Bacterial flora and dynamics in Norwegian milk and dairy products: Potential for spoilage and disease

Norsk melk og melkeprodukter har jevnt over god mikrobiologisk kvalitet. Det er likevel viktig å ha kontinuerlig fokus på kvalitet i verdikjeden og øke kompetansen på mikrober i melk for å kunne oppnå optimal produktkvalitet. Nedsatt kvalitet gir redusert holdbarhet og kan medføre store økonomiske tap i industrien. Bakterier i melk og melkeprodukter kan gi kvalitetsforringelse som endret smak, tekstur eller farge. Enkelte arter kan også forårsake matbåren sykdom. Dette prosjektet har gitt mer kunnskap om sammensetningen og dynamikken hos mikrobiotaen langs produksjonskjeden for norsk konsummelk. Resultatene fra prosjektet er nyttige i meieriindustriens arbeid med kvalitetssikring og risikovurdering og vil kunne redusere svinn under og etter produksjon av melk og melkeprodukter. Prosjektet har kombinert kunnskapen til to forskningsgrupper ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet med ulik innfallsvinkel innen matområdet, nemlig kvalitet og mattrygghet. Prosjektet har samlet inn månedlige prøver av melk fra ulike stadier i produksjonslinjen for helmelk (fra ankomst meieri til slutten av holdbarhetsperioden), fra to ulike meierier i Norge. Melkeprøvene ble tatt over et tidsrom på et år for å fange opp årstidsvariasjoner i bakteriesammensetningen. I en artikkel som prosjektet publisert i tidsskriftet «The International Journal of Food Microbiology» er det vist at nivåene av kultiverbare bakterier og presumptive Bacillus cereus (hvorav noen er potensielt forringende eller patogene kontaminanter i melk og meieriprodukter) er relativt stabile, både før og etter pasteurisering av melk. Bakteriene som finnes i melkeprøvene har blitt videre karakterisert ved hjelp av mikrobiologiske metoder. I tillegg har molekylærbiologiske metoder som 16S rRNA gen sekvensering blitt benyttet. 16S rRNA gen sekvensering kan identifisere den totale sammensetningen av bakteriearter i melkeprøvene, noe som ikke er mulig med tradisjonelle dyrkingsmetoder. Metoden kan også identifisere arter som ikke er dyrkbare på laboratoriet og som man derfor har lite kunnskap om. Sekvensering av 16S rRNA gener i melkeprøvene viste at mikrobiotaen var signifikant påvirket av tidspunkt for prøveinnsamling og prøvemateriale (rå melk, pasteurisert melk, melk i kartong). I løpet av holdbarhetsperioden var temperatur (4°C versus 8°C) den viktigste påvirkningsfaktoren for sammensetningen av mikrobiotaen, men årstid og meieri (A eller B) hadde også stor betydning. Bacillus og Pseudomonas var de hyppigst forekommende bakterie slektene i rå melk, pasteurisert melk og i melk på kartong ved produksjonsdagen. Pseudomonas arter dominerte under høst- og vintermånedene, mens Bacillus arter dominerte i vår- og sommermånedene. Lagring ved 8°C i holdbarhetsperioden til melkekartongene endret bakteriesammensetningen signifikant, med økte relative nivåer av særlig Bacillus. Ingen signifikant endring i mikrobiotaen ble observert ved lagring av melk ved 4°C. Dette er i samsvar med resultater fra dyrkning, der økte nivåer av B. cereus ble observert ved lagring ved 8°C mens nivåene forble uforandret ved 4°C. Prosjektet har utviklet en ny metode for detaljert taksonomisk karakterisering av B. cereus isolater. Metoden har nylig blitt publisert i tidsskriftet Food Microbiology og vil forenkle identifiseringen av B. cereus spp. isolater. Ved å bruke den nye metoden har vi kartlagt hvordan sammensetningen av B. cereus populasjonen i melk forandres ved pasteurisering, gjennom forskjellige årstider og ved lagring av melk ved 4°C og 8°C. Prosjektet har også undersøkt Bacillus artenes egenskaper knyttet til forringelse av melk og sykdom med ulike metoder som genomsekvensering, genekspresjonsanalyser og analyse av ulike forringelseskomponenter på (protein/metabolitt nivå). Hittil har prosjektet kartlagt den enzymatiske aktiviteten (evnen til å forringe melk) og evnen til å produsere toksiner hos mer enn 300 B. cereus isolater fra melk. Prosjektet har også undersøkt B. cereus-isolatenes evne til forringelse og produksjon av toksiner under vekst i melk ved forskjellige temperaturer. Det er per i dag begrenset kunnskap om bakteriers oppførsel når de befinner seg i blanding med andre bakteriearter, slik de faktisk gjør i naturen, og dermed også i råvarer og matprodukter. I en mastergradoppgave knyttet til prosjektet er det studert hvordan samkultivering av B. cereus og med Pseudomonas spp. eller Paenibacillus (som også er vanlige bakterielle kontaminanter i melk) påvirker vekst i melk samt produksjon av kvalitetsforringende eller sykdomsfremkallende stoffer. Totalt har prosjektet hittil generert fem masteroppgaver og fire vitenskapelige artikler. To vitenskapelige artikler er under arbeid og vil sendes til publisering i begynnelsen av 2019. I løpet av prosjektet har det vært avholdt tre større informasjonsmøter med de berørte meieriene og at et større informasjonsmøte som skal møte konsummelk meieriene i TINE er under planlegging.

This project has shown that factors such as season, processing, dairy plant, and storage temperature significantly influence the composition of the milk microbiota. None of more than 300 B. cereus milk isolates produced emetic toxin (causing vomiting). The same type of B. cereus was found in raw milk and in carton milk suggesting that the contamination was due to heat resistant spores surviving the pasteurization. It was not possible to rule out that contamination also occurs during processing. This project has resulted in four scientific peer-reviewed papers (two more in progress) and five master theses. The knowledge gained throughout this project will be implemented in the dairy industrys hygienic work and in their strategies for reducing losses along the value chain caused by bacterial contamination. This will contribute to reduced loss of resources along production chains, ensure food safety and promote food production in a more cost-effective and environmentally sustainable way.

High microbiological quality characterizes Norwegian milk products, nevertheless, nearly 1.7 % of the milk produced by the largest Norwegian dairy product cooperative is downgraded due to inadequate microbiological quality, causing huge financial losses. Reduced shelf-life of will also negatively affect usage further down the production chain (industry and large-scale household). The presence of bacteria in milk can be problematic for two main reasons: i) spoilage by altering flavor, texture or color ii) certain species are capable of causing foodborne disease. The project will consist of three work packages from which the results from each will be used in the others. Samples will be collected from several points at production lines of two dairy plants throughout the year. The project will combine new molecular biology tools and valuable conventional microbiological techniques and virulence assays, as well as newly applied chemical analysis methods. Knowledge on the effects of bacterial mixed cultures is still in its infancy for both the academic and industrial societies. Therefore the project will study co-cultures of isolated bacterial strains to address the effects on growth and on production of deteriorative and virulence factors. Updated and in-depth knowledge on the bacterial flora in the products before pasteurization and throughout shelf life, will enable the industry to determine possible contamination routes. Information about the ability of the bacterial flora to deteriorate food quality and cause foodborne disease, and possible variations throughout the year, would also benefit the industry in their work for safe products of best possible microbial quality. The project combines the competence of two research groups of different approaches within the food area, quality and safety, and will provide the groups with valuable isolates, method experience and collaboration.