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

食品の安全性は絶え間ない戦いであり、世界人口の増加と環境の変化に伴い、その複雑さは増しています。数十年にわたり、食品業界は腐敗を防ぎ有害な菌を殺すために化学保存料に頼ってきましたが、消費者はますます天然の代替品を求めるようになっています。自然界には、ヨーグルトやザワークラウトのような発酵食品に含まれる善玉微生物である乳酸菌という、強力な防御手段がすでに備わっています。これらの細菌は、単に食品を酸味のある味わいにするだけでなく、危険な病原菌の増殖を阻止する天然化学物質のカクテルを生成します。しかし、これらの有益な化学物質は非常にデリケートです。熱、光、または酸素にさらされると分解してしまうため、実用的で保存性の高い方法で使用することが困難です。これを解決するために、科学者たちは「カプセル化」と呼ばれる技術に注目しました。これは、種子が硬い殻によって守られているように、これらの繊細な物質を保護的な殻で包み込む手法です。課題は、適切な殻の材料と、中の有効成分を破壊することなく混合物を乾燥させる適切な方法を見つけることにあります。

最近の研究において、研究者たちは「ラクティプランチバチルス・プランタラム（Lactiplantibacillus plantarum）」と呼ばれる特定の菌株の抗菌力を保持するための最善の方法を探求しました。この微生物は、腐敗や病気を引き起こす細菌と戦うための化合物が豊富な液体、いわゆる「細胞不含上清（セルフリー・スーパーナタント）」を生成することで有名です。研究チームは、2つの異なる乾燥方法、すなわち熱風を用いて素早く水分を蒸発させる「スプレードライ（噴霧乾燥）」と、氷を直接蒸気に変えることで水分を取り除く「フリーズドライ（凍結乾燥）」が、液体の殺菌能力にどのような影響を与えるかを調べたいと考えました。また、彼らは2種類の異なる保護コーティング、すなわちデンプンから作られた粉末であるマルトデキストリンと、牛乳由来のタンパク質であるカゼインナトリウムについてもテストを行いました。目的は、どの組み合わせが抗菌力を最も強く維持できるか、特に魚の腐敗を引き起こす細菌や、ヒトに食中毒を引き起こす細菌に対して、という点を確認することでした。

研究者たちはまず、未加工の液体に含まれる化学的組成の分析を開始しました。その結果、液体には有機酸、フェノール類、炭水化物を含む16種類の成分が含まれていることが判明しました。これらは細菌が侵入者と戦うための武器です。最も豊富に含まれていたのは、ある種のフェノール類と、酢特有の鋭い臭いの原因となる酢酸でした。液体の強さをテストするため、チームは7つの異なるバージョンを作成しました。生の状態のままの液体のほか、スプレードライまたはフリーズドライを用いて乾燥させたものを用意しました。乾燥したサンプルには、マルトデキストリンまたはカゼインナトリウムのいずれかのコーティングを施しました。そして、食中毒の一般的な原因であるスタフィロコッカス・アウレウス（黄色ブドウ球菌）や、Vibrio vulnificus（ビブリオ・バルニフィカスス）やPhotobacterium damselae（フォトバクテリウム・ダムセレー）といった魚の腐敗を引き起こす数種類の細菌に対して、これらのサンプルをテストしました。

結果は、細菌の力を保持するための戦いにおける明確な勝者を明らかにしました。フリーズドライされ、カゼインナトリウムでコーティングされたサンプルが、細菌の増殖を阻止する上で最も効果的であることが証明されました。スタフィロコッカス・アウレウスに対して配置された際、この特定の混合物は、細菌が成長できない領域である「阻止円」を23.67ミリメートルの幅で形成しました。これは、24.67ミリメートルの阻止円を作った未乾燥の生の液体とほぼ同等の効果でした。対照的に、スプレードライで乾燥させたサンプルは一般的に性能が低く、特にマルトデキストリンでコーティングされた場合に顕著でした。例えば、コーティングなしのスプレードライ版は、魚の腐敗細菌を阻止するのに苦戦し、阻止円はわずか11.50ミリメートルまで小さくなりました。この研究は、フリーズドライの穏やかな性質と、乳タンパク質の保護特性の組み合わせが、デリケートな抗菌化合物の完全性を維持するのに役立つことを示唆しています。

研究者たちはまた、細菌の増殖を阻止したり、完全に殺菌したりするために、その物質が正確にどの程度の量必要であるかも測定しました。その結果、フリーズドライされ、タンパク質でコーティングされたサンプルが、効果を発揮するために最も少ない量を必要とすることが分かりました。魚の腐敗細菌であるフォトバクテリウム・ダムセレーに対して、この特定の混合物は、わずか12.5ミリグラム/ミリリットルの濃度で増殖を阻止できました。ヒトの病原体であるスタフィロコッカス・アウレウスに対しては、同じ混合物が100ミリグラム/ミリリットルの濃度で細菌を死滅させることができました。比較として、スプレードライされたサンプルは、同じ結果を得るためにしばしばはるかに高い濃度を必要とし、場合によっては最高濃度でテストしても細菌が全く死滅しないこともありました。この研究は、スプレードライは工業利用においてより安価で高速ですが、適切なコーティングを使用しない限り、フリーズドライよりも有効成分を損傷させる可能性があることを示しています。

乾燥した粉末の物理的構造を詳細に観察することで、さらなる手がかりが得られました。強力な顕微鏡下で観察すると、スプレードライされた粒子は小さな球体であり、一部はしわが寄っていたり、塊となって固まったりしていました。しかし、フリーズドライされたサンプルは異なって見えました。マルトデキストリンでコーティングされたものは滑らかに連結した層のようであり、タンパク質でコーティングされたものは平坦で脆い構造をしていました。これらの物理的な違いが、なぜフリーズドライ・タンパク質コーティング・サンプルがこれほど上手くいったのかを説明している可能性があります。タンパク質のコーティング構造が、デンプンベースのコーティングよりも、乾燥プロセス中の過酷な条件から有効な化学物質をより良く保護したと考えられます。研究は、どちらの乾燥方法にもそれぞれの役割があるものの、コーティング材料の選択が極めて重要であると結論付けています。カゼインナトリウムは、フリエドライによる生物学的活性の保持において優れた盾となる一方で、スプレードライしか選択肢がない場合にはマルトデキストリンがより良い選択肢となる可能性があります。この研究は、合成化学物質に頼ることなく食品の安全を守るための、天然保存料の開発に向けた明確な道筋を提示しています。