Борьба с пищевыми патогенами с помощью природных антимикробных средств
#бактериоцины #эфирные масла #природные антимикробные вещества #пищевые патогены #микроорганизмы порчи
Ежегодно примерно каждый десятый человек становится жертвой заболеваний пищевого происхождения в результате употребления пищи, зараженной вредными микроорганизмами или химическими веществами.
Заражение может происходить на разных этапах приготовления пищи - при обработке, хранении, распределении и/или транспортировке - и является серьезной угрозой для здоровья населения и экономики. Поэтому сохранение продуктов питания важно для обеспечения их безопасности и сокращения потерь.
В настоящее время пищевая промышленность начала изучать природные альтернативы для сохранения продуктов питания, чтобы снизить 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 грибки, могут уничтожать патогенные микроорганизмы, передающиеся с пищей, такие как Salmonella Typhimurium, Escherichia coli, Listeria monocytogenes и Clostridium botulinum. Они также могут воздействовать на бактерии, вызывающие порчу пищевых продуктов, включая Brochothrix thermosphacta, Lactobacillus spp., Bacillus spp. и Weissella spp. и другие. Патогенные микроорганизмы и микробы, вызывающие порчу пищевых продуктов, представляют 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.
Такие травы, как орегано, тимьян и розмарин, являются не только отличными ароматизаторами, но и обладают огромным антимикробным потенциалом в отношении патогенных микроорганизмов. 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 - важный арсенал защиты растений от болезнетворных бактерий, грибков и насекомых, и пищевая промышленность использует эти преимущества для борьбы с патогенами, передающимися через продукты питания.
Антимикробные свойства эфирных масел в основном объясняются наличием в них фенольных соединений, таких как карвакрол, тимол и эвгенол. Механизм действия этих антимикробных соединений до конца не изучен, но есть основания полагать, что они могут делать мембрану бактериальной клетки проницаемой, высвобождать внутриклеточное содержимое или нарушать функции мембраны, взаимодействуя с белками бактериальной мембраны.
Эфирные масла различных трав и специй, включая орегано, тимьян, гвоздику, розмарин и куркуму, не только обладают антимикробной активностью, но и безопасны для употребления человеком. Их антимикробная активность в отношении патогенных микроорганизмов или бактерий, вызывающих порчу пищевых продуктов, зависит от ряда факторов, включая концентрацию и способ извлечения, а также рН и температуру пищи. В исследовании 2019 года ученые показали, что низкая доза эфирного масла древесного чая (1,5% по весу) ингибирует 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.
Подобно тому как эфирные масла помогают растениям бороться с патогенами, некоторые бактерии производят малые пептиды с антимикробными свойствами против близкородственных бактерий, что становится выгодным при конкуренции за ресурсы в общей среде обитания. Эти пептиды называются бактериоцинами и помогают бактериям занять свою нишу в экосистеме. Бактериоцины считаются безопасными для человека, поскольку они легко разлагаются ферментами в желудочно-кишечном тракте человека. Многие из них вырабатываются бактериями, относящимися к группе молочнокислых бактерий (LAB). Они могут быть использованы для сохранения пищевых продуктов различными способами - например, в виде очищенных веществ или путем добавления бактерий, продуцирующих бактериоцины, непосредственно в пищу.
Одним из наиболее хорошо изученных бактериоцинов является низин - антимикробный пептид, вырабатываемый видами Lactococcus и Streptococcus. 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 получения разрешения регулирующих органов необходимо провести дополнительные исследования и клинические испытания на иммуногенность и токсичность других бактериоцинов.
Хотя идея использования эфирных масел, добываемых из трав и специй, и бактериоцинов из LAB в теории звучит прекрасно, несколько факторов ограничивают ее практическое применение. Например, интенсивный запах (и вкус) эфирных масел в продуктах питания может понравиться не всем. Кроме того, как эфирные масла, так и бактериоцины отличаются плохой растворимостью и стабильностью, что снижает их эффективность.
В настоящее время изучаются технологии, позволяющие преодолеть эти ограничения. Одна из возможностей заключается в доставке этих антимикробных источников путем их инкапсуляции в наночастицы, которые позволяют им оставаться стабильными в пищевых продуктах при различных pH и температурах. Такая система обеспечивает медленное и постепенное высвобождение антимикробных веществ, что позволяет сохранять продукты питания в течение длительного времени. Это особенно полезно для контролируемого применения эфирных масел, которые в противном случае могут изменить сенсорные свойства пищи.
Ученые исследуют несколько биополимеров (например, хитозан, декстран, крахмал и альгинат), которые нетоксичны и экологичны, чтобы инкапсулировать эфирные масла и бактериоцины, и получают многообещающие результаты. Например, наноэмульсии эфирного масла гвоздики в хитозане продемонстрировали улучшенную противогрибковую активность против A. niger, а инкапсулирование низина в альгинат/устойчивый крахмал повысило его эффективность в борьбе с ростом Clostridium в сыре чеддер по сравнению с обработкой только низином.
Если вы когда-нибудь собирали фрукты в саду, то 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. В состав воска могут входить химические вещества или натуральные источники, которые защищают продукты от влаги и порчи.
Включение активных ингредиентов, таких как антимикробные препараты, в упаковку продуктов питания позволяет достичь двух целей одним разом - подавить рост микробов, вызывающих порчу, и продлить срок хранения свежих продуктов. Например, эфирные масла орегано и/или тимьяна в пленке из изолята соевого белка снижают популяции Pseudomonas spp. и колиформных в свежих говяжьих котлетах, а покрытие из хитозана в сочетании с низином и синтетическим поверхностно-активным средством лауриновым аргинатом снижает рост L. monocytogenes в нарезанном деликатесном мясе индейки.
В июне 2022 года ученые разработали недорогую и высокопроизводительную систему упаковки продуктов питания, которая обматывает их антимикробными волокнами, как паутиной. В качестве основы волокна в системе используется пуллулан - полисахарид природного происхождения, который смешивается с натуральными 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.
При внедрении любого противомикробного препарата необходимо решать вопросы, связанные с появлением резистентных патогенов. Нам мало что известно о развитии резистентности к противомикробным препаратам у патогенных микроорганизмов пищевого происхождения или микробов, вызывающих порчу, при использовании эфирных масел и бактериоцинов в качестве пищевых консервантов.
Однако есть несколько лабораторных исследований, которые показывают, почему некоторые бактерии становятся резистентными к определенным типам бактериоцинов или эфирных масел. Например, вспышка эпидемии S. enterica в 2007 году в США была связана со свежими листьями базилика. Листья базилика богаты фенольными соединениями, обладающими антимикробной активностью, поэтому это стало неожиданностью. Исследования в лаборатории показали, что S. enterica смогла выработать устойчивость к активному ингредиенту линалоолу, содержащемуся в базилике. Другие исследования показали, что некоторые штаммы бактерий B. subtilis и L. monocytogenes, устойчивые к низину, имеют более высокий уровень АВС-транспортеров, которые изгоняют низин из мембраны и делают бактерии невосприимчивыми.
Очень важно понять механизм резистентности, чтобы свести к минимуму появление 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.
По мере роста спроса на свежие продукты среди потребителей, заботящихся о своем здоровье, растет и потребность в предотвращении их порчи патогенными микробами. Природные антимикробные препараты являются более безопасной альтернативой химическим консервантам для сохранения продуктов питания. Однако необходимо решить некоторые проблемы.
Одна из главных проблем - определение концентрации природных антимикробных средств в продуктах питания. Многие исследования, посвященные влиянию эфирных масел и бактериоцинов на патогенные микробы, проводятся in vitro на отдельных видах бактерий. Однако они плохо воспроизводятся при добавлении этих противомикробных препаратов в пищевые продукты, предположительно из-за сложных взаимодействий между противомикробными препаратами, химической структурой пищи и окружающей средой. Часто в пищевых продуктах требуется более высокая концентрация противомикробного препарата 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 антимикробных препаратов в нанокапсулах и экологически чистых покрытиях, а также тестирование синергетической эффективности комбинации антимикробных препаратов.
Самое главное, что пищевая промышленность и регулирующие органы несут моральную ответственность за активное и прозрачное вовлечение потребителей в этот процесс. Необходимы дополнительные исследования, чтобы убедиться, что эти системы сохраняют химические, биологические и сенсорные свойства продуктов питания, не вызывая при этом вредных побочных эффектов для здоровья потребителей.
