Naturalne substancje konserwujące poprawiające bezpieczeństwo żywności – przegląd i charakterystyka

Naturalne substancje konserwujące są doskonałą alternatywą dla syntetycznych środków. Są skuteczne, bezpieczne dla konsumentów i przede wszystkim naturalne, czyli takie, jakich poszukują współcześni, świadomi konsumenci.

TITLE: Natural preservatives that improve food safety − overview and characteristics

STRESZCZENIE: Jednym ze sposobów zapewnienia bezpieczeństwa żywności (food safety) jest stosowanie substancji konserwujących w celu wydłużenia jej trwałości oraz terminu przydatności do spożycia. Obecnie producenci dysponują całą gamą konserwantów, które są zaliczane do substancji dodatkowych do żywności, a ich dawki stosowane do utrwalania konkretnych produktów spożywczych są regulowane prawnie. W ostatnim czasie konsumenci coraz częściej poszukują żywności bez dodatku substancji konserwujących lub niskoprzetworzonej. Jednak w celu zapewnienia bezpieczeństwa żywności zasadne jest użycie substancji konserwujących, które na ogół są syntetyczne. Tymczasem dobrą alternatywą jest użycie naturalnych substancji konserwujących, np. olejków eterycznych czy bakteriocyn.

SŁOWA KLUCZOWE: bezpieczeństwo żywności, substancje konserwujące, bakteriocyny, olejki eteryczne

SUMMARY: One of the ways to ensure food safety is to use preservatives to extend its shelf life. Currently, manufacturers have a whole range of preservatives that are included in food additives, and their doses used to fix specific food products are regulated by law. Recently, consumers are increasingly looking for food without the addition of preservatives or low-processed substances. However, to ensure food safety, it is reasonable to use preservatives, which are generally synthetic. Meanwhile, a good alternative is to use natural preservatives, which include essential oils or bacteriocins.

KEYWORDS: food safety, preservatives, bacteriocins, essential oils

Gwałtowny rozwój cywilizacyjny oraz towarzyszący mu wzrost liczby ludności skutkuje koniecznością konserwowania żywności, tak aby maksymalnie wydłużyć termin jej przydatności do spożycia. Zadaniem przemysłu spożywczego jest zabezpieczenie zapotrzebowania na żywność, która na ogół musi być przechowywania przez dłuższy czas. Stąd potrzeba stosowania różnorodnych metod i czynników konserwujących. Jednak pomimo tego szacuje się, że około 20-30% żywności w skali całego globu ulega stratom w efekcie niewłaściwego transportu lub przechowywania. Aktualnie przemysł spożywczy dysponuje szerokim wachlarzem metod przedłużania trwałości żywności, w tym nowoczesnymi rozwiązaniami. Generalnie sam proces utrwalania żywności powinien zapobiegać zmianom na tle: fizycznym, chemicznym, biochemicznym oraz biologicznym. Ujmując szczegółowo, proces konserwowania żywności powinien hamować tkankowe procesy biochemiczne, takie jak: autoliza, oddychanie komórkowe, ciemnienie enzymatyczne, zmiany chemiczne, fizyczne (zbrylanie, rozdział faz), oraz zapobiegać powstawaniu oraz rozwojowi mikroflory patogennej, co jest bardzo ważne w aspekcie bezpieczeństwa żywności. Współcześnie stosowane metody utrwalania żywności można podzielić na metody fizyczne oparte na działaniu np. czynnikiem temperaturowym, czyli jest to proces: chłodzenia, mrożenia, suszenia, pasteryzacji, sterylizacji itd., lub metody oparte na obniżeniu aktywności wody, czyli odwodnieniu. Należy tu bardzo powszechnie stosowane suszenie, ale także zagęszczanie oraz liofilizacja. Do grona metod fizycznych zalicza się także metody osmoaktywne oparte na zastosowaniu dodatku cukru lub soli do produktów w celu podwyższenia ciśnienia osmotycznego. Druga kategoria metod to metody chemiczne, polegające na dodawaniu do żywności związków chemicznych, których zadaniem jest hamowanie rozwoju oraz niszczenie drobnoustrojów patogennych bez ujemnego wpływu na cechy organoleptyczne produktu. Należy zaznaczyć, że zarówno rodzaj substancji konserwującej, jak i jej maksymalna dawka w konkretnych produktach jest regulowana przepisami prawa. Przykładami tych substancji są: kwas sorbowy, kwas benzoesowy czy ditlenek siarki. Kolejna grupa metod utrwalania żywności to metody biologiczne, takie jak kiszenie. W czasie tego procesu pod wpływem bakterii fermentacji mlekowej zachodzi proces fermentacji, którego produktem jest kwas mlekowy. Związek ten zabezpiecza produkt przed gniciem, ale niestety rozwój pleśni nie jest hamowany. Ostatnia kategoria metod utrwalania skupia nowoczesne, niekonwencjonalne oraz kombinowane metody utrwalania. Należy tu m.in. stosowanie: promieniowania jonizującego, wysokiego ciśnienia hydrostatycznego, pulsującego pola elektrycznego czy pulsującego światła [1]. Pomimo dużej skuteczności wymienionych metod konsumenci coraz częściej poszukują żywności zabezpieczonej za pomocą naturalnych substancji konserwujących.

Naturalne konserwanty

Grupa syntetycznych substancji konserwujących jest bardzo liczna, jednak jest kilka naturalnych konserwantów, których stosowanie daje korzystny efekt utrwalający. Mowa tu np. o: chlorku sodu, cukrze, olejkach eterycznych oraz metabolitach bakterii fermentacji mlekowej, takich jak bakteriocyny oraz często stosowany lizozym. W procesie solenia stosowany jest chlorek sodu. Efekt zabezpieczenia mikrobiologicznego osiągany jest przy stężeniu chlorku sodu rzędu 12-15%. W tych warunkach następuje szybki wzrost ciśnienia osmotycznego, co skutecznie uniemożliwia powstawanie i rozwój mikroflory patogennej. Solenie stosowane jest powszechnie w przemyśle mięsnym czy mleczarskim. Kolejnym czynnikiem konserwującym stosowanym w żywności jest sacharoza, czyli cukier biały stosowany w branży przetwórstwa owoców i warzyw. Jego dodatek, podobnie jak dodatek soli, prowadzi do zwiększenia wartości ciśnienia osmotycznego. Efekt odwadniający sprzyja hamowaniu rozwoju drobnoustrojów. W przypadku cukru jego stężenie rzędu 25-35% hamuje rozwój bakterii, z kolei rozwój pleśni jest hamowany przy stężeniu cukru przekraczającym 70% [2]. Kolejną grupą naturalnych substancji konserwujących są olejki eteryczne.

Olejki eteryczne

Są pozyskiwane z roślin leczniczych i przyprawowych, ze względu na swój wyjątkowo silny aromat znalazły zastosowanie przede wszystkim w kosmetologii i medycynie. Co więcej, możliwość kształtowania cech sensorycznych żywności oraz właściwości bakteriobójcze i bakteriostatyczne to przyczyny ich stosowania także w wielu branżach przemysłu spożywczego. Olejki eteryczne na skalę przemysłową pozyskuje się z różnych części roślin za pomocą techniki destylacji z parą wodną, tłoczenia czy ekstrakcji. Pod względem chemicznym są mieszaniną nawet kilkuset związków, głównie węglowodorów mono- i seskwiterpenowych oraz ich pochodnych [3]. Wieloletnia, jak nie wielowiekowa historia stosowania olejków eterycznych do kształtowania smaku żywności, a nawet do przedłużenia jej trwałości, wpłynęła na fakt, że olejki eteryczne wykorzystywane jako substancje dodatkowe do żywności, mają nadany przez FDA status GRAS, czyli bezpiecznych do stosowania. Podobnie w medycynie, jak i w kosmetologii olejki eteryczne były podstawą kuracji leczniczych czy poprawiających urodę. Jednym z głównych powodów stosowania olejków eterycznych czy ekstraktów roślinnych w żywności jest nie tylko kształtowanie ich nowego smaku i zapachu, ale także poprawa bezpieczeństwa mikrobiologicznego. Udowodniono, że generalnie olejki eteryczne wykazują biobójcze właściwości w kierunku bakterii Gram-dodatnich, natomiast bakterie Gram-ujemne są na nie nieco bardziej odporne. Zatem dosyć często dodawane do żywności olejki: cynamonowy, goździkowy, tymiankowy, majerankowy, oregano czy imbirowy, mają bardzo dobrą skuteczność w zwalczaniu mikroflory patogennej. Dosyć szeroki wachlarz możliwości mają olejki cynamonowy oraz goździkowy, które hamują wzrost i rozwój przetrwalnikujących bakterii tlenowych, takich jak Bacillus, oraz beztlenowych z rodzaju Clostridium botulinum. Wymienione olejki również skutecznie zwalczają bakterie Gram-ujemne, takie jak Pseudomonas fluorescens, a także drożdże i pleśnie. Wykazano także, że olejek tymiankowy zwalcza bakterie Escherichia coli przy stężeniu 2000 µg/ml, Enterococus faecalis (4000 µg/ml), Staphylococus aureus (4000 µg/ml). To tylko nieliczne przykłady potwierdzające skuteczność antybakteryjną olejków eterycznych ekstrahowanych z roślin przyprawowych. Przy czym stosując olejki eteryczne jako dodatek do żywności, należy pamiętać, że ich potencjał antybakteryjny jest nieco niższy niż ten określony w warunkach in vitro. Dlatego aby skutecznie prowadzić proces biokonserwacji żywności z ich udziałem, należy pamiętać o zwiększeniu ich dawki. Olejki eteryczne to świetna alternatywa w stosunku do konserwantów syntetycznych. Jednak ich bakteriobójcze właściwości wiążą się z możliwością zmiany cech sensorycznych produktu, do którego są dodawane, a co za tym idzie − z obniżeniem stopnia jego akceptowalności przez konsumentów. Dlatego zawsze należy dążyć do znalezienia równowagi i osiągnięcia zamierzonego efektu technologicznego [3].

Biokonserwacja a bakteriocyny

Z metodami biologicznymi wiąże się proces biokonserwacji czy inaczej mówiąc − bioprezerwacji żywności. Proces ten polega na zastosowaniu niepatogennych drobnoustrojów lub ich metabolitów w celu poprawy bezpieczeństwa mikrobiologicznego żywności, a tym samym przedłużenia jej trwałości [4, 5]. W praktyce żywność poddawaną procesowi bioprezerwacji zaszczepia się drobnoustrojami zdolnymi do syntezy związków hamujących wzrost i rozwój mikroorganizmów patogennych lub ich metabolitami mającymi tę zdolność. Wiodącą rolę odgrywają tu bakterie fermentacji mlekowej wytwarzające między innymi bakteriocyny. Niemniej jednak wspomniane drobnoustroje zabezpieczają produkty spożywcze również za pomocą swoich innych produktów. Ich działalność bakteriobójcza potęgowana jest także poprzez inne wytwarzane przez nie związki. Najważniejsze to: nadtlenek wodoru, diacetyl, ditlenek węgla oraz liczne kwasy organiczne. Nadtlenek wodoru powstaje w środowisku tlenowym pod wpływem enzymu oksydazy flawonoproteinowej oraz peroksydazy NADPH. Związek ten m.in. utlenia grupy sulfydrylowe, prowadząc do denaturacji enzymów oraz prowadzi do peroksydacji lipidów budujących ściany komórkowe. Bakterie heterofermentatywne wytwarzają ditlenek węgla oraz diacetyl. Pierwszy z wymienionych hamuje wzrost i rozwój bakterii Gram-ujemnych, odpowiedzialnych za psucie się żywności. Z kolei diacetyl powstaje w procesie fermentacji cytrynowej. Wykazuje silne działanie biobójcze w stosunku do bakterii Gram-ujemnych, drożdży, pleśni. Natomiast słabo działa na bakterie Gram-dodatnie [4, 5].

Bakteriocyny

W ostatnich latach uwagę naukowców ze względu na swoje właściwości przyciągają bakteriocyny o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych wytwarzane przez wiele szczepów bakterii zarówno Gram-dodatnich, jak i Gram-ujemnych. Przykładami drobnoustrojów o takich właściwościach są bakterie z rodzaju Lactobacillus oraz szereg innych bakterii fermentacji mlekowej (LAB – lactic acid bacteria). LAB na ogół wytwarzają kationowe, amfifilowe bakteriocyny o małej masie cząsteczkowej. Generalnie bakteriocyny pod względem struktury chemicznej są peptydami lub prostymi białkami, których masa cząsteczkowa nieczęsto przekracza 10 kDa [5]. Ich podstawową zaletą są właściwości przeciwdrobnoustrojowe, dzięki którym są doskonałą alternatywą dla powszechnie stosowanych antybiotyków. Obecnie panuje trend do ograniczania stosowania antybiotyków, dlatego wzrasta zainteresowanie bakteriocynami jako czynnikami w walce z mikroorganizmami patogennymi. Ponadto bakteriocyny mają status GRAS (Generally Regarded as Safe), który oznacza, że są nietoksyczne dla komórek eukariotycznych. Zatem spożycie bakteriocyn wraz z żywnością, w której są obecne, jest całkowicie bezpieczne dla człowieka. Miejscem właściwej syntezy omawianej grupy związków są rybosomy. Co ważne, w aspekcie żywotności bakteriocynogennych szczepów bakterii należy zaznaczyć, że są one odporne na wytwarzane przez siebie substancje. To podstawowa cecha różniąca je od antybiotyków [6]. Bakteriocyny są peptydami o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych. Zatem mogą być i właściwie są bazą do opracowania nowoczesnych antybiotyków [7]. Pod względem cech fizykochemicznych bakteriocyny dodawane do żywności w celu przedłużenia jej trwałości nie mają wpływu na jej cechy organoleptyczne, gdyż same są pozbawione smaku, zapachu oraz są bezbarwne [5]. Tymczasem obecność antybiotyków w żywności może wpływać na jej cechy organoleptyczne. To ważne cechy z punktu widzenia opracowania nowych metod poprawy bezpieczeństwa zdrowotnego żywności. Ponadto są termostabilne i nie zmieniają swoich właściwości w czasie przechowywania. Są także stabilne w szerokim zakresie pH oraz przy zasoleniu dochodzącym do 10%. Nie wpływają niekorzystnie po dostaniu się do ludzkiego organizmu. Metabolizm bakteriocyn zachodzi pod wpływem enzymów proteolitycznych, a produktem końcowym trawienia są aminokwasy, które są łatwo wchłaniane przez ludzki organizm [6].

Czytaj także: Kwasy nukleinowe ‒ niedoceniane składniki żywności