Influence of Drying Techniques and Encapsulation Materials on the Antibacterial Activity of Lactiplantibacillus plantarum Cell-Free Supernatants

تعد سلامة الغذاء معركة مستمرة، وهي معركة تزداد تعقيداً مع ارتفاع عدد سكان العالم وتغير البيئة. لعقود من الزمن، اعتمدت صناعة الغذاء على المواد الحافظة الكيميائية لمنع التلف وقتل الجراثيم الضارة، ولكن المستهلكين يبحثون بشكل متزايد عن بدائل طبيعية. توفر الطبيعة بالفعل دفاعاً قوياً في شكل بكتيريا حمض اللاكتيك، وهي مجموعة من الميكروبات الصديقة الموجودة في الأطعمة المخمرة مثل الزبادي والكرنب المخلل (ساوركراوت). هذه البكتيريا لا تجعل الطعام ذا طعم لاذع فحسب، بل تنتج أيضاً مزيجاً من المواد الكيميائية الطبيعية التي يمكنها منع نمو المسببات المرضية الخطيرة. ومع ذلك، فإن هذه المواد الكيميائية المفيدة هشة؛ إذ يمكن أن تتحلل عند التعرض للحرارة أو الضوء أو الأكسجين، مما يجعل استخدامها بطريقة عملية ومستقرة على الرف أمراً صعباً. ولحل هذه المشكلة، لجأ العلماء إلى تقنية تسمى "التغليف" (encapsulation)، والتي تتضمن لف هذه المواد الحساسة في غلاف واقٍ، تماماً كما تُحمى البذرة بغلاف صلب. ويكمكم التحدي في إيجاد مادة الغلاف المناسبة والطريقة الصحيحة لتجفيف الخليط دون تدمير المكونات النشطة بداخله.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لإيجاح أفضل طريقة للحفاظ على القوة المضادة للبكتيريا لسلالة معينة من البكتيريا تسمى Lactiplantibacillus plantarum. تشتهر هذه الميكروبات بإنتاج سائل، يُعرف باسم "المادة الطافية الخالية من الخلايا" (cell-free supernatant)، وهو غني بالمركبات التي تحارب الفساد والبكتيريا المسببة للأمراض. أراد الفريق معرفة كيف سيؤثر أسلوبان مختلفان من التجفيف — التجفيف بالرذاذ (spray drying)، الذي يستخدم الهواء الساخن لتبخير الماء بسرعة، والتجفيف بالتجميد (freeze-drying)، الذي يزيل الماء عن طريق تحويل الجليد مباشرة إلى بخار — على قدرة السائل في قتل الجراثيم. كما اختبروا أيضاً نوعين من الطلاء الواقي: المالتوديكسترين، وهو مسحوق مستخلص من النشا، وكازينات الصوديوم، وهو بروتين مشتق من الحليب. كان الهدف هو معرفة أي مزيج يحافظ على أقوى الخصائص المضادة للباًكتيريا، وتحديداً ضد البكتيريا التي تسبب فساد الأسماك وتلك التي تسبب الأمراض المنقولة بالغذاء لدى البشر.

بدأ الباحثون بتحليل التركيب الكيميائي للسائل الخام المستخلص من البكتيريا. ووجدوا أنه يحتوي على ستة عشر مكوناً مختلفاً، بما في ذلك الأحماض العضوية، والفينولات، والهيدروكربونات، وهي الأسلحة التي تستخدمها البكتيريا لمحاربة الغزاة. وكانت أكثر هذه المكونات وفرة هي نوع من الفينول وحمض الأسيتيك، وهو نفس المركب الذي يعطي الخل رائحته النفاذة. ولاختبار قوة السائل، أنشأ الفريق سبعة نسخ مختلفة؛ حيث تُرِكت بعض النسخ كسائل خام، بينما جُففت نسخ أخرى إما بالتجفيف بالرذاذ أو بالتجفيف بالتجميد. ثم غُلفت العينات المجففة إما بالمالتوديكسترين أو بكازينات الصوديوم. واختبروا هذه العينات ضد مجموعة من البكتيريا، بما في ذلك Staphylococcus aureus، وهو سبب شائع للتسمم الغذائي، وعدة أنواع من البكتيريا التي تسبب تعفن الأسماك، مثل Vibrio vulnificus و Photobacterium damselae.

كشفت النتائج عن فائز واضح في معركة الحفاظ على قوة البكتيريا. فقد ثبت أن العينات التي جُففت بالتجميد وغُلفت بكازينات الصوديوم كانت الأكثر فعالية في وقف نمو البكتيريا. فعند وضعها في طبق مع بكتيريا Staphylococcus aureus، أحدث هذا المزيج تحديداً "منطقة تثبيط" (zone of inhibition)، وهي مساحة لا تستطيع البكتيريا النمو فيها، وبلغ عرضها 23.67 ملم. وكان هذا فعالاً تقريباً مثل السائل الخام غير المجفف، الذي أحدث منطقة تثبيط بعرض 24.67 ملم. وفي المقابل، أدت العينات المجففة بالرذاذ أداءً أسوأ بشكل عام، خاصة عندما غُلفت بالمالتوديكسترين. فعلى سبيل المثال، النسخة المجففة بالرذاذ بدون أي غلاف عانت في وقف بكتيريا فساد الأسماك، حيث بلغت مناطق التثبيط 11.50 ملم فقط. وتشير الدراسة إلى أن الطبيعة اللطيفة للتجفيف بالتجميد، مقترنة بالخصائص الواقية لبروتين الحليب، تساعد في الحفاظ على المركبات المضادة للبكتيريا الحساسة سليمة.

وقد قام الباحثون أيضاً بقياس الكمية الدقيقة المطلة لوقف نمو البكتيريا أو قتلها تماماً. ووجدوا أن العينات المجففة بالتجميد والمغلفة بالبروتين كانت تتطلب أقل كمية لتكون فعالة. فمقابل بكتيريا فساد الأسماك Photobacterium damselae، استطاع هذا المزيج تحديداً وقف النمو عند تركيز منخفض يصل إلى 12.5 ملجم لكل مللتر. أما بالنسبة لممرض البشر Staphylococcus aureus، فقد استطاع نفس المزيج قتل البكتيريا عند تركيز 100 ملجم لكل مللتر. وبالمقارنة، تطلبت العينات المجففة بالرذاذ غالباً تركيزات أعلى بكثير لتحقيق نفس النتيجة، وفي بعض الحالات، لم يتم قتل البكتيريا على الإطلاق حتى عند أعلى التركيزات المختبرة. وتشير الدراسة إلى أنه بينما يعد التجفيف بالرذاذ أرخص وأسرع للاستخدام الصناعي، إلا أنه قد يضر بالمركبات النشطة أكثر من التجفيف بالتجميد، ما لم يُستخدم الغلاف المناسب.

وقدمت دراسة البنية الفيزيائية للمساحيق المجففة مزيداً من الأدلة. فعند النظر إليها تحت مجهر قوي، ظهرت جزيئات التجفيف بالرذاذ ككرات صغيرة، بعضها كان مجعداً أو ملتصقاً ببعضه في كتل. ومع ذلك، بدت العينات المجففة بالتجميد مختلفة؛ إذ بدت تلك المغلفة بالمالتوديكسترين كطبقات ناعمة ومتصلة، بينما كانت تلك المغلفة بالبروتين مسطحة وهشة. ومن المرجح أن هذه الاختلافات الفيزيائية هي التي تفسر سبب نجاح العينات المجففة بالتجميد والمغلفة بالبروتين بشكل جيد. فبنية غلاف البروتين ربما حمت المواد الكيميائية النشطة من الظروف القاسية لعملية التجفيف بشكل أفضل من غلاف النشا. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما يوجد لكل من أسلوبي التجفيف مكانه الخاص، فإن اختيار مادة الغلاف أمر بالغ الأهمية. ويبدو أن كازينات الصوديوم هي الدرع الأفضل للتجفيف بالتجميد، حيث تحافظ على النشاط البيولوجي للسائل البكتيري، في حين قد يكون المالتوديكسترين خياراً أفضل إذا كان التجفيف بالرذاذ هو الخيار الوحيد المتاح. ويقدم هذا العمل مساراً واضحاً لتطوير مواد حافظة طبيعية يمكنها الحفاظ على سلامة الغذاء دون الاعتماد على المواد الكيميائية الاصطناعية.