微生物の増殖および死滅とｐHの関係

　本記事では、微生物の増殖および死滅に及ぼすpHの影響と、有機酸による抗菌作用のメカニズムについて解説する。あわせて、日持ち向上剤と保存料の違いについて、酢酸ナトリウム、プロピオン酸、ソルビン酸を例に挙げて説明する。

　さらに、胃の重要な役割として、胃酸による感染型食中毒細菌の殺菌作用についても取り上げる。また、食中毒細菌の酸耐性の違いが最小発症菌数に与える影響についても解説する。

　なお、一般に食中毒細菌は酸に弱い傾向があるが、酸耐性の強い菌も存在する。本記事では、その点についてもあわせて説明する。

微生物の増殖制御におよぼすPHの影響

　微生物の増殖とpHの関係は、もちろん微生物の種類によって異なるが、大まかに理解するためには、pH5.0という数値を一つの目安として覚えておくと便利である。

　一般に、pHが6.0より上では微生物の増殖を抑制することはほとんどできない。これまで食品企業と行ってきた増殖制御実験の経験でも、多くの場合、pHを6.0程度に下げたとしても微生物の増殖はほとんど抑制されなかった。pHを6.0以下にすると、微生物の増殖は段階的に抑制され、pH5.0未満では増殖が停止する場合もあるが、多くは増殖速度が著しく低下する。

※pH5.0未満では多くの細菌の増殖は抑制されるが、完全に停止するわけではない。特に酵母・カビや一部の細菌は低pHでも増殖可能であり、実務上はpH4.6以下が重要な指標となる。

したがって、食品中の微生物の増殖をpHで制御する場合、pH5.0未満が一つの目安となる。このような条件に該当する食品の代表例として、ビール、醤油、ジュース、炭酸飲料などが挙げられる。

　このように、pH5.0未満にすると、一部の例外（乳酸菌など）を除き、多くの微生物（腐敗菌、食中毒細菌）の増殖を効果的に抑制することができる。

しかし一方で、食品の味という観点では、pH5.0未満にコントロールすると酸味が強くなり、商品価値が低下してしまう。この点は、食品の開発設計における大きなジレンマである。

　もちろん、厳密には微生物ごとに最低発育pHは異なる。下の表は、米国FDAが公表している代表的な食中毒細菌の最低発育pHを示したものである。なお、表には示していないが、乳酸菌などはさらに低いpHでも発育可能であり、pH4.0以下で増殖する場合も多い。

　ここで理解しておきたいのは、多くの食中毒細菌の最低発育pHは5.0以下であるものの、その多くがpH4.0以上に位置しているという点である。例えばサルモネラ菌は、図ではpH3.7と示されているが、これはpH4.0～5.0で活発に増殖することを意味するものではなく、「pH3.7でも分裂可能であった」という程度の値と理解すればよい。

　食品の品質管理の実務においては、おおまかに「pH5.0以下の制御が有効である」という理解を持っておくことが重要である。

有機酸による抗菌作用

　実際に食品においてpHによる微生物の増殖制御を行う場合、有機酸が用いられることが多い。食品中の微生物の増殖を抑制する代表的な有機酸としては、酢酸、乳酸、ソルビン酸、プロピオン酸、安息香酸などが挙げられる。

　野菜を放置すると、付着しているシュードモナスなどの腐敗細菌によって腐敗が進行する。しかし、塩漬けにすると水分活性が低下するため、これらの腐敗細菌は増殖できなくなる（水分活性については別記事で解説する）。

　一方で、野菜の表面には耐塩性の乳酸菌も存在する。そのため、塩漬け環境では乳酸菌が優占的に増殖し、乳酸発酵が進行する。これによりpHが低下し、酸味のある漬物が形成される。

　pHが4.6以下になると、ボツリヌス菌の胞子が存在していても増殖することはできない。また、多くの腐敗細菌もこのような低pH条件下では増殖が抑制される。このように、漬物では有機酸の一つである乳酸が、食中毒細菌や腐敗細菌の増殖を抑制している。

　この原理を他の食品にも応用したものが、食品添加物としての有機酸である。

保存料や日持ち向上剤としての有機酸による抗菌作用のメカニズム

　以下に、有機酸による微生物の増殖抑制メカニズムについて説明する。

有機酸に共通する化学構造は、親水性部分であるカルボキシル基である。そして、このカルボキシル基にさまざまな疎水性官能基が結合している。最も単純な例はメチル基が結合した酢酸であり、炭素数が増えるとプロピオン酸となる。乳酸も同様に、カルボキシル基に疎水性官能基が結合した構造を持つ。また、ベンゼン環が結合しているものは安息香酸である。

有機酸による微生物増殖抑制メカニズムを理解する上で、これらの官能基の詳細な構造を個別に把握する必要はない。重要なのは、いずれも疎水性の性質を持つ部分を有しているという点である。

さて、それでは有機酸はどのようなメカニズムで微生物の増殖を抑制するのであろうか。一般に、食品に有機酸を添加して微生物の増殖を制御する場合、食品のpHがある程度低下していなければ十分な効果は得られない。微生物に対する静菌・殺菌作用のメカニズムは、以下のように考えられている。

酢酸などの有機酸は、
R-COOH ⇄ RCOO⁻ + H⁺
で表される平衡関係にあり、周囲のpHが低いほど非解離型（R-COOH）の割合が高くなる。非解離型ではR基の影響により疎水性が高まり、細胞膜を通過しやすくなる。

　ここで、まず細胞膜の基本的な性質を理解しておく必要がある。微生物の細胞膜はリン脂質二重膜から構成されており、疎水性の化合物は比較的容易に通過する。一方で、水素イオンのような電荷を帯びたイオンは、この疎水性の膜を通過することができない。

有機酸は、非解離状態では疎水性が高くなるため、微生物の細胞膜を通過して細胞内へ侵入しやすい。

したがって、非解離型の有機酸は細胞内に取り込まれやすい性質を持つ。

細胞内のｐＨは中性付近なので、細胞内に入った有機酸は、細胞内でRCOO- と H+に解離する。

その結果、細胞内に蓄積される過剰の水素イオン[Ｈ^＋] を細胞外に排出しようとする。しかし、微生物の細胞内で有機酸から放出された水素イオンは細胞外へは簡単に放出できない。なぜならば下の図に示すようにリン脂質二重膜でできている細胞膜には水素イオンのように電荷を帯びているイオン物質は全く通過させることができないからである。従って水素イオンをリン脂質二重膜を通して外に出すためには、細胞膜に存在するタンパク質を用いて水素イオンを細胞外に出すことが必要になる。水素イオンを細胞外に出すためには微生物はエネルギーを使わなくてはならない。微生物が使用する化学エネルギーはＡＴＰと呼ばれる。

　以上のプロセスにより、微生物はＡＴＰを消耗し、増殖速度が落ちる。これが有機酸による微生物の増殖の抑制のメカニズムであると考えられている。上述したように異なる構造を持った有機酸の疎水性官能基の部分は様々な構造である。しかしいずれにしてもこれらの有機酸による微生物増殖の抑制のメカニズムはこのような共通原理に基づくものと考えられている。

同じ有機酸でも酢酸ナトリウムは日持ち向上剤、プロピオン酸は保存料　

　有機酸は食品の保存を目的として広く使用されている。もともと、乳酸や酢酸などの有機酸は、自然界や伝統的な発酵食品において微生物の増殖を抑制する物質として利用されてきた。

　チーズやヨーグルトなどの乳酸発酵食品の文化を持つ欧米では乳酸ナトリウムが、米麹や日本酒などの発酵文化を持つ日本では酢酸ナトリウムが、食品の保存を目的として広く用いられている。このような使用の違いは、食文化の違いを反映したものといえる。

　一方で、プロピオン酸、ソルビン酸、安息香酸などは日本では「保存料」として分類され、表示義務がある。一方、酢酸や乳酸は保存料表示の対象ではない。しかし、これらはいずれも化学的には有機酸であり、微生物の増殖抑制メカニズムも基本的には同じ原理に基づいている。

　この違いは、抗菌効果の強さだけでなく、酢酸や乳酸が古くから発酵食品の成分として人々の食生活に密接に関わってきたという歴史的背景にも由来していると考えられる。

　このように、日本では「保存料」という表示に対して「不健康」というイメージが先行し、プロピオン酸やソルビン酸は敬遠される傾向がある。しかし、これらは米国ではいずれもGRAS（Generally Recognized As Safe：一般に安全と認められる物質）として位置付けられており、FDAの個別認可なしに広く使用されている。

この点を踏まえると、日本においては保存料表示が消費者に与える印象によって、実際以上にネガティブなイメージが形成されている側面があるといえる。