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

Lebensmittelsicherheit ist ein ständiger Kampf, einer, der mit steigender Weltbevölkerung und sich verändernder Umwelt immer komplexer wird. Jahrzehntelang hat die Lebensmittelindustrie auf chemische Konservierungsstoffe vertraut, um Verderb zu stoppen und schädliche Keime abzutöten, doch Verbraucher suchen zunehmend nach natürlichen Alternativen. Die Natur bietet bereits eine starke Verteidigung in Form von Milchsäurebakterien, einer Gruppe freundlicher Mikroben, die in fermentierten Lebensmitteln wie Joghurt und Sauerkraut vorkommen. Diese Bakterien machen das Essen nicht nur geschmacklich pikant; sie produzieren auch einen Cocktail aus natürlichen Chemikalien, die das Wachstum gefährlicher Krankheitserreger stoppen können. Diese nützlichen Chemikalien sind jedoch empfindlich. Sie können abgebaut werden, wenn sie Hitze, Licht oder Sauerstoff ausgesetzt sind, was ihre praktische, lagerstabile Anwendung erschwert. Um dies zu lösen, haben Wissenschaftler eine Technik namens Verkapselung entwickelt, bei der diese empfindlichen Substanzen in eine schützende Hülle gehüllt werden, ganz ähnlich wie ein Samen durch eine harte Schale geschützt wird. Die Herausforderung besteht darin, das richtige Hüllmaterial und die richtige Methode zum Trocknen der Mischung zu finden, ohne die darin enthaltenen aktiven Inhaltsstoffe zu zerstören.

In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher den besten Weg, um die antibakterielle Kraft eines spezifischen Bakterienstammes namens Lactiplantibacillus plantarum zu bewahren. Dieser Mikroorganismus ist bekannt für die Produktion einer Flüssigkeit, bekannt als zellfreies Überstand, der reich an Verbindungen ist, die Fäulnis und krankheitsverursachende Bakterien bekämpfen. Das Team wollte wissen, wie zwei verschiedene Trocknungsmethoden – Sprühtrocknung, bei der heiße Luft verwendet wird, um Wasser schnell zu verdampfen, und Gefriertrocknung, bei der Wasser direkt von Eis in Dampf umgewandelt wird – die Fähigkeit der Flüssigkeit beeinflussen, Keime abzutöten. Sie testeten zudem zwei verschiedene Schutzhüllen: Maltodextrin, ein Pulver aus Stärke, und Natriumcaseinat, ein aus Milch gewonnenes Protein. Das Ziel war es zu sehen, welche Kombination die antibakterielle Kraft am stärksten erhält, insbesondere gegen Bakterien, die Fisch verderben lassen, sowie gegen Bakterien, die Lebensmittelinfektionen beim Menschen verursachen.

Die Forscher begannen mit der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Rohflüssigkeit der Bakterien. Sie fanden heraus, dass diese sechzehn verschiedene Komponenten enthielt, darunter organische Säuren, Phenole und Kohlenwasserstoffe, welche die Waffen der Bakterien im Kampf gegen Eindringlinge sind. Die am häufigsten vorkommenden waren eine Art von Phenol und Essigsäure, die gleiche Verbindung, die dem Essig seinen scharfen Geruch verleiht. Um die Stärke der Flüssigkeit zu testen, erstellte das Team sieben verschiedene Versionen. Einige wurden als Rohflüssigkeit belassen, während andere entweder durch Sprühtrocknung oder Gefriertrocknung getrocknet wurden. Die getrockneten Proben wurden dann entweder mit Maltodextrin oder Natriumcaseinat beschichtet. Sie testeten diese Proben gegen eine Reihe von Bakterien, darunter Staphylococcus aureus, eine häufige Ursache für Lebensmittelvergiftungen, sowie mehrere Arten von Bakterien, die Fischverderb verursachen, wie etwa Vibrio vulnificus und Photobacterium damselae.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren Gewinner im Kampf um die Bewahrung der Kraft der Bakterien. Die Proben, die gefriergetrocknet und mit Natriumcaseinat beschichtet waren, erwiesen sich als am effektivsten beim Stoppen des Bakterienwachstums. Wenn sie auf einer Platte mit Staphylococcus aureus platziert wurden, erzeugte diese spezifische Mischung eine Hemmzone, einen Bereich, in dem keine Bakterien wachsen konnten, die eine Breite von 23,67 Millimetern aufwies. Dies war fast so effektiv wie die rohe, ungetrocknete Flüssigkeit, die eine Hemmzone von 24,67 Millimetern erzeugte. Im Gegensatz dazu schnitten die mit Sprühtrocknung getrockneten Proben im Allgemeinen schlechter ab, insbesondere wenn sie mit Maltodextrin beschichtet waren. Beispielsweise hatten die sprühgetrocknete Versionen ohne jegliche Beschichtung Schwierigkeiten, die Fischverderbsbakterien zu stoppen, und erzeugten Hemmzonen von nur 11,50 Millimetern. Die Studie legt nahe, dass die schonende Natur der Gefriertrocknung in Kombination mit den schützenden Eigenschaften des Milchproteins hilft, die empfindlichen antibakteriellen Verbindungen intakt zu halten.

Die Forscher maßen auch genau, wie viel der Substanz benötigt wurde, um das Bakterienwachstum zu stoppen oder sie vollständig abzutöten. Sie fanden heraus, dass die gefriergetrockneten, proteinbeschichteten Proben die geringste Menge benötigten, um effektiv zu sein. Gegen das Fischverderbsbakterium Photobacterium damselae konnte diese spezifische Mischung das Wachstum bereits bei einer Konzentration von nur 12,5 Milligramm pro Milliliter stoppen. Für den menschlichen Erreger Staphylococcus aureus konnte dieselbe Mischung die Bakterien bei einer Konzentration von 100 Milligramm pro Milliliter abtöten. Im Vergleich dazu benötigten die sprühgetrockneten Proben oft viel höhere Konzentrationen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, und in einigen Fällen wurden die Bakterien selbst bei den höchsten getesteten Konzentrationen nicht abgetötet. Die Studie deutet darauf hin, dass die Sprühtrocknung zwar billiger und schneller für den industriellen Einsatz ist, aber die aktiven Verbindungen stärker schädigen kann als die Gefriertrocknung, sofern nicht die richtige Beschichtung verwendet wird.

Weitere Hinweise lieferten die Untersuchungen der physikalischen Struktur der getrockneten Pulver. Unter einem starken Mikroskop erschienen die sprühgetrockneten Partikel als kleine Sphären, von denen einige runzelig waren oder in Klumpen zusammenklebten. Die gefriergetrockneten Proben sahen hingegen anders aus; diejenigen, die mit Maltodextrin beschichtet waren, ähnelten glatten, verbundenen Schichten, während die proteinbeschichteten flach und fragil waren. Diese physikalischen Unterschiede erklären wahrscheinlich, warum die gefriergetrockneten, proteinbeschichteten Proben so gut funktionierten. Die Struktur der Proteinhülle dürfte die aktiven Chemikalien besser vor den harten Bedingungen des Trocknungsprozesses geschützt haben als die stärkebasierte Hülle. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass beide Trocknungsmethoden ihren Platz haben, die Wahl des Beschichtungsmaterials jedoch entscheidend ist. Natriumcaseinat scheint der überlegene Schutzschild für die Gefriertrocknung zu sein, der die biologische Aktivität der bakteriellen Flüssigkeit bewahrt, während Maltodextrin eine bessere Wahl sein könnte, falls die Sprühtrocknung die einzige Option ist. Diese Arbeit bietet einen klaren Weg nach vorn zur Entwicklung natürlicher Konservierungsmittel, die Lebensmittel sicher halten können, ohne auf synthetische Chemikalien angewiesen zu sein.