Биоконсервация

Биоконсервация — это использование естественной или контролируемой микробиоты или противомикробных препаратов в качестве способа сохранения продуктов питания и продления срока их годности . ^[1] Биоконсервация продуктов питания, особенно с использованием молочнокислых бактерий (МКБ), которые подавляют микробы, вызывающие порчу продуктов питания, практикуется с ранних времен, сначала неосознанно, но со временем с все более прочной научной основой. ^[2] Полезные бактерии или продукты ферментации , производимые этими бактериями, используются в биоконсервации для контроля порчи и нейтрализации патогенов в продуктах питания. ^[3] Существуют различные способы действия, посредством которых микроорганизмы могут препятствовать росту других, такие как выработка органических кислот, что приводит к снижению pH и антимикробной активности недиссоциированных молекул кислот, широкий спектр небольших ингибирующих молекул, включая перекись водорода и т. д. ^[2] Это благоприятный экологический подход, который привлекает все большее внимание. ^[1]

Особый интерес представляют молочнокислые бактерии (LAB). Молочнокислые бактерии обладают антагонистическими свойствами, что делает их особенно полезными в качестве биоконсервантов. Когда LAB конкурируют за питательные вещества, их метаболиты часто включают активные антимикробные вещества, такие как молочная и уксусная кислоты, перекись водорода и пептидные бактериоцины . Некоторые LAB вырабатывают антимикробный низин , который является особенно эффективным консервантом. ^{[4] [5]}

В наши дни LAB-бактериоцины используются как неотъемлемая часть барьерной технологии . Использование их в сочетании с другими методами консервирования может эффективно контролировать бактерии порчи и другие патогены, а также может подавлять активность широкого спектра организмов, включая изначально устойчивые грамотрицательные бактерии . ^[1] Молочнокислые бактерии и пропионовокислые бактерии были тщательно изучены на предмет их эффективности против вызывающих порчу дрожжей и плесени при порче пищевых продуктов. ^[6]

Помимо молочнокислых бактерий, сообщалось, что дрожжи также обладают эффектом биоконсервации из-за их антагонистической активности, основанной на конкуренции за питательные вещества, производстве и переносимости высоких концентраций этанола, а также синтезе большого класса антимикробных соединений, проявляющих широкий спектр активности против микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов, а также против патогенов растений, животных и человека. ^[14]

Бактерия/дрожжи, которые являются подходящим кандидатом 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 порчи и патогенными бактериями в пище. Как продукт своего метаболизма, она также должна вырабатывать кислоты и другие антимикробные агенты, в частности бактериоцины. Бактерии-биоконсерванты, такие как молочнокислые бактерии, должны быть безвредны для человека. ^[3]

Бактериофаги (греч. «пожиратель бактерий»), или просто фаги, — это вирусы, которые заражают бактерии. ^[15] 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 исследованию бактериофагов. Несколько лабораторий проверяли пригодность изолятов бактериофагов для борьбы с определенными бактериальными патогенами. Значительные успехи в этом исследовании были достигнуты в Институте бактериофагов в Тбилиси , Грузия, где фаговая терапия обычно применяется в медицинских исследованиях. Сегодня лечение бактерий, устойчивых к антибиотикам, является сложной задачей. В последнее время исследования бактериофагов получили дополнительный импульс в свете выявления устойчивых к антибиотикам патогенов инфекционных заболеваний, при которых применение антибиотиков неэффективно, поэтому исследования по применению бактериофагов интенсивно изучаются. ^[15] Бактериофаги недавно получили общепризнанный статус безопасных веществ, основанный на отсутствии у них токсичности и других вредных воздействий на здоровье человека для применения в мясных продуктах в США. ^[16]

Препараты фагов, специфичные для серотипов L. monocytogenes, E. coli O157:H7 и S. enterica, были выпущены в продажу и одобрены для применения в пищевых продуктах или в качестве части протоколов дезактивации поверхностей. ^[16]

В мясопереработке биоконсервация широко изучалась в ферментированных мясных продуктах и ​​готовых к употреблению мясных продуктах. ^{[17] [18] [19]} Использование местной или искусственно введенной микробной популяции для улучшения здоровья и производительности животных и/или для снижения количества патогенных организмов было названо пробиотическим или конкурентным подходом к улучшению. ^[20] Разработанные стратегии конкурентного улучшения включают конкурентное исключение, добавление микробной добавки (пробиотика), которая улучшает здоровье желудочно-кишечного тракта, и добавление ограничивающего, не усваиваемого хозяином питательного вещества (пребиотика), которое обеспечивает существующей (или введенной) комменсальной микробной популяции конкурентное преимущество в желудочно-кишечном тракте. ^[18] Каждый из этих подходов использует деятельность местной микробной экосистемы против патогенов, извлекая выгоду из естественной микробной конкуренции. В общем, стратегии конкурентного улучшения предлагают естественный «зеленый» метод снижения количества патогенов в кишечнике животных, употребляемых в пищу. ^[18]

Рыбопродукция является источником широкого спектра ценных питательных веществ, таких как белки, витамины, минералы, жирные кислоты омега-3, таурин и т. д. Однако рыбопродукция также связана с отравлением и инфицированием человека. Примерно от 10 до 20% пищевых заболеваний связаны с потреблением рыбы. ^[21] Изменение потребительского спроса привело к снижению привлекательности традиционных процессов, применяемых к морепродуктам (например, соление, копчение и консервирование), по сравнению с мягкими технологиями, включающими более низкое содержание соли, более низкую температуру приготовления и вакуумную упаковку (VP)/упаковку в модифицированной атмосфере (MAP). Эти продукты, разработанные как слабоконсервированные рыбопродукты (LPFP), обычно производятся из свежих морепродуктов, а дальнейшая обработка увеличивает риск перекрестного заражения. ^[21] Эти более мягкие методы обработки обычно недостаточны для уничтожения микроорганизмов, и в некоторых случаях в течение длительного срока хранения LPFP могут развиться психротолерантные патогенные и вызывающие порчу бактерии. Многие из этих продуктов также употребляются в пищу в сыром виде, поэтому минимизация присутствия и предотвращение роста микроорганизмов имеет важное значение для качества и безопасности пищевых продуктов. ^[21] Микробная безопасность и стабильность продуктов питания основаны на применении консервирующих факторов, называемых барьерами. ^[22] Нежная текстура и вкус морепродуктов очень чувствительны к технологиям дезактивации, таким как приготовление пищи, и более современным мягким технологиям, таким как импульсный свет, высокое давление, озон и ультразвук. Химические консерванты, которые являются не процессами, а ингредиентами, не пользуются популярностью у потребителей из-за спроса на натуральные консерванты. Альтернативным решением, которое привлекает все больше внимания, является технология биоконсервации. ^{[22] [23] [24]} При переработке рыбы биоконсервация достигается путем добавления противомикробных препаратов или путем повышения кислотности мышц рыбы. Большинство бактерий перестают размножаться, когда pH становится ниже 4,5. ^[21] Традиционно кислотность повышалась путем ферментации , маринования или путем прямого 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 в морепродуктах для биоконсервации по сравнению с молочными или мясными продуктами, вероятно, заключается в том, что ранние стадии биоконсервации происходили в основном в ферментированных продуктах питания, которые не так развиты среди морепродуктов.^[21] Отбор потенциальных защитных бактерий в морепродуктах является сложной задачей из-за того, что им необходима адаптация к матрице морепродуктов (бедной сахаром), и их метаболическая активность не должна изменять первоначальные характеристики продукта, например, за счет подкисления, и не вызывать порчу, которая может привести к сенсорному отторжению. ^[21] Среди микробиоты, выявленной в свежих или обработанных морепродуктах, молочнокислые бактерии остаются категорией, которая предлагает самый высокий потенциал для прямого применения в качестве биозащитной культуры или для производства бактериоцина. ^[21]

По всему миру успешно внедряются различные фаговые препараты. Разработаны различные способы применения/доставки в пищевые продукты. Бактериофаги и их эндолизины могут быть включены в пищевые системы несколькими способами, такими как распыление, погружение или иммобилизация, по отдельности или в сочетании с другими барьерами. ^[25] Фаговый препарат LMP-1O2 впоследствии был коммерциализирован как «ListShield» Intralyx, Inc. Было показано, что он эффективен против 170 различных штаммов L. monocytogenes , значительно снижая (в 10–1000 раз) загрязнение Listeria при распылении на готовые к употреблению продукты, не изменяя общий состав, вкус, запах или цвет пищи. ^[16] Компания Intralytix также коммерциализировала антимикробные препараты на основе фагов, такие как SalmoFresh и SalmoLyse для борьбы с S. enterica . ^[26] SalmoFresh готовится с использованием коктейля из встречающихся в природе литических бактериофагов, которые избирательно и целенаправленно убивают сальмонеллу, включая штаммы, принадлежащие к наиболее распространенным/высокопатогенным серотипам Typhimurium, Enteritidis, Heidelberg, Newport, Hadar, Kentucky и Thompson. По данным производителя, SalmoFresh специально разработан для обработки пищевых продуктов, которые подвержены высокому риску заражения сальмонеллой . В частности, красное мясо и птицу можно обрабатывать перед измельчением для значительного снижения заражения сальмонеллой . SalmoLyse — это переформулированный фаговый коктейль, полученный из SalmoFresh, в котором два из шести фагов в исходном коктейле были заменены. ^[26] Были разработаны и рекомендованы дополнительные препараты бактериофагов для использования с целью снижения микробной нагрузки животных перед убоем, и они коммерчески доступны от Omnilytics, такие как линейка продуктов BacWash против сальмонеллы Omnilytics. Другое коммерческое приложение, Listex_ P100, было разработано компанией Micreos в Нидерландах и получило статус общепризнанного безопасного (GRAS) от FDA и USDA для использования во всех пищевых продуктах. ^[25]

Другим важным коммерческим применением бактериофагов является ELICOSALI, широкий спектр коктейлей фагов против сальмонеллы и кишечной палочки для обработки сельскохозяйственной продукции, разработанный Институтом Элиава в Тбилиси, Республика Грузия. ^[16]

Биоконсервация разумно использует антимикробный потенциал природных микроорганизмов в пищевых продуктах и/или их метаболитов с долгой историей безопасного использования. Бактериоцины, бактериофаги и ферменты, кодируемые бактериофагами, попадают в эту теорию. Длительная и традиционная роль молочнокислых бактерий в ферментации пищевых продуктов и кормов является основным фактором, связанным с использованием бактериоцинов в биоконсервации. LAB и их бактериоцины потреблялись непреднамеренно в течение многих лет, что заложило долгую историю безопасного использования. Их антимикробный спектр ингибирования, бактерицидный способ действия, относительная толерантность к условиям обработки (pH, NaCl, тепловая обработка) и отсутствие токсичности по отношению к эукариотическим клеткам усиливают их роль в качестве биоконсервантов в пищевых продуктах. ^[27] Оценка любых новых антимикробных активных веществ проводится в мясе Министерством сельского хозяйства США, которое опирается на оценку GRAS FDA среди других данных о пригодности.