Биоконсервация — это использование естественной или контролируемой микробиоты или противомикробных препаратов в качестве способа сохранения продуктов питания и продления срока их хранения . [1] Биоконсервация пищевых продуктов, особенно с использованием молочнокислых бактерий (МКБ), которые подавляют микробы, вызывающие порчу пищевых продуктов, практиковалась с раннего возраста, сначала неосознанно, но со временем имея все более прочную научную основу. [2] Полезные бактерии или продукты ферментации , производимые этими бактериями, используются в биоконсервации для контроля порчи и обезвреживания патогенов в пищевых продуктах. [3] Существуют различные способы действия, посредством которых микроорганизмы могут препятствовать росту других, например, выработка органических кислот, что приводит к снижению pH и антимикробной активности недиссоциированных молекул кислот, широкий спектр небольших ингибирующих молекулы, включая перекись водорода и т. д. [2] Это щадящий экологический подход, который привлекает все больше внимания. [1]
Особый интерес представляют молочнокислые бактерии (МКБ). Молочнокислые бактерии обладают антагонистическими свойствами, что делает их особенно полезными в качестве биоконсервантов. Когда МКБ конкурируют за питательные вещества, их метаболиты часто включают активные противомикробные препараты, такие как молочная и уксусная кислоты, перекись водорода и пептидные бактериоцины . Некоторые молочнокислые бактерии производят противомикробный низин , который является особенно эффективным консервантом. [4] [5]
В настоящее время бактериоцины LAB используются как неотъемлемая часть барьерной технологии . Использование их в сочетании с другими методами консервирования позволяет эффективно контролировать бактерии, вызывающие порчу, и другие патогены, а также подавлять активность широкого спектра микроорганизмов, включая устойчивые по своей природе грамотрицательные бактерии ». [1] Молочнокислые бактерии и пропионибактерии были тщательно изучены. за их эффективность против порчи пищевых продуктов, вызываемой дрожжами и плесенью [6] .
Сообщалось, что помимо молочнокислых бактерий дрожжи также обладают биоконсервирующим эффектом из-за их антагонистической активности, основанной на конкуренции за питательные вещества, выработке и толерантности к высоким концентрациям этанола, а также синтезе большого класса противомикробных соединений. проявляет широкий спектр активности против микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов, а также против патогенов растений, животных и человека. [11]
Бактерия/дрожжи, подходящие для использования в качестве биоконсерванта, не обязательно должны ферментировать пищу. Однако если условия подходят для роста микробов, то бактерия-биоконсервант будет хорошо конкурировать за питательные вещества с бактериями, вызывающими порчу и патогенными микроорганизмами в пище. В качестве продукта своего метаболизма он должен также производить кислоты и другие противомикробные вещества, в частности бактериоцины. Биоконсервирующие бактерии, например молочнокислые бактерии, должны быть безвредны для человека. [3]
Бактериофаги (по-гречески «пожиратели бактерий») или просто фаги — это вирусы, которые заражают бактерии. [12] Большинство всех известных бактериофагов имеют двухцепочечный ДНК-геном внутри капсида вириона и принадлежат к отряду хвостатых фагов Caudovirales. Хвостатые фаги можно разделить на три семейства: Podoviridae, для которых характерны очень короткие хвосты; Myoviridae, у которых более длинные, прямые и сокращающиеся хвосты; и Siphoviridae, которых можно идентифицировать по длинным и гибким хвостам. Другая хорошо изученная группа фагов, имеющая множество применений, хотя и незначительная с точки зрения видового разнообразия, представлена нитчатыми фагами, которые имеют одноцепочечный геном ДНК, декорированный спиральным белковым слоем, окружающим молекулу ДНК. [12] Бактериофаги повсеместно распространены в природе и также могут быть выделены из микрофлоры человека или животных. Они превосходят численностью свои бактериальные виды-хозяева в десять раз, представляя собой самые многочисленные самовоспроизводящиеся организмы на Земле, насчитывающие в общей сложности 1031 фаг. [13] Идея использования фагов против нежелательных бактерий возникла вскоре после их открытия. С развитием органической химии в 1950-х годах исследование и разработка антибиотиков широкого спектра действия вытеснили интерес к исследованиям бактериофагов. Несколько лабораторий проверяли пригодность изолятов бактериофагов для борьбы с некоторыми бактериальными патогенами. Значительные успехи в этих исследованиях были достигнуты в Институте бактериофагов в Тбилиси, Грузия, где фаговая терапия регулярно применяется в области медицинских исследований. Сегодня лечение бактерий, устойчивых к антибиотикам, представляет собой сложную задачу. В последнее время исследования бактериофагов получили дополнительный импульс в связи с выявлением антибиотикорезистентных возбудителей инфекционных заболеваний, при которых применение антибиотиков малоэффективно, поэтому исследования по применению бактериофагов интенсивно пересматриваются. [12] Недавно бактериофаги получили общепризнанный статус безопасных на основании отсутствия у них токсичности и других вредных воздействий на здоровье человека для применения в мясных продуктах в США. [14]
Препараты фагов, специфичные для серотипов L. monocytogenes, E. coli O157:H7 и S. enterica, поступили в продажу и одобрены для применения в пищевых продуктах или в рамках протоколов обеззараживания поверхностей. [14]
В мясопереработке широко изучается биоконсервация ферментированных мясных продуктов и готовых к употреблению мясных продуктов. [15] [16] [17] Использование нативной или искусственно введенной микробной популяции для улучшения здоровья и продуктивности животных и/или уменьшения количества патогенных организмов получило название пробиотического или конкурентного подхода к улучшению. [18] Разработанные стратегии повышения конкурентоспособности включают конкурентное исключение, добавление микробной добавки (пробиотика), которая улучшает здоровье желудочно-кишечного тракта, и добавление ограничивающего, не усваиваемого хозяином питательного вещества (пребиотика), которое обеспечивает существующий (или введенный) комменсальный микроб населению конкурентное преимущество в желудочно-кишечном тракте. [16] Каждый из этих подходов использует деятельность естественной микробной экосистемы против патогенов, извлекая выгоду из естественной микробной конкуренции. Вообще говоря, стратегии повышения конкурентоспособности предлагают естественный «зеленый» метод снижения количества патогенов в кишечнике животных, употребляемых в пищу. [16]
Продукты рыболовства являются источником широкого спектра ценных питательных веществ, таких как белки, витамины, минералы, жирные кислоты омега-3, таурин и т. д. Однако продукты рыболовства также связаны с интоксикацией и заражением человека. Примерно от 10 до 20% болезней пищевого происхождения связаны с употреблением рыбы. [19] Изменение потребительского спроса привело к снижению привлекательности традиционных процессов, применяемых к морепродуктам (например, засолки, копчения и консервирования), по сравнению с мягкими технологиями, предполагающими более низкое содержание соли, более низкую температуру приготовления и вакуумную упаковку (VP)/упаковку в модифицированной атмосфере (MAP). . Эти продукты, разработанные как рыбные продукты легкой консервации (LPFP), обычно производятся из свежих морепродуктов, и дальнейшая обработка увеличивает риск перекрестного загрязнения. [19] Этих более мягких методов лечения обычно недостаточно для уничтожения микроорганизмов, и в некоторых случаях в течение длительного срока хранения LPFP могут развиваться психотолерантные патогенные бактерии и бактерии, вызывающие порчу. Многие из этих продуктов также едят сырыми, поэтому сведение к минимуму присутствия и предотвращение роста микроорганизмов имеет важное значение для качества и безопасности пищевых продуктов. [19] Микробиологическая безопасность и стабильность пищевых продуктов основаны на применении консервирующих факторов, называемых барьерами. [20] Нежная текстура и вкус морепродуктов очень чувствительны к технологиям обеззараживания, таким как приготовление пищи, а также к более современным мягким технологиям, таким как импульсный свет, высокое давление, озон и ультразвук. Химические консерванты, которые представляют собой не процессы, а ингредиенты, не пользуются популярностью у потребителей из-за спроса на натуральные консерванты. Альтернативное решение, привлекающее все больше внимания, — это технология биоконсервации. [20] [21] [22] При переработке рыбы биоконсервация достигается за счет добавления противомикробных препаратов или повышения кислотности рыбных мышц. Большинство бактерий перестают размножаться, когда pH меньше 4,5. [19] Традиционно кислотность повышалась путем ферментации , маринования или путем непосредственного добавления уксусной, лимонной или молочной кислоты в пищевые продукты. Другие консерванты включают нитриты , сульфиты , сорбаты , бензоаты и эфирные масла . [4] Основная причина менее документированных исследований по применению защитных микроорганизмов, бактериофагов или бактериоцинов на морепродуктах для биоконсервации по сравнению с молочными или мясными продуктами, вероятно, заключается в том, что ранние стадии биоконсервации происходили в основном в ферментированных пищевых продуктах, которые не так развиты среди морепродукты.[19] Выбор потенциальных защитных бактерий в морепродуктах является сложной задачей в связи с тем, что они нуждаются в адаптации к матрице морепродуктов (бедны сахаром и их метаболическая активность не должна изменять исходные характеристики продукта, т.е. за счет подкисления, а не вызывают порчу, которая может привести к сенсорному отторжению [19] . Среди микробиоты, обнаруженной в свежих или обработанных морепродуктах, LAB остается категорией, которая предлагает самый высокий потенциал для прямого применения в качестве биозащитной культуры или для производства бактериоцинов [19] .
Во всем мире успешно внедряются различные препараты фагов. Были разработаны различные способы применения/доставки в пищу. Бактериофаги и их эндолизины могут быть включены в пищевые системы несколькими способами, такими как распыление, погружение или иммобилизация, отдельно или в сочетании с другими препятствиями. [23] Фаговый препарат LMP-1O2 впоследствии был коммерциализирован под названием «ListShield» Intralyx, Inc. Было показано, что он эффективен против 170 различных штаммов « L. monocytogenes », значительно (от 10 до 1000 раз) снижая численность листерий. загрязнение при распылении на готовые к употреблению пищевые продукты без изменения общего состава, вкуса, запаха или цвета пищевого продукта. [14] Компания Intralytix также коммерциализирует противомикробные препараты на основе фагов, такие как SalmoFresh и SalmoLyse, для борьбы с S. enterica . [24] SalmoFresh приготовлен из смеси встречающихся в природе литических бактериофагов, которые избирательно и специфически убивают сальмонеллы, включая штаммы, принадлежащие к наиболее распространенным/высокопатогенным серотипам Typhimurium, Enteritidis, Heidelberg, Newport, Hadar, Kentucky и Thompson. По словам производителя, SalmoFresh специально разработан для обработки продуктов питания, подверженных высокому риску заражения сальмонеллой . В частности, красное мясо и птицу можно обрабатывать перед измельчением для значительного снижения заражения сальмонеллой. SalmoLyse — это измененный состав фагового коктейля, полученный на основе SalmoFresh, в котором заменены два из шести фагов исходного коктейля. [24] Были разработаны дополнительные препараты бактериофагов, которые можно использовать для снижения микробной нагрузки на животных перед убоем, и они коммерчески доступны от Omnilytics, например, линия продуктов BacWash против Salmonella Omnilytics. Еще одно коммерческое применение было разработано компанией Micreos в Нидерландах, Listex_ P100, и FDA и USDA предоставили ему общепризнанный статус безопасного (GRAS) для использования во всех пищевых продуктах. [23]
Еще одним важным коммерческим применением бактериофагов является ELICOSALI, широкий спектр коктейлей фагов против сальмонеллы и кишечной палочки , для обработки сельскохозяйственной продукции, разработанный Институтом Элиавы в Тбилиси, Республика Грузия. Институт Элиавы. [14]
Биоконсервация разумно использует противомикробный потенциал встречающихся в природе микроорганизмов в пищевых продуктах и/или их метаболитов с длительной историей безопасного использования. Бактериоцины, бактериофаги и ферменты, кодируемые бактериофагами, подпадают под эту теорию. Давняя и традиционная роль молочнокислых бактерий в ферментации пищевых продуктов и кормов является основным фактором, связанным с использованием бактериоцинов в биоконсервации. Молочнокислые бактерии и их бактериоцины использовались непреднамеренно на протяжении веков, что свидетельствует о долгой истории их безопасного использования. Их антимикробный спектр ингибирования, бактерицидный механизм действия, относительная толерантность к условиям обработки (рН, NaCl, термическая обработка) и отсутствие токсичности по отношению к эукариотическим клеткам усиливают их роль в качестве биоконсервантов в пищевых продуктах. [25] Оценка любых новых противомикробных активных веществ в мясе проводится Министерством сельского хозяйства США, которое опирается на оценку GRAS, проведенную FDA, среди других данных о пригодности.