Zgodnie z oficjalną definicją Międzynarodowego Towarzystwa Naukowego ds. Probiotyków i Prebiotyków (ISAPP, ang. International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics) z 2021 roku, postbiotyki to „preparaty nieożywionych mikroorganizmów i/lub ich składników, które przynoszą korzyści zdrowotne gospodarzowi” [1]. Termin „postbiotyk” jest zatem obecnie używany w odniesieniu do grupy związków bioaktywnych, stanowiących głównie metabolity bakteryjne probiotycznych szczepów bakterii fermentacji mlekowej (LAB, ang. lactic acid bacteria).

Zalety stosowania postbiotyków

Zastosowanie postbiotyków w technologii żywności niesie ze sobą szereg korzyści, które dają im przewagę w porównaniu do żywych kultur np. bakterii fermentacji mlekowej, z uwagi na (1) określony skład chemiczny, (2) łatwość aplikacji do żywności, (3) brak wpływu na smak i zapach produktu, (4) długi okres trwałości, (5) stabilność w szerokim zakresie pH i temperatury, (6) aktywność przeciwdrobnoustrojową o szerokim spektrum działania oraz (7) nietoksyczność względem komórek eukariotycznych [2]. Poza tym postbiotyki, w przeciwieństwie do bakterii, nie są zdolne do syntezy amin biogennych oraz nie niosą ze sobą ryzyka przeniesienia antybiotykoodporności Z kolei skuteczność postbiotyków w przemyśle spożywczym zależy od (1) bakteryjnego szczepu, z którego postbiotyki zostały pozyskane, (2) rodzaju docelowego zanieczyszczenia mikrobiologicznego, (3) stężenia i formy podania, oraz (4) cech produktów żywnościowych, do których dodano postbiotyki [3].

Aktywne opakowania

Powszechną metodą aplikacji postbiotyków do żywności w celu wydłużenia okresu przydatności do spożycia, jest ich bezpośredni dodatek. Niemniej, takie działanie nie jest pozbawione wad. Wzajemne oddziaływanie kompleksu postbiotyków z makro– i mikroskładnikami żywności może zmniejszać ich skuteczność lub doprowadzić do ich inaktywacji. Ponadto, z ekonomicznego punktu widzenia, włączenie dużej ilości środka przeciwdrobnoustrojowego do żywności może okazać się nieodpowiednie lub mało skuteczne, ponieważ rozwój pleśni czy biofilmu bakteryjnego inicjowany jest zasadniczo na zewnątrz produktu żywnościowego [4]. Obiecującą techniką zaproponowaną w celu przezwyciężenia wspomnianych wyżej przeszkód jest włączenie postbiotyków w skład aktywnych opakowań. Aktywne opakowania antymikrobiologiczne stosowane w przemyśle spożywczym to jedna ze strategii biokonserwacji żywności, w której opakowanie ma za zadanie przedłużyć trwałość produktu poprzez hamowanie rozwoju niepożądanych drobnoustrojów dzięki włączeniu odpowiedniego komponentu w ich skład lub zastosowaniu polimeru o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych [5]. Niewątpliwą zaletą postbiotyków, pozwalającą im być częścią aktywnego opakowania jest ich stabilność termiczna, dzięki czemu istnieje możliwość wtłoczenia ich do matrycy polimerowej poprzez zastosowanie różnych metod obróbki cieplnej. Istnieje kilka możliwości włączenia postbiotyków w aktywne opakowania do żywności. Cienka warstwa postbiotyków może zostać (1) powleczona lub zaadsorbowana na powierzchni polimeru zabezpieczającego żywność; (2) poddana immobilizacji na polimerach za pomocą wiązań jonowych lub kowalencyjnych; (3) bezpośrednio wprowadzona do matrycy polimeru opakowaniowego, czy (4) zalaminowana pomiędzy dwiema zewnętrznymi warstwami [2]. Z uwagi na fakt, iż postbiotyki stanowią niejednorodną mieszaninę związków chemicznych, tj. kwasów organicznych, białek, peptydów, enzymów, czy egzopolisacharydów – każdy z tych związków może być zastosowany w opakowaniach żywności – osobno lub łącznie, cechując się swoistym mechanizmem przedłużającym trwałość żywości [6].

Zastosowanie pojedynczego postbiotyku w systemie aktywnego opakowania

Jedną z form wykorzystania postbiotyków w opakowaniach aktywnych do żywności jest ich indywidulana aplikacja. Bakteriocyny, bioaktywne peptydy o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, syntetyzowane rybosomalnie głownie przez bakterie fermentacji mlekowej, są najczęściej stosowanymi metabolitami postbiotycznymi w przemyśle spożywczym. Niemniej jednak, zwykle niska wydajność i wysokie koszty procesu ich syntezy, znacząco ograniczają stosowanie bakteriocyn na poziomie produkcji żywności. Spośród setek zidentyfikowanych bakteriocyn, nizyna i pediocyna są najczęściej stosowanymi bakteriocynami do wytwarzania antybakteryjnych powłok aktywnych. W badaniu Yang i in. [7] opracowano aktywne przeciwdrobnoustrojowe opakowanie z politereftalanu etylenu/polichlorku winylidenu/polipropylenu z dodatkiem plantarycyny BM-1 i chitozanu. Wykazano, że w wyniku dodatku bakteriocyny właściwości barierowe powłoki w stosunku do tlenu uległy znacznej poprawie, a wytrzymałość na rozciąganie nie pogorszyła się. Aktywna powłoka z dodatkiem bakteriocyny spowodowała istotne (p0,05) obniżenie liczby bakterii L. monocytogenes w mięsie przechowywanym w 4°C przez 8 dni w porównaniu z próbą kontrolną. Co więcej, ogólna liczba żywych bakterii tlenowych i beztlenowych w mięsie istotnie (p0,05) uległa obniżeniu, co wskazuje, że zaprojektowane powłoki mogą skutecznie przedłużyć okres przydatności do spożycia świeżego mięsa [7].

Zastosowanie mieszaniny postbiotyków w systemie aktywnego opakowania

Postbiotyki mogą również zostać włączone w skład aktywnego opakowania w postaci mieszaniny – głownie supernatantu pozbawionego komórek (CFS, ang. cell-free supernatant), czyli płynu powstającego w wyniku odwirowania cieczy po hodowli komórek bakteryjnych. W skład bezkomórkowego supernatantu wchodzi szereg metabolitów bakteryjnych o niskiej i wysokiej masie cząsteczkowej wykazujących synergistyczne działanie przeciwdrobnoustrojowe. Z uwagi na fakt, iż koszty pozyskania pojedynczego metabolitu są zdecydowanie wyższe od zastosowania bezkomórkowego płynu pohodowlanego, rozwiązanie to jest zdecydowanie bardziej opłacalne. Beristain-Bauza i in. [8], włączyli bezkomórkowy płyn pohodowlany z L. sakei NRRL B-1917 w powłokę wykonaną z alginaniu oraz izolatu białka serwatkowego. Podczas przechowywania chłodniczego kostek z grillowanego mięsa wołowego obserwowano zmniejszenie populacji bakterii L. monocytogenes po 120 godzinach, a E.coli po 36 godzinach. Dzięki przeprowadzonej ocenie sensorycznej dotyczącej wyróżników smaku, koloru oraz jakości ogólnej, dowiedziono, że dodatek postbiotyków w postaci supernatantu do materiału opakowaniowego nie wpływał negatywnie na odbiór produktu [8].

Podsumowanie

Nietoksyczność, bezpieczeństwo stosowania oraz zdolność do hamowania mikroorganizmów patogennych, czy powodujących psucie to najważniejsze atrybuty postbiotyków stanowiące o ich rosnącej popularności wśród producentów żywności. Niemniej, możliwe interakcje postbiotyków ze składnikami żywności mogą stanowić potencjalną przeszkodę w szerokim wykorzystaniu ich jako skutecznych środków przeciwdrobnoustrojowych. Z tego względu, włączenie postbiotyków w skład aktywnego opakowania może okazać się efektywniejszym rozwiązaniem. Przyszłe badania w tej dziedzinie będą koncentrować się selekcji odpowiednich szczepów producenckich, funkcji biologicznej syntetyzowanych związków bioaktywnych, optymalnych dawek, skuteczności włączenia w projektowany film oraz na poznaniu wpływu postbiotyków na właściwości fizyko-mechaniczne aktywnych opakowań do żywności.

mgr Marcelina Karbowiak

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Instytut Nauk o Żywieniu Człowieka, Katedra Technologii Gastronomicznej i Higieny Żywności

Literatura

• 1. Salminen S., M.C. Collado, A. Endo, C. Hill, S. Lebeer, E. Quigley, M.E. Sanders, R. Shamir, J.R. Swann, H. Szajewska, G. Vinderola. 2021. „The International Scientific Association of Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of postbiotics”. Nature reviews. Gastroenterology & Hepatology 18 (9) : 649-667. DOI: 10.1038/s41575-021-00440-6.
• 2. Karbowiak, M., & Zielińska, D. 2022. „Zastosowanie aktywnych opakowań i powłok zawierających postbiotyki do biokonserwacji mięsa i wyrobów mięsnych”. Przemysł Spożywczy, 76, 33–39. DOI: 10.15199/65.2022.3.6
• 3. Moradi M., S.S. Kousheh, H. Almasi, A. Alizadeh, J.T. Guimarães, N. Yılmaz, A. Lotfi. „Postbiotics produced by lactic acid bacteria: The next frontier in food safety”. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 19 (11) : 3390-3415. DOI: 10.1111/1541-4337.12613.
• 4. Vilela, C.; Kurek, M.; Hayouka, Z.; Röcker, B.; Yildirim, S.; Antunes, M.D.C.; Nilsen-Nygaard, J.; Pettersen, M.K.; Freire, C.S. 2018. „A concise guide to active agents for active food packaging”. Trends in Food Science & Technology, 80, 212-222. DOI: 10.1016/j.tifs.2018.08.006.
• 5. Makała H. 2021. "Współczesne rozwiązania i trendy w pakowaniu mięsa i przetworów mięsnych". Przemysł Spożywczy 75 (5) : 34-40. DOI: 10.15199/65.2021.5.7.
• 6. Hosseini, S.A.; Abbasi, A.; Sabahi, S.; Khani, N. 2021. „Application of postbiotics produced by lactic acid bacteria in the development of active food packaging”. 2021. Biointerface Research in Applied Chemistry, 12(5), 6164–6183. DOI:10.33263/briac125.61646183.
• 7. Yang W., Y. Xie, J. Jin, H. Liu, H. Zhang. 2019. „Development and application of an active plastic multilayer film by coating a plantaricin bm-1 for chilled meat preservation". Journal of Food Science 84 (7) : 1864-1870. DOI: 10.1111/1750-3841.14608.
• 8. Beristain-Bauza S.C., E. Mani-López, E. Palou, A. López-Malo. 2017. „Antimicrobial activity of whey protein films supplemented with Lactobacillus sakei cell-free supernatant on fresh beef”. Food Microbiology 62 (6) : 207-211. DOI: 10.1016/j.fm.2016.10.024.