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

Voedselveiligheid is een constante strijd, een strijd die complexer wordt naarmate de wereldbevolking groeit en het milieu verandert. Decennialang heeft de voedingsmiddelenindustrie vertrouwd op chemische conserveermiddelen om bederf te stoppen en schadelijke bacteriën te doden, maar consumenten zoeken steeds vaker naar natuurlijke alternatieven. De natuur biedt al een krachtig verdedigingsmechanisme in de vorm van melkzuurbacteriën, een groep vriendelijke microben die te vinden zijn in gefermenteerde voedingsmiddelen zoals yoghurt en zuurkool. Deze bacteriën zorgen niet alleen voor een frisse, zurige smaak; ze produceren ook een cocktail van natuurlijke stoffen die gevaarlijke ziekteverwekkers kunnen stoppen met groeien. Deze gunstige stoffen zijn echter kwetsbaar. Ze kunnen afbreken bij blootstelling aan hitte, licht of zuurstof, wat het moeilijk maakt om ze op een praktische, houdbare manier te gebruiken. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers gebruikgemaakt van een techniek genaamd inkapseling, waarbij deze delicate stoffen worden verpakt in een beschermende schil, vergelijkbaar met hoe een zaadje wordt beschermd door een hard omhulsel. De uitdaging ligt in het vinden van het juiste schilmateriaal en de juiste methode om het mengsel te drogen zonder de actieve ingrediënten binnenin te vernietigen.

In een recente studie probeerden onderzoekers de beste manier te vinden om de antibacteriële kracht van een specifieke bacteriestam genaamd Lactiplantibacillus plantarum te behouden. Deze microbe staat bekend om het produceren van een vloeistof, ook wel een celvrije supernatant genoemd, die rijk is aan verbindingen die bederf en ziekteverwekkende bacteriën bestrijden. Het team wilde weten hoe twee verschillende droogmethoden — sproeidrogen, waarbij hete lucht wordt gebruikt om snel water te verdampen, en vriesdrogen, waarbij water wordt verwijderd door ijs direct in damp te veranderen — de capaciteit van de vloeistof om bacteriën te doden zouden beïnvloeden. Ze testten ook twee verschillende beschermende coatings: maltodextrine, een poeder gemaakt van zetmeel, en natriumcaseïnaat, een eiwit afgeleid van melk. Het doel was om te zien welke combinatie de antibacteriële eigenschappen het sterkst behield, specifiek tegen bacteriën die vis bederven en bacteriën die voedselinfecties bij mensen veroorzaken.

De onderzoekers begonnen met het analyseren van de chemische samenstelling van de ruwe vloeistof van de bacterie. Ze ontdekten dat deze zestien verschillende componenten bevatte, waaronder organische zuren, fenolen en koolwaterstoffen, wat de wapens zijn die de bacteriën gebruiken om indringers te bestrijden. De meest voorkomende hiervan waren een type fenol en azijnzuur, dezelfde verbinding die de scherpe geur van azijn geeft. Om de kracht van de vloeistof te testen, maakte het team zeven verschillende versies. Sommige werden als ruwe vloeistof achtergelaten, terwijl andere werden gedroogd met ofwel sproeidrogen of vriesdrogen. De gedroogde monsters werden vervolgens gecoat met ofwel maltodextrine of natriumcaseïnaat. Ze testten deze monsters tegen een reeks bacteriën, waaronder Staphylococcus aureus, een veelvoorkomende oorzaak van voedselvergiftiging, en verschillende soorten bacteriën die ervoor zorgen dat vis rot, zoals Vibrio vulnificus en Photobacterium damselae.

De resultaten toonden een duidelijke winnaar aan in de strijd om de kracht van de bacterie te behouden. De monsters die via vriesdrogen waren gedroogd en gecoat met natriumcaseïnaat bleken het meest effectief in het stoppen van bacteriegroei. Wanneer deze op een plaat met Staphylococcus aureus werden geplaatst, creëerden ze een remzone, een gebied waar bacteriën niet konden groeien, die 23,67 millimeter breed was. Dit was bijna even effectief als de ruwe, ongedroogde vloeistof, die een remzone van 24,67 millimeter creëerde. In contrast hiermee presteerden de monsters die met sproeidrogen waren gedroogd over het algemeen slechter, vooral wanneer ze met maltodextrine waren gecoat. Zo creëerde de met sproeidrogen gedroogde versie zonder enige coating bijvoorbeeld zones van inhibitie die zo klein waren als 11,50 millimeter tegen de visbederf-bacteriën. De studie suggereert dat het milde karakter van vriesdrogen, gecombineerd met de beschermende kwaliteiten van het melkeiwit, helpt om de delicate antibacteriële verbindingen intact te houden.

De onderzoekers maten ook exact hoeveel van de stof nodig was om de bacteriën te stoppen met groeien of om ze volledig te doden. Ze ontdekten dat de via vriesdrogen verkregen, met eiwit gecoate monsters de kleinste hoeveelheid nodig hadden om effectief te zijn. Tegen de visbederf-bacterie Photobacterium damselae kon dit specifieke mengsel de groei stoppen bij een concentratie van slechts 12,5 milligram per milliliter. Tegen de menselijke pathogeen Staphylococcus aureus kon hetzelfde mengsel de bacteriën doden bij een concentratie van 100 milligram per milliliter. Ter vergelijking: de met sproeidrogen gedroogde monsters vereisten vaak veel hogere concentraties om hetzelfde resultaat te bereiken, en in sommige gevallen werden de bacteriën zelfs bij de hoogste geteste concentraties niet gedood. De studie geeft aan dat hoewel sproeidrogen goedkoper en sneller is voor industrieel gebruik, het de actieve verbindingen meer kan beschadigen dan vriesdrogen, tenzij de juiste coating wordt gebruikt.

De fysieke structuur van de gedroogde poeders leverde verdere aanwijzingen op. Wanneer bekeken onder een krachtige microscoop, zagen de deeltjes van de sproe gedroogde monsters eruit als kleine sferen, waarvan sommige gerimpeld waren of aan elkaar klonterden. De vriesgedroogde monsters zagen er echter anders uit; de exemplaren die met maltodextrine waren gecoat leken op gladde, verbonden lagen, terwijl de met eiwit gecoate exemplaren plat en fragiel waren. Deze fysieke verschillen verklaren waarschijnlijk waarom de vriesgedroogde, met eiwit gecoate monsters zo goed werkten. De structuur van de eiwitcoating kan de actieve chemicaliën beter hebben beschermd tegen de zware omstandigheden van het droogproces dan de zetmeelgebaseerde coating deed. De studie concludeert dat hoewel beide droogmethoden hun plaats hebben, de keuze van het coatingmateriaal cruciaal is. Natriumcaseïnaat lijkt de superieure bescherming te zijn voor vriesdrogen, waarbij de biologische activiteit van de bacteriële vloeistof behouden blijft, terwijl maltodextrine misschien een betere keuze is als sproeidrogen de enige optie is. Dit werk biedt een duidelijk pad voorwaarts voor de ontwikkeling van natuurlijke conserveermiddelen die voedsel veilig kunnen houden zonder afhankelijk te zijn van synthetische chemicaliën.