Einfluss einer Behandlung mit UV-C-Licht auf mikrobiologische und physikochemische Veränderungen von Schweinefleisch und Lachsschinken

Tierärztliche Hochschule Hannover

Einfluss einer Behandlung mit UV-C-Licht auf mikrobiologische und physikochemische Veränderungen von Schweinefleisch und

Lachsschinken

INAUGURAL – DISSERTATION

Zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae -

(Dr. med. vet.)

Vorgelegt von Julia Regina Reichel

Dortmund

Hannover 2020

Wissenschaftliche Betreuung: PD Dr. Carsten Krischek

Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover Institut für Lebensmittelqualität und –sicherheit

Prof. Dr. Corinna Kehrenberg, PhD Justus-Liebig-Universität Gießen

Institut für Tierärztliche Nahrungsmittelkunde

1. Gutachter: gemeinsames Gutachten von:

PD Dr. Carsten Krischek

Prof. Dr. Corinna Kehrenberg, PhD

2. Gutachter: Prof. Dr. Hermann Seifert

Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover

Fachgebiet Allgemeine Radiologie und Medizinische Physik

Tag der mündlichen Prüfung: 07.05.2020

Das Projekt wurde finanziell durch die Fritz-Ahrberg-Stiftung Hannover unterstützt.

Inactivation of Yersinia enterocolitica and Brochothrix thermosphacta on pork by UV- C irradiation

Meat Science 158, DOI: https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2019.107909

Reichel, J., Kehrenberg, C., Krischek, C. (2020):

UV-C irradiation of rolled fillets of ham inoculated with Yersinia enterocolitica and Brochothrix thermosphacta

Foods 9 (5), DOI: https://doi.org/10.3390/foods9050552

Teilergebnisse der Dissertation wurden außerdem im Rahmen nachfolgender Veranstaltungen präsentiert:

Reichel, J., Kehrenberg, C., Krischek, C. (2018):

Einfluss der Behandlung mit UV-C-Licht auf physikochemische, sensorische und mikrobiologische Veränderungen von Frischfleisch und Rohwürsten – Material und Methoden

Vortrag am 18.07.2018 im Rahmen des Doktorandenseminars am Institut für Lebensmittelqualität und –sicherheit der Tierärztlichen Hochschule Hannover

Reichel, J., Kehrenberg, C., Krischek, C. (2019):

Inaktivierung von Yersinia enterocolitica und Brochothrix thermosphacta auf Schweinefleisch durch UV-C-Behandlung

Vortrag am 27.09.2019 im Rahmen der 60. Arbeitstagung des Arbeitsgebietes

„Lebensmittelhygiene“ der DVG e.V., Garmisch-Partenkirchen vom 24.09. bis 27.09.2019

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ... 5

2. Literaturübersicht ... 8

2.1 UV-Licht ... 8

2.1.1 Historie ... 9

2.1.2 UV-Licht-Erzeugung und Strahlungsquellen ... 10

2.1.3 Mikrobielle Inaktivierung durch UV-C-Licht ... 12

2.1.4 Reparaturmechanismen der Mikroorganismen ... 14

2.1.5 Rechtliche Lage zur Verwendung von UV-Licht ... 16

2.1.6 Anwendung auf Fleisch und Fleischerzeugnisse ... 17

2.2 In der Studie verwendete Mikroorganismen ... 19

2.2.1 Yersinia enterocolitica ... 19

2.2.2 Brochothrix thermosphacta ... 20

2.3 Zielsetzung der Studie ... 20

3. Material und Methoden ... 22

3.1 Bakterien ... 22

3.2 UV-Equipment ... 22

3.3 Versuchsdurchführung ... 23

3.3.1 Versuch 1: In-vitro-Inaktivierungskinetik und -Photoreaktivierung ... 23

3.3.2 Versuch 2: Inaktivierungskinetik auf Schweinefleisch und Lachsschinken 24 3.3.3 Versuch 3: Lagerungsversuch ... 24

3.3.4 Versuch 4: Photoreaktivierung auf Schweinefleisch und Lachsschinken . 26 3.4 Mikrobiologische Untersuchung ... 26

3.5 Physikochemische Untersuchung ... 27

3.6 Statistik ... 31

4. Manuskripte ... 33

4.1 Manuskript 1 ... 33

4.2 Manuskript 2 ... 35

5. Zusammenfassung der Ergebnisse und übergreifende Diskussion ... 37

5.1 Einfluss der Bakterienspezies ... 37

5.2 Einfluss der UV-C-Dosis auf die Reduktion der Keimgehalte ... 41

5.3 Einfluss der initialen Bakterienkonzentration auf die Reduktion der Keimgehalte ... 44

5.4 Einfluss der Lagerung auf die Reduktion der Keimgehalte ... 45

5.5 Einfluss der Oberfläche und der Zusammensetzung des Lebensmittels auf die Reduktion der Keimgehalte ... 49

5.6 Physikalisch-chemische Untersuchungen der UV-behandelten Produkte ... 52

6. Schlussfolgerung ... 55

7. Ausblick ... 56

8. Zusammenfassung ... 57

9. Summary ... 60

10. Literaturverzeichnis ... 62

10.1 Rechtstexte und Verordnungen ... 69

11. Anhang ... 71

11.1 Tabellenverzeichnis ... 71

11.2 Abbildungsverzeichnis ... 71

12. Danksagung ... 72

Abkürzungsverzeichnis

°C Grad Celsius

6-4 PP Pyrimidin 6-4 Pyrimidon Photoprodukt a*-Wert Rotwert

Abb. Abbildung

ABTS 2,2‘-Azino-di(3-ethylbenzthiazolin-6-sulfonsäure) aw-Wert Wasseraktivität eines Lebensmittels

b*-Wert Gelbwert

B. Brochothrix

C Kohlenstoffatom

C. Campylobacter

CC Cytosine

CFR Code of Federal Regulations

CT Cytosin und Thymin

cfu Colony forming units cm² Quadratzentimeter CO2 Kohlenstoffdioxid

CPD Cyclobutan-Pyrimidin-Dimer DNA Desoxyribonukleinsäure

E. Escherichia

EFSA European Food Safety Authority

EHEC enterohämmoragische Escherichia coli

g Gramm

GKZ Gesamtkeimzahl

ISO International Organization for Standardization KbE Kolonie bildende Einheiten

L*-Wert Helligkeitswert

L. Listeria

LM Musculus longissmus thoracis et lumborum LMBestrV Lebensmittelbestrahlungsverordnung log10 Dekadischer Logarithmus

Mb Myoglobin

mJ Millijoule

ml Milliliter

MRSA Methicillin-resistente Staphylococcus aureus

mW Milliwatt

n Anzahl

N2 Stickstoff

NaCl Natriumchlorid

nm Nanometer

O2 Sauerstoff

P. Pseudomonas

p.m. post mortem

RNA Ribonukleinsäure

S. Salmonella

SP Sporen-Photoprodukt

spp. Species

Tab. Tabelle

TC Thymin und Cytosin

TT Thymine

UV Ultraviolett

VO Verordnung

Y. Yersinia

5

1. Einleitung

In den letzten Jahren ist der Verzehr von Fleisch und Fleischerzeugnissen angestiegen (GODFRAY et al. 2018). Bei den angebotenen Produkten sind eine lange Haltbarkeit, gute Qualität und vor allem eine mikrobiologische Sicherheit unerlässlich. Obwohl bereits viele Maßnahmen zur hygienischen Verarbeitung von Fleisch vorgeschrieben sind, kann es während des Produktionsprozesses dennoch zu bakteriellen Kontaminationen kommen (LAUKKANEN-NINIOS et al. 2014). Eine Möglichkeit, um die mikrobielle Kontamination von Fleisch und Fleischerzeugnissen zu verringern, ist eine Behandlung mit UV-C-Licht. Im Gegensatz zu anderen Haltbarmachungsverfahren ist der Einsatz von UV-C-Licht relativ kostengünstig und es werden keine möglicherweise unerwünschten Zusatzstoffe benötigt.

Gemäß Lebensmittelbestrahlungsverordnung (LMBestrV) darf UV-C-Strahlung in Deutschland bereits für die Behandlung von Trinkwasser, Oberflächen von Obst und Gemüse sowie Käse während der Lagerung angewandt werden. Eine indirekte Exposition von Lebensmitteln bei der Desinfektion von Luft ist ebenfalls erlaubt.

Jedoch gibt es noch keine Zulassung zur direkten Entkeimung von Fleisch und Fleischerzeugnissen.

Bei der UV-Strahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 bis 400 nm. Das UV-Spektrum wird weiter unterteilt in UV-A (320-400 nm), UV-B (280-320 nm), UV-C (200-280 nm) und Vakuum-UV (100- 200 nm). Generell hat UV-Strahlung einen keimtötenden Effekt, jedoch zeigt Strahlung im UV-C-Bereich die größte Wirkung (KOUTCHMA et al. 2009).

Das UV-C-Licht schädigt vor allem die DNA der Bakterien. Es bilden sich primäre Photoprodukte wie Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere sowie Pyrimidin 6-4 Pyrimidon Photoprodukte (GAYÁN et al. 2014). Durch derartige Veränderungen der DNA kann es zu Mutationen kommen, die dazu führen, dass die Bakterien sich nicht mehr reproduzieren können. Letztendlich führt dies zum Tod der Zelle. Die Bakterien können der Strahlung allerdings auch durch bestimmte Reparaturmechanismen entgegenwirken. Die Photoreaktivierung ist dabei der effektivste und schnellste Mechanismus. Das Enzym Photolyase wird dabei durch sichtbares Licht im

6

blauen/violetten Bereich aktiviert und repariert die Schäden der DNA, ohne Teile dieser herausschneiden zu müssen. Im Dunkeln findet diese Aktivierung des Mechanismus allerdings nicht statt. Die Dunkelreparatur hingegen benötigt kein Licht. Sie ist aber auch weniger effektiv, da Teile der DNA zunächst herausgeschnitten werden müssen und dann erst ersetzt werden können (RASTOGI et al. 2010).

Die Bestrahlung von Fleisch verschiedener Tierarten mit UV-C-Licht hat sich schon in verschiedenen Studien als wirkungsvolle Methode zur Haltbarmachung erwiesen (WONG et al. 1998; CHUN et al. 2010; LÁZARO et al. 2014). Jedoch gibt es nur wenige Publikationen über mögliche Qualitätsveränderungen, die durch das UV-C- Licht hervorgerufen werden können. Allgemein kann UV-C-Licht durch photochemische Reaktionen oxidative Veränderungen hervorrufen, sodass es zu Farbveränderungen kommen kann oder die Protein- und Fettoxidation beeinflusst wird (KOUTCHMA et al. 2009). Weiterhin gibt es kaum Studien, in denen die Wirkung der UV-Bestrahlung auf Fleischerzeugnisse untersucht wurde. Dies ist interessant, da beispielsweise die im Produkt vorhandenen Zusatzstoffe sowie eine andere Oberflächenstruktur die Wirkung des UV-C-Lichts beeinflussen könnten.

Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Studie Schweinefleisch und Lachsschinken mit den Bakterien Yersinia (Y.) enterocolitica und Brochothrix (B.) thermosphacta inokuliert und anschließend mit UV-C-Licht behandelt. Y. enterocolitica wurde ausgewählt, da er Verursacher der Yersiniose, einer bakteriell-verursachten Magen-Darm-Erkrankung, ist und oft durch den Verzehr von Schweinefleisch übertragen wird. B. thermosphacta wurde in der Studie verwendet, da dieser als Verderbniserreger häufig auf Fleisch und Fleischerzeugnissen nachzuweisen ist und ein durch diesen Erreger bedingter Verderb des Produktes sich unter anderem in Farb- und Geruchsveränderungen äußert (CASABURI et al. 2015).

Ziel der vorliegenden Studie war es, mikrobielle und physikalisch-chemische Veränderungen von UV-C-bestrahltem Schweinefleisch und Lachsschinken sowohl direkt nach der Behandlung, als auch nach einer mehrtägigen, gekühlten Lagerung zu bestimmen. So sollten geeignete UV-C-Dosen gefunden werden, die eine erfolgreiche Keimreduktion und ein geringeres Keimwachstum während des Zeitraums bis zum

7 Erreichen des Mindesthaltbarkeitsdatums bewirken und dabei gleichzeitig mit wenigen bis gar keinen Qualitätsveränderungen einhergehen.

8

2. Literaturübersicht

2.1 UV-Licht

UV-Licht bezeichnet die elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 400 nm. Diese Bezeichnung beruht auf der Tatsache, dass sich der Strahlungsbereich direkt an den violetten Bereich des sichtbaren Lichtes anschließt.

Das UV-Spektrum wird wiederum in vier verschiedene Bereiche unterteilt: das langwellige UV-A (320-400 nm), das mittelwellige UV-B (280-320 nm), das kurzwellige UV-C (200-280 nm) und das Vakuum-UV (100-200 nm) (Abb. 1). Jeder dieser Bereiche hat unterschiedliche Funktionen und Anwendungsbereiche, welche auf die jeweilige Wellenlänge zurückzuführen sind. Beispielsweise ruft UV-A eine Pigmentierung der Haut hervor; UV-B kann Sonnenbrand und Hautkrebs verursachen und der UV-C-Bereich gilt als der keimtötende Bereich. Vakuum-UV wird von fast allen Substanzen absorbiert und kann daher nur im Vakuum übertragen werden. Auch UV- C wird in der Luft innerhalb von einigen hundert Metern fast komplett absorbiert. Daher tritt die UV-C-Strahlung unter natürlichen Umständen nicht weiträumig auf (KOUTCHMA et al. 2009).

Abbildung 1: Einteilung des elektromagnetischen Spektrums sowie zugehörige Wellenlänge.

9 2.1.1 Historie

UV-Licht wurde im Jahr 1801 vom deutschen Physiker Johann Wilhelm Ritter entdeckt (HOCKBERGER 2002). Die Entdeckung des antimikrobiellen Effekts folgte erst einige Jahre später.

Im Jahr 1877 entdeckten Downes und Blunt, dass das Sonnenlicht mikrobielles Wachstum verhindern kann. Später zeigten sie, dass die Fähigkeit von Licht zur Inaktivierung von Mikroorganismen von der Dosis und der Wellenlänge der Strahlung abhängig ist. Dabei stellten sie ferner fest, dass die kürzeren Wellenlängen des Lichtspektrums zu einer effektiveren Abtötung führen (DOWNES u. BLUNT 1877). Für die praktische Anwendung des UV-Lichts erforderte es die Entwicklung von Quecksilberdampflampen als UV-Quelle im Jahr 1901. Weiterhin wurde 1905 Quarz als ideales Material für den Lampenbau entdeckt, da es eines der wenigen Materialien ist, welches einen hohen Transmissionsgrad für UV-C-Strahlung aufweist (WRIGHT u.

CAIRNS 1998). Viele andere Materialien absorbieren diesen Teil des Lichtspektrums.

Henri und Henri zeigten 1914 zum ersten Mal den mutagenen Effekt von UV- Strahlung. Sie stellten eine Modifikation des Metabolismus von Bacillus anthracis nach deren Exposition mit UV-Licht fest (REED 2010).

1930 beschrieb Gates in einer Studie, dass Wellenlängen zwischen 260 und 270 nm die effektivste antibakterielle Wirkung zeigten. Diese Wellenlängen lagen bereits sehr nahe an der Leistung der keimtötenden Niederdruck-Quecksilberlampen. Er stellte fest, dass dieses Spektrum dem maximalen Absorptionsspektrum der Nukleinsäure entspricht. Dies war ein weiteres Indiz dafür, dass Veränderungen der Nukleinsäure für den Zelltod durch UV-Bestrahlung verantwortlich sind und nicht, wie zuvor angenommen, eine Schädigung von Proteinen (GATES 1930).

Im Jahr 1960 wurde schließlich gezeigt, dass UV-C-Licht zur Bildung von Dimeren benachbarter Pyrimidine in der DNA führen kann (REED 2010). In den kommenden Jahren wurden weitere Wirkmechanismen in Bezug auf die DNA- und Zellschädigung von UV-Licht entdeckt.

Seit vielen Jahren wird UV-C-Licht schon zur Trinkwasseraufbereitung angewendet.

Bereits 1910 wurde es zum ersten Mal zur Desinfektion von Trinkwasser in Marseille, Frankreich eingesetzt (WRIGHT u. CAIRNS 1998). Inzwischen sind UV-

10

Wasserraufbereitungssysteme in Europa und Nordamerika weit verbreitet. Der Vorteil liegt dabei im nicht-invasiven Verfahren, bei dem keinerlei desinfizierende Stoffe wie Chlor oder Ozon dem Wasser hinzugegeben werden müssen.

Auch im medizinischen Sektor spielt UV-C-Bestrahlung zur Oberflächen- und Luftdesinfektion eine wichtige Rolle.

Seit einigen Jahren findet die Anwendung von UV-C-Licht vermehrten Einzug in den Lebensmittelsektor zur Desinfektion von Oberflächen in Lebensmittelunternehmen.

Ein stetig wachsender Anwendungsbereich ist dabei zusätzlich die Verwendung zur Keimverringerung in und auf Lebensmitteln selbst, wie z.B. Fleisch, Fisch, Obst, Gemüse und Milch. Die Behandlung von bestimmten Lebensmitteln mit UV-C-Licht ist rechtlich jedoch länderspezifisch geregelt.

2.1.2 UV-Licht-Erzeugung und Strahlungsquellen

Generell wird Licht von Atomen und Ionen emittiert, wenn diese von einem hohen in einen niedrigen Energiezustand wechseln. Jedes Atom besteht aus einem Kern, welcher sich aus Protonen und Neutronen zusammensetzt. Um diesen Kern befinden sich in bestimmten regelmäßigen Abständen Elektronen. Jedes Atom besitzt einen charakteristischen Aufbau und eine charakteristische Anzahl an Protonen, Neutronen und Elektronen. Eine genaue Auflistung lässt sich dem Periodensystem der Elemente entnehmen. Je weiter ein Elektron vom Atomkern entfernt ist, desto höher ist sein Energiezustand. Je nach Besetzung der Elektronenorbitale ergeben sich bei Vollbesetzung stabilere und bei Einzelbesetzung weniger stabile Atome. So können unterschiedliche Elemente verschiedene Lichtspektren emittieren. Unter bestimmten Umständen ist die Differenz der Energielevel der Atome oder Ionen in einem Bereich, dass die freiwerdende Energie im Bereich des UV-Lichtspektrums liegt (HAKEN u.

WOLF 1996; KOUTCHMA et al. 2009).

Für die praktische Anwendung von UV-C-Licht zur Haltbarmachung von Lebensmitteln sind künstliche UV-Quellen notwendig. Die häufigsten UV-Quellen sind Niedrig- und Mitteldruck-Quecksilberdampflampen. Niedrigdrucklampen emittieren quasi- monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm (85 % der gesamten Emission) nahe dem Maximum der DNA-Absorption. Mitteldrucklampen emittieren

11 hingegen ein polychromatisches Spektrum mit Wellenlängen von 200 bis 600 nm, mit nur 15-23 % der Emission bei 253,7 nm (KOWALSKI 2009).

Eine typische UV-Lampe ist röhrenförmig und besteht aus Quarzglas. Das Rohr ist mit einer kleinen Menge Quecksilber und einem Inertgas, üblicherweise Argon, gefüllt. Die Elektroden sind für gewöhnlich aus Wolfram. Neben der Kathode und Anode im Lampenrohr werden zusätzlich ein Starter und eine Drossel zur Erzeugung der Zündspannung benötigt (WRIGHT u. CAIRNS 1998) (Abb. 2). Bei ausgeschalteter Gasentladelampe sind die Atome in der Gasröhre neutral geladen. Dies ändert sich auch nicht, sobald ein Potential in Form einer Betriebsspannung an Kathode und Anode angelegt wird. Zur Erzeugung von Strahlung wird ein Startimpuls benötigt. Das Gas muss leitend werden, was durch eine hohe Spannung durch ein Zusammenspiel zwischen Drossel und Starter realisiert wird. Dazu erhitzt sich eine Glimmlampe im Starter, welche parallel zur Röhre geschaltet ist. Ein zunächst offener Bimetallschalter wird nach kurzer Zeit thermisch geschlossen. Es werden nun Elektronen an den Elektroden emittiert. Gleichzeitig lädt sich die Drossel -in Form einer Spule- auf und generiert ein magnetisches Feld. Nachdem sich der Bimetallschalter abgekühlt hat, erleuchtet die Glimmlampe erneut und die Spule induziert sich selbst eine hohe Spannung, was wiederum zur Beschleunigung der Elektronen im Rohr führt. Letztlich entsteht eine erste Ionisierung durch das Anlegen dieser Zündhochspannung (VOGG 2008; KOWALSKI 2009). Sind die freiwerdenden Elektronen im elektrischen Feld zwischen den Elektroden ausreichend beschleunigt, gibt es Zusammenstöße zwischen den beschleunigten Elektronen und neutralen Gasatomen (Stoßionisation).

Dadurch wird das Atom ionisiert, indem ein oder mehrere Elektronen aus der Atomschale herausgeschlagen werden und ein positiv geladenes Atom bzw. Kation übrigbleibt. Die positiv geladenen Kationen bewegen sich langsam in Richtung der negativ geladenen Elektrode; die freigesetzten Elektronen zur positiv geladenen Elektrode (WRIGHT u. CAIRNS 1998; KOWALSKI 2009).

Im Verlauf dieser Bewegung entstehen weitere Stoßionisationen und außerdem werden Atome angeregt, wenn durch den Zusammenstoß Elektronen der Atomschale von einem Zustand niedriger Energie in einen Zustand höherer Energie angehoben werden. Sobald Elektronen ihre Orbitale vom angeregten (höheren Energiezustand)

12

auf einen niedrigeren wechseln, wird eine bestimmte Menge an Energie in Form von Photonen freigesetzt. Bei der zumeist spontan erfolgenden Rückkehr des Elektrons in den Grundzustand wird diese Energiedifferenz als Strahlung emittiert (Rekombination). Die genaue Wellenlänge ist dabei vom Energiegehalt des Photons und u.a. vom Atom abhängig. Die Wellenlänge lässt sich über die Planck’sche Konstante, die Lichtgeschwindigkeit und die Energie des Photons und mithin abhängig vom Atomaufbau und Anregungszustand berechnen. Im Fall der Quecksilberdampflampe wird letztendlich UV-Licht mit einer Wellenlänge 253,7 nm von der Lampe emittiert. Das zumeist eingesetzte Argon sorgt dafür, dass das Starten der Lampe erleichtert, die Lebensdauer der Elektroden verlängert und der Wärmeverlust verringert wird (KIEFER 1977; KOUTCHMA 2009).

Abbildung 2: Schematische Darstellung zur Funktionsweise einer UV- Quecksilberdampflampe.

2.1.3 Mikrobielle Inaktivierung durch UV-C-Licht

Bei der Inaktivierung von Mikroorganismen durch UV-C-Bestrahlung stellt die DNA das primäre Bestrahlungsziel dar. Die spezifischen Schäden, welche in der DNA auftreten, sind abhängig von der Lichtwellenlänge im UV-Spektrum. Der Wellenlängenbereich

13 des UV-C-Lichts entspricht dem maximalen Absorptionsspektrum der DNA und ruft daher den größten Schaden hervor.

Durch die Absorption der Photonen des UV-C-Lichts von den Pyrimidin- und Purin- Basen entstehen Photoprodukte. Dabei absorbieren die Pyrimidin-Basen ungefähr 10- Mal mehr UV-C-Photonen als Purin-Basen. Daher sind Photoprodukte, welche von den Pyrimidinen abgeleitet sind, am häufigsten zu beobachten (KOWALSKI 2009).

Zu den primären und wichtigsten Schädigungen der DNA zählen die Cyclobutan- Pyrimidin-Dimere (CPD) sowie Pyrimidin 6-4 Pyrimidon Photoprodukte (6-4 PP). Dabei treten die CPD am häufigsten auf, während 6-4 PP nur ca. 25 % des durch UV-Licht verursachten DNA Schadens ausmachen. Das 6-4 PP ist jedoch der größere Letalitätsfaktor, da dieser Schaden weniger effizient repariert werden kann (KOEHLER et al. 1996).

Die genannten DNA-Läsionen verursachen strukturelle Veränderungen in den DNA- Molekülen, die die physiologische RNA-Transkription und DNA-Replikation inhibieren.

Dies führt zu Mutationen, einer gehemmten Reproduktionsrate und letztendlich zum Zelltod (FRIEDBERG et al. 2006).

CPD entstehen, wenn eines von zwei benachbarten Pyrimidinen ein Photon absorbiert, was die Formation einer zyklischen Verbindung zwischen den Pyrimidinen induziert (Abb. 3 a). An dieser Reaktion sind die Kohlenstoffatome (C) 5 und 6 der jeweiligen Pyrimidine beteiligt. CPD werden zwischen Thyminen (TT), Cytosinen (CC) oder Cytosin und Thymin (CT oder TC) gebildet (RASTOGI et al. 2010).

Bei den 6-4 PP läuft ein ähnlicher Prozess ab, es kommt aber zu keiner Ringformation.

Hier entsteht eine kovalente Verbindung zwischen dem C6 der einen und dem C4 der anderen Pyrimidin-Base (Abb. 3 c). Die Bildung von 6-4 PP ist am häufigsten mit CC und TC zu beobachten, während TT- oder CT-Sequenzen weniger oft festzustellen sind (RASTOGI et al. 2010).

Eine weitere relevante, durch UV-C-Licht verursachte Läsion der DNA ist das Sporen- Photoprodukt (SP). Dieses tritt jedoch -wie im Terminus impliziert- nur bei Sporen auf, macht dort aber den größten Anteil des Schadens aus. SP entstehen, wenn sich die Methyl-Gruppe eines der benachbarten Thymin-Moleküle mit dem C5 des anderen Thymins verbindet (Abb. 3 b). Sie haben eine deutlich geringere letale Wirkung als

14

CPD und 6-4 PP, da sie innerhalb von kurzer Zeit effizient repariert werden können.

Dies könnte die höhere UV-C-Resistenz von Sporen im Vergleich zu vegetativen Bakterienzellen erklären (SETLOW 2001).

Abbildung 3: Primäre DNA-Photoprodukte nach UV-C-Bestrahlung: a. Cyclobutan- Pyrimidin-Dimer (CPD) b. Sporen-Photoprodukt (SP) c. Pyrimidin 6-4 Pyrimidon Photoprodukt (6-4 PP) (modifiziert nach GAYÁN et al. 2014).

2.1.4 Reparaturmechanismen der Mikroorganismen

Die Mikroorganismen können sich vor einer potentiellen Schädigung durch UV-C- Strahlung durch speziell entwickelte Reparaturmechanismen schützen. Der schnellste und effizienteste Mechanismus ist die Photoreaktivierung.

15 Die Photoreaktivierung ist primär durch die Katalyse des Enzyms Photolyase bedingt.

Dieses Enzym kann die Verbindungen zwischen den Pyrimidinen, welche durch die UV-C-Strahlung entstehen, wieder lösen. Um die Photolyase zu aktivieren, ist allerdings sichtbares Licht im violetten/blauen Bereich (350-500 nm) notwendig (SANCAR 2000).

Die Photolyase ist ein Flavin-abhängiges Reparatur-Enzym. Es besteht aus einem katalytischen Kofaktor und einem Licht-aufnehmenden Kofaktor. Bekannte Licht- aufnehmende Kofaktoren sind 5,10-Methenyltetrahydrofolat (MTHF), 8-Hydroxy-5- Desazariboflavin (8-HDF) und das Flavin-Mononukleotid (FMN). Diese absorbieren Lichtenergie und geben sie an ein reduziertes Flavin-Adenin-Dinukleotid (FADH^-), den katalytischen Kofaktor, ab. Dadurch kommt es zu einem Elektronentransfer von dem katalytischen Kofaktor auf den im aktiven Zentrum des Enzyms gebundenen CPD, sodass ein Pyrimidin-Dimer-Anion entsteht. Das Dimer-Anion lagert sich spontan um und der Cyclobutan-Ring zwischen den beiden Pyrimidinen wird gespalten. Das Elektron wird anschließend wieder auf das Flavin-Molekül übertragen (RASTOGI et al.

2010) (Abb. 4).

Abbildung 4: Schematische Darstellung der DNA-Reparatur durch Photoreaktivierung (modifiziert nach RASTOGI et al. 2010).

16

Die Photoreaktivierung gehört zu den Reparaturmechanismen, die bereits vor der DNA-Replikation stattfinden können. Andere Reparaturmechanismen wie die sogenannte Dunkelreparatur laufen während der DNA-Replikation ab. Sie benötigen kein zusätzliches sichtbares Licht, weisen jedoch nicht die gleiche Effektivität wie die Photoreaktivierung auf.

Die Dunkelreparatur gehört zu den Exzision-Reparaturmechanismen. Dabei wird der Schaden aus dem DNA-Strang herausgeschnitten und in die entstandene Lücke werden mit Hilfe der DNA-Polymerase I neue Nukleotide eingesetzt. Der gegenüberliegende Teil des DNA-Strangs dient dazu als Vorlage (GAYÁN et al. 2014).

2.1.5 Rechtliche Lage zur Verwendung von UV-Licht

Die gesetzliche Lage zur Behandlung von Lebensmitteln mit Strahlung (Elektronen, Gamma- und Röntgenstrahlen, Neutronen oder ultraviolette Strahlen) lässt sich zunächst in deutsches bzw. nationales, europäisches sowie internationales Recht unterteilen.

Die wesentlichen EU-Richtlinien stellen die Richtlinie 1999/2/EG sowie 1999/3/EG dar, welche die Rechtsvorschriften für die Bestrahlung von Lebensmitteln bestimmen. In den EU-Ländern ist es jedoch unterschiedlich geregelt, welche bestrahlten Lebensmittel zugelassen sind. So dürfen in den Niederlanden beispielsweise Froschschenkel, Hülsenfrüchte und Eierzeugnisse mit ionisierender Strahlung behandelt werden (2009/C283/02), während es in Deutschland nur für getrocknete aromatische Kräuter und Gewürze erlaubt ist. Gemäß §54 Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuch (LFGB) dürfen jedoch auch Lebensmittel aus anderen EU- Ländern, die nicht den in Deutschland geltenden Vorschriften entsprechen, in den Verkehr gebracht werden. Einen Antrag auf eine solche Allgemeinverfügung muss von demjenigen gestellt werden, der als Erster die Erzeugnisse in das Inland zu verbringen beabsichtigt. Nach Prüfung des Antrags kann eine Allgemeinverfügung vom Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit mit Einvernehmen des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle erlassen werden. Zurzeit gibt es eine solche Allgemeinverfügung nur für bestrahlte tiefgefrorene Froschschenkel.

17 UV-C-Strahlung darf in Deutschland gemäß §1 IV Nr.1-3 LMBestrV für die Desinfektion von Trinkwasser, Oberflächen von Obst und Gemüse sowie Käse während der Lagerung angewandt werden. Eine indirekte Exposition von Lebensmitteln bei der Desinfektion von Luft ist ebenfalls erlaubt.

Bezüglich der Bestrahlung von Fleisch gilt in der EU gemäß Artikel 45 der Durchführungsverordnung 2019/627, dass der amtliche Tierarzt frisches Fleisch für genussuntauglich erklären muss, wenn es unzulässigerweise mit ionisierender Strahlung -einschließlich UV-Strahlung- behandelt wurde.

Um Lebensmittel im Herstellungsprozess mit UV-C-Strahlung behandeln zu dürfen, muss zunächst eine Zulassung als neuartiges Lebensmittel im Rahmen der Novel- Food-Verordnung (VO EU 2015/2283) erwirkt werden. Die Behandlung mit UV-C-Licht fällt dabei unter Art. 3 II lit. a Nr. 7 VO EU 2015/2283. Gemäß Art. 3 wird ein Lebensmittel als neuartiges Lebensmittel eingestuft, wenn bei der Herstellung ein vor dem 15. Mai 1997 in der Union für die Herstellung von Lebensmitteln nicht übliches Verfahren angewandt worden ist, das bedeutende Veränderungen der Zusammensetzung oder Struktur eines Lebensmittels bewirkt, die seinen Nährwert, seine Verstoffwechselung oder seinen Gehalt an unerwünschten Stoffen beeinflussen.

Solche neuartigen Lebensmittel, wie z.B. UV-behandelte Pilze, sind in der Unionsliste neuartiger Lebensmittel zu finden (Anhang der Durchführungsverordnung 2017/2470).

In den USA darf eine UV-C-Bestrahlung bereits bei Lebensmitteln zum Einsatz kommen, wenn dabei bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden (21CFR179.39).

Diese Vorrausetzungen sind zum Beispiel, dass die Bestrahlung nicht mit einer Produktion von Ozon einhergeht und eine bestimmte Strahlungsintensität eingehalten wird.

2.1.6 Anwendung auf Fleisch und Fleischerzeugnisse

Es existieren bereits einige Studien, die den Effekt einer UV-C-Bestrahlung auf Fleisch und Fleischerzeugnisse vor allem in Bezug auf die mikrobielle Reduktion, aber auch auf Produktveränderungen analysierten. Die verwendeten UV-C-Dosen und erreichten mikrobiellen Reduktionen variieren dabei.

18

ISOHANNI u. LYHS (2009) reduzierten Campylobacter (C.) jejuni auf Hähnchenfleisch um 0,8 log10 KbE/g mit einer UV-C-Dosis von 32,9 mJ/cm². CHUN et al. (2010) erreichten auf Hähnchenfleisch Reduktionen von Listeria (L.) monocytogenes und Salmonella (S.) Typhimurium um bis zu 1,29 bzw. 1,19 log10 KbE/g nach einer Bestrahlung mit 5 kJ/m², während LÁZARO et al. (2014) die Anzahl an Salmonella spp.

auf Hähnchenfleisch mit 234 mJ/cm² um bis zu 0,57 log10 KbE/g verringerten.

Auf Schweinefleisch reduzierten WONG et al. (1998) Escherichia (E.) coli und S. Senftenberg um 1,5 bis 2,0 log10 KbE/g mit einer Dosis von bis zu 200 mJ/cm². Mit 2000-4000 mJ/cm² verringerten SOMMERS et al. (2010a) Salmonella spp., L. monocytogenes und Staphylococcus aureus zwischen 0,4 und 0,6 log10-Stufen.

Über den Einfluss der UV-C-Behandlung auf Fleischerzeugnisse gibt es nur sehr wenige veröffentlichte Studien. Auf Frankfurter Würstchen konnten SOMMERS et al.

(2010b) Reduktionen von 1,53 bis 1,64 log10 KbE/g erreichen. CHUN et al. (2009) bestrahlten Schinken mit 800 mJ/cm² und verringerten die Anzahl an L. monocytogenes, S. Typhimurium und C. jejuni um 2,74, 2,02 und 1,72 log10 KbE/g.

Neben signifikanten Reduktionen der mikrobiellen Kontamination von Fleisch und Fleischerzeugnissen konnte in Lagerungsversuchen zusätzlich eine verlängerte Haltbarkeit nach einer UV-C-Behandlung festgestellt werden (CHUN et al. 2010;

LÁZARO et al. 2014).

Bezüglich der Qualitätsveränderungen wurde vor allem der Einfluss von UV-C-Licht auf die Farbe von Fleisch untersucht. In einigen Studien konnten zwar signifikante Farbveränderungen messtechnisch festgestellt werden, jedoch waren diese Veränderungen so gering, dass eine sensorische Veränderung des Aussehens und damit die Qualität nicht ausschlaggebend beeinflusst wurden (CHUN et al. 2010;

HAUGHTON et al. 2011; LÁZARO et al. 2014).

Bezüglich des Einflusses von UV-C-Licht auf den pH-Wert von Fleisch konnte gezeigt werden, dass es je nach Dosis zu geringeren Erhöhungen des pH-Wertes während der Lagerung kommt, was durch die niedrigere bakterielle Belastung des Fleisches und damit eine geringere Produktion von Substanzen, die den pH-Wert beeinflussen können, bedingt sein könnte (CHUN et al. 2010). LÁZARO et al. (2014) konnten weiterhin keinen Einfluss einer UV-C-Bestrahlung auf die Bildung von biogenen

19 Aminen in Hähnchenfleisch, die auch bakteriell bedingt sein kann, feststellen.

Oxidative Veränderungen durch UV-C-Licht wie beispielsweise eine vermehrte Bildung von Thiobarbitursäure-reaktive Substanzen scheinen erst bei dem Einsatz von sehr hohen Dosen aufzutreten (PARK u. HA 2015).

MCLEOD et al. (2018) berichten über sensorische Veränderungen durch UV-C-Licht.

Nach der Behandlung stellten sie Abweichungen in Geruch und Geschmack von Hähnchenfleisch fest.

2.2 In der Studie verwendete Mikroorganismen 2.2.1 Yersinia enterocolitica

Y. enterocolitica gehört zur Gattung Yersinia und damit zur Familie der Enterobacteriaceae. Bei dem Erreger handelt es sich um gramnegative, fakultativ anaerobe Stäbchen. Er ist psychrotroph und kann in einem Temperaturbereich von 4 bis 43 °C wachsen, wobei der optimale Wachstumsbereich zwischen 25 und 30 °C liegt. Y. enterocolitica wird in 70 Serovare sowie in die Biovare 1 bis 5 unterteilt. Die Serovare differenzieren sich durch ihre unterschiedlichen O- und H-Antigene während die Biovare unterschiedliche biochemische Merkmale besitzen. In Europa sind vor allem Vertreter der Serovare O:3 (Biovar 4), O:9 (Biovar 2) sowie O:5,27 (Biovar 3) bedeutsam (KRÄMER u. PRANGE 2016).

Y. enterocolitica zählt zu den zoonotischen Erregern und ist Auslöser der Yersiniose, einer meist lebensmittelbedingten Erkrankung. Klinisch ist häufig eine milde Gastroenteritis zu beobachten, es kann jedoch auch zur Ileitis terminalis oder mesenterialen Lymphadenitis kommen (DESTRO u. RIBEIRO 2014). Nach der Campylobacteriose und der Salmonellose zählt die Yersiniose zu der dritthäufigsten bakteriell bedingten Zoonose in Europa. Im Jahr 2017 wurden 6.823 Fälle gemeldet.

Zu den möglichen Infektionsquellen zählen Fleisch und Fleischerzeugnisse, Obst, Gemüse, Milch sowie Wasser (EFSA 2018).

Das Schwein spielt die größte Rolle in der zoonotischen Übertragung von Y. enterocolitica. Im Schwein persistieren die Erreger vor allem in den Tonsillen und im Kot. Durch Kontaminationen während der Fleischproduktion kann Y. enterocolitica

20

auch auf Schweinefleisch gelangen und so ein Risiko für den Verbraucher darstellen (VAN DAMME et al. 2015).

2.2.2 Brochothrix thermosphacta

B. thermosphacta ist ein grampositives, fakultativ anaerobes Stäbchenbakterium der Gattung Brochothrix, welche zur Familie der Listeriaceae gehört. Der optimale Wachstumsbereich für B. thermosphacta liegt bei 20-22 °C, aber auch bei kalten Temperaturen kann das Bakterium gut wachsen. Bei B. thermosphacta handelt es sich um einen Verderbniserreger, der häufig auf rohem Fleisch, aber auch auf geräucherten Fleischerzeugnissen sowie Fisch und Fischprodukten zu finden ist. Wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, kann B. thermosphacta der dominierende Verderbniserreger auf unter Schutzatmosphäre verpacktem Fleisch werden. Durch seine Toleranz von hohen Salzgehalten, niedrigen pH-Werten sowie seiner Fähigkeit auch bei Kühlschrank-Temperaturen zu wachsen, zeigt sich B. thermosphacta sehr widerstandsfähig. So kann er auch über lange Zeit in der Umwelt persistieren und während der Lebensmittelproduktion eine Kontaminationsgefahr darstellen (STANBOROUGH et al. 2017). Eine erfolgreiche Reduktion dieses Erregers kann zu einer verlängerten Produkthaltbarkeit führen.

2.3 Zielsetzung der Studie

Ziel dieser Studie war es, geeignete UV-C-Dosen zu finden, welche Y. enterocolitica und B. thermosphacta auf Schweinefleisch und Lachsschinken effektiv verringern können, ohne dabei Qualitätsveränderungen der Produkte hervorzurufen. Dafür wurde zunächst die Empfindlichkeit verschiedener Mikroorganismen auf UV-C-Strahlung in In-vitro-Versuchen getestet. Weiterhin sollte in-vitro das Potenzial von Y. enterocolitica und B. thermosphacta zur Photoreaktivierung analysiert werden.

Auf Schweinefleisch und Lachsschinken wurde der antimikrobielle Effekt des UV-C- Lichts zunächst nach direkter Analyse der Produkte nach der Bestrahlung mit verschiedenen UV-C-Dosen untersucht. Dabei wurden die Dosen ermittelt, die zu einer wirkungsvollen Reduktion der Erreger führten. Unter Anwendung dieser zuvor ermittelten Dosen wurden anschließend Lagerungsversuche durchgeführt. Dabei

21 wurden die Produkte Schweinefleisch und Lachsschinken nach 1, 7, und 14 Tagen gekühlter Lagerung unter Schutzatmosphäre analysiert. Parallel zur mikrobiologischen Untersuchung wurden bei den Versuchen mit dem Schweinefleisch die Parameter Farbe, pH-Wert, antioxidative Kapazität sowie Anteile der Myoglobin-Redoxformen und bei den Experimenten mit Lachsschinken die Parameter Farbe und antioxidative Kapazität analysiert, um auszuschließen, dass die Behandlung zu unerwünschten Qualitätsabweichungen führt.

Zusätzlich wurde die Fähigkeit der Mikroorganismen zur Photoreaktivierung nach der Bestrahlung von Schweinefleisch und Lachsschinken untersucht, um so den potenziellen Einfluss dieses Mechanismus während der Lagerung von UV-bestrahlten Lebensmitteln zu bestimmen.

22

3. Material und Methoden

3.1 Bakterien

Y. enterocolitica Feldisolat M52+2 (isoliert aus den Tonsillen eines Wildschweins), Pseudomonas (P.) fluorescens 63 A (isoliert aus Milch) und der Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) 02702-07 (isoliert aus dem Nasentupfer eines Hausschweins) stammten aus der Stammsammlung des Instituts für Lebensmittelqualität und - sicherheit der Tierärztlichen Hochschule Hannover.

Y. enterocolitica DSM 11503 (klinische Probe), B. thermosphacta DSM 20171 (isoliert aus frischer Schweinewurst) und S. Typhimurium DSM 19587 (isoliert aus dem Herz- und Lebergewebe eines 4 Wochen alten Huhns) wurden von der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ, Braunschweig, Deutschland) erworben. Der enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC) CB8601 (isoliert aus Rindfleisch) wurde von dem Bundesinstitut für Risikobewertung, Berlin zur Verfügung gestellt.

Zur Herstellung der Inokulationssuspension wurden Kolonien einer Übernachtkultur der jeweiligen Bakterienspezies in 4 ml einer 0,85 % NaCl-Lösung übertragen und mit einem Densimat (BioMérieux SA France IDN 013615, Craponne) auf einen 1,0 McFarland Trübungsstandard eingestellt (ungefähr 10⁸ KbE/ml).

3.2 UV-Equipment

Die UV-C-Bestrahlung der Proben wurde mit dem UV-Schrank H-NX-1/5 (Light Progress S.r.L., Anghiari, Italien) durchgeführt. Der Schrank ist mit fünf 40 W Niederdruck-Quecksilberlampen ausgestattet, welche jeweils eine Wellenlänge von 253,7 nm emittieren.

Die UV-Dosis (mJ/cm²) ist das Produkt aus der UV-Intensität (mW/cm²) und der Zeit in Sekunden. Zur Berechnung der UV-Dosis wurde deswegen bei allen Versuchen direkt neben den Versuchsproben die UV-Intensität mit dem Handheld HI 1 und dem UV- Sensor S 1 (UV-Technik Meyer GmbH, Ortenberg, Deutschland) gemessen.

23 Die UV-Lampen wurden 10 min vor jedem Experiment angeschaltet, um so eine konstante UV-Intensität zu garantieren. Die Proben wurden bei Raumtemperatur (ca.

22 °C) bestrahlt.

3.3 Versuchsdurchführung

3.3.1 Versuch 1: In-vitro-Inaktivierungskinetik und -Photoreaktivierung

Für die In-vitro-Inaktivierungskinetiken wurden 9 ml Bakteriensuspension der jeweiligen Spezies (Y. enterocolitica M52+2, Y. enterocolitica DSM 11503, B. thermosphacta DSM 20171, P. fluorescens 63 A, S. Typhimurium DSM 19587, MRSA 02702-07, EHEC CB8601) in einer Petrischale (90 mm Durchmesser) im UV- Schrank bestrahlt. Um auf eine Menge von 9 ml zu kommen, wurden mehrere Suspensionen (vorbereitet wie unter 3.1) gemischt und der McFarland Trübungsstandard wieder auf 1,0 eingestellt. Die Petrischale wurde 40 cm unter der UV-Lampe platziert. Die Proben wurden entweder mit 3,5, 7, 14, 21 oder 28 mJ/cm² bzw. für Y. enterocolitica DSM 11503 mit 0,04, 0,08, 0,12, 0,16, 0,2 oder 0,24 mJ/cm² bestrahlt. Da sich Y. enterocolitica DSM 11503 deutlich sensibler gegenüber der UV- C-Strahlung zeigte als die anderen in dieser Studie verwendeten Mikroorganismen, mussten geringere UV-Dosen gewählt werden, um eine Inaktivierungskinetik darzustellen. Für jede Dosis wurde eine neue Petrischale vorbereitet. Die Keimzahl der unbehandelten Probe (0 mJ/cm²) wurde ebenfalls bestimmt. Nach der Bestrahlung wurden Verdünnungsreihen auf Plate-Count-Agar (Oxoid, GmbH, Wesel, Deutschland) angelegt und bei 30 °C für 24 Stunden inkubiert. B. thermosphacta wurde für 48 Stunden bei 25 °C auf Columbia Agar mit Schafblut inkubiert, da der Keim kein gutes Wachstum auf Plate-Count-Agar zeigte.

Um den Effekt der Photoreaktiverung von Y. enterocolitica M52+2, Y. enterocolitica DSM 11503 und B. thermosphacta DSM 20171 in-vitro zu bestimmen, wurde der Keimgehalt der Proben sowohl direkt nach der Bestrahlung als auch nach einer Stunde Lichtexposition mit sichtbarem Licht analysiert.

24

3.3.2 Versuch 2: Inaktivierungskinetik auf Schweinefleisch und Lachsschinken Für die Inaktivierungsversuche wurden Schweinefleisch und Lachsschinken aus verschiedenen Chargen in einem lokalen Supermarkt erworben. Bei dem Schweinefleisch handelte es sich um Minutensteaks (Scheiben aus dem Musculi longissimi thoraces et lumborum), die unter Schutzatmosphäre verpackt waren. Die Lachsschinken-Proben waren ebenfalls unter Schutzatmosphäre verpackt. Eine Packung enthielt 100 g Scheiben des Lachsschinkens.

Bakteriensuspensionen von Y. enterocolitica M52+2 und B. thermosphacta DSM 20171 wurden wie in 3.1 vorbereitet. Für die Versuche mit einer geringeren Inokulationsmenge (nur bei Lachsschinken) wurde die Bakteriensuspension noch weiter verdünnt, sodass sie nur 10⁶ KbE/ml enthielt. Ein Volumen von 0,5 ml der Suspension (mit einer Konzentration von entweder 10⁸ oder 10⁶ KbE/ml) wurde auf die Probe aufgebracht und gleichmäßig mit einem Spatel (VWR International, Darmstadt, Deutschland) verteilt. Nach einer Einwirkzeit von 20 min wurden die Proben mit Dosen von 408, 2040, 4080 oder 6120 mJ/cm² bestrahlt. Diese Dosen haben sich in Vorversuchen als wirkungsvoll erwiesen. Direkt nach der Bestrahlung erfolgte die mikrobiologische Untersuchung der Proben.

3.3.3 Versuch 3: Lagerungsversuch Material

Für die Schweinefleisch-Versuche wurden fünf linke Musculi longissimi thoraces et lumborum (LM) weiblicher Tiere einer kommerziellen Schweinegenetik 24 h nach der Schlachtung vom Schlachthof Gramann Ahrberg, Pattensen erworben. Weitere drei LM wurden für die Lachsschinken-Versuche erworben und direkt zu Lachsschinken weiterverarbeitet.

Das Fleisch wurde zunächst von oberflächlichem Binde- und Fettgewebe befreit.

Danach wurden zur Charakterisierung des Fleisches Fleischstücke zwischen dem 13.

und 14. Wirbel herausgeschnitten und der pH-Wert, die Leitfähigkeit, der Tropfsaftverlust, der Kochverlust sowie die Scherkraft ermittelt. Vor diesen Messungen wurden Proben zur Bestimmung der Gesamtkeimzahl (GKZ) und der Anzahl an Enterobacteriacea, Yersinia spp. und Brochothrix spp. entnommen.

25 Zur Weiterverarbeitung zu Lachsschinken wurden die drei LM zunächst mit einem Salzgemisch aus 5 % Natriumchlorid und 0,025 % Natriumnitrit behandelt, vakuumverpackt und bei 4 °C gelagert. Nach 14 Tagen wurde das Fleisch aus der Verpackung entnommen und für weitere 4 Wochen bei 4 °C im Hängen gelagert. Nach der Lagerung wurden zunächst zur Grundcharakterisierung die Farbe und die Wasseraktivität bestimmt und Proben zur Bestimmung der Wasser-, Protein-, Fett-, Asche-, Salz- und Nitritgehalte entnommen, homogenisiert und bis zur Analyse bei - 20 °C gelagert. Weiterhin wurde vor diesen Messungen und Probennahmen Proben für die Bestimmung der GKZ sowie der Gehalte an Enterobacteriaceae, Yersinia spp.

und Brochothrix spp. entnommen.

Für die UV-Versuche wurde das Schweinefleisch in 25 g Stücke und der Lachsschinken in Scheiben mit einer Dicke von 1,5 mm und einem Gewicht von ca.

10 g portioniert.

Behandlung

Bakteriensuspensionen von Y. enterocolitica M52+2 und B. thermosphacta DSM 20171 wurden wie in 3.1 beschrieben hergestellt. Ein Volumen von 0,5 ml der Bakteriensuspension wurde auf die Schweinefleisch- oder Lachsschinkenstücke übertragen und mit einem Spatel gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt. Nach einer Einwirkzeit von 20 min wurden die Proben im UV-Schrank bestrahlt. Sie wurden dafür in einem Abstand von 10 cm zur UV-Lampe positioniert. Die Schweinefleisch-Proben wurden mit Dosen von 408 oder 2040 mJ/cm² und die Lachsschinken-Proben mit Dosen von 408 oder 4080 mJ/cm² bestrahlt. Die Dosen wurden aufgrund von guten Keimreduktionen in den Vorversuchen ausgewählt.

Die behandelten und unbehandelten (Kontroll-) Proben wurden anschließend unter Schutzgasatmosphäre (Schweinefleisch: 30 % CO2, 70 % O2; Lachsschinken: 30 % N2, 70 % O2) in Plastikschalen (ES-Plastic GmbH, Hutthurm, Deutschland) verpackt und bis zur weiteren Analyse bei 7 °C gelagert. Am Behandlungstag (Tag 1 bei Schweinefleisch und Tag 0 bei Lachsschinken) sowie an den Tagen 7 und 14 wurden die Proben analysiert. Das Vorkommen von Y. enterocoliticia und B. thermosphacta sowie bei den Nativproben zusätzlich die GKZ und Enterobacteriaceae wurde

26

quantitativ mikrobiologisch untersucht. Bei den Versuchen mit frischem Schweinefleisch wurden weiterhin die Parameter Farbe und pH-Wert bestimmt und Proben für die Bestimmung der Anteile der Myoglobin-Redoxformen und der antioxidative Kapazitäten der verschiedenen Behandlungsgruppen entnommen und bei -20 °C (antioxidative Kapazität) bzw. -80°C (Myoglobin) bis zur Analyse gelagert.

Die Lachsschinken-Proben wurden auf ihre Farbe untersucht und Proben für die Analyse der antioxidativen Kapazität entnommen und bei -20°C bis zur Bestimmung gelagert.

Die derartig untersuchten und beprobten Proben wurden von den weiteren Experimenten ausgeschlossen.

3.3.4 Versuch 4: Photoreaktivierung auf Schweinefleisch und Lachsschinken Schweinefleisch und Lachsschinken aus drei verschiedenen Chargen wurden in einem lokalen Supermarkt erworben.

Schweinefleischstücke von ca. 25 g bzw. Scheiben des Lachsschinkens wurden mit 0,5 ml einer Bakteriensuspension (entweder von Y. enterocolitica M52+2 oder B. thermosphacta DSM 20171) inokuliert und nach einer Einwirkzeit von 20 min mit 408 oder 2040 mJ/cm² (Schweinefleisch) bzw. 4080 mJ/cm² (Lachsschinken) bestrahlt. Für eine Probengruppe wurde die Keimzahl direkt nach der Bestrahlung bestimmt. Die anderen beiden Gruppen wurden gekühlt auf Eis eine Stunde lang gelagert, bevor sie quantitativ untersucht wurden. Eine Gruppe wurde im Raumlicht, die andere abgedeckt im Dunkeln gelagert.

3.4 Mikrobiologische Untersuchung

Die Proben wurden in Stomacher Beuteln (Stomacher 400 Strainer Bags, Seward limited, Worthing, Großbritannien) mit einem Stomacher (Stomacher 400 Circulator, Seward) in einer Verdünnung von 1:10 mit steriler NaCl-Pepton-Lösung (0,85 % NaCl und 0,1 % Pepton) für 2 min bei 230 Schlägen/min homogenisiert. Anschließend wurden Verdünnungsreihen erstellt.

27 Die Untersuchung der Keime erfolgte nach ISO 4833-1:2013 (GKZ), ISO 21528:2017 (Enterobacteriaceae), ISO 10273:2017 (Yersinia spp.) und nach HECHELMANN (1981) für Brochothrix spp.

Für die Analyse von Y. enterocolitica und B. thermosphacta wurden 0,1 ml der Verdünnung auf CIN-Agarplatten (Cefsulodin-Irgasan-Novobiocin-Agar, Oxoid) bzw.

SIN-Agarplatten (Streptomycin-Inosit-Neutralrot-Agar, Oxoid) aufgetragen und mit einem Spatel gleichmäßig verteilt. Die Platten wurden für 24 h bei 30 °C bzw. 48 h bei 24 °C inkubiert.

Zur Untersuchung der GKZ und der quantitativen Bestimmung von Enterobacteriaceae wurde 1 ml der Verdünnung in eine Petrischale gegeben und anschließend mit Plate- Count-Agar (Oxoid) bzw. VRGB-Agar (Kristallviolett-Galle-Glucose-Agar, Oxoid) übergossen. Die Platten wurden für 72 h bei 30 °C bzw. 48 h bei 37 °C gelagert.

3.5 Physikochemische Untersuchung Farbmessung

Die Messung der Farbe wurde mit einem Chromameter (Minolta CR-400, Konica- Minolta GmbH, Langenhagen, Deutschland) (CIELab System) vorgenommen. Die Farbe wird als L*-, a*-, und b*-Wert ausgegeben. Dabei gibt der L*-Wert Informationen über die Helligkeit der Probe, der a*-Wert über den Rot-Grün-Wert und der b*-Wert zeigt den Gelb-Blau-Wert an. Das Chromameter wurde vor Gebrauch mit einem Standard-Weißabgleich (L*=94,53; a*=-0,38; b*=3,51) (Konica-Minolta GmbH) kalibriert.

pH-Wert

Der pH-Wert wurde mit einem portablen pH-Meter (Knick Portamess, Knick GmbH, Berlin, Deutschland), welches mit einer Glaselektrode (InLab 427^®, Mettler-Toledo, Urdorf, Schweiz) und einem Thermometer ausgestattet ist, bestimmt. Die Kalibrierung wurde an jedem Versuchstag mit zwei Kalibrationslösungen (Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen, Deutschland) mit einem pH von 4,0 und 7,0 vorgenommen. Die pH-Elektrode und das Thermometer wurden zur Messung in den Muskel gesteckt und nach Stabilisierung des pH-Wertes wurde dieser notiert.

28

Leitfähigkeitsmessung

Die Leitfähigkeit (mS/cm) wurde mit einem portablen Leitfähigkeitsmessgerät (Matthäus GmbH & Co. KG, Noblitz, Germany) bestimmt. Vor den Messungen der Proben wurde es mit einem Kalibrationsblock (10 mS/cm) kalibriert. Das Messgerät wurde senkrecht zur Faserrichtung des Muskels in die Probe eingeführt.

Tropfsaftverlust

Zur Ermittlung des Tropfsaftverlustes wurde 24 h p.m. ein unbehandeltes Stück Fleisch von mindestens 200 g in einer transparenten Box mit Deckel aufgehängt, ohne dass es dabei Kontakt zur Wand oder zum Boden des Gefäßes hatte. Das Gewicht wurde nach vorsichtigem Abtrocknen der Muskelprobe 72 h p.m. erneut bestimmt und der prozentuale Gewichtsverlust in Relation zum Ausgangsgewicht 24 h p.m. errechnet.

Die Probe wurde anschließend vakuumverpackt und bei -20 °C bis zur Messung des Kochverlustes und der Scherkraft-Werte eingefroren.

Kochverlust und Scherkraft

Der Kochverlust des Fleisches wurde nach Auftauen der Probe, bei der bereits der Tropfsaftverlust ermittelt wurde, untersucht. Dazu wurde die Probe in einem Wasserbad bei 80 °C bis zum Erreichen einer Kerntemperatur von 75 °C gekocht.

Nach Abkühlen der Probe auf Raumtemperatur (ca. 22 °C) wurde der prozentuale Gewichtsverlust der Probe nach dem Kochen im Vergleich zum Gewicht vor dem Kochen berechnet. Anschließend wurde an der Probe die Scherkraftmessung durchgeführt. Hierzu wurde das Fleisch parallel zur Faserrichtung in Stücke von 3 cm x 1 cm x 1 cm geschnitten. Dann wurde jedes dieser Stücke mit dem Scherkraftmessgerät (Texture Analyzer TA. XT.plus, Stable Micro Systems, Survey, Großbritannien) analysiert.

Wasseraktivität

Die Wasseraktivität des Lachsschinkens wurde mit einem aw-Kryometer (AWK-40, NAGY Messsysteme GmbH, Gäufelden, Deutschland) bestimmt. Dieses wurde vor jeder Probenanalyse mit einer 10% NaCl-Lösung kalibriert.

29 Wasser-, Asche-, Fett- und Proteingehalt

Für die Bestimmung des Wassergehaltes wurden gemäß ISO 1442:1997 3 g der homogenisierten Probe mit Seesand gemischt und in einem Trockenofen (Binder GmbH, Tuttlingen, Deutschland) für 4 h bei 103 °C getrocknet.

Für die Analyse des Aschegehaltes wurden 5 g der homogenisierten Probe in einem Muffelofen (Carbolite®, LAT GmbH, Garbsen, Germany) für 1-2 h bei 600 °C verbrannt (ISO 936:1998).

Der Fettgehalt wurde nach Säurehydrolyse und Extraktion im Soxhlet-Gerät (LAT GmbH, Garbsen, Deutschland) bestimmt (ISO 1443:1973).

Der Trockensubstanz-, Asche- und Fettgehalt [%] berechnet sich aus dem Quotienten der Aus- und Einwaage multipliziert mit 100. Der prozentuale Anteil des Gesamtwassergehalts ergibt sich wie folgt:

Gesamtwasser [%] = 100 – Trockensubstanz [%].

Der Proteingehalt wurde nach ISO 937:1978 mit der Kjeldahl-Methode (Vapodest 50s®, Gerhardt Laboratory Systems GmbH, Koenigswinter, Deutschland) durch Analyse der Stickstoffkonzentration berechnet. Der ermittelte Stickstoffgehalt wurde mit dem Faktor 6,25 multipliziert und so der Gesamteiweißgehalt der Probe ermittelt.

NaCl- und Nitritgehalt

Der NaCl-Gehalt des Lachsschinkens wurde gem. ISO 1841:1996 bestimmt. Die Probe wurde dafür mit heißem Wasser extrahiert und durch Zugabe von Carrez- Lösung I (Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung) und II (Zinkacetat-Lösung) zu gleichen Teilen geklärt. Nach Filtration (Faltenfilter Typ 601P, Carl Roth GmbH+Co. KG, Karlsruhe, Deutschland) wurde die Menge an Chlorid durch potentiometrische Titration mit 0,1 mol/L Silbernitrat, gelöst in 0,3 mol/L Salpetersäure, gemessen. Das Filtrat wurde dabei bis zum Erreichen des Äquivalenzpunktes mit Silbernitrat versetzt.

Zur Bestimmung des Nitritgehaltes des Lachsschinkens nach ISO 2916:1975 wurde die Probe zunächst mit heißem Wasser extrahiert und die Proteine wurden durch Zugabe von Carrez-Lösung I und II ausgefällt. Nach Filtration (Faltenfilter Typ 601P,

Carl Roth GmbH+Co. KG) wurden Sulfanilamid- und

Naphtylethylendiaminhydrochlorid-Lösung hinzugefügt. Das Vorhandensein von Nitrit

30

wurde durch die Bildung roter Komplexe gezeigt, welche photometrisch bei 538 nm nachgewiesen wurden (Evolution 201-UV-VIS-Spektralphotometer, Thermo Scientific, Langenselbold, Deutschland). Zuvor wurde mit Hilfe einer Natriumnitrit- Standardlösung eine Kalibrierungsgerade für die Extinktion in Abhängigkeit der Nitritkonzentration erstellt.

Myoglobin-Redoxformen

An den jeweiligen Probennahmetagen wurden Schweinefleischproben in Würfel geschnitten, in flüssigem Stickstoff eingefroren und bis zur Untersuchung bei -80 °C gelagert. Zur Analyse wurden ca. 5 g des gefrorenen Probenmaterials abgewogen, mit 10 ml Natriumhydrogenphosphat vermischt und auf Eis für 2 min bei 15.000 U/min mit einem Polytron PT 2500 Homogenisator (Kinematica GmbH, Luzern, Schweiz) homogenisiert. Anschließend wurde die Probe bei 4 °C für 30 min bei 35.000 g zentrifugiert (Sorvall RC C 5 Plus, Thermo Scientific, Langenselbold, Deutschland).

Der Überstand wurde in Küvetten mit einem Fassungsvermögen von 2,5 ml überführt und die Absorption der Lösung wurde bei 503, 525, 557 und 582 nm photometrisch gemessen (Evolution 201-UV-VIS-Spectrophotometer, Thermo Scientific). Mithilfe der Formel von TANG et al. (2004) wurde der prozentuale Anteil der Myoglobin (Mb)- Redoxformen (OxyMb, MetMb und DeoxyMb) berechnet. Demnach gilt:

DeoxyMb: C (Konzentration in Millimol)DeoxyMb/CMb= -0,543R1+1,594R2+0,552R3-1,329 OxyMb: COxyMb/CMb= 0,722R1-1,432R2-1,659R3+2,599

MetMb: CMetMb/Mb= -0,159R1-0,085R2+1,262R3-0,520 R1= A (Absorption in nm)582/525, R2= A557/A525, R3= A503/A525

Antioxidative Kapazität

Für die Analyse der antioxidativen Kapazität wurde zunächst eine ABTS [2,2‘-Azino- di(3-ethylbenzthiazolin-6-sulfonsäure)] Lösung nach RE et al. (1999) hergestellt. ABTS wurde dazu in destilliertem Wasser in einer Konzentration von 7 mM gelöst und anschließend mit 2,45 mM Kaliumpersulfat versetzt. Die ABTS-Lösung und das Kaliumpersulfat wurden dabei in einem Verhältnis von 11:1 gemischt. Danach wurde

31 die Lösung für 12-16 h im Dunkeln bei Raumtemperatur inkubiert, wodurch das ABTS- Radikal gebildet wurde.

Die Vorbereitung und Messung der Proben wurde nach SACCHETTI et al. (2008) durchgeführt. 1 g des am Probennahmetag eingefrorenen Schweinefleisches oder Lachsschinken wurden mit 6 ml destilliertem Wasser vermischt und für 1 min bei 30.000 U/min auf Eis homogenisiert. Danach wurde das Probengefäß mit Aluminiumfolie umwickelt und 1 h bei 7 °C in einem Schüttler extrahiert. Das Homogenat wurde schließlich für 15 min bei 2340 g zentrifugiert (Hermle Z383 K, Hermle Labortechnik, Wehingen, Deutschland).

Die Absorption der Lösung wurde anschließend bei 734 nm gemessen (Evolution 201- UV-VIS-Spectrophotometer, Thermo Scientific). Dafür wurden 20 µl des Überstands mit 500 µl destilliertem Wasser und 2,50 ml der ABTS-Radikal-Lösung gemischt. Die ABTS-Radikal-Lösung wurde vorher bei 734 nm und 30 °C auf eine Extinktion von 0,7

± 0,02 eingestellt. Die Veränderung der Absorption bei 734 nm wurde über 7 min bestimmt und die ermittelte Extinktion in die antioxidative Kapazität (in µmol Trolox eq.

pro g Probe) umgerechnet. Zuvor wurden Trolox-Standard-Lösungen (0; 2,5; 5; 7,5;

10; 15 µM) hergestellt, mit der radikalisierten ABTS Lösung vermischt und bei 734 nm gemessen. Für die weitere Analyse wurden nur Kalibrationskurven mit einem Korrelationskoeffizienten von mind. 0,99 verwendet.

3.6 Statistik

Die statistische Auswertung wurde mit dem Programm SAS Enterprise Guide 7.15 (SAS Institut Inc., North Carolina, USA) durchgeführt. Dabei wurden die gemessenen Werte in einem gemischten Modell dargestellt, wobei folgendes Modell berücksichtigt wurde:

Yij = µ + Di + Bj + εij

wobei Yij = Beobachtungswert; µ = Gesamtmittelwert; Di = fester Effekt der UV-C- Dosis; Bj = zufälliger Effekt der Charge; εij = zufälliger Fehler.

Um die verschiedenen Behandlungsgruppen miteinander zu vergleichen, wurde der TUKEY post-hoc-test verwendet. Alle Werte sind als Mittelwert ± Standardfehler

32

angegeben. Mittelwerte wurden als signifikant gekennzeichnet, wenn der p-Wert kleiner als 0,05 war.

Für die In-vitro-Inaktivierungskinetiken wurde die log10-Reduktion (log N0/ND) auf der y-Achse gegen die UV-C Dosis (mJ/cm²) auf der x-Achse aufgetragen, wobei N0 = unbehandelte Zellen/ml; ND = behandelte Zellen/ml nach der Bestrahlung mit Dosis D.

Polynomische Trendlinien zweiter Ordnung wurden verwendet, um die 3-log¹⁰- Reduktion zu bestimmen.

33

4. Manuskripte

4.1 Manuskript 1

Inactivation of Yersinia enterocolitica and Brochothrix thermosphacta on pork by UV-C irradiation

Julia Reichel¹, Corinna Kehrenberg², Carsten Krischek^1*

1Foundation University of Veterinary Medicine Hannover, Institute of Food Quality and Food Safety, Bischofsholer Damm 15, 30173 Hannover, Germany

2Justus-Liebig-University Giessen, Institute for Veterinary Food Science, Frankfurter Str. 92, 35392 Giessen

* Corresponding author

E-Mail: Carsten.Krischek@tiho-hannover.de

Meat Science (Impact Factor 2018: 3,483)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2019.107909

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0309174019303195

Autorenbeteiligung:

Idee und Konzeption: J. Reichel, C. Krischek, C. Kehrenberg Durchführung der Experimente: J. Reichel

Auswertung der Daten: J. Reichel, C. Krischek Erstellung des Manuskripts

oder kritische Durchsicht: J. Reichel, C. Krischek, C. Kehrenberg

34

Abstract

Ultraviolet (UV) irradiation has gained interest as a decontamination method for food for several years. This study investigated how UV-C affected the microbial load of pork, inoculated with Yersinia (Y.) enterocolitica and Brochothrix (B.) thermosphacta. The initial effect as well as the effect after 1, 7 and 14 days of storage were investigated.

Additionally, the meat quality parameters color, pH value, myoglobin redox form percentages and antioxidant capacity were analyzed. During storage, the bacterial load on pork was significantly reduced up to 1.2 log10 using doses of 408 or 2040 mJ/cm². In contrast to this, in vitro experiments with bacterial suspensions showed that calculated UV doses of 16.16 and 19.30 mJ/cm² resulted in a 3.0 log10

reduction of Y. enterocolitica and B. thermosphacta, respectively. The analyzed meat quality parameters were not influenced by UV-C treatment. Hence, UV-C light can reduce microbial surface contamination without negatively affecting meat quality.

Keywords

Pork, Ultraviolet irradiation, Yersinia enterocolitica, Brochothrix thermosphacta, Meat quality

35 4.2 Manuskript 2

UV-C irradiation of rolled fillets of ham inoculated with Yersinia enterocolitica and Brochothrix thermosphacta

Julia Reichel¹, Corinna Kehrenberg², Carsten Krischek^1*

1Foundation University of Veterinary Medicine Hannover, Institute of Food Quality and Food Safety, Bischofsholer Damm 15, 30173 Hannover, Germany

2Justus-Liebig-University Giessen, Institute for Veterinary Food Science, Frankfurter Str. 92, 35392 Giessen

* Corresponding author

E-Mail: Carsten.Krischek@tiho-hannover.de

Foods (Impact Factor 2018: 3,011)

DOI: https://doi.org/10.3390/foods9050552 Link: https://www.mdpi.com/2304-8158/9/5/552

Autorenbeteiligung:

Idee und Konzeption: J. Reichel, C. Krischek, C. Kehrenberg Durchführung der Experimente: J. Reichel

Auswertung der Daten: J. Reichel, C. Krischek Erstellung des Manuskripts

oder kritische Durchsicht: J. Reichel, C. Krischek, C. Kehrenberg

36

Abstract

Bacteria on ready-to-eat meat can pose a problem through faster deterioration and the possibility to cause diseases. In this study, ready-to-eat sliced ham samples were inoculated with Yersinia (Y.) enterocolitica or Brochothrix (B.) thermosphacta and then treated with ultraviolet (UV) light. The initial effect of a UV-C irradiation was investigated with doses of 408, 2040, 4080 and 6120 mJ/cm² and the effect after 0, 7 and 14 days of refrigerated storage with doses of 408 and 4080 mJ/cm². Furthermore, inoculated ham samples were stored under light and dark conditions after the UV-C treatment to investigate the effect of photoreactivation. To assess the ham quality the parameters color and antioxidant capacity were analyzed during storage. UV-C light reduced Y. enterocolitica and B. thermosphacta counts by up to 1.11 log10 and 0.79 log10 colony forming units/g, respectively, during storage. No photoreactivation of the bacteria was observed. Furthermore, significantly lower a* and higher b* values after 7 and 14 days of storage and a significantly higher antioxidant capacity on day 0 after treatment with 4080 mJ/cm² were detected. However, there were no other significant differences between treated and untreated samples. Hence, a UV-C treatment can reduce microbial surface contamination of ready-to-eat sliced ham without causing considerable quality changes.

Keywords

ham, ultraviolet irradiation, photoreactivation, Yersinia enterocolitica, Brochothrix thermosphacta

37

5. Zusammenfassung der Ergebnisse und übergreifende Diskussion

Dieser Abschnitt der vorliegenden Arbeit fasst die Ergebnisse der Manuskripte 1 und 2 zusammen und diskutiert diese übergreifend. In diesen Manuskripten wird der Einfluss einer UV-C-Bestrahlung auf mikrobielle, physikalische und chemische Eigenschaften von Schweinefleisch und Lachsschinken untersucht. Weiterhin sind in den Manuskripten Ergebnisse zur UV-C-Inaktivierung verschiedener Bakterienspezies sowohl in Reinkulturversuchen, als auch nach vorheriger Inokulation von Schweinefleisch und Lachsschinken mit diesen Mikroorganismen auch unter Berücksichtigung des Effekts der Photoreaktivierung dargestellt, die ebenfalls im Folgenden zusammengefasst und übergreifend diskutiert werden.

5.1 Einfluss der Bakterienspezies

Nicht alle Bakterienspezies werden auf gleiche Weise durch eine UV-C-Bestrahlung beeinflusst. Manche reagieren resistenter und andere sensibler auf die Strahlung.

Daher wurde in In-vitro-Versuchen der Effekt des UV-C-Lichts auf sieben unterschiedliche Bakterienspezies bzw. -isolate getestet: Y. enterocolitica Feldisolat M52+2, Y. enterocolitica DSM 11503, B. thermosphacta DSM 20171, S. Typhimurium DSM 19587, P. fluorescens 63 A, EHEC CB8601 und MRSA 02702-07 (Abb. 1 und 2 in Manuskript 1; Tab. 1). Dafür wurden ca. 10⁸ KbE/ml des jeweiligen Bakteriums in 9 ml NaCl-Lösung bestrahlt.

Y. enterocolitica DSM 11503 erwies sich als am sensibelsten gegenüber der UV-C- Strahlung, während die P. fluorescens- und S. Typhimurium-Isolate die höchste Resistenz gegenüber der UV-C-Strahlung zeigten, da die UV-C-Dosen zur 3,0-log10- Reduktion bei diesen Spezies/ Stämmen im Vergleich zu den anderen Spezies signifikant höher waren. Auffällig ist vor allem der große Unterschied zwischen den beiden Yersinia-Isolaten. Obwohl es sich um Vertreter derselben Bakterienspezies handelt, war für das Feldisolat eine fast 74-Mal höhere Dosis erforderlich, um eine 3,0 log10-Reduktion zu erreichen.

38

Tabelle 1: Erforderliche UV-C-Dosis (Mittelwert ± Standardfehler) für eine 3,0-log10- Reduktion verschiedener Bakterien sowie deren Gramverhalten.

Gramverhalten 3,0-log10-Reduktion¹ Yersinia enterocolitica

DSM 11503 - 0,22^a ± 0,05

Staphylococcus aureus

02702-07 + 13,24^b ± 0,13

Yersinia enterocolitica

Feldisolat M52+2 - 16,20^b ± 0,62

Brochothrix thermosphacta

DSM 20171 + 20,09^b ± 3,95

Escherichia coli

CB8601 - 21,25^b ± 1,01

Pseudomonas fluorescens

62 A - 30,66^c ± 2,53

Salmonella Typhimurium

DSM 19587 - 31,81^c ± 0,52

1Alle Werte in mJ/cm².

abcWerte mit demselben Buchstaben in einer Spalte unterscheiden sich nicht signifikant (p < 0,05).

Die Empfindlichkeit der Mikroorganismen gegenüber UV-C-Licht ist von vielen Faktoren abhängig. Sowohl Einflüsse aus der Umwelt, als auch molekulare Unterschiede der Zellen spielen dabei eine Rolle. Wie auch in der vorliegenden Studie sind nicht nur Variationen zwischen verschiedenen Bakterienspezies, sondern auch innerhalb einer Spezies zwischen verschiedenen Bakterienisolaten beschrieben worden (GAYÁN et al. 2014).

Verschiedene intrinsische und extrinsische Faktoren, welche die mikrobielle Resistenz gegenüber UV-C-Licht beeinflussen, sind in Tab. 2 dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.