باکتریوسین ها؛ نگهدارنده ها طبیعی مواد غذایی

باکتریوسین

باکتریوسین ها پپتیدهای ضد میکروبی سنتز شده توسط ریبوزوم هستند که از رشد باکتری های بیماری زا یا رو به زوال جلوگیری می کنند. باکتریوسین ها توسط گروه های مختلف باکتریایی اعم از باکتری های گرم مثبت و گرم منفی تولید میشوند.

باکتریوسین ها به نوعی آنتی بیوتیک هایی پروتئینی با وزن مولکولی بالا هستند که گونه ها یا گونه های نزدیک به هم را از بین می برند. در واقع، زمانی که باکتریوسین ها به تنهایی یا در ترکیب با سایر عوامل ضد میکروبی استفاده می شوند، برای مهار پاتوژن های بیمارستانی یا مقاوم به آنتی بیوتیک مانند استافیلوکوکوس اورئوس مقاوم به متی سیلین (MRSA ) و انتروکوک های مقاوم به ونکومایسین (VRE ) موثر هستند.

میکروارگانیسم‌های تولیدکننده باکتریوسین که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، باکتری‌های اسید لاکتیک (LAB ) هستند و این باکتری ها کاربرد بالقوه ای در حفظ زیستی مواد غذایی دارند، زیرا اکثریت آنها دارای وضعیت GRAS (Generally Recognized as Safe) هستند و به عبارت دیگر ایمن شناخته میشوند. چندین باکتریوسین تولید شده توسط باکتری های اسید لاکتیک کاربردهای بالقوه‌ای در نگهداری مواد غذایی دارند و استفاده از باکتریوسین‌ها در صنایع غذایی می‌تواند به کاهش افزودن نگهدارنده‌های شیمیایی و همچنین شدت عملیات حرارتی کمک کند و در نتیجه مواد غذایی را به‌طور طبیعی حفظ کرده و محصول مورد نظر از نظر خواص ارگانولپتیکی و خواص تغذیه ای حفظ میشود.

به طور خلاصه، بیشتر میکروارگانیسم‌های مورد مطالعه لاکتوکوکوس ها، انتروکوکوس ها، پدیوکوکوس ها و لاکتوباسیلوس ها هستند که باکتریوسین‌هایی مانند نایسین، انتروسین، پدیوسین، پنتوسین و ساکاسین تولید می‌کنند که بسیاری از آنها پتانسیل استفاده در نگهداری بیولوژیکی مواد غذایی را دارند.

مکانیسم سنتز باکتریوسین ها

تولید باکتریوسین ها در طول یا در پایان فاز رشد نمایی رخ می دهد. مکانیسم سنتز باکتریوسین ها اغلب می تواند تحت تنش هایی مانند افزایش جمعیت میکروارگانیسم ها و کمبود مواد مغذی القا شود و همچنین می تواند تحت تأثیر نوع منابع کربن، نیتروژن و فسفات موجود در محیط کشت ها قرار گیرد. علاوه بر این، می‌توان آن را با سنجش حد نصاب (Quorum Sensing) تنظیم کرد، یعنی ارتباط سلول به سلول که در آن مولکول‌های خود القا شده را در نتیجه تراکم جمعیت تولید می‌کنند. علاوه بر این، به نظر می رسد دما و pH و همچنین در دسترس بودن مواد مغذی نقش مهمی در تولید باکتریوسین دارند، در حالی که وجود مقادیر زیاد کلرید سدیم معمولاً سطح تولید را کاهش می دهد.

مکانیسم عمل باکتریوسین ها

کلاسI :

در این کلاس (lantibiotics)، پپتیدها می توانند به لیپید II  (ناقل زیر واحدهای پپتیدوگلیکان از سیتوپلاسم به دیواره سلولی) متصل شوند و از سنتز صحیح دیواره سلولی جلوگیری کنند که منجر به مرگ سلولی می شود. علاوه بر این، لانتی‌بیوتیک‌ها می‌توانند از لیپید II به‌عنوان ابزاری برای شروع فرآیند تشکیل منافذ در غشا استفاده کنند که منجر به مرگ سلولی می‌شود.

کلاس II :

باکتریوسین های اختصاص داده شده در کلاس II دارای ساختارهای مارپیچ آمفیفیلیک هستند که به آنها اجازه می دهد به غشای باکتری وارد شوند و باعث دپلاریزاسیون (تغییری درون سلول که در طول آن سلول دچار تغییر در توزیع بار الکتریکی میشود) شوند که منجر به مرگ سلولی می شود.

کلاس III:

پروتئین های باکتریولیتیک بزرگ (که در اینجا باکتریولیزین نامیده می شوند) مانند لیزوستافین می توانند مستقیماً روی دیواره سلولی باکتری های گرم مثبت عمل کنند و منجر به مرگ و لیز سلول هدف شوند. (در دسته سوم، باکتریولیزین ها هیدرولیز دیواره سلولی باکتری های گرم مثبت را کاتالیز می کنند و منجر به لیز باکتریایی و مرگ می شوند).

باکتریوسین های مشتق شده از باکتری های اسیدلاکتیک

باکتری‌های اسید لاکتیک (LAB) به دلیل وضعیت "ایمن" (GRAS) آنها، در صنایع غذایی به عنوان نگهدارنده‌های زیستی استفاده می‌شوند. در میان این باکتریوسین های تولیدی از باکتری های اسید لاکتیک که به صورت تجاری به بازار عرضه می شوند، گروه های نایسین تولید شده توسط Lactococcus lactis subsp. lactis و پدیوسین تولید شده توسط Pediococcus sp.  با خاصیت آنتی لیستریایی خود بیشترین مشخصه را دارند.

باکتریوسین های تولید شده توسط باکتری های اسید لاکتیک دارای چندین ویژگی مطلوب هستند که آنها را برای نگهداری مواد غذایی مناسب می کند:

1. به طور کلی به عنوان مواد ایمن شناخته می شوند.

2. توسط پروتئازهای گوارشی غیرفعال می شوند و تأثیر کمی بر میکروبیوتای روده دارند.

3. معمولاً مقاوم به گرما و pH هستند.

4. آنها دارای طیف ضد میکروبی نسبتاً گسترده ای در برابر بسیاری از باکتری های بیماری زا و فاسد کننده مواد غذایی هستند.

5. آنها عملکرد باکتری کشی دارند که معمولاً روی غشای سیتوپلاسمی باکتری اثر می گذارد.

6. تعیین‌کننده‌های ژنتیکی آنها معمولاً با پلاسمید کدگذاری می‌شوند و دستکاری ژنتیکی را تسهیل می‌کنند.

باکتریوسین ها به عنوان نگهدارنده های غذایی

باکتریوسین ها را می توان به عنوان نگهدارنده غذا، افزایش دهنده ماندگاری، افزودنی ها یا مواد تشکیل دهنده به غذاها اضافه کرد، یا می توان آنها را در محل توسط استارترهای باکتریوسینوژن، کشت های کمکی یا محافظ تولید کرد .

به طور کلی باکتریوسین ها را می توان به سه روش به مواد غذایی اضافه کرد :

1. استفاده از باکتریوسین خالص شده به عنوان یک افزودنی در غذا.

2. ترکیب یک ماده که قبلا با یک سویه تولید کننده باکتریوسین تخمیر شده است.

3. استفاده از یک کشت تولید کننده باکتریوسین برای جایگزینی کشت استارتر در غذاهای تخمیر شده برای تولید باکتریوسین در محل.

مطالعات انجام شده در سال های اخیر به وضوح نشان می دهد که استفاده از باکتریوسین ها در نگهداری مواد غذایی می تواند مزایای متعددی داشته باشد:

1.  افزایش عمر مفید مواد غذایی

2. کاهش خطر انتقال پاتوژن های غذایی از طریق زنجیره غذایی

3. بهبود زیان های اقتصادی ناشی از فساد مواد غذایی

4. کاهش استفاده از نگهدارنده های شیمیایی

5. اجازه اعمال عملیات حرارتی با شدت کمتر بدون به خطر انداختن ایمنی مواد غذایی: حفظ بهتر مواد مغذی و ویتامین ها و همچنین خواص ارگانولپتیک غذاها

در کنار مزایای ذکر شده استفاده از باکتریوسین ها به عنوان نگهدارنده های غذایی معایبی نیز به همراه دارد:

1. به طور کلی تولید و ساخت باکتریوسین ها به عنوان نگهدارنده مواد غذایی گران است.

2. ممکن است به برخی پروتئین های موجود در غذا آسیب برسانند.

3. آنها طیف بسیار محدودی از میکروب ها را هدف قرار می دهند.

نایسین ( مهم ترین و کاربردی ترین باکتریوسین در صنعت غذا)

نایسین یک ترکیب ضد میکروبی است که توسط Lactococcus lactis subsp تولید می شود. نایسین به عنوان عامل موثر در برابر باکتری های گرم مثبت شناخته شده است و به طور گسترده برای کنترل پاتوژن های غذایی از جمله لیستریا مونوسیتوژنز و کلستریدیوم بوتولینوم استفاده می شود.

نایسین با تشکیل منافذ در غشای سلولی عمل می کند و باعث شستشوی ترکیبات مهم سلولی از جمله یون های K+، اسیدهای آمینه و ATP می شود و در نهایت منجر به مرگ سلولی می شود.

چند کاربرد بالقوه از نایسین در صنایع غذایی وجود دارد، از جمله ترکیب نایسین با سایر عوامل ضد میکروبی یا روش‌های پردازش فیزیکی مواد غذایی و استفاده از نایسین در بسته‌بندی ضد میکروبی محصولات غذایی.

چشم انداز های آینده

باتوجه به اهمیت باکتریوسین ها، امروزه محققین سعی دارند به سمت تحقیقات جدید در زمینه باکتریوسین ها گام بردارند.

 شناسایی باکتریوسین های جدید برای کاربرد در غذاها، تغییر ویژگی باکتریوسین های موجود، افزایش سطح تولید باکتریوسین ها، توسعه استارترهای لاکتیک تولید کننده باکتریوسین از طریق سیستم انتقال ژن و  ادامه مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی باکتریوسین ها از جمله موضوعاتی است که محققین به سمت آن سوق پیدا کرده اند.