В апреле 2022 года ВОЗ отследила ~150 случаев заражения мультирезистентной Salmonella Typhimurium в 11 странах, в связи с шоколадом, произведенным в Бельгии, что привело к одному из крупнейших на сегодняшний день отзывов шоколадной продукции.
Это не единичный случай. Каждый год примерно каждый десятый человек становится жертвой заболеваний пищевого происхождения в результате употребления пищи, контаминированной вредными микроорганизмами или химическими веществами. Заражение может произойти на различных этапах приготовления пищи - при обработке, хранении, распределении и/или транспортировке - и является серьезным бременем для здоровья населения и экономики. Таким образом, сохранение продуктов питания имеет важное значение для обеспечения безопасности продуктов питания и сокращения потерь.
В настоящее время пищевая промышленность начала изучать природные альтернативы для сохранения продуктов питания, чтобы уменьшить зависимость от химических консервантов, некоторые из которых связаны с ожирением и метаболическим синдромом. В частности, природные антимикробные вещества, вырабатываемые растениями и микроорганизмами, такими как бактерии и грибы, могут уничтожать возбудителей болезней пищевого происхождения, таких как Salmonella Typhimurium, Escherichia coli, Listeria monocytogenes и Clostridium botulinum, а также бактерии, портящие продукты питания, такие как Brochothrix thermosphacta, Lactobacillus spp., Bacillus spp. и Weissella spp. и другие. Патогены и микроорганизмы, передающиеся с пищей, представляют собой серьезную угрозу для здоровья потребителей и ухудшают внешний вид, текстуру и сенсорные характеристики продуктов питания, что негативно сказывается как на пищевой промышленности, так и на потребителях.
Эфирные масла - антимикробные средства на основе эфирных растений
Такие травы, как орегано, тимьян и розмарин, являются не только отличными ароматизаторами, но и обладают сокровищницей антимикробного потенциала против патогенов. Растения производят ароматические и летучие жидкости, называемые эфирными маслами, которые обладают широким спектром антимикробной активности в отношении как грамположительных, так и грамотрицательных патогенов. Эфирные масла являются важным арсеналом защиты растений от болезнетворных бактерий, грибков и насекомых, и пищевая промышленность использует эти знания для защиты от патогенов, передающихся с пищей.
Антимикробные свойства эфирных масел в основном объясняются наличием фенольных соединений, таких как карвакрол, тимол и эвгенол. Механизм действия этих антимикробных соединений до конца не изучен, но есть основания полагать, что фенольные соединения могут делать мембрану бактериальной клетки проницаемой, высвобождать внутриклеточное содержимое или нарушать функцию мембраны, взаимодействуя с белками бактериальной мембраны.
Помимо того, что эфирные масла различных трав и специй, таких как орегано, тимьян, гвоздика, розмарин и куркума, обладают антимикробной активностью, они также безопасны для потребления человеком. Их противомикробная активность в отношении патогенов пищевого происхождения или бактерий порчи зависит от ряда факторов - их концентрации и метода экстракции, а также от рН и температуры пищи, и это лишь некоторые из них. В исследовании 2019 года ученые показали, что низкая доза эфирного масла древесного чая (1,5% по весу) подавляет рост L. monocytogenes в говяжьем фарше. Другое исследование того же года показало, что эфирное масло чеснока подавляет рост грибков Aspergillus niger и Aspergillus flavus в плодах сливы.
Бактериоцины - оружие бактериальной войны
Подобно тому, как эфирные масла помогают растениям бороться с патогенами, некоторые бактерии вырабатывают небольшие пептиды с антимикробными свойствами против близкородственных бактерий, что становится выгодным при конкуренции за ресурсы в общей среде. Эти небольшие пептиды называются бактериоцинами и помогают бактериям занять свою нишу в экосистеме. Бактериоцины считаются безопасными для использования человеком, поскольку они легко разлагаются ферментами в желудочно-кишечном тракте человека. Многие из них производятся бактериями, относящимися к группе молочнокислых бактерий (LAB). Они могут быть использованы для сохранения продуктов питания различными способами - в виде очищенных продуктов или путем добавления бактерий, продуцирующих бактериоцины, непосредственно в пищу.
Одним из наиболее хорошо изученных бактериоцинов является низин - антимикробный пептид, вырабатываемый видами Lactococcus и Streptococcus. На сегодняшний день низин является единственным бактериоцином, разрешенным Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в качестве пищевого консерванта. Низин подавляет рост бактерий, образуя поры в клеточных мембранах и блокируя синтез клеточной стенки. Он используется во многих продуктах питания, включая молочные, мясные продукты и соки, как самостоятельно, так и в сочетании с другими биоконсервантами.
Например, низин используется в сыроделии для контроля роста Clostridium spp. и в мясной промышленности для снижения уровня L. monocytogenes. Однако для одобрения регулирующими органами необходимы дополнительные исследования и клинические исследования для проверки иммуногенности и токсичности других бактериоцинов.
Доставка противомикробных препаратов в нанокапсулах
Хотя идея использования эфирных масел, извлеченных из трав и специй, и бактериоцинов из LAB в теории звучит замечательно, несколько факторов ограничивают практическое применение. Например, интенсивный аромат (и вкус) эфирных масел в пище может понравиться не всем. Кроме того, как эфирные масла, так и бактериоцины плохо растворимы и стабильны, что снижает их эффективность.
В настоящее время изучаются технологии, позволяющие преодолеть эти ограничения. Одна из возможностей заключается в доставке этих антимикробных источников путем инкапсуляции их в наночастицы, которые позволяют им оставаться стабильными в пищевых продуктах при различных pH и температурах. Такая система обеспечит медленное и постепенное высвобождение антимикробных веществ в течение срока годности пищевого продукта, что гарантирует сохранение продуктов питания на более длительный срок. Это особенно полезно для контролируемого применения эфирных масел, которые в противном случае могут изменить вкусовые свойства продуктов питания.
Схематическое изображение инкапсуляции бактериоцина в липосому для обеспечения антибактериальной активности.
Ученые исследуют несколько биополимеров (например, хитозан, декстран, крахмал и альгинат), которые являются нетоксичными и экологически чистыми, для инкапсуляции эфирных масел и бактериоцинов с многообещающими результатами. Например, наноэмульсии эфирного масла гвоздики в хитозане продемонстрировали улучшенную противогрибковую активность против A. niger, а инкапсулирование низина в альгинат/резистентный крахмал повысило его эффективность в борьбе с ростом Clostridium в сыре чеддер по сравнению с обработкой только низином.
Доставка антимикробных препаратов в съедобных покрытиях и упаковке
Если вы когда-нибудь собирали фрукты на саду, вы легко заметите разницу между фруктами, растущими на деревьях, и теми, что продаются в продуктовом магазине. Часто последние обрабатываются пищевым воском или съедобными пленками, которые придают фруктам глянцевый вид. Воск может состоять из химических веществ или природных источников, которые защищают продукты от влаги и порчи.
Включение активных ингредиентов, таких как противомикробные препараты, в упаковку продуктов питания позволяет достичь двух целей одним разом - подавить рост микробов порчи и продлить срок хранения свежих продуктов. Например, эфирные масла орегано и/или тимьяна в пленке из изолята соевого белка уменьшили популяцию Pseudomonas spp. и колиформных бактерий в свежем говяжьем фарше, а покрытие из хитозана в сочетании с низином и синтетическим поверхностно-активным веществом лаурином аргинатом уменьшило рост L. monocytogenes в нарезанном деликатесном мясе индейки.
В июне 2022 года ученые разработали недорогую и высокопроизводительную систему упаковки продуктов питания, которая обматывает антимикробные волокна вокруг продуктов, как паутину. Система использует пуллулан, полисахарид природного происхождения, в качестве основы волокна, которое смешивается с природными противомикробными препаратами, такими как низин, лимонная кислота и масло тимьяна. Используя эту систему, ученые показали, что авокадо, обернутые антимикробными волокнами пуллулана, имеют более длительный срок хранения, лучше удерживают влагу и содержат меньше естественной микрофлоры, по сравнению с авокадо без покрытия. Обертка является биоразлагаемой и легко смывается, что делает ее перспективным методом упаковки скоропортящихся продуктов.
Опасения по поводу резистентности к противомикробным препаратам
При внедрении любого противомикробного препарата в полевых условиях необходимо решать вопросы, связанные с появлением резистентных патогенов. Мы мало знаем о развитии резистентности к противомикробным препаратам у патогенных микроорганизмов, передающихся через пищевые продукты, или микробов, вызывающих порчу, когда эфирные масла и бактериоцины используются в качестве пищевых консервантов.
Однако существуют некоторые лабораторные исследования, которые показывают, почему некоторые бактерии устойчивы к определенным видам бактериоцинов или эфирных масел. Например, вспышка S. enterica в 2007 году была связана со свежими листьями базилика. Листья базилика богаты фенольными соединениями с антимикробной активностью, поэтому это стало неожиданностью. Исследования в лаборатории показали, что S. enterica смогла выработать резистентность к активному ингредиенту линалоолу, содержащемуся в базилике. Другие исследования показали, что некоторые бактериальные штаммы B. subtilis и L. monocytogenes, резистентные к низину, имеют более высокий уровень транспортеров ABC, которые изгоняют низин из мембраны и делают бактерии иммунными.
Очень важно понять механизм резистентности, чтобы свести к минимуму возникновение резистентности в долгосрочной перспективе. Изучение этих механизмов может открыть возможные пути химического синтеза производных природных противомикробных препаратов и/или использования комбинации противомикробных препаратов для преодоления резистентности.
Перспективы использования природных противомикробных препаратов в будущем
По мере роста спроса на свежие продукты среди потребителей, заботящихся о своем здоровье, растет и необходимость предотвращения их порчи патогенными микробами. Природные антимикробные препараты предлагают более безопасную альтернативу химическим консервантам для сохранения продуктов питания. Однако необходимо решить некоторые проблемы.
Одной из основных проблем является определение концентрации природных антимикробных препаратов в продуктах питания. Многие исследования, посвященные влиянию эфирных масел и бактериоцинов на патогенные микробы, проводятся in vitro на отдельных видах бактерий. Однако они плохо сохраняются при добавлении этих противомикробных препаратов в пищевые продукты, предположительно из-за сложных глубинных взаимодействий между противомикробными препаратами, химической структурой продуктов питания и окружающей средой. Часто требуется более высокая концентрация противомикробного препарата в пищевых продуктах по сравнению с исследованиями in vitro, и регулирующим органам необходимо обеспечить, чтобы эти концентрации оставались безопасными для здоровья человека.
Методы применения и доставки противомикробных препаратов также должны быть оптимизированы для различных продуктов питания и различных видов патогенов, не нарушая при этом сенсорных характеристик продуктов. Некоторые потенциальные решения - это доставка натуральных противомикробных препаратов в нанокапсулах и экологически чистых покрытиях, а также тестирование синергетической эффективности комбинации противомикробных препаратов.
Самое главное, что пищевая промышленность и регулирующие органы должны нести моральные обязательства активно вовлекать потребителей в этот процесс на принципах прозрачности. Необходимы дополнительные исследования, чтобы убедиться, что эти системы сохраняют химические, биологические и органолептические свойства продуктов питания, не вызывая вредных побочных эффектов для здоровья потребителей.
