Методика электрохимического биотестирования для сравнительного анализа про- и антибиотических свойств различных экстрактов

Цели. Разработать быструю и объективную инструментальную методику оценки микробной обсемененности, а также про- и антибиотических свойств различных образцов пищевой, фармакологической и иной продукции.

Методы. Разработанная методика заключается в периодической (через каждые 2 ч) регистрации изменений рН, редокс потенциала и электропроводности жидкой питательной среды, инкубируемой в присутствии и в отсутствие жизнеспособных тестовых микроорганизмов и тестируемых образцов.

Результаты. С помощью представленной методики проведён сравнительный анализ про- и антибиотической активности в отношении Lactobacillus acidophilus разных концентраций цельных докритических экстрактов, полученных с помощью сжиженного СО₂ из 10 различных видов растительного сырья.

Выводы. Проведенные исследования показали, что среди исследованных растительных экстрактов наиболее активные пролонгированные антибиотические свойства проявили экстракты из листьев эвкалипта шаровидного (Eucalyptus globulus Labill.) и семян бадьяна настоящего (Illicium verum Hook.f.) при их концентрации в тестовой среде (С_ТЭ) больше 3 об.%; а наиболее активные пролонгированные пробиотические свойства проявил экстракт из травы мяты луговой (Mentha arvensis L.) при С_ТЭ = 0.2 об.%. Начальная антибиотическая активность тестированных экстрактов (ТЭ) в большинстве случаев была больше их пролонгированной активности. В то время как среднесрочная (по времени взаимодействия ТЭ с тестовыми микроорганизмами) антибиотическая активность ТЭ как правило была промежуточной по величине между их начальной и пролонгированной активностью. При этом с уменьшением концентраций ТЭ в тестовой среде их антибиотическая активность монотонно уменьшалась, а пробиотическая активность увеличивалась. Таким образом очевидно, что биологическая активность продукции, включающей различные растительные экстракты, в значительной степени определяется не только сырьём и способом экстрагирования из него биологически активных веществ, но и концентрацией экстракта в продукции, а также временем взаимодействия упомянутой продукции с микробиотой и т.п. Причем точный характер этих зависимостей в большинстве случаев может быть установлен лишь с помощью значительного числа тестовых испытаний. Последние удобно проводить с помощью представленной в этой работе методики, которая позволяет существенно более быстро, объективно и информативно, а также существенно менее трудоёмко и материалоёмко, чем при использовании стандартных микробиологических методов, оценивать исходную микробную обсемененность, а также про- и антибиотические свойства различных образцов как новой, так и уже допущенной к употреблению продукции, а также отдельных ингредиентов и добавок к оной.

1. Sutherland J., Miles M., Hedderley D., Li J., Devoy S., Sutton K., Lauren D. In vitro effects of food extracts on selected probiotic and pathogenic bacteria. Int. J. Food Sci. Nutr. 2009;60(8):717-727. https://doi.org/10.3109/09637480802165650

2. Das S., Anjeza C., Mandal S. Synergistic or additive antimicrobial activities of Indian spice and herbal extracts against pathogenic, probiotic and food–spoiler microorganisms. Int. Food Res. J. 2012;19(3):1185-1191.

3. Al-Zubairi A., Al-Mamary M. A., Al-Ghasani E. The antibacterial, antifungal and antioxidant activities of essential oil from different aromatic plants. Glo. Adv. Res. J. Med. Med. Sci. 2017;6(9):224-233. http://garj.org/garjmms

4. Rodino S., Butu M. Herbal Extracts—New Trends in Functional and Medicinal Beverages. In: Grumezescu A.M., Holban A.M. (Eds.). Functional and Medicinal Beverages. Volume 11: The Science of Beverages. Academic Press; 2019. P. 73-108. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816397-9.00003-0

5. Burt S. Essential oils: their antibacterial properties and potential applications in foods – a review. Int. J. Food Microbiol. 2004;94(3):223-253. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2004.03.022

6. Bakkali F., Averbeck S., Averbeck D., Idaomar M. Biological effects of essential oils – A review. Food Chem. Toxicol. 2008;46(2):446-475. https://doi.org/10.1016/j.fct.2007.09.106

7. Tripathi A.K., Bhoyar P.K., Baheti J.R., Biyani D.M., Khalique M., Kothmire M.S., Bhanarkar A.B. Herbal antidiabetics: a review. International Journal of Research in Pharmaceutical Sciences (IJRPS). 2011;2(1):30-37.

8. Fatima A., Alok S., Agarwal P., Singh P.P., Verma A. Benefits of herbal extracts in cosmetics: a review. International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research (IJPSR). 2013;4(10):3746-3760. https://doi.org/10.13040/ijpsr.0975-8232.4(10).3746-60

9. Alok S., Jain S.K., Verma A., Kumar M., Mahor A., Sabharwal M. Herbal antioxidant in clinical practice: a review. Asian Pac. J. Trop. Biomed. 2014;4(1):78-84. https://doi.org/10.1016/S2221-1691(14)60213-6

10. Radice M., Manfredini S., Ziosi P., Dissette V., Buso P., Fallacara A., Vertuani S. Herbal extracts, lichens and biomolecules as natural photo-protection alternatives to synthetic UV filters. A systematic review. Fitoterapia. 2016;114:144-162. https://doi.org/10.1016/j.fitote.2016.09.003

11. Merghni A., Marzouki H., Hentati H., Aouni M., Mastouri M. Antibacterial and antibiofilm activities of Laurus nobilis L. essential oil against Staphylococcus aureus strains associated with oral infections. Curr. Res. Transl. Med. 2016;64(1):29-34. https://doi.org/10.1016/j.patbio.2015.10.003

12. Fani M., Kohanteb J. In vitro antimicrobial activity of thymus vulgaris essential oil against major oral pathogens. J. Evid. Based Complementary Altern. Med. 2017;22(4):660-666. https://doi.org/10.1177/2156587217700772

13. Kokina M.S., Frioui M., Shamtsyan M., Sibirtsev V.S., Krasnikova L.V., Konusova V.G., Simbirtsev A.S. Influence of pleurotus ostreatus beta-glucans on the growth and activity of certain lactic acid bacteria. Sci. Study Res. Chem. Chem. Eng. Biotechnol. Food Ind. 2018;19(4):465-471.

14. Atarés L., Chiralt A. Essential oils as additives in biodegradable films and coatings for active food packaging. Trends Food Sci. Technol. 2016;48:51-62. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2015.12.001

15. Ribeiro-Santos R., Andrade M., Melo N. R., SanchesSilva A. Use of essential oils in active food packaging: Recent advances and future trends. Trends Food Sci. Technol. 2017;61:132-140. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2016.11.021

16. Ju J., Xie Y., Guo Y., Cheng Y., Qian H., Yao W. Application of edible coating with essential oil in food preservation. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2019;59(15):2467-2480. https://doi.org/10.1080/10408398.2018.1456402

17. Yuan G., Chen X., Li D. Chitosan films and coatings containing essential oils: The antioxidant and antimicrobial activity, and application in food systems. Food Res. Int. 2016;89(1):117-128. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2016.10.004

18. Donsì F., Ferrari G. Essential oil nanoemulsions as antimicrobial agents in food. J. Biotechnol. 2016;233:106-120. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.07.005

19. Pavela R., Benelli G. Essential Oils as Ecofriendly Biopesticides? Challenges and Constraints. Trends Plant Sci. 2016;21(12):1000-1007. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2016.10.005

20. Rout P.K., Naik S.N., Rao Y.R. Subcritical CO 2 extraction of floral fragrance from Quisqualis indica. J. Supercrit. Fluids. 2008;45(2):200-205. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2008.02.011

21. Sahena F., Zaidul I.S.M., Jinap S., Karim A.A., Abbas K.A., Norulaini N.A.N., Omar A.K.M. Application of supercritical CO 2 in lipid extraction – A review. J. Food Eng. 2009;95(2):240-253. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2009.06.026

22. Ibadullaeva G.S., Pichkhadze G.M., Ustenova G.O., Dil’barkhanov R., Tikhonova S.A., Grud’ko V.A., Bevz N.Yu., Yudina Yu.V. Chemical composition of the CO 2 -extract of Acorus Calamus obtained under subcritical conditions. Pharmaceut. Chem. J. 2015;49(6):388-392. https://doi.org/10.1007/s11094-015-1290-0

23. Valle Jr.D.L., Cabrera E.C., Puzon J.J.M., Rivera W.L. Antimicrobial activities of methanol, ethanol and supercritical CO 2 extracts of Philippine Piper betle L. on clinical isolates of Gram positive and Gram negative bacteria with transferable multiple drug resistance. PLoS ONE. 2016;11(1):е0146349. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0146349

24. Lazarotto M., Valério A., Boligon A., Tres M.V., Scapinello J., Dal Magro J., Oliveira J.V. Chemical composition and antibacterial activity of bergamot peel oil from supercritical CO 2 and compressed propane extraction. Open Food Sci. J. 2018;10(1):16-23. https://doi.org/10.2174/1874256401810010016

25. Vieitez I., Maceiras L., Jachmanián I., Alborés S. Antioxidant and antibacterial activity of different extracts from herbs obtained by maceration or supercritical technology. J. Supercrit. Fluids. 2018;133(1):58-64. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2017.09.025

26. Coelho J., Veiga J., Karmali A., Nicolai M., Pinto Reis C., Nobre B., Palavra A. Supercritical CO 2 extracts and volatile oil of basil (Ocimum basilicum L.) comparison with conventional methods. Separations. 2018;5(2):21-33. https://doi.org/10.3390/separations5020021

27. Sibirtsev V.S. Study of applicability of the bifunctional system “Ethidium bromide + Hoechst-33258” for DNA analysis. Biochemistry (Moscow). 2005;70(4.):449-457. https://doi.org/10.1007/s10541-005-0136-x

28. Sibirtsev V.S. Fluorescent DNA probes: study of mechanisms of changes in spectral properties and features of practical application. Biochemistry (Moscow). 2007;72(8):887-900. https://doi.org/10.1134/S0006297907080111

29. Sibirtsev V.S., Naumov I.A., Kuprina E.E., Olekhnovich R.O. Use of impedance biotesting to assess the actions of pharmaceutical compounds on the growth of microorganisms. Pharmaceut. Chem. J. 2016;50(7):481-485. https://doi.org/10.1007/s11094-016-1473-3

30. Sibirtsev V.S. Biological test methods based on fluorometric genome analysis. J. Opt. Technol. 2017;84(11):787-791. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000787

31. Sibirtsev V.S., Maslova A.Yu. Complex research of E.coli vital activity dynamics in presence of transition metal ions. Sci. Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt. 2019;19(2):236-241. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-2-236-241

32. Sibirtsev V.S., Uspenskaya M.V., Garabadgiu A.V., Shvets V.I. An integrated method of instrumental microbiotesting of environmental safety of various products, wastes, and territories. Dokl. Biol. Sci. 2019;485(1):59-61. https://doi.org/10.1134/S001249661902011X

33. Sibirtsev V.S., Garabadgiu A.V., Shvets V.I. New technique for integrated photofluorescence microbiotesting. Dokl. Biol. Sci. 2019;489(6):196-199. https://doi.org/10.1134/S0012496619060103

34. Korn G., Korn T. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. Definitions, Theorems and Formulas for Reference and Review. NY: McGraw Hill Book Company; 1968. 1152 p.

35. Johnson K., Jeffi V. Numerical Methods in Chemistry. Cambridge University Press; 1983. 503 p.

36. Sibirtsev V. S. Analysis of benzo[a]pyrene deactivation mechanisms in rats. Biochemistry (Moscow). 2006;71(1):90-98. https://doi.org/10.1134/S0006297906010147

37. Zhuravlev O.E., Voronchikhina L.I. Synthesis and antimicrobial activity of N-decylpyridinium salts with inorganic anions. Pharmaceut. Chem. J. 2018;52(4):312-315. https://doi.org/10.1007/s11094-018-1813-6

38. Luzhnova S.A., Tyrkov A.G., Gabitova N.M., Yurtaeva E.A. Synthesis and antimicrobial activity of 5-(arylmethylidene)-2,4,6-pyrimidine-2,4,6(1 H ,3 H ,5 H )triones. Pharmaceut. Chem. J. 2018;52(6):506-509. https://doi.org/10.1007/s11094-018-1849-7