Połączenie nowoczesnych technologii, chemii syntetycznej i zasobów natury pozwoliło na zaprojektowanie materiałów opakowaniowych nowej generacji. W innowacyjnych badaniach nad ich działaniem antybakteryjnym uczestniczyli naukowcy z Wrocławia i Chile.
– Jednym z poważnych problemów, z jakimi boryka się przemysł spożywczy, jest psucie się żywności i zarażenie jej patogenami. Syntetyczne konserwanty, pasteryzacja czy obróbka termiczna nie są jedynymi rozwiązaniami. Alternatywą mogą być aktywne materiały, które nie tylko służą do pakowania żywności, ale również chronią ją przed szkodliwymi mikroorganizmami – mówi prof. Dušan Mišić z Katedry Rozwoju Funkcjonalnych Produktów Żywnościowych UPWr. Wraz z zespołem opublikował w prestiżowym „Chemical Engineering Journal” artykuł „Technologie nadkrytycznych cieczy oraz kokrystalizacji do projektowania nanokompozytowych pianek opakowaniowych z PLA o właściwościach antybakteryjnych nasyconych kokryształami eugenolu z wydłużonym uwalnianiem”. Tematem opakowań aktywnych zajęli się wspólnie naukowcy z University of Santiago w Chile, Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu oraz Politechniki Wrocławskiej.
Eugenol i fenazyna, duet doskonały
Aleksandra Rajewska wyjmuje z laboratoryjnej lodówki woreczki strunowe z kawałeczkami jasnego tworzywa. Są wielkości paznokcia, wyglądają niepozornie, choć wiele potrafią. Przypominają nieco styropian i pachną zaskakująco, przywołując atmosferę świąt Bożego Narodzenia. Przyleciały do Wrocławia z Chile, z pracowni chemika dr. Adriána Rojasa, który jest pomysłodawcą i kierownikiem badań opublikowanych w „Chemical Engineering Journal”. Na University of Santiago zajmuje się przede wszystkim zastosowaniem płynów nadkrytycznych w eksperymentalnych nanomateriałach do pakowania żywności. Natomiast mikrobiolog dr Dušan Mišić, profesor uczelni w Zakładzie Rozwoju Funkcjonalnych Produktów Żywnościowych UPWr bada antybakteryjne działanie materiałów eksperymentalnych i naturalnych cząsteczek. Obaj naukowcy współpracują od ponad dwóch lat, szukając rozwiązań nie tylko w świecie chemii syntetycznej, ale także sięgając do zasobów natury.
Tym razem wykorzystali eugenol, który jest podstawowym składnikiem olejku z goździków, występuje także w cynamonie – stąd zapachowe świąteczne skojarzenie. Nie tylko przydaje aromatu piernikom – niszczy także bakterie i grzyby, stąd jego zastosowanie m.in. w medycynie. Dentyści od dawna wykorzystują jego antyseptyczne właściwości. Dr Rojas nasycił pianki z biodegradowalnego polilaktydu (PLA) eugenolem, ale poddanym kokrystalizacji. To proces, który polega na połączeniu cząsteczek różnych substancji aktywnych w nową cząsteczkę o zmienionych, bardziej pożądanych właściwościach fizykochemicznych. Tym razem eugenol połączono z fenazyną, związkiem organicznym o działaniu przeciwbakteryjnym i takimi kokryształami zaimpregnowano pianki. Umieszczono w nich także nanoglinkę Cloisite, dzięki czemu kokryształy eugeolu-fenazyny uwalniały się przez dłuższy czas.
– Olejki eteryczne są bardzo lotnymi związkami. Wyzwaniem było zaprojektowanie pianek o przedłużonym uwalnianiu się eugenolu. Tak, aby aktywne składniki działały podczas pakowania żywności, a nie przed i po – mówi Aleksandra Rajewska ze Szkoły Doktorskiej UPWr, technolożka żywności i współautorka artykułu.
Dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym
W półtorarocznych badaniach zainicjowanych jesienią 2022 roku sprawdzono dziewięć wariantów pianek, które różnią się stężeniami składników i budową. Oprócz kokrystalizacji wykorzystano w nich także technologię cieczy nadkrytycznych. Płyn w stanie nadkrytycznym powstaje, gdy temperatura i ciśnienie przekraczają tzw. wartości krytyczne, powyżej których substancja zmienia swój stan fizyczny. Płyny nadkrytyczne mają wysoką przenikalność, są więc świetnymi rozpuszczalnikami. Wykorzystuje się je m.in. w przemyśle farmaceutycznym, chemicznym, tekstylnym, drzewnym, inżynierii materiałowej oraz do ekstrakcji składników biologicznie czynnych. W przemyśle spożywczym znajdują zastosowanie do ekstrakcji naturalnych barwników (np. kapsantyny lub kapsorubiny z papryki), które są wykorzystywane w zupach i sokach.
Kapsaicyna, ostry składnik papryczek chili, jest stosowana także jako środek odstraszający owady, który nie wykazuje właściwości toksycznych. Najczęściej stosowaną cieczą w stanie nadkrytycznym jest nadkrytyczny dwutlenek węgla (scCO2) – nietoksyczny, łatwo dostępny i obojętny dla środowiska, bo po jego użyciu nie pozostają żadne odpady ani ścieki. Używa się go jako bezpiecznego rozpuszczalnika substancji czynnej do impregnacji ciał stałych. Jest także środkiem porotwórczym, więc służy także do spieniania polimerów, czyli tworzenia pianek. Autorzy publikacji wykorzystali scCO2, aby wytworzyć pianki i wewnątrz ich porów umieścić kokryształy eugenolu-fenazyny. Dla porównania nasycono pianki również zwykłym czystym eugenolem. Sprawdzono potem, m.in. za pomocą analizy rentgenowskiej i mikroskopu elektronowego, w jakim tempie uwalniają się związki zaimpregnowane w piankach.
Pianki zaprojektowano na University of Santiago. Zbadała je także prof. Irena Zizovic z Wydziału Chemii Politechniki Wrocławskiej, ekspertka w dziedzinie ekstrakcji nadkrytycznej i aktywnych materiałów eksperymentalnych. Sprawdziła, czy struktura kokryształu eugenolu-fenazyny zmienia się pod wpływem wysokiego ciśnienia i scCO2. Natomiast na Uniwersytecie Przyrodniczym w końcowej fazie projektu sprawdzono właściwości antybakteryjne wszystkich dziewięciu rodzajów pianek wobec dwóch bakterii: Listeria monocytogenes i Salmonella enteritidis.
Salmonella i listeria pod lupą
– Badania były bardzo czasochłonne, dlatego zawęziliśmy je do tych dwóch mikoorganizmów, które są wyjątkowo rozpowszechnione i niebezpieczne – mówi prof. Mišić.
Listeria monocytogenes jest jednym z najbardziej zjadliwych patogenów przenoszonych przez żywność, m.in. przez mięso, sery, masło, surowe warzywa i owoce . Szczególnie ryzykowne są zielone warzywa liściaste i melony. – Może być obecna w mleku surowym, ale także pasteryzowanym, jeśli proces pasteryzacji nie był przeprowadzony właściwie – zaznacza profesor. – Występuje powszechnie w glebie i organizmach zwierząt. Jest odporna na wysokie temperatury, dlatego tak ważna jest higiena i dokładne mycie warzyw i owoców – dodaje.
Salmonella enteritidis nie jest tak rozpowszechniona jak Listeria, ale jest najczęstszą przyczyną bakteryjnych zatruć pokarmowych. Według Sanepidu w 2023 roku zarejestrowano 250 zachorowań na listeriozę i 10 tys. na salmonellozę.
Na salmonellę możemy trafić nawet w maśle orzechowym, herbacie, czekoladzie czy czipsach. Bytuje w odchodach nosicieli ludzkich i zwierzęcych; do zakażenia dochodzi przez zjedzenie skażonych owoców, warzyw, a zwłaszcza niedogotowanego mięsa i surowych jajek.
Infografika: Aleksandra Rajewska
– Światowa Organizacja Zdrowia uważa, że jedno na 12-15 tys. żółtek jest na pewno skażone salmonellą i zakazała stosowania surowych jajek jako źródła witamin dla dzieci. A jeszcze 35 lat temu ubite żółtka jaj z cukrem były najlepszym źródłem witamin dla dzieci i dorosłych – opowiada mikrobiolog.
Cierpliwość się opłaca
– Najpierw sprawdzaliśmy, czy obie bakterie są w stanie przyczepić się do pianek – opowiada Aleksandra Rajewska. Patogeny często tworzą biofilm, czyli rodzaj powłoki, błony biologicznej, która chroni je przed czynnikami zewnętrznymi i jest trudna do usunięcia. To problem nie tylko dla branży spożywczej, ale również w medycynie i wszędzie tam, gdzie bytują szkodliwe dla nas bakterie. Osadzając się na przykład na implantach czy drenach bywają przyczyną m.in. zakażeń szpitalnych. Biofilm przez swoją zwartą złożoną strukturę jest bardziej odporny na antybiotyki czy inne środki bakteriobójcze.
– Biofilm stanowi poważne zagrożenie mikrobiologiczne na powierzchni organizmów zwierzęcych i ludzkich, na zakażonym mięsie, serze, warzywach, owocach oraz na materiałach takich jak szkło, plastik, metal, guma, ceramika, drewno – zaznacza Aleksandra. – Dlatego materiał do opakowań powinien być antyadhezyjny, czyli zapobiegać przywieraniu patogenów. Nie jest to łatwe, bo każda bakteria ma inny mechanizm przyczepiania się do podłoża.
Pianki testowane pod tym kątem były zanurzane w pożywce z bakteriami na 24 i 48 godzin.
– Te różne warianty czasowe to nowość, bo w podobnych badaniach zwykle sprawdza się efekty tylko po dobie – dodaje prof. Mišić. Początkowo wyniki wydawały się mało obiecujące: po pierwszej dobie bakterie skutecznie przyczepiły się do powierzchni niektórych materiałów. Jednak po 48 godzinach materiał został „aktywowany” i przyczepione do niego bakterie odpadły. Na kolejnym etapie wrocławskich badań sprawdzano, czy pianki zanurzone w płynie z bakteriami uwalniają korzystne związki, którymi zostały nasycone, czyli kokryształy eugenolu-fenazyny. Przez 96 godzin określano liczbę bakterii za pomocą spektrofotometru, do momentu, aż związki zupełnie się uwolniły.
– Efekty zaskoczyły nas, bo każdego dnia pianki działały inaczej. Zmieniały się ich właściwości: pod wpływem wzrostu wilgoci z płynnej pożywki zaczynały się coraz bardziej aktywować i były coraz skuteczniejsze. Nie spodziewaliśmy się, że będą aktywne tak długo – opowiada prof. Mišić. – Cierpliwość i dociekliwość jednak opłaciły się.
Dzięki dodatkowi nanoglinki i kokryształów pianki całkowicie zahamowały osadzanie się Listerii i Salmonelli oraz zapewniły przedłużoną aktywność antybakteryjną przeciwko obu tym patogenom. Mogą więc świetnie sprawdzić się w tworzeniu aktywnych opakowań do żywności, innowacyjnych i przyjaznych dla środowiska. Wyniki są na tyle interesujące, że naukowcy UPWr chcą je kontynuować, m.in. z użyciem mikroskopu elektronowego.
– Planujemy sprawdzić, jak na patogeny w żywności działają inne aktywne substancje, m.in. kwas usninowy z brodaczki właściwej, porostu o aktywności przeciwbakteryjnej i przeciwgrzybiczej – mówi Aleksandra Rajewska,
która wraz z prof. Mišićem w poprzednich pracach badała wpływ niektórych naturalnych cząsteczek w różnych warunkach temperaturowych na patogeny takie jak Listeria monocytogenes, Campylobacter, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus.
Opakowania do zadań specjalnych
Polsko-chilijski zespół swoimi badaniami włączył się w nurt coraz bardziej obecny w światowej nauce: projektowanie materiałów opakowaniowych, które spełniają więcej zadań niż zwykłe przechowywanie. Nie tylko służą do transportu, reklamy (jako nośnik informacji) i izolacji przed szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi – temperaturą, światłem, wodą, kurzem, zanieczyszczeniami. Opakowanie idealne jest bezpieczne, odporne na tłuszcze, stanowi barierę dla aromatów. Jest zaprojektowane z materiałów poddawanych recyklingowi, co sprawia, że może być biodegradowalne lub kompostowalne, a więc zmniejsza ślad węglowy i wodny. Samo w sobie jest sposobem, żeby przedłużyć trwałość produktów spożywczych bez stosowania syntetycznych konserwantów.
Aleksandra Rajewska uczestniczyła, jako magistrantka, w zajęciach dotyczących innowacyjnych rozwiązań stosowanych w opakowaniach żywności na Miguel Hernandez University of Elche (UMH), na kierunku food technology.
– Stosowaliśmy m.in. MAP (modified atmosphere packaging), który polega na zmianie składu atmosfery wewnątrz opakowania, a także jadalne powłoki na bazie aloesu i alginatu, które były nanoszone na owoce i warzywa. Badaliśmy je potem organoleptycznie, mikrobiologicznie lub fizykochemicznie – opowiada.
Nowoczesne opakowania dzielą się na inteligentne i aktywne. Te pierwsze, wciąż jeszcze rzadkie w naszych sklepach monitorują stan przechowywanej żywności poprzez wskaźniki temperatury, czasu, wilgotności, zawartości gazów. Przebarwiające się etykiety informują o warunkach wewnątrz opakowania. Nie trzeba więc otwierać pudełka czy butelki, żeby dowiedzieć się, czy produkt był transportowany i przechowywany w odpowiednich warunkach, czy nie namnażają się już w nim bakterie albo jaka jest w nim zawartość tlenu lub dwutlenku węgla z powodu rozszczelnienia opakowania.
Natomiast opakowania aktywne działają na produkt dwojako: albo absorbują niektóre składniki, albo uwalniają. Mogą zawierać saszetki pochłaniające wilgoć, tlen (np. aby zapobiec utlenianiu się witamin i jełczeniu tłuszczów), etylen (aby spowolnić dojrzewanie owoców i warzyw). W opakowaniach aktywnych stosuje się, poprzez impregnację, olejki eteryczne, jak eugenol czy tymol, o silnym działaniu antydrobnoustrojowym i antyutleniającym.
Sięga się także po inne aktywne substancje pochodzenia roślinnego, np. resweratrol z winogron, kwas galusowy z herbat, kumarynę z cynamonu, które powstrzymują rozwój chorobotwórczych mikroorganizmów.
Infografika: Aleksandra Rajewska
Ogranicza to ryzyko zachorowania z powodu zanieczyszczonej lub zepsutej żywności oraz pozwala jak najdłużej utrzymać jak najwyższą jakość produktów spożywczych i wydłużyć termin ich przydatności.
– Dzięki temu można także ograniczyć marnowanie żywności, które jest powszechne. Szacuje się, że marnujemy jedną trzecią światowej produkcji. Wyrzucanie jedzenia to także marnowanie pieniędzy, pracy, energii i wody i pracy. Mamy nadzieję, że nasze projekty przyczynią się również do ograniczenia tego problemu – mówią naukowcy.
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
