Op je toetsenbord, in je koffietas, op je handen voor en na het wassen, en letterlijk overal op en in je lichaam. Bacteriën zijn alomtegenwoordig en er is niets dat je daaraan kan doen. De wetgeving legt voedingsbedrijven op om voedselbedervende bacteriën of pathogenen onder een bepaalde hoeveelheid te houden in hun voedingsproducten. Toch schuilt het gevaar letterlijk in de kleine hoekjes. Om dit aan te tonen neem ik je mee naar de microwereld binnen de voedingsfabriek.
In een voedingsfabriek zijn er verschillende manieren waarop bacteriën de fabriek binnen geraken. Zo kunnen bacteriën zich via het irrigatiewater, insecten, werknemers of inkomende ingrediënten binnen de fabrieksmuren nestelen. Zolang het aantal bacteriën laag blijft en ze niet in aanraking komen met het voedingsproces, kunnen ze zich verborgen houden. Om dit verhaal goed te kunnen voorstellen, moet je je inbeelden dat je een miljoen keer kleiner bent en een groepje bacteriën volgt in een fictieve kaasmakerij. Samen met de rauwe melk wordt onze groep bacteriën naar het pasteurisatieproces geleid met de bedoeling om de hoeveelheid bacteriën in de vloeistof (planktonische cellen) te reduceren (zie afbeelding 1). Helaas voor de kaasmakerij volgen wij een groepje bacteriën die deze pasteurisatiestap wel kunnen overleven.
Afbeelding 1: In het proces van een kaasmakerij kan zich een biofilm vormen in de pijpen van het verwerkingsproces. Een mogelijke oplossing om een biofilm tegen te gaan, is om een enzym cocktail toe te voegen bij reiniging. Op die manier wordt de beschermlaag (EPS matrix) afgebroken (Murali Kumar, Joseph Tierney and Martin Wilkinson, 2021).
De start van een nieuwe kolonie
In één van de pijpen merken onze bacteriën dat de snelheid van de melk lager is. Daardoor krijgen ze de mogelijkheid om zich vast te klampen aan de binnenkant van de pijp. Ze kunnen zich nog vrij rond bewegen en de aanhechting is nog altijd omkeerbaar. Toch hebben ze al wat producten geproduceerd zoals proteïnen, suikers en andere extracellulaire, polymere substanties (EPS), die de basis vormen voor de beschermende slijmlaag. Na een tijd hebben de bacteriën voldoende EPS aangemaakt zodat een matrix wordt gevormd en er een onomkeerbare aanhechting optreedt waardoor we nu van een beginnende biofilm kunnen spreken. Deze EPS-matrix helpt de bacteriën om bij elkaar te blijven en beschermt hen tegen bepaalde chemische reinigingsmiddelen. Daardoor kunnen bacteriën meer tijd spenderen aan het verder uitbreiden van hun kolonie en aan het uitsturen van boodschapmoleculen om eenzame planktonische cellen naar hun kolonie te leiden. Dit fenomeen noemt quorum sensing.
Doorgaans blijft een biofilm in een voedingsbedrijf onder de radar omdat door het veelvuldig reinigen de groei verhinderd wordt. Dit is echter een vals gevoel van veiligheid, want van zodra er minder effectief gereinigd wordt, kan de biofilm evolueren naar een georganiseerde structuur. Via externe krachten (bv. het verpompen van een nieuwe batch melk) of interne biofilmprocessen (bv. endogene enzymatische degradatie) zijn de bacteriën in staat om zich los te maken uit de biofilm en zich terug als planktonische cellen in de rauwe melk te verplaatsen. Deze cellen gaan bijgevolg nieuwe plaatsen binnen het verwerkingsproces koloniseren, waarbij heel het proces van biofilmvorming opnieuw begint.
Beter voorkomen dan genezen
Nu we weten wat er op microniveau gebeurt, gaan we terug naar de macrowereld. Op dat niveau is het detecteren en het verwijderen van deze biofilms geen gemakkelijke klus, waardoor de preventie ervan in de voedingsindustrie steeds belangrijker wordt. Een eerste manier is om goed na te denken over het hygiënisch design van leidingen en machines. Zo zou de kans op biofilmvorming in onze fictieve kaasmakerij kleiner zijn als ze voor een gebogen pijpleiding kiezen in plaats van één die aan elkaar is gelast. Bij de lasnaden kunnen er namelijk zones ontstaan waar reiniging niet optimaal verloopt en waar een verhoogd risico is op kolonisatie door planktonische cellen (zie afbeelding 2).
Afbeelding 2: Bij een (slechte) lasnaad gebeurt de reiniging niet optimaal, waardoor planktonische cellen de kans krijgen om zich aan het oppervlak te hechten. Op deze afbeelding stellen de blauwe lijnen de stroming weer bij reiniging en de gele stukken biofilmen (FORCE Technology, 2020).
Aandacht schenken aan goede reinigingsprotocollen is een tweede manier om ervoor te zorgen dat bacteriën niet de kans krijgen om een biofilm te vormen. Als ze toch de kans krijgen, dan zijn er commerciële sprays beschikbaar die de aanwezigheid van biofilmen tonen op bereikbare plekken. Voor plekken die niet eenvoudig te bereiken zijn (bv. de binnenkant van een pijpleiding), onderzoeken wetenschappers de technische en economische haalbaarheid van sensoren die biofilmvorming in een vroeg stadium kunnen detecteren.
Tenslotte kan je ook indirect te weten komen of er zich een biofilm in het verwerkingsproces verborgen houdt. In onze kaasmakerij werden de bacteriën in de pasteurisatiestap niet afgedood, waardoor ze verder in het proces een biofilm konden vormen. Stel dat de pasteurisatiestap toch alle bacteriën had afgedood, dan kon een mogelijke biofilm voor de pasteurisatiestap toch nog de kwaliteit van de melk beïnvloeden. Sommige bacteriën kunnen namelijk hitteresistente enzymen produceren die voor kwaliteitsproblemen zorgen. Via sensoren die dergelijke enzymen opsporen, weet je indirect dat er een kans bestaat dat er ergens binnen het ganse proces zich een biofilm schuilhoudt. Zo werd er binnen het Flanders’ FOOD project ‘MiMIP’ een economische en technische haalbaarheidsstudie uitgevoerd om snel en effectief peptiden van de bederfenzymen in melk te meten via Molecular Imprinted Polymers (MIP) gebaseerde sensoren.
Biofilms zijn dus stille boosdoeners die niet alleen de melkkwaliteit uit onze fictieve kaasmakerij, maar de algemene voedselkwaliteit en -veiligheid negatief kunnen beïnvloeden wanneer ze onvoldoende in bedwang gehouden worden. Monitoring en nieuwe preventieve maatregelen moeten in de toekomst de kolonisatie van de procesinfrastructuur beter en sneller tegengaan. In het afgelopen project Cleansurface werd er bijvoorbeeld gekeken welke rol innovatieve RVS-coatings kunnen spelen in het tegengaan van biofilmvorming. De belangrijkste bevindingen van dit project zijn te vinden in de publicatie ‘Oppervlaktebehandelingen en coatings: een oplossing tegen fouling en biofilms?’, verkrijgbaar via onze webshop.
In het FWO project Bisceps onderzoeken K.U. Leuven, imec en UGent dan weer het potentieel van gevoeligheidssensoren (via impedantie) die de groei van een biofilm in een vroeg stadium kan detecteren. In het najaar van 2023 zullen de resultaten van het onderzoek beschikbaar zijn en kan je inzichten verkrijgen over het potentieel van dergelijke sensoren. Wordt dus vervolgd…
Bronnen
- Enzymatic Disruption of Biofilms During Cheese Manufacturing: A Mini Review (Murali Kumar, Joseph Tierney and Martin Wilkinson) (2021)
- The biofilm life cycle: expanding the conceptual model of biofilm formation (Karin Sauer, Paul Stoodley, Darla M. Goeres, Luanne Hall-Stoodley, Mette Burmølle, Philip S. Stewart & Thomas Bjarnsholt) (2022)
- Biofilms in the Food Industry: Health Aspects and Control Methods (Serena Galié, Coral García-Gutiérrez, Elisa M. Miguélez, Claudio J. Villar and Felipe Lombó) (2018)
- Microbial Biofilms in the Food Industry—A Comprehensive Review (Conrado Carrascosa, Dele Raheem, Fernando Ramos, Ariana Saraiva, and António Raposo) (2021)
- Biofilm formation in food industries: A food safety concern (Sokunrotanak Srey, Iqbal Kabir Jahid, Sang-Do Ha) (2012)
- https://forcetechnology.com/en/articles/hygienic-design-important-in-future-production-equipment
