Wybrane substancje biobójcze stosowane w przemyśle polimerowym

Opakowania bakteriobójcze mają na celu poprawę właściwości biostatycznych, bakteriobójczych, co jest istotne z punktu widzenia przemysłu opakowaniowego, medycyny, czy farmacji. Taki rodzaj modyfikowania ma stanowić ochronę produktów przed namnażaniem mikroorganizmów w sposób tymczasowy lub ciągły. Takie materiały opakowaniowe mogą więc odgrywać znaczącą rolę w wydłużaniu okresu trwałości produktów i redukowaniu ryzyka występowania patogenów.

Sens i cel stosowania substancji biobójczych w przemyśle polimerowym

Od wielu lat prowadzone są liczne badania mające na celu zabezpieczenie zapakowanego produktu (towaru) przed szkodliwym oddziaływaniem mikroorganizmów. W tym celu wprowadza się do produktu, jego otoczenia lub samego opakowania substancje o charakterze bakteriobójczym, bakteriostatycznym lub grzybobójczym. Opakowania zawierające substancje przeciwdrobnoustrojowe zaliczane są do opakowań aktywnyc. Autorzy dokumentu "Nordic Report", opracowanego przez grupę ekspertów z 5 krajów nordyckich: Danii, Finlandii, Szwecji, Norwegii i Islandii, zrzeszonych w ramach Europejskiej Umowy Ekonomicznej (European Economic Agreement - EFA), podali definicję opakowania aktywnego - Opakowanie aktywne stanowi opakowanie żywności, które poza spełnianiem funkcji bariery ochronnej przed wpływem czynników zewnętrznych, spełnia dodatkowe funkcje kontrolując, a nawet wpływając na przebieg zjawisk zachodzących wewnątrz opakowania.

Do polimerów, wykorzystywanych w produkcji materiałów opakowaniowych, można wprowadzać lub nanosić na ich powierzchnię wiele substancji przeciwdrobnoustrojowych, m.in. kwas sorbowy, kwas benzoesowy, triklosan, ekstrakt z nasion grejpfruta, lizozym, bakteriocyny. Polimery aktywne są zazwyczaj nośnikami substancji bakteriobójczej. Substancje te mogą być uwalniane w sposób kontrolowany z materiału polimerowego, lub mogą być związane z tym materiałem w sposób trwały. Związki chemiczne o charakterze bakteriobójczym mogą być wprowadzane do opakowań (np. folii) w trakcie produkcji lub nanoszone na ich powierzchnię. Można je również immobilizować na polimerach za pomocą wiązań kowalencyjnych lub jonowych. Z udziałem takich polimerów wytwarza się materiały opatrunkowe, nici chirurgiczne, opakowania do żywności, ogrodnictwa, a także tekstylne wyroby włókiennicze.

Przykłady substancji biobójczych stosowanych w materiałach polimerowych

Bakteriocyny to grupa antybakteryjnych peptydów, które różnią się między sobą właściwościami fizycznymi, biochemicznymi, aktywnością biologiczną oraz mechanizmem działania. Są stabilne w roztworach detergentów, polimerów i organicznych rozpuszczalników, dobrze rozpuszczają się w wodzie, a ich spektrum działania przeciwdrobnoustrojowego jest zróżnicowane. Bakteriocyny w odróżnieniu od wielu konserwantów są bezpieczne dla ludzi. Wytwarzana przez Lactococcus lactis nizyna uzyskała status GRAS (Generally Recognized As Safe) i jest dopuszczona do użytku w ponad 40 krajach. Bakteriocyny można wprowadzać w sposób bezpośredni do żywności jak i do opakowań. Wprowadzenie do opakowań jest korzystne ze względu na ograniczenie wpływu czynników fizykochemicznych na ich właściwości przeciwdrobnoustrojowe, przynosi również korzyści ekonomiczne i zdrowotne. Bakteriocyny powodują śmierć komórek (działanie bakteriobójcze) lub hamują rozwój mikroorganizmów i ograniczają ich rozmnażanie (działanie bakteriostatyczne).

Chitozan wykazuje aktywność bakteriobójczą względem bakterii Gram dodatnich i Gram ujemnych, przy czym ta skuteczność zależy od: ciężaru cząsteczkowego, stężenia, stopnia deacetylacji, pH oraz składu środowiska, w jakim się znajduje. Pancerze morskich skorupiaków (krabów, krewetek, kryla) i ściany komórkowe grzybów strzępkowych są głównym źródłem chityny, z której w wyniku deacetylacji, w podwyższonej temperaturze, otrzymuje się chitozan. Mechanizm działania przeciwbakteryjnego chitozanu opisuje kilka teorii. Zakładają one, że dodatnio naładowane cząsteczki tego związku łączą się ze ścianą komórkową mikroorganizmów. W przypadku bakterii Gram dodatnich do połączenia dochodzi przez kwasy tejchojowe, natomiast w przypadku Gram ujemnych przez fosfolipidy. Taki proces przyłączenia prowadzi do zwiększenia przepuszczalności tych ścian, w wyniku której wyciekają składniki wewnątrzkomórkowe doprowadzając do rozpadu komórki.

Enzymy są skutecznym środkiem bakteriobójczym. Do wytwarzania opakowań aktywnych używa się głównie lizozymu, lub laktoperoksydazy. Na aktywność enzymu wpływają takie czynniki jak: składniki żywności, pH, siła jonowa i temperatura. Siła działania lizozymu na komórki mikroorganizmów zależy również od jego postaci: denaturowanej lub natywnej. Oddziaływanie (reakcja) pomiędzy dodatnio naładowanymi resztami jego aminokwasów i ujemnie naładowanymi składnikami błon powoduje uszkodzenie błon biologicznych i śmierć komórki. Pod wpływem laktoperoksydazy dochodzi do zmian strukturalnych błony cytoplazmatycznej i wycieku jonów K+, adenozynotrójfosforanu (ATP) oraz zahamowany zostaje transport składników odżywczych, w tym glukozy i aminokwasów. Niestety, zastosowanie tego enzymu w materiałach opakowaniowych jest ograniczone, ponieważ do jego aktywacji konieczny jest nadtlenek wodoru i tiocyjaniany, występujące tylko w mleku.

Kwasy organiczne stosuje się do konserwowania żywności od wielu lat. Niektóre z nich (kwas mlekowy, propionowy lub cytrynowy) mogą tworzyć się w produkcie w wyniku fermentacji pod wpływem mikroorganizmów; inne - tj. kwas octowy, sorbowy - są wprowadzane celowo. Według opinii Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) wyżej wymienione substancje są bezpieczne i można je stosować w materiałach polimerowych jako czynniki biobójcze. Substancjami bakteriobójczymi stosowanymi w foliach jadalnych są kwasy tłuszczowe, zwłaszcza nienasycone długołańcuchowe takie jak kwas linoleinowy, linolowy, oleinowy, oleopalmitynowy, laurynowy. Stwierdzono, że na skuteczność bakteriobójczą wpływa długość łańcucha węglowego danego kwasu oraz liczba podwójnych wiązań chemicznych.

Mechanizm działania bakteriobójczego kwasów organicznych polega na ich zdolności wnikania przez błony komórkowe bakterii. Cząsteczki kwasu dysocjują wewnątrz komórki, powoduje to obniżenie pH cytoplazmy do poziomu poniżej granicy tolerancji. W wyniku usuwania protonów z wnętrza komórki bakterii dochodzi do zaburzenia metabolizmu i śmierci komórki. Im mniejszy jest stopień dysocjacji kwasów, tym wyższa jest ich aktywność bakteriobójcza.

W literaturze przełomu XX i XXI w. można znaleźć wiele informacji dotyczących związków określanych mianem AMMs (Antimicrobial Macromolecules). Te polimeryczne związki zbliżają się swoją strukturą i działaniem do istniejących naturalnych białek zwalczających infekcję, tzw. (HDPs). Jednymi ze związków typu AMMs, należącymi do polimerów kationowych, są pochodne polimeryczne guanidyny lub biguanidyny, do której zalicza się poliheksametylenoguanidyna (PHMG), o szerokim spektrum działania bakteriobójczego. Pochodne PHMG znalazły zastosowanie jako środki odkażające, antyseptyczne i jako biocydy nadające właściwości biobójcze rozmaitym materiałom polimerowym. Nie są one wypłukiwane z polimeru przez wodę i zapewniają trwałe zabezpieczenie przed powstawaniem biofilmów np. na rurach, elementach konstrukcyjnych statków, beczkach na wodę. Ponadto są odporne na kontakt z rozpuszczalnikami alifatycznymi i aromatycznymi. Są wykorzystywane jako składniki powłok farbiarskich, powłok żywicznych oraz jako dodatek do materiałów takich jak poliamid i poliwęglan. PHMG nie jest substancją toksyczną dla ludzi, nie powoduje podrażnień błon śluzowych i skóry. Indeks toksyczności w kontakcie skórnym wynosi LD50>2000 mg/kg. Jest około 3000 razy mniejszy dla ludzi i zwierząt niż dla mikroorganizmów. PHMG jest kompatybilna z większością pozostałych składników środków dezynfekcyjnych, może być zatem stosowana w produktach o różnych formach: np. płynu, kremu, żelu, pasty, emulsji, aerozolu, roztworu. Można ją stosować w ilości mniejszej niż w przypadku innych środków dezynfekcyjnych oraz z innymi germicydami, do których m.in. należą siarczan miedzi, siarczan cynku, kwas nadoctowy, sulfometazyna. Poza zaletami, PHMG ma pewne ograniczenie aplikacyjne. Nie należy łączyć jej z aninowymi surfaktantami, np. mydłem, ponieważ mogą doprowadzić do wytrącania się jej z roztworu.

Aktywne związki o charakterze przeciwbakteryjnym występujące w ekstraktach roślinnych to polifenole, które można podzielić na następujące grupy: ligniny, stilbeny, flawonoidy, kwasy fenolowe i inne. Najbardziej poznaną grupę stanowią flawonoidy, do których można zaliczyć: flawony, izoflawony, flawonony, antocyjanidyny, flawonole, flawanole. Związki te pełnią w roślinach różne funkcje, m.in. ochronną przed mikroorganizmami i promieniowaniem UV, a także nadającą barwę pestkom, owocom i kwiatom. Długotrwałe działanie wyciągów z roślin powoduje denaturację białek i zaburzenia metabolizmu w komórkach bakterii, prowadząc do ich śmierci. Wprowadzenie takich związków bezpośrednio do żywności lub do opakowań może powodować zmiany właściwości produktu i właściwości sensorycznych. Dlatego też są pewne ograniczenia w stosowaniu tych związków. Najbardziej znanymi przeciwbakteryjnymi wyciągami z roślin są: ekstrakt z grejpfruta i olejek czosnkowy. Silne właściwości bakteriobójcze, zwłaszcza względem bakterii Gram dodatnich, posiadają olejki eteryczne, olejek goździkowy, cynamonowy, pigmentowy, rozmarynowy, tymiankowy. Substancjami, które odpowiadają za ich skuteczność są: aldehyd cynamonowy, eugenol, tymol. Aktywność antybakteryjną wykazują również ekstrakty pozyskiwane z oregano, cebuli, czosnku.

Podsumowanie

Skuteczność substancji bakteriobójczych zależy od wielu czynników. Bardzo ważna jest temperatura otoczenia, ponieważ większość substancji posiada niższą skuteczność w niskich temperaturach. Ważną rolę odgrywa też pH, które może modyfikować zarówno strukturę cząsteczki, jak też powodować stabilność lub utratę właściwości bakteriobójczych. Obecność białek zmniejsza skuteczność interakcji biocydów z komórką mikroorganizmów. Niezwykle istotne są czynniki związane z rodzajem i zastosowaniem środka biobójczego, jego stężeniem, sposobem i czasem kontaktu. Ten sam rezultat można uzyskać przy zastosowaniu wysokiego stężenia substancji bakteriobójczej przy krótkim czasie kontaktu lub przy zastosowaniu małego stężenia i wydłużonym czasie kontaktu. Nie bez znaczenia jest też wiek bakterii oraz obecność i obfitość biofilmu.

W początkowym etapie substancje bakteriobójcze zaczynają reagować z mikroorganizmami na powierzchni komórki. Ogromny wpływ na przebieg tego procesu, a później na wnikanie substancji bakteriobójczej, ma zewnętrzna błona bakterii. Bakterie Gram dodatnie są bardziej podatne na działanie substancji bakteriobójczych niż Gram ujemne, co jest spowodowane różną budową osłon komórkowych.

Oporność mikroorganizmów względem substancji biobójczych może być tymczasowa lub ciągła. Pojawienie się ogólnej oporności jest mało prawdopodobne, ze względu na dużą liczbę miejsc docelowych w komórkach mikroorganizmów. Związane jest to z rodzajem substancji bakteriobójczej oraz z różnicami w procesach metabolicznych. Mechanizmy te prawdopodobnie działają synergicznie, ale jest na to niewiele potwierdzeń literaturowych. Do chwili obecnej w literaturze opisano kilka mechanizmów oporności bakterii na substancje bakteriobójcze. Niektóre mechanizmy są właściwe dla danego gatunku bakterii, inne dla całych zespołów, czy grup filogenetycznych. Niektóre mechanizmy są swoiste dla mikroorganizmów, inne zostały nabyte w drodze mutacji lub kombinacji genów. Nie każdy mechanizm został do końca poznany. Poza tym większość z nich ma charakter hipotetyczny, a ich potwierdzenie wymaga wielu dodatkowych i specjalistycznych badań.

Autor: dr hab. Agnieszka Richert