weiteren Nachteil: Sie sind in ihrer Anwendbarkeit von der Art der verarbeiteten Lebensmittel abhängig. Die meisten Lebensmittel hinterlassen Rückstände, die große Mengen ATP enthalten, die die in Bakterienzellen enthaltenen Mengen um mehrere Größenordnungen übersteigen. In der Praxis bedeutet dies, dass ATP-Systeme nicht verwendet werden können, um die mikrobielle Kontamination von Oberflächen in den meisten Lebensmittelverarbeitungsbetrieben zu bewerten. Obwohl keine Bakterien direkt gezählt werden können, werden ATP-Systeme häufig eingesetzt, da die Ergebnisse innerhalb von Sekunden vorliegen - eine Zeitspanne bis zum Ergebnis, die bisher von keiner anderen allgemein verfügbaren Technologie erreicht wurde.

Einführung in die Durchflusszytometrie

Die Durchflusszytometrie (FCM) bezeichnet eine Gruppe von Techniken, die optische oder elektrische Signale verwenden, um bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften von in einer Flüssigkeit suspendierten Zellen und Partikeln zu erkennen und zu messen. In fast 300 Studien, die zwischen 2000 und 2018 durchgeführt wurden, wurde die FCM als Instrument zur Charakterisierung der mikrobiellen Wasserqualität bewertet. Diese Forschung konnte den Wert von FCM bei der Wasseraufbereitung, -verteilung und -wiederverwendung veranschaulichen. Es gibt nun eine Reihe von Forschungsergebnissen, die erfolgreiche Anwendungen der FCM dokumentieren und die darauf hindeuten, dass sie vernünftigerweise und realistischerweise als Routinemethode für die Bewertung der Wasserqualität weit verbreitet werden könnte. Was hat das alles mit der Bewertung der Reinigungs- und Desinfektionsleistung in Lebensmittelherstellungsanlagen zu tun? Die bisher üblichen Methoden zur Bestimmung der Wasserqualität waren oft durch geringe Empfindlichkeit, hohen Arbeits- und Zeitaufwand, Anfälligkeit für Störungen durch hemmende Verbindungen und Schwierigkeiten bei der Unterscheidung zwischen lebensfähigen und nicht lebensfähigen Zellen eingeschränkt. (Das kommt Ihnen alles bekannt vor, nicht wahr?) Aber Vorsicht: Fluoreszenz-Durchflusszytometer sind in der Regel unhandliche, teure Geräte, für deren Bedienung hochqualifiziertes Personal erforderlich ist.

Die Leistungsfähigkeit der Durchflusszytometrie in einem tragbaren Gerät

Damit die Durchflusszytometrie zu einer praktikablen Lösung für die Überprüfung der Reinigung in lebensmittelverarbeitenden Betrieben werden kann, muss sie in einem tragbaren Format verfügbar sein, das einfach und leicht zu bedienen ist, aber dennoch genau genug, um zuverlässige Zählungen von Bakterien und Rückstandspartikeln in Umweltproben zu liefern. Dies wurde durch den Einsatz der Impedanz-Durchflusszytometrie möglich. Die Impedanz-Durchflusszytometrie ist eine besondere Art der Durchflusszytometrie: Anstelle von optischen Systemen wie der Lasertechnologie verwenden Impedanz-Durchflusszytometer einen Wechselstrom mit unterschiedlichen Frequenzen, der es dem Gerät ermöglicht, Zellen und Rückstandspartikel getrennt zu erkennen und zu zählen. Während Durchflusszytometer auf optischer Basis nur mit Farbstoffen markierte Zellen zählen können, sind Impedanz-Durchflusszytometer in der Lage, den gleichen Vorgang ohne jegliche Markierung durchzuführen. Im Vergleich zu anderen durchflusszytometrischen Geräten sind sie kompakt, tragbar und batteriebetrieben, so dass sie überall dort eingesetzt werden können, wo die Probe genommen wird.

Wie können Impedanz-Durchflusszytometer zwischen Zellen und Rückstandspartikeln unterscheiden?

Die elektromagnetischen Eigenschaften von Bakterien ermöglichen es Durchflusszytometern, sie von anderen Partikeln zu unterscheiden. Das Zytoplasma und die Zellmembran eines Bakteriums verändern das elektrische Feld auf einzigartige und identifizierbare Weise. Während sich der elektrische Strom durch metallische Partikel meist ungehindert bewegen kann, widerstehen nicht leitende Partikel dem Feld. Intakte Bakterien ähneln jedoch sowohl nichtleitenden als auch leitenden Teilchen: Die Zellmembran verhindert, dass niedrige Frequenzen sie durchdringen, wodurch sie nichtleitenden Teilchen ähneln; bei hohen Frequenzen durchdringt der elektrische Strom jedoch die Membran. Die Mikroelektroden im Impedanz-Durchflusszytometer erzeugen diese elektrischen Felder und ermöglichen es dem Gerät, die Veränderungen der Leitfähigkeit und des Widerstands in Form von getrennten Messungen intakter Zellen und Partikel zu quantifizieren.

Anwendung der Impedanz-Durchflusszytometrie auf die Lebensmittelsicherheit: Einführung von CytoQuant®

Wie bereits erwähnt, liegt ein Vorteil von Impedanz-Durchflusszytometern gegenüber anderen Arten von zytometrischen Geräten in ihrer Portabilität. Da sie leicht, klein und batteriebetrieben sind, können sie vor Ort und an kritischen Kontrollpunkten eingesetzt werden, an denen Hygiene ein vorrangiges Anliegen ist. Das CytoQuant® Impedanz-Durchflusszytometer ist für den Einsatz in genau solchen Bereichen konzipiert, einschließlich Lebensmittelproduktionsanlagen und Reinräumen. Die Impedanz-Durchflusszytometrie bietet Lebensmittelherstellern, die ihre Lebensmittelsicherheit und ihre Reinigungsprogramme überprüfen wollen, erhebliche Vorteile: die schnelle und separate Quantifizierung von Bakterien und Rückstandspartikeln (die als Indikator für die Wirksamkeit der Reinigung dienen können), die Empfindlichkeit der Methode und die Robustheit des Tupfer-Kits und des Zytometers selbst. Das CytoQuant®-System ist einfach zu bedienen, da das Gerät alle Arbeiten außer der Probenahme übernimmt. Ein Testlauf beginnt mit dem Abstrich eines vordefinierten Bereichs (z.B. 20 x 20 cm oder 8 x 8 Zoll) der zu testenden Oberfläche. Anschließend wird der Tupfer in ein Röhrchen mit einer proprietären, leitfähigen Lösung gegeben und das Tupferset geschüttelt, um die Bakterien zu suspendieren. Beim Testen von Spülwässern wird die Probe direkt in ein leeres Fläschchen gegeben, dann werden einige Tropfen der Elektrolytlösung hinzugefügt. Nachdem die Probe gemischt wurde, führt der Benutzer das Fläschchen in den CytoQuant® ein. Zwei Nadeln dringen in den Boden des Röhrchens ein und verbinden die Flüssigkeit mit dem Durchflusssystem im Gerät. Nachdem die Lösung in das Durchflusssystem eingeführt wurde, wird sie an den Elektroden in der Durchflusszelle vorbeigeführt. Nach 30 Sekunden registriert das Gerät getrennte Ergebnisse für Bakterien und Partikel und zeigt sie auf dem Bildschirm an.

Revolution oder Evolution?

Das mobile CytoQuant®-Durchflusszytometer ermöglicht die sofortige Vor-Ort-Überprüfung von Reinigungs- und Desinfektionsverfahren in Lebensmittelproduktionsstätten oder anderen Bereichen, in denen Hygiene von entscheidender Bedeutung ist. Durch die direkte Quantifizierung von Bakterien und Rückstandspartikeln auf Oberflächen ohne den negativen Einfluss von Desinfektionsmitteln oder Temperatur bietet es erhebliche Vorteile gegenüber ATP-Geräten, während die Zeit von 30 Sekunden bis zum Ergebnis es zu einer perfekten Ergänzung von Hygieneprogrammen macht, die bereits kulturelle Methoden verwenden. In Anbetracht des enormen Potenzials der Impedanz-Durchflusszytometrie könnte sie irgendwann als gleichwertig mit kulturellen Methoden angesehen werden oder diese sogar als Standard für die Reinigungsüberprüfung ersetzen. Dies käme einer echten Revolution in diesem Bereich gleich.