Bacteriocin và ứng dụng

1, Định nghĩa                  

Bacteriocin là chất kháng khuẩn có bản chất là các peptide được tổng hợp ở riboxom cả vi khuẩn Gram âm và vi khuẩn Gram dương để ức chế các vi khuẩn cạnh tranh khác.         

Bacteriocin có hoạt tính kháng các vi sinh vật cạnh tranh trong cùng ổ sinh thái và thường kháng cùng loài (phổ hẹp) hoặc qua chi (phổ rộng). 

2,Đặc điểm, tính chất                 

Bacteriocin được tổng hợp khi vi khuẩn gặp các điều kiện ức chế - tác động của môi trường sống, cạnh tranh về nguồn dinh dưỡng, không gian sống...        

 Bacteriocin có bản chất là peptid kháng khuẩn sinh ra bởi vi khuẩn để chống lại vi khuẩn khác. Như vậy, loại vi khuẩn tạo ra loại bacteriocin nào thì có khả năng kháng lại chính bacteriocin đó ( Các tế bào sản xuất thì miễn dịch với hoạt tính bacteriocin).         

 Hiện nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về bacteriocin đã được báo cáo trong các tài liệu tham khảo, song trình tự các amino acide đối với hầu hết các bacteriocin còn chưa được xác định. Người ta mới xác định được trình tự các aide amine của 45 loại bacteriocin.          

Các bacteriocin có hoạt tính kháng khuẩn cao thậm chí ở nồng độ rất thấp. Hiệu quả kháng khuẩn của bacteriocin với tế bào vi khuẩn mẫn cảm không phụ thuộc vào số lượng  acide amine có trong phân tử. Đặc tính diệt khuẩn cao hơn ở pH thấp, tương đối bền ở nhiệt độ cao và không bị ảnh hưởng bởi các dung môi hữu cơ. Các anion ở nồng độ cao có thể làm giảm hiệu quả diệt khuẩn của một số bacteriocin tích điện dương nhờ sự loại bỏ cạnh tranh. Các enzyme thủy phân protein tích điện âm có thể thủy phân các peptide này, từ đó dẫn đến sự mất hoạt tính.           

Do có bản chất protein (thử nghiệm với các enzyme phân giải protein như trypsin, pepsin) nên bacteriocin không gây tác dụng phụ, không gây ra phản ứng dị ứng trong cơ thể con người và các vấn đề về sức khỏe do bị phân cắt nhanh chóng bởi protease, lipase.. trong đường tiêu hóa. Bacteriocin có phổ kháng khuẩn tương đối hẹp, được tiết vào môi trường để ức chế sự sinh trưởng của vi khuẩn hay bào tử, đôi khi tiêu diệt các vi khuẩn quan hệ gần gũi với chủng sản xuất.      

3. Các ứng dụng tiềm năng của Bacteriocin      

a, Bảo quản sinh học thực phẩm         

Bảo quản sinh học thực phẩm với việc sử dụng các vi sinh vật đối kháng (giống bảo vệ) hay các sản phẩm trao đổi của chúng (chất bảo quản sinh học) để ức chế hay tiêu diệt các vi sinh vật không mong muốn là giải pháp có nhiều tiềm năng. Ưu điểm của bacteriocin trong bảo quản sinh học thực phẩm là tăng thời hạn sử dụng, hạn chế sự truyền mầm bệnh trong chuỗi thức ăn, giảm thiệt hại kinh tế do hư hỏng thực phẩm, hạn chế sử dụng chất bảo quản hóa học cũng như những xử lư nhiệt khắt khe. Bacteriocin giúp bảo quản giá trị dinh dưỡng và vitamin, cung cấp những thực phẩm mới (ít acide, hàm lượng muối thấp và hàm lượng nước cao) thỏa mãn nhu cầu công nghiệp và người tiêu dùng . Một xu hướng trong công nghiệp thực phẩm ở Châu Âu là hạn chế sử dụng chất phụ gia và thành phần nhân tạo, hạn chế sự chế biến nhưng phải đảm bảo an toàn, giữ nguyên chất lượng. Những yêu cầu này có thể được đáp ứng nhờ  sử dụng bacteriocin.       

 Bacteriocin có các đặc điểm lí tưởng trong bảo quản sinh học thực phẩm. Nhiều bacteriocin bền trong điều kiện nhiệt độ chế biến cao và hoạt động trong phạm vi pH rộng. Bacteriocin không mùi, không màu, không vị, ít ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật đường ruột, có phổ kháng khuẩn, mầm bệnh và vi khuẩn gây hỏng thực phẩm tương đối rộng . Một số bacteriocin hiệu quả khi sử dụng phối hợp với các yếu tố kháng khuẩn khác như hợp chất phenolic tự nhiên cũng như những protein kháng khuẩn khác. Sự kết hợp các bacteriocin khác nhau có thể giúp ngăn ngừa sự phát triển của những chủng kháng. Ngoài ra, sự kết hợp bacteriocin với xử lý vật lí như: áp suất cao hay xung điện trường giúp bảo quản thực phẩm hiệu quả hơn, nhất là đối với những dạng có khả năng sống sót cao như vi khuẩn sinh bào tử. Tính hiệu quả của bacteriocin thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ, thành phần thực phẩm và cấu trúc, cũng như vi khuẩn thực phẩm. Do đó, cần xác định hiệu quả của bacteriocin cho mỗi hệ thống thực phẩm.        

Các bacteriocin được sử dụng trong bảo quản sinh học thực phẩm dưới ba dạng chính.             

  - Ủ thực phẩm với giống bảo vệ (thường là vi khuẩn lactic - LAB: Lactic acide bacteria) để tạo bacteriocin in situ. Trong trường hợp này, quyết định bởi khả năng LAB sinh trưởng và tạo bacteriocin trong sản phẩm.

 - Bổ sung bacteriocin tinh chế hay bán tinh chế như là các chất bảo quản thực phẩm.              

- Sử dụng bán thành phẩm lên men với một chủng sinh bacteriocin như là một thành phần trong quá trình chế biến thực phẩm.              

- Một lựa chọn mới hiện nay là dùng màng polyethylen hoạt tính bacteriocin cho đóng gói thực phẩm.

b, Các sản phẩm chăm sóc sức khỏe

Do nisin có khả năng ức chế phổ rộng các vi khuẩn gram dương nên được sử dụng trong ngăn ngừa chứng viêm vú ở gia súc. Hiện nay, mutacin từ cầu khuẩn  thuộc các chủng của Streptococcus mutans biến đổi di truyền được sử dụng trong sản phẩm chăm sóc sức khỏe răng miệng như kem đánh răng, nước súc miệng để ức chế sâu răng và cao răng. Bacteriocin có trong xà phòng, mỹ phẩm giúp loại trừ mụn trứng cá.          

Các bacteriocin gần đây cũng được ứng dụng trong lĩnh vực y tế. Do vi sinh vật có khả năng kháng kháng sinh nên các liệu pháp trong điều trị chống lại bệnh nhiễm trùng sẽ trở nên vô hiệu. Bacteriocin có thể là một giải pháp cho tình trạng này, giúp điều trị nhiễm trùng da cục bộ hay nhiễm trùng kháng đa thuốc. Các chủng probiotic và các chủng tạo bacteriocin có khả năng bảo vệ đường tiêu hóa.

c, Các giống khởi động                   

Giống khởi động (Starter cultures) là các sản phẩm công nghiệp mà bản thân tế bào vi sinh vật được sử dụng làm nguyên liệu cấy. Là hỗn hợp các loài vi sinh vật có vai trò tạo màu, tạo mùi thơm đặc trưng, làm giảm độ pH, ngăn cản sự phát triển của vi khuẩn có hại trong thực phẩm. Khi sử dụng như là một giống khởi động, chủng sinh bacteriocin phải thực hiện lên men tối ưu, ngoài ra phải tạo lượng bacteriocin đủ khả năng bảo vệ. Ở một số trường hợp, sự tạo bacteriocin có thể giúp tăng tính cạnh tranh và ổn định giống nhưng không được can thiệp đến chức năng của giống khởi động ban đầu. Do đó, giống khởi động phải kháng với bacteriocin.Ví dụ, sự nuôi cấy một chủng Enterococcus sinh enterocin AS-48 như là giống đồng nuôi cấy kết hợp với một giống khởi động thương mại trong sản xuất phomat không ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của giống khởi động hay đặc tính hóa sinh của phomat tạo ra. Đồng thời bacteriocin được tạo ra trong phomat đảm bảo ức chế được Bacillus cereus.         

d, Các probiotic                      

Nhiều sản phẩm probiotic đã xuất hiện trên thị trường dưới dạng các loại sản phẩm đa dạng như viên bọc, bột, sữa chua làm giàu và nhiều loại thực phẩm khác. Vi sinh vật sử dụng cho các sản phẩm probiotic là nấm men, vi khuẩn (đặc biệt là nhóm LAB). Ví dụ: Lactobacillus acidophilus là LAB lên men đồng hình được tìm thấy trong đường tiêu hoá của người và động vật. Chúng được bổ sung vào các sản phẩm sữa lên men thương mại như sữa chua acidophilus. Những vi khuẩn này có ảnh hưởng tích cực lên sức khoẻ con người nhờ khả năng sinh bacteriocin - giúp ức chế hay tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh. Các bacteriocin từ L. acidophilus và L. gasseri có tác dụng kích thích hoạt động của hệ thống miễn dịch, bất hoạt các hợp chất gây đột biến và ung thư tiềm năng, giảm cholesterol trong máu. Probiotic từ LAB hiệu quả trong ngăn ngừa sự rối loạn đường ruột và điều trị tiêu chảy.

e, Các bacteriocin thương mại          

 Những năm gần đây, mối quan tâm về tính an toàn và chất lượng của thực phẩm đã thôi thúc các nhà khoa học khám phá và phát triển phương pháp mới trong bảo quản thực phẩm, đặc biệt là các bacteriocin. Tuy nhiên đến nay, tác dụng của các bacteriocin trong thực phẩm chủ yếu là trên thí nghiệm. Có thể do yêu cầu khắt khe đối với một sản phẩm bảo quản sinh học an toàn cũng như những quan điểm trái ngược về những giống khởi động cải biến di truyền trong thực phẩm. Tuy nhiên, khi người tiêu dùng cần những sản phẩm được bảo quản, thiết bị chế biến, việc sử dụng bacteriocin có thể trở nên phổ biến hơn, như là một phương tiện giúp bảo quản thực phẩm “tự nhiên”. Dưới đây là một số tiêu chuẩn đặt ra cho sản phẩm bacteiocin ứng dụng trong công nghệ thực phẩm:                       - Về tiêu chuẩn an toàn: Chủng sản xuất phải có dạng GRAS (Generally regarded as safe - được đánh giá là những vi sinh vật an toàn), phải được thử nghiệm tính độc, không có rủi ro về sức khỏe qua quá trình xác định các mặt như ảnh hưởng tích lũy, điều phối và tiềm tàng. 

- Tính hiệu quả: Bacteriocin phải ức chế sự sinh trưởng lên phổ rộng các mầm bệnh và vi khuẩn gây kháng như L. monocytogenes và C. botulinum  có hoạt tính chống lại một mầm bệnh đặc hiệu. Bacteriocin phải bền nhiệt và có hoạt tính cao khi kết hợp trong thực phẩm.

 Hiện nay, chỉ có hai bacteriocin được thương mại là nisin từ Lactococcus lactis và pediocin PA-1/AcH từ Pediococcus acidilactici, chúng đều được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm. Nisin và pediocin PA-1/AcH có tên thương mại tương ứng là Nisaplin, ALTA.