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

La sicurezza alimentare è una battaglia costante, che diventa sempre più complessa con l'aumento della popolazione mondiale e il cambiamento dell'ambiente. Per decenni, l'industria alimentare si è affidata ai conservanti chimici per impedire il deterioramento e uccidere i germi nocivi, ma i consumatori cercano sempre più alternative naturali. La natura fornisce già una potente difesa sotto forma di batteri lattici, un gruppo di microbi amichevoli che si trovano in alimenti fermentati come lo yogurt e i crauti. Questi batteri non rendono solo il cibo dal gusto acidulo; essi producono anche un cocktail di sostanze chimiche naturali che possono impedire la crescita di patogeni pericolosi. Tuttavia, queste sostanze benefiche sono fragili. Possono degradarsi quando esposte al calore, alla luce o all'ossigeno, rendendo difficile il loro utilizzo in modo pratico e stabile nel tempo. Per risolvere questo problema, gli scienziati si sono rivolti a una tecnica chiamata incapsulamento, che consiste nell'avvolgere queste delicate sostanze in un guscio protettivo, proprio come un seme è protetto da un rivestimento duro. La sfida consiste nel trovare il materiale del guscio giusto e il metodo corretto per essiccare la miscela senza distruggere gli ingredienti attivi all'interno.

In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di trovare il modo migliore per preservare il potere antibatterico di un ceppo batterico specifico chiamato Lactiplantibacillus plantarum. Questo microbo è famoso per produrre un liquido, noto come surnatante privo di cellule, che è ricco di composti che combattono il deterioramento e i batteri che causano malattie. Il team voleva sapere come due diversi metodi di essiccazione — lo spray drying, che utilizza l'aria calda per far evaporare rapidamente l'acqua, e la liofilizzazione, che rimuove l'acqua trasformando direttamente il ghiaccio in vapore — avrebbero influenzato la capacità del liquido di uccidere i germi. Hanno inoltre testato due diversi rivestimenti protettivi: il maltodestrina, una polvere derivata dall'amido, e la caseinato di sodio, una proteina derivata dal latte. L'obiettivo era vedere quale combinazione mantenesse più forte la proprietà antibatterica, specificamente contro i batteri che deteriorano il pesce e quelli che causano malattie legate al cibo negli esseri umani.

I ricercatori hanno iniziato analizzando la composizione chimica del liquido grezzo dei batteri. Hanno scoperto che conteneva sedici componenti diversi, tra cui acidi organici, fenoli e idrocarburi, che sono le armi utilizzate dai batteri per combattere gli invasori. I più abbondanti erano un tipo di fenolo e l'acido acetico, lo stesso composto che conferisce all'aceto il suo odore pungente. Per testare la forza del liquido, il team ha creato sette versioni diverse. Alcune sono state lasciate come liquido grezzo, mentre altre sono state essiccate utilizzando lo spray drying o la liofilizzazione. I campioni essiccati sono stati poi rivestiti con maltodestrina o caseinato di sodio. Hanno testato questi campioni contro una serie di batteri, tra cui lo Staphylococcus aureus, una causa comune di intossicazioni alimentari, e diversi tipi di batteri che fanno marcire il pesce, come Vibrio vulnificus e Photobacterium damselae.

I risultati hanno rivelato un chiaro vincitore nella battaglia per preservare il potere dei batteri. I campioni liofilizzati e rivestiti con caseinato di sodio si sono dimostrati i più efficaci nel bloccare la crescita batterica. Collocati su una piastra con Staphylococcus aureus, questa specifica miscela ha creato una zona di inibizione, un'area in cui i batteri non potevano crescere, che misurava 23,67 millimetri di diametro. Era quasi efficace quanto il liquido grezzo non essiccato, che creava una zona di inibizione di 24,67 millimetri. Al contrario, i campioni essiccati con lo spray drying sono generalmente risultati meno performanti, specialmente quando rivestiti con maltodestrina. Ad esempio, la versione spray-dried senza alcun rivestimento ha faticato a fermare i batteri del deterioramento del pesce, creando zone di inibizione piccole quanto 11,50 millimetri. Lo studio suggerisce che la natura delicata della liofilizzazione, combinata con le qualità protettive della proteina del latte, aiuta a mantenere intatti i delicati composti antibatterici.

I ricercatori hanno anche misurato esattamente quanta sostanza fosse necessaria per fermare la crescita dei batteri o per ucciderli completamente. Hanno scoperto che i campioni liofilizzati e rivestiti di proteine richiedevano la quantità minore per essere efficaci. Contro il batterio del deterioramento del pesce Photobacterium damselae, questa specifica miscela poteva bloccare la crescita a una concentrazione di soli 12,5 milligrammi per millilitro. Per il patogeno umano Staphylococcus aureus, la stessa miscela poteva uccidere i batteri a una concentrazione di 100 milligrammi per millilitro. In confronto, i campioni spray-dried richiedevano spesso concentrazioni molto più elevate per ottenere lo stesso risultato e, in alcuni casi, i batteri non venivano affatto uccisi anche alle concentrazioni più alte testate. Lo studio indica che, sebbene lo spray drying sia più economico e veloce per l'uso industriale, può danneggiare i composti attivi più della liofilizzazione, a meno che non venga utilizzato il rivestimento giusto.

L'osservazione della struttura fisica delle polveri essiccate ha fornito ulteriori indizi. Quando osservati sotto un potente microscopio, le particelle ottenute tramite spray drying apparivano come piccole sfere, alcune delle quali erano rugose o attaccate in grumi. I campioni liofilizzati, invece, apparivano diversi; quelli rivestiti con maltodestrina somigliavano a strati lisci e connessi, mentre quelli rivestiti con proteine erano piatti e fragili. Queste differenze fisiche spiegano probabilmente perché i campioni liofilizzati e rivestiti di proteine funzionassero così bene. La struttura del rivestimento proteico potrebbe aver protetto i composti attivi dalle dure condizioni del processo di essiccazione meglio del rivestimento a base di amido. Lo studio conclude che, sebbene entrambi i metodi di essiccazione abbiano il loro posto, la scelta del materiale di rivestimento è critica. Il caseinato di sodio appare come lo scudo superiore per la liofilizzazione, preservando l'attività biologica del liquido batterico, mentre la maltodestrina potrebbe essere una scelta migliore se lo spray drying è l'unica opzione disponibile. Questo lavoro offre una chiara strada da seguire per lo sviluppo di conservanti naturali che possano mantenere il cibo sicuro senza fare affidamento su prodotti chimici sintetici.