Encapsulação de carvacrol em nanocápsulas de mucilagem de chia e linhaça visando a inibição de microrganismos patogênicos em alimentos

Abstract

A disponibilidade de nutrientes e a diversidade nutricional tornam os alimentos suscetíveis à contaminação por bactérias, bolores e leveduras, representando um desafio significativo para a indústria alimentícia na manutenção da qualidade e segurança. Apesar das várias técnicas e aditivos disponíveis para o processamento de alimentos, a crescente demanda dos consumidores por produtos com menor quantidade de aditivos sintéticos é evidente. A perspectiva de substituir esses aditivos por antimicrobianos naturais, como o carvacrol, é considerada pelas indústrias alimentícias. No entanto, desvantagens como a alta volatilidade, sabor residual e degradação durante o processamento são desafios a serem superados. A encapsulação em nanopartículas, utilizando matrizes naturais como mucilagens, emerge como uma alternativa promissora para proteger os compostos, preservando sua atividade antimicrobiana e proporcionando liberação controlada. Este estudo buscou encapsular carvacrol em nanocápsulas de mucilagem de chia (CMNP) e linhaça (FMNP), visando a inibição de bactérias patogênicas relevantes em alimentos. As nanocápsulas foram produzidas pela técnica de emulsificação de alta energia, sendo caracterizadas e avaliadas quanto à sua ação antimicrobiana contra coquetéis de Salmonella enterica e Listeria monocytogenes in vitro no artigo 1. As CMNP apresentaram diâmetro de 179 nm, potencial zeta de -11,4 mV e eficiência de encapsulação de 98%. A Concentração de Inibição Bactericida (CIB) das CMNP foi de 0,42 mg/mL contra Salmonella e de 0,83 mg/mL contra L. monocytogenes. FMNP apresentou diâmetro de 165,3 nm, potencial zeta de -12,6 mV e eficiência de encapsulação de 98%. CIB das FMNP foi de 0,83 mg/mL contra as duas bactérias testadas. CMNP e FMNP apresentaram melhor eficiência na inativação de Salmonella e L. monocytogenes em comparação com emulsão de carvacrol (1,77 mg/mL para ambos microrganismos). A cinética de multiplicação/inativação in vitro foi determinada para cada bactéria (8 log UFC/mL) utilizando diferentes concentrações de CMNP e FMNP. Após 2 horas de contato a 37 °C, CMNP e FMNP em concentração CIB inibiram Salmonella e L. monocytogenes abaixo do limite de detecção do método (< 1,69 log UFC/mL). Entretanto, para CMNP ao final do experimento (48 horas) os baixos níveis mantiveram-se constantes, enquanto para FMNP a partir de 24 horas as contagens dos microrganismos aumentaram, atingindo 3 log UFC/mL em 48 horas. Portanto, CMNP foi selecionada para as próximas etapas da pesquisa. O artigo 2, apresentou uma nova abordagem envolvendo a aplicação de CMNP como ingrediente antimicrobiano contra Salmonella em carne de frango. Nesse artigo, foi determinada a CIB de CMNP e emulsão de carvacrol (CE) em caldo de galinha, visando aplicar essa concentração em amostras de carne de frango artificialmente contaminadas com um coquetel de Salmonella, além de analisar as modificações de cor e textura das amostras tratadas. A CIB das CMNP e da CE em caldo de galinha foi de 0,92 mg/mL e 1,77 mg/mL, respectivamente. Estas concentrações foram aplicadas para avaliar a cinética do crescimento bacteriano em amostras de carne de frango armazenadas sob refrigeração durante 72 h. Para CMNP foi observada uma redução de ~2 log UFC/g nas contagens de Salmonella durante as 72 horas do experimento. Para CE, a redução máxima ocorreu às 6 h (1,7 log UFC/g). Após o tratamento houve mudança de cor das amostras, apresentando coloração esbranquiçada, semelhante à do frango cozido. A textura das amostras tornou-se mais firme após 48 h de exposição aos tratamentos. Portanto, a CMNP tem potencial para ser utilizada como antimicrobiano em frangos processados, como nuggets ou hambúrgueres, considerando sua eficácia contra Salmonella e que as alterações de cor e textura não serão perceptíveis ao consumidor, especialmente considerando que esses alimentos são consumidos após o processo de cozimento. No artigo 3, as mesmas nanocápsulas (CMNP) foram aplicadas como sanitizante em repolho para avaliar sua atividade contra Salmonella, E. coli e L. 5 monocytogenes, em comparação com CE e solução clorada 200 ppm (CS). Após a sanitização, foram avaliados os impactos na cor e textura das amostras de repolho. CMNP reduziu Salmonella para níveis abaixo do limite de detecção (< 2 log UFC/mL), para E. coli houve redução de ~3,5 log UFC/mL e de ~2,5 log UFC/mL para L. monocytogenes. Estes resultados são semelhantes ou mesmo superiores aos obtidos com CE e CS. Além disso, a higienização de repolho com CMNP preservou a firmeza e a cor das amostras. Esta abordagem inovadora é promissora para aumentar a segurança microbiológica do repolho, ao mesmo tempo que atenua os potenciais inconvenientes associados aos métodos de higienização tradicionais. Portanto, CMNP mostram potencial para uso como conservante de aplicação direta em alimentos ou sanitizante de vegetais, sendo necessários mais estudos para futura aplicação na indústria de alimentos.

The availability of nutrients and nutritional diversity make food susceptible to contamination by bacteria, molds and yeasts, representing a significant challenge for the food industry in maintaining quality and safety. Despite the various techniques and additives available for food processing, the growing consumer demand for products with fewer synthetic additives is evident. The perspective of replacing these additives by natural antimicrobials, such as carvacrol, has been considered by the food industry. However, disadvantages such as high volatility, aftertaste and degradation during processing are challenges to overcome. Encapsulation in nanoparticles, applying natural matrices such as mucilage, has emerged as a promising alternative for protecting compounds, preserving their antimicrobial activity and providing controlled release. This study aimed to encapsulate carvacrol in chia mucilage (CMNP) and flaxseed (FMNP) nanocapsules to inhibit food-borne pathogenic bacteria. The nanocapsules were produced using the high-energy emulsification technique and were characterized and evaluated for their antimicrobial action against cocktails of Salmonella enterica and Listeria monocytogenes in vitro in paper 1. The CMNPs exhibited a diameter of 179 nm, a zeta potential of -11.4 mV and an encapsulation efficiency of 98%. The Bactericidal Inhibition Concentration (BIC) of the CMNPs was 0.42 mg/mL against Salmonella and 0.83 mg/mL against L. monocytogenes. FMNP exhibited a diameter of 165.3 nm, a zeta potential of -12.6 mV and an encapsulation efficiency of 98%. The CIB of the FMNPs was 0.83 mg/mL against the two bacteria tested. CMNP and FMNP exhibited better efficiency in inactivating Salmonella and L. monocytogenes compared to carvacrol emulsion (1.77 mg/mL for both microorganisms). Kinetics of microbial growth/survival in vitro were determined for each bacterium (8 log CFU/mL) applying different concentrations of CMNP and FMNP. After 2 hours of contact at 37 °C, CMNP and FMNP at CIB inhibited Salmonella and L. monocytogenes below the detection limit (< 1.69 log CFU/mL). However, for CMNP at the end of the experiment (48 hours) the low levels remained constant, while for FMNP after 24 hours the microorganism counts increased, reaching 3 log UFC/mL in 48 hours. Therefore, CMNP was selected for the next phases of the research. The second paper exhibited a new approach involving the application of CMNP as an antimicrobial ingredient against Salmonella in chicken meat. In this paper, the CIB of CMNP and carvacrol emulsion (CE) in chicken broth was determined, with the aim of applying this concentration to samples of chicken meat artificially contaminated with a cocktail of Salmonella, as well as analyzing the changes in color and texture of the treated samples. The CIB of CMNP and CE in chicken broth was 0.92 mg/mL and 1.77 mg/mL, respectively. These concentrations were used to assess the kinetics of bacterial growth in chicken meat samples stored under refrigeration for 72 hours. For CMNP, a reduction of ~2 log CFU/g in Salmonella counts was observed during the 72 hours of the experiment. For CE, the maximum reduction occurred at 6 h (1.7 log CFU/g). After treatment, the color of the samples changed to whitish, similar to cooked chicken. The texture of the samples became tighter after 48 h of exposure to the treatments. Thus, CMNP has the potential to be applied as an antimicrobial in processed chickens, such as nuggets or hamburgers, due to its efficacy against Salmonella and considering that the changes in color and texture will not be noticeable to the consumer, especially given that these foods are consumed after the cooking process. In paper 3, the same nanocapsules (CMNP) were applied as a sanitizer to cabbage to evaluate their activity against Salmonella, E. coli and 7 L. monocytogenes, in comparison with CE and 200 ppm chlorinated solution (CS). After sanitization, the impacts on the color and texture of the cabbage samples were evaluated. CMNP reduced Salmonella to levels below the detection limit (< 2 log CFU/mL), for E. coli there was a reduction of ~3.5 log CFU/mL and ~2.5 log CFU/mL for L. monocytogenes. These results are similar or even superior to those obtained with CE and CS. In addition, sanitizing cabbage with CMNP preserved the firmness and color of the samples. This innovative approach is promising for increasing the microbiological safety of cabbage, while mitigating the potential drawbacks associated with traditional sanitization methods. Therefore, CMNPs show potential for use as a preservative for direct application in food or as a vegetable sanitizer, and further studies are necessary for future application in the food industry.