Bakterie kwasu mlekowego jako bioochrona przeciw pleśniom i mykotoksynom w żywności

Kontaminacja żywności przez grzyby jest wszechobecnym zagrożeniem, wpływającym na wszystkie towary spożywcze i odpowiadającym za 5-10% globalnych strat w produkcji żywności. Fungalne psucie (np. w pieczywie, nabiale, mięsie, owocach) drastycznie skraca okres przydatności i powoduje znaczące straty ekonomiczne, sięgające np. ponad 200 milionów euro rocznie w przypadku pieczywa w Europie. Oprócz psucia, problemem są mykotoksyny (np. aflatoksyny, ochratoksyny, fumonizyny), wytwarzane głównie przez Aspergillus, Penicillium i Fusarium. Związki te są termostabilne i są powiązane z poważnymi problemami zdrowotnymi, w tym z rakiem wątroby i nefropatią. W odpowiedzi na to, oraz na rosnące zapotrzebowanie konsumentów na produkty typu "clean label" bez syntetycznych dodatków chemicznych, bio-konserwacja z użyciem bakterii kwasu mlekowego (LAB) staje się naturalną strategią o bardzo wysokim potencjale.

Mechanizmy działania LAB

Bakterie LAB, od dawna stosowane w fermentacji i uznawane za bezpieczne (GRAS/QPS), są określane jako "zielone środki konserwujące" ze względu na ich zdolność do tłumienia niepożądanych mikroorganizmów, w tym grzybów, poprzez produkcję różnorodnych związków.

Działanie hamujące wzrost mikroorganizmów psujących przez LAB opiera się na wielu mechanizmach, m.in.:

• Produkcja kwasów organicznych (obniżenie pH) zakwasza matrycę żywności, tworząc niekorzystne warunki dla wzrostu pleśni.
• LAB wytwarzają związki o niskiej masie cząsteczkowej. Hydroksylowane kwasy tłuszczowe (np. kwas 3-hydroksytetradekanowy, produkowany przez Lactiplantibacillus plantarum), które integrują się z błonami komórek grzybów i zakłócają ich integralność. Inne związki to diacetyl i nadtlenek wodoru, który indukuje stres oksydacyjny.
• Wytwarzanie białek hamujących wzrost bakterii. Choć bakteriocyny są głównie antybakteryjne, niektóre z nich mogą pośrednio ograniczać kolonizację grzybów poprzez tłumienie towarzyszących bakterii.
• Wytwarzanie egzopolisacharydów zewnątrzkomórkowych (EPS) wykazują właściwości antyadhezyjne lub hamujące biofilm, zmniejszając zdolność pleśni do kolonizacji powierzchni.

Detoksyfikacja mykotoksyn

Detoksyfikacja mykotoksyn przez LAB odbywa się głównie dwoma torami: adsorpcja przez komórki bakteryjne i biotransformacja przez enzymy lub metabolity. Mechanizm adsorpcji jest kluczowy i zależy od interakcji mykotoksyn ze ścianą komórkową LAB. Badania wykazały, że:

• Aflatoksyna B1 (AFB1) wiąże się głównie z peptydoglikanami i kwasami tejchojowymi ściany komórkowej, a także z białkami powierzchniowymi. Wiązanie to może zachodzić zarówno na komórkach żywych, jak i nieaktywnych termicznie (np. w jogurcie), co ułatwia usuwanie AFB1 z żywności.
• Fumonizyny (FB1 i FB2) prawdopodobnie wiążą się z peptydoglikanami ściany komórkowej LAB.
• Patulina (PAT) jest adsorbowana przez LAB poprzez hydrofobowe i elektrostatyczne interakcje z białkami powierzchniowymi i składnikami węglowodanowymi ściany komórkowej.

Adsorpcja mykotoksyn jest zależna od szczepu LAB i optymalizowana przez czynniki środowiskowe, takie jak pH i temperatura, które wpływają na strukturę ściany komórkowej i dostępność miejsc wiążących.

Zastosowania w produktach spożywczych

W kontekście specyficznych matryc żywnościowych, LAB wykazują znaczący potencjał bio-ochronny w:

• Pieczywie: Włączenie LAB do zakwasu jest skuteczną strategią zapobiegania psuciu przez pleśnie z rodzaju Eurotium, Aspergillus i Penicillium. Szczepy takie jak Levilactobacillus brevis i Lactiplantibacillus plantarum mogą przedłużyć trwałość pieczywa o dodatkowe 4 do 28 dni, co jest kluczowe w walce ze stratami.
• Nabiale: LAB wykazują działanie przeciwgrzybicze przeciwko A. niger i P. chrysogenum, przedłużając trwałość serów i śmietany. Oprócz produkcji metabolitów, zidentyfikowano nowatorski mechanizm tj. zużycie manganu przez LAB, który jest niezbędny do wzrostu pleśni.
• Owocach i warzywach: LAB mogą redukować zgniliznę i usuwać patulinę z soków owocowych. Szczepy takie jak L. plantarum mogą być stosowane w jadalnych powłokach ochronnych, które hamują wzrost grzybów, jednocześnie zachowując właściwości fizykochemiczne produktów.
• Mięsie: LAB chronią wędliny (np. kiełbasy suszone) przed niepożądanymi pleśniami i drożdżami (np. Penicillium verrucosum), wydłużając ich stabilność i trwałość.

Podsumowanie

Bakterie fermentacji mlekowej stanowią bezpieczną i naturalną odpowiedź na złożone wyzwania związane z fungalnym psuciem i mykotoksynami w globalnym systemie żywnościowym. Kluczowe wyzwania dla przyszłych badań i zastosowań komercyjnych obejmują:

1. Izolowanie i charakteryzowanie nowych, przystosowanych do żywności kultur ochronnych, które są naturalnie adaptowane do konkretnych matryc (np. pieczywa, sera).
2. Prowadzenie dogłębnych analiz strukturalnych i funkcjonalnych metabolitów przeciwgrzybiczych oraz badanie ich synergistycznych efektów, zwłaszcza że stężenia in situ często są poniżej minimalnych stężeń hamujących (MIC).
3. Opracowanie ekologicznych i ekonomicznie opłacalnych procesów do produkcji na dużą skalę nowych składników przeciwgrzybiczych zawierających LAB i/lub ich aktywne związki.

Kontynuacja inwestycji w tę dziedzinę pomoże znacząco zredukować straty ekonomiczne spowodowane zepsuciem i zanieczyszczeniem, jednocześnie odpowiadając na oczekiwania konsumentów dotyczące bezpiecznej, naturalnie konserwowanej żywności.

Źródło: https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2025.1580670/full​