Antimicrobial assessment of phages entrapped in bio-based structures

Abstract

Recently, edible packaging materials experienced a notable growth, being expected an important impact in the food industry in the next years. Also, bacteriophages have been recognized for their potential as biotherapeutic agents to control bacterial growth, and their use in food industry to control microbiogical growth has been presented as one of the solutions to maintain food quality. The main aim of this work was the functionalization of edible packaging materials with the use of phages. For the development of edible packaging, different types (Protanal SF 120RB; Protanal CR 8223; Protanal LFR 5/60; Protanal GP 1320 and Protanal Manugel) and concentrations (2.5 g/L, 5 g/L, 7.5 g/L, 10 g/L and 15 g/L) of sodium alginate were evaluated, being a concentration of 10 g/L of alginate CR 8223 and Manugel sellected. The produced films were crosslinked with different concentrations of CaCl2 (0 g/L, 10 g/L, 12.5 g/L and 15 g/L). The films were characterized in terms of moisture content, solubility, contact angle, isothermic adsorption, swelling behaviour, colour and opacity, and mechanical properties (TS and EB), being their chemical structure studied by Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. During characterization of CR 8223 and Manugel alginate films, it was possible to conclude that crosslinking has a significant effect on alginate structure and properties. Characterization of films allows to conclude that crosslinking decreases film thickness and the moisture content of films. It was also possible to notice that crosslinking does not change the films colour, but make them stronger and insoluble with a high swelling index. After the characterization, a concentration of 10 g/L of CR 8223 alginate was selected for phages incorporation, being crosslinked with 10 g/L of CaCl2. The choice was based on swelling and solubility films properties. Antimicrobial activity of alginate films with entrapped phages showed that phage ΦIBB-PF7A can be incorporated in alginate-based films and maintain its activity, leading to a bacterial decrease of 4 log for the multiplicity of infection (MOI) of 10 in the first 24 h. It was also possible to confirm that phages are released onto chicken meat, leading to a decrease of Pseudomonas fluorescens contamination. Results show that alginate-based films with phages can be used to control bacterial growth in meat products, presenting a potential interest for the food industry.

As embalagens edíveis têm crescido notavelmente nos últimos anos, esperando-se nos próximos anos um grande impacto na indústria alimentar. Para além disso os bacteriófagos têm sido reconhecidos pelo seu potencial como agentes bio-terapêuticos no controlo do crescimento de bactérias e por isso têm vindo a ser apresentados como uma das soluções para o controlo do crescimento bacteriano na indústria alimentar. O principal objetivo deste trabalho foi a funcionalização de embalagens com a incorporação de fagos em bio-estruturas. Para desenvolver as embalagens edíveis, diferentes tipos (Protanal SF 120RB; Protanal CR 8223; Protanal LFR 5/60; Protanal GP 1320 and Protanal Manugel) e concentrações (2,5 g/L, 5 g/L, 7,5 g/L, 10 g/L and 15 g/L) de alginato de sódio foram avaliados, tendo sido selecionados os alginatos CR 8223 e o Manugel com uma concentração de 10 g/L. Os filmes produzidos foram reticulados com diferentes concentrações de solução CaCl2 (0 g/L, 10 g/L, 12,5 g/L e 15 g/L). Os filmes foram caraterizados em termos de humidade, solubilidade, grau de inchamento, ângulos de contato, isotérmicas de adsorção, cor e opacidade e propriedades mecânicas (resistência à tração e elongação à rutura), as estruturas quimícas foram estudadas através da espectroscopia por infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Durante a caracterização dos filmes de alginato CR 8223 e Manugel, foi possível concluir que a reticulação tem um efeito significativo na estrutura e propriedades destes. A caracterização dos filmes permitiu concluir que a reticulação diminui a espessura dos filmes, bem como a humidade. Também foi possível concluir que a reticulação não altera a cor dos filmes, mas torna-os mais fortes, insolúveis e com uma grande capacidade de absorção. Depois de caracterizados, o alginato CR 8223 com concentração de 10 g/L foi selecionado para incorporação de fagos, e foi reticulado com CaCl2 com concentração de 10 g/L. A escolha deste foi baseada nas propriedades do filme como o grau de inchamento e a solubilidade. A atividade antimicrobiana dos filmes com fagos incorporados mostrou que o fago ΦIBBPF7A pode ser incorporado em filmes de alginato, mantendo a sua actividade após libertado levando a uma redução de 4 log para uma multiplicidade de infeção (MOI) de 10 em 24 h. Também foi possível confirmar que os fagos libertam-se para a carne levando a uma diminuição da contaminação pela bactéria Pseudomonas fluorescens. Os resultados mostram que os filmes de alginato com fagos incorporados pode ser usados no controlo do crescimento bacteriano em produtos cárneos, mostrando assim um potencial interesse para a indústria alimentar.