Bakteriocyny to naturalne związki produkowane przez bakterie. W ostatnich latach, kiedy kontrowersje wzbudza zastosowanie sztucznych konserwantów w żywności, działania mikrobiologów mają na celu wykrywanie, oczyszczanie i charakterystykę bakteriocyn, a także ocenę możliwości ich zastosowania w strategiach tzw. „przedłużania życia” produktów spożywczych.
Współcześni konsumenci są coraz bardziej świadomi ubocznego działania sztucznych dodatków do żywności, a przede wszystkim korzyści zdrowotnych wynikających ze spożywania żywności „naturalnej” i „tradycyjnej”, nieprzetworzonej lub przetworzonej ale bez dodatku substancji chemicznych. Produkty takie stają się coraz bardziej atrakcyjne.
W ostatniej dekadzie, ze względu na zapotrzebowanie konsumentów na wyższą jakość i „naturalność” żywności, a także coraz bardziej rygorystyczne regulacje prawne, producenci żywności stają niejednokrotnie w obliczu wzajemnie wykluczających się wyzwań.
Chemiczne konserwanty od dawna znajdują zastosowanie do hamowania wzrostu różnych mikroorganizmów psujących żywność. Historycznie narodziny współczesnej mikrobiologii datuje się na rok 1929, kiedy to Alexander Fleming (1881-1955) odkrył antybiotyczne właściwości penicyliny, ale realna potrzeba kontrolowania obecności drobnoustrojów chorobotwórczych w żywności i procesów psucia datuje się już od XIX wieku, od prac Ludwika Pasteura (1882-1895), który opracował metodę konserwacji żywności poprzez obróbkę termiczną (pasteryzację).
Naturalne metody konserwacji stosowane są od tysiącleci. Mimo nieznajomości mikrobiologii i procesów metabolicznych drobnoustrojów, niektóre surowce naturalne już dawno były poddawane procesom fermentacji. W zależności od regionu świata, fermentowano warzywa, owoce, zboża, mleko, liście herbaty, nasiona roślin strączkowych, a także mięso. Dzisiaj bakterie kwasu mlekowego, odpowiedzialne za większość procesów fermentacji, są dobrze poznane i powszechnie stosowane, ponieważ znacząco przyczyniają się nie tylko do uzyskania charakterystycznego pożądanego smaku, konsystencji produktów fermentowanych, a w wielu przypadkach, wpływają istotnie na wzrost ich wartości odżywczej. Fermentacja mlekowa jest procesem, w wyniku którego produkowane są kwasy organiczne, dwutlenek węgla, etanol, nadtlenek wodoru i diacetyl, związki przeciwgrzybicze, takie jak kwasy tłuszczowe lub kwas fenylomlekowy, naturalne antybiotyki (np. reuterycyklina) oraz bakteriocyny. Co ciekawe, wzrost bakterii kwasu mlekowego stwierdzono również w żywności niefermentowanej, m.in. pakowanych próżniowo produktach mięsnych. Jednak w tym konkretnym przypadku selektywny wzrost względnie beztlenowych bakterii kwasu mlekowego (rodzaje Carnobacterium, Lactobacillus i Leuconostoc) znacznie minimalizuje skutki psucia żywności przez tlenowe bakterie chorobotwórcze. Zostało to wykorzystane w produkcji bardzo wysokiej jakości suchych wędlin fermentowanych.
Termin „bakteriocyna” został sformułowany w 1953 roku w celu zdefiniowania kolicyny produkowanej przez bakterie Escherichia coli. Bakteriocyny to syntetyzowane rybosomalnie, uwalniane pozakomórkowo peptydy lub niewielkie cząsteczki białek zawierające zwykle 30–60 aminokwasów. Sprawdzono, że związki te działają bakteriobójczo lub bakteriostatycznie na inne bakterie. Bakteriocyny, choć wykazujące właściwości antybiotyczne, nie są uznane jako antybiotyki, aby uniknąć nieporozumień i obaw związanych z innymi terapeutycznymi antybiotykami, które mogą wywoływać różne reakcje uboczne. Odkrycie pierwszej cząsteczki peptydowej hamującej wzrost bakterii miało miejsce już w 1925 roku, potem wytwarzanie bakteriocyn stwierdzono u różnych gatunków bakterii, m.in. o statusie GRAS, czyli „uznanych za bezpieczne”. Jednak to bakteriocyny bakterii kwasu mlekowego wzbudziły największe zainteresowanie mikrobiologów zajmujących się bezpieczeństwem żywności. Związki te umożliwiają rozwój pożądanej mikroflory w żywności fermentowanej oraz jednocześnie zapobiegają rozwojowi niepożądanych (psujących i chorobotwórczych) bakterii. Aż do 1994 roku większość opisanych w literaturze bakteriocyn była wytwarzana przez szczepy z rodzaju Lactobacillus, następnie przez Enterococcus, Pediococcus i Leuconostoc. Obecnie znane są także inne bakteriocyny bakterii kwasu mlekowego, produkowane przez szczepy z rodzajów: Lactococcus, Streptococcus i Carnobacterium.
Pierwsza bakteriocyna zatwierdzona do wykorzystania jako konserwant w wielu produktach spożywczych przez FDA to nizyna, dostępna na rynku jako Nisaplin™ (Danisco, Kopenhaga, Dania). Nizyna to antybakteryjny polipeptyd produkowany przez Streptococcus lactis (Lactococcus lactis) w 1928 roku. Jest ona stosowana np. jako konserwant w pasteryzowanych płynnych produktach jajecznych. Inną komercyjnie produkowaną bakteriocyną jest pediocyna PA-1, wytwarzana przez bakterie Pediococcus acidilactici i sprzedawana jako ALTA™ 2431 (Kerry Bioscience, Carrigaline, Co. Cork, Irlandia). Jest ona skutecznym inhibitorem wzrostu bakterii chorobotwórczych Listeria monocytogenes.
Główny problem stosowania bakteriocyn w konserwacji żywności związany jest z prawidłową oceną skuteczności przeciwdrobnoustrojowej w konkretnym produkcie, która może być negatywna, mimo pozytywnego działania bakteriocyny w warunkach laboratoryjnych. Aktywność bakteriocyny jest bowiem zależna od składu chemicznego żywności.
Pod wpływem różnych czynników, takich jak wiązanie bakteriocyny przez tłuszcze lub białka, a także niektóre dodatki do żywności (np. oleje trójglicerydowe), może dochodzić do inaktywacji bakteriocyn.
Najnowsze zastosowania bakteriocyn w żywności obejmują nowoczesne opakowania polimerowe, tzw. opakowania aktywne. Ten rodzaj opakowań do produktów spożywczych umożliwia interakcje między elementami opakowania i pakowaną żywnością i pozwala na przedłużenie okresu trwałości. Już w końcu lat 90-tych XX wieku takie opakowania były przedmiotem kilku patentów.
Potencjał bakteriocyn do zwiększenia bezpieczeństwa żywności i przedłużenia okresu trwałości produktów finalnych jest wciąż przedmiotem intensywnych badań. Badania takie postępują zgodnie z następującym schematem: izolacja potencjalnych producentów bakteriocyn z surowców lub produktów końcowych, badania przesiewowe pod kątem produkcji bakteriocyny, charakterystyka bakteriocyny, produkcja bakteriocyn i ich zastosowanie w systemach modelowych, a na końcu – ich wykorzystanie w przemyśle spożywczym lub opakowaniowym.
Autorka:
prof. dr hab. inż. Dorota Kręgiel
Politechnika Łódzka
Literatura
Bali V, Panesar PS, Bera MB, Kennedy JF. Bacteriocins: Recent Trends and Potential Applications. Crit Rev Food Sci Nutr. 2016, 56(5), 817-834.
Pawlikowska E. , Kręgiel D. Naturalne konserwanty pochodzenia drobnoustrojowego. Przemysł Spożywczy, 2018, 72(7), 26-29.
Settanni L, Corsetti A. Application of bacteriocins in vegetable food biopreservation. Int. J. Food Microbiol. 2008, 121(2), 123-38.
