Comparative resistance of bacterial foodborne pathogens to non-thermal technologies for food preservation

In this paper the resistance of bacterial foodborne pathogens to manosonication (MS), pulsed electric fields (PEFs), high hydrostatic pressure (HHP), and UV-light (UV) is reviewed and compared. The influence of different factors on the resistance of bacterial foodborne pathogens to these technologies is also compared and discussed. Only results obtained under harmonized experimental conditions have been considered. This has allowed us to establish meaningful comparisons and draw significant conclusions. Among the six microorganisms here considered, Staphyloccocus aureus is the most resistant foodborne pathogen to MS and HHP and Listeria monocytogenes to UV. The target microorganism of PEF would change depending on the treatment medium pH. Thus, L. monocytogenes is the most PEF resistant microorganism at neutral pH but Gram-negatives (Escherichia coli, Salmonella spp., Cronobacter sakazakii, Campylobacter jejuni) would display a similar or even higher resistance at acidic pH. It should be noted that, in acidic products, the baroresistance of some E. coli strains would be comparable to that of S. aureus. The factors affecting the resistance of bacterial foodborne pathogens, as well as the magnitude of the effect, varied depending on the technology considered. Inter- and intra-specific differences in microbial resistance to PEF and HHP are much greater than to MS and UV. Similarly, both the pH and aw of the treatment medium highly condition microbial resistance to PEF and HHP but no to MS or UV. Growth phase also drastically affected bacterial HHP resistance. Regarding UV, the optical properties of the medium are, by far, the most influential factor affecting its lethal efficacy. Finally, increasing treatment temperature leads to a significant increase in lethality of the four technologies, what opens the possibility of the development of combined processes including heat. The appearance of sublethally damaged cells following PEF and HHP treatments could also be exploited in order to design combined processes. Further work would be required in order to fully elucidate the mechanisms of action of these technologies and to exhaustively characterize the influence of all the factors acting before, during, and after treatment. This would be very useful in the areas of process optimization and combined process design

Relationship between growth ability, virulence, and resistance to food-processing related stresses in non-typhoidal Salmonellae

The ability of Salmonella to resist and adapt to harsh conditions is one of the major features that have made this microorganism such a relevant health hazard. However, the impact of these resistance responses on other aspects of Salmonella physiology, such as virulence and growth ability, is still not fully understood. The objective of this study was to determine the maximum growth rates (in three different media), virulence (adhesion and invasion of Caco-2 cells), and other phenotypic characteristics (biofilm-forming ability and antimicrobial resistance) of 23 Salmonella strains belonging to different serovars, and to compare them with their previously determined stress resistance parameters. Significant differences (p < 0.05) in growth rates, virulence, and biofilm-forming ability were found among the 23 strains studied. Nevertheless, whereas less than 3-fold change between the lowest and the highest growth rate was observed, the percentage of cells capable of invading Caco-2 cells varied more than 100-fold, that to form biofilms more than 30-fold, and the antibiotic MICs varied up to 512-fold, among the different strains. Results indicate that those strains with the highest cell adhesion ability were not always the most invasive ones and suggest that, in general terms, a higher stress resistance did not imply a reduced growth ability (rate). Similarly, no association between stress resistance and biofilm formation ability (except for acid stress) or antibiotic resistance (with minor exceptions) was found. Our data also suggest that, in Salmonella, acid stress resistance would be associated with virulence, since a positive correlation of that trait with adhesion and a negative correlation with invasion was found. This study contributes to a better understanding of the physiology of Salmonella and the relationship between bacterial stress resistance, growth ability, and virulence. It also provides new data regarding intra-specific variability of a series of phenotypic characteristics of Salmonella that are relevant from the food safety perspective

Modelling the low temperature growth boundaries of Salmonella Enteritidis in raw and pasteurized egg yolk, egg white and liquid whole egg: Influence of the initial concentration

Salmonella is the most frequently reported cause of foodborne outbreaks with known origin in Europe, with eggs and egg products standing out as the most frequent food source (when it was known). The growth and survival of Salmonella in eggs and egg products have been extensively studied and, recently, it has been reported that factors such as the initial concentration and thermal history of the egg product can also influence its growth capability. Therefore, the objective of this study was to define the boundary zones of the growth/no growth domain of Salmonella Enteritidis (4 strains) as a function of temperature (low temperature boundary) and the initial concentration in different egg products. A series of polynomial logistic regression equations were successfully adjusted, allowing the study of these factors and their interaction on the probability of growth of S. Enteritidis in these products. Results obtained indicate that the minimum growth temperatures of Salmonella Enteritidis are higher in egg white (9.5–18.3 °C) than in egg yolk (7.1–7.8 °C) or liquid whole egg (7.2–7.9 °C). Results also demonstrate that in raw liquid whole egg and raw and pasteurized egg white, the minimum growth temperature of Salmonella Enteritidis does depend on the initial concentration. Similarly, the previous thermal history of the egg product only influenced the minimum growth temperature in some of them. On the other hand, large differences in the minimum growth temperatures among strains were observed in some products (up to approx. 6 °C in egg white). Finally, it should be noted that none of the strains grew at 5 °C under any of the conditions assayed. Therefore, storage of egg products (particularly whole liquid egg and egg yolk) below this temperature might be regarded/proposed as a good management approach. Our experimental approach has allowed us to provide a more accurate prediction of S. Enteritidis minimum growth temperatures in egg products by taking into account additional factors (initial concentration and thermal history) while also providing a quantification of the intra-specie variability. This would be of high relevance for improving the safety of egg products

Sewage Sludge to Fertilise Durum Wheat: Effects on Crop and Soil

The vast quantities of degradable waste generated in urban areas may negatively influence the environment if improperly managed. This study examines effects on soil properties, yield and morphological performance of winter wheat (Triticum turgidum L. cv. Vitron) after applying composted and air-dried sewage sludge. The experiment was conducted on the field scale in two different farm soil plots Toledo, (central Spain) with different characteristics, especially salinity, concentration of chlorides, sulphates and pH. Three fertiliser treatments were considered: commercial fertiliser; air-dried sewage sludge and composted sewage sludge. Sewage sludge promoted better yields than the commercial fertiliser, and preserved soil physico-chemical characteristics. The sewage sludge application (air-dried and composted) to soil improved the results of the morphological characteristics of the studied wheat in relation to the commercial fertiliser. In the saline soil plot, air-dried sewage sludge improved the morphological characteristics of spikes (length, weight, number of grains per spike), but not final grain weight and, consequently, yield. These were upgraded with the composted sewage sludge. Use of sewage sludge for winter wheat production was the better studied option and proved a sustainable approach to recycle such waste on land

Degradación de residuos plásticos de la industria alimentaria mediante el uso de microorganismos

El impacto ambiental negativo que suponen los residuos plásticos en la actualidad se encuentra en imparable crecimiento, puesto que aún no existe la vía mediante la cual poder eliminarlos. Sin embargo, en los últimos años se ha descrito un fenómeno que podría conseguir la eliminación de los residuos plásticos, consistente en su degradación por parte de microorganismos y sus enzimas. Dicho fenómeno podría ser aprovechado por distintas industrias productoras de este material para reducir el impacto que este residuo supone sobre el medioambiente. La industria alimentaria podría formar parte de los sectores que aprovechasen esta estrategia, puesto que es el sector industrial que más demanda e plástico presenta en Europa, debido al envasado, dentro del cual tiene mayor impacto el de un solo uso. En este trabajo se describen los distintos microorganismos y enzimas capaces de degradar los distintos tipos de plásticos que forman parte de los envases, y se discuten posibles enfoques mediante los cuales se podría aprovechar esta estrategia por parte de industrias alimentarias. <br /

Estudio sobre el aprovechamiento de residuos de la industria vinícola

Actualmente, la generación de residuos a nivel mundial y, en concreto, los provenientes de la industria alimentaria, supone un grave problema medioambiental ya que las técnicas empleadas para su tratamiento y eliminación no resultan sostenibles. Dado que España es uno de los principales países productores de vino, también es uno de los mayores productores de residuos de vinificación a nivel mundial. Este trabajo de revisión se ha centrado en el estudio de las técnicas actuales y en fase de desarrollo del tratamiento y revalorización del orujo de uva, que constituye el residuo de mayor volumen generado por la industria del vino. El orujo de uva tiene un abanico de usos muy amplio que incluye la producción de distintos tipos de alcoholes destilados, el compostaje para su uso como abono, la extracción de aceite de semillas y de compuestos bioactivos o la alimentación animal. Además, presenta unas características que lo han llevado a ser objeto de estudio en otras aplicaciones, como la producción de biocombustible, de biogás o de pululano, debido a su naturaleza lignocelulósica. No obstante, sería necesaria una mayor investigación para desarrollar estrategias más efectivas que permitan un mejor aprovechamiento y eliminación de este subproducto. <br /

Estudio de propiedades de interés probiótico y tecnológico de dos cepas de Lactobacillus plantarum.

Lactobacillus plantarum es una bacteria acido lactica de gran interés tanto probiótico como tecnológico. La capacidad probiótica de algunas cepas de L. plantarum ha sido ampliamente estudiada, habiéndose demostrado su capacidad de colonizar la mucosa intestinal. Por otro lado, es una de las principales especies involucradas en procesos de fermentación, sobre todo en productos de origen vegetal. El objetivo general de este trabajo fue estudiar la influencia de las condiciones de crecimiento de L. plantarum en algunas características de interés para su posterior utilización como microorganismo probiótico. Asimismo se estudió la capacidad de fermentación de diversos azúcares, de interés tanto tecnológico como probiótico. Para ello se escogieron dos cepas, una caracterizada como cepa probiótica, y otra cepa aislada de un producto vegetal fermentado. Los aspectos estudiados incluyeron una caracterización de la capacidad de crecimiento de ambas cepas bajo diferentes condiciones experimentales, lo cual nos permitiría escoger las condiciones más adecuadas para la obtención de cultivos de L. plantarum con tasas de crecimiento y densidades celulares elevadas. Por otro lado se estudió la capacidad de supervivencia de L. plantarum frente a las dos barreras más importantes a las que se puede enfrentar en el tránsito gastrointestinal, el jugo gástrico y las sales biliares, y se evaluó la influencia sobre la misma de las condiciones de obtención del cultivo. Ello nos permitiría escoger las condiciones de crecimiento más adecuadas de acuerdo a criterios de aptitud probiótica evaluada in vitro. Se estudió la capacidad antimicrobiana de ambas cepas frente a cuatro patógenos de interés, con el objetivo final de escoger las condiciones de crecimiento que favorecieran este carácter. Por último se estudió la capacidad para utilizar diversos azúcares con objeto de prever la adecuación de diferentes materias primas como sustrato de fermentación y/o obtención del cultivo. Los resultados obtenidos han mostrado que las dos cepas de L. plantarum fueron capaces de crecer bajo las diferentes condiciones experimentales utilizadas (aerobiosis, anaerobiosis, aerobiosis a pH 5 y aerobiosis a pH 7), y que las condiciones de crecimiento utilizadas modificaban su supervivencia posterior al jugo gástrico simulado. El ajuste del pH del medio de crecimiento a un valor de 7 provocó una disminución notable de la resistencia celular al jugo gástrico, mientras que el ajuste a pH 5 la incrementaba. Por otro lado, las células más resistentes al jugo gástrico no mostraron una mayor resistencia a las sales biliares y viceversa. Estos resultados dificultan el poder escoger unas condiciones de crecimiento óptimas para favorecer la supervivencia de L. plantarum durante el tránsito gastrointestinal. Las dos cepas estudiadas mostraron capacidad de inhibir el crecimiento de Listeria monocytogenes, Salmonella Typhimurium, Staphylococcus aureus y Escherichia coli. Este efecto inhibidor era debido principalmente a la capacidad de disminución del pH de L. plantarum, probablemente a través de la producción de ácidos orgánicos. Por último se estudió la capacidad de utilización de azúcares, encontrándose diferencias entre las dos cepas objeto de estudio

Estancia Erasmus en la Universidad Católica de Lovaina. Estudios sobre las hidrofobinas de clase II

Las hidrofobinas son proteínas de superficie activa producidas por los hongos filamentosos, necesarias para el crecimiento aéreo y la dispersión de esporas de dichos microorganismos. Su característica más importante es su comportamiento anfifílico debido a su estructura en parte hidrofóbica y en parte hidrofílica. Ello les permite interactuar con interfases disminuyendo la tensión superficial y cambiando el comportamiento de las superficies, de hidrófobas a hidrófilas y viceversa. Asimismo, estas proteínas son capaces de formar dímeros, tetrámeros y formas multiméricas. Las hidrofobinas presentan multitud de características interesantes que les permiten tener gran cantidad de posibles aplicaciones. No obstante, estas moléculas pueden interactuar con el CO2 gaseoso de las bebidas carbonatadas y producir gushing. El objetivo de este trabajo es analizar las mejores condiciones para producir hidrofobina de clase II a partir del micelio de Fusarium poae (FpHyd5) y caracterizarla. Los resultados mostraron que la mejor producción de FpHyd5 se llevó a cabo en Richard´s minimal medium con glucosa y el mejor método de extracción fue el que se realizó utilizando tampón 170 mM Tris/HCl. En cuanto a la caracterización de FpHyd5, los datos indican que esta hidrofobina presentó mayor afinidad por las superficies hidrófobas que por las hidrófilas. El área superficial hidrofóbica dentro de su parche hidrofóbico tiene poca accesibilidad para interactuar con superficies sólidas y, por tanto, no forma interacciones hidrofóbicas fuertes. Mediante la medida de los cambios del ángulo de contacto con el agua, se observó que esta hidrofobina es capaz de cambiar el comportamiento de una superficie hidrofílica a hidrofóbica y viceversa. En el análisis microscópico se puso de manifiesto que FpHyd5 formaba cristales con estructuras poco ordenadas en forma de ramas. Además, FpHyd5 formaba polímeros debido a que las hidrofobinas presentan una gran tendencia a autoensamblarse por su carácter anfifílico. Cuando su concentración disminuía, aparecían las formas monoméricas. La adición de FpHyd5 al agua carbonatada mostró la formación de partículas de 100nm que correspondían con la formación de nanoburbujas. Por lo tanto, se puede concluir que se produce la interacción entre FpHyd5 y el CO2

Influencia del estrés oxidativo en la inactivación bacteriana por diferentes tecnologías utilizadas para la conservación de los alimentos

La industria alimentaria se esfuerza cada día más en suministrar al consumidor alimentos seguros y estables manteniendo sus propiedades organolépticas y nutritivas. El tratamiento térmico es, actualmente, la tecnología más empleada para lograr este objetivo. Sin embargo, esta tecnología presenta diversos efectos adversos sobre los alimentos, por lo que, en los últimos años se está llevando a cabo un gran esfuerzo en la mejora de estos tratamientos y en la puesta a punto de nuevos sistemas de inactivación microbiana. Algunos de estos sistemas son las altas presiones hidrostáticas (APH), los pulsos eléctricos de alto voltaje (PEAV) o el uso de compuestos antimicrobianos naturales, además de la combinación de varios de estos agentes con el fin de conseguir un efecto sinérgico. No obstante, para un buen diseño de los tratamientos a aplicar es necesario conocer en profundidad los mecanismos implicados en la inactivación microbiana por cada tecnología, es decir, las estructuras y funciones afectadas durante los tratamientos. Durante los últimos años un nuevo concepto ha ganado gran importancia, el estrés oxidativo. Se considera que un desequilibrio entre las sustancias antioxidantes y prooxidantes, en favor de estas últimas, provocaría la aparición de radicales libres en el interior celular que podrían dañar diferentes estructuras dentro de las mismas, afectando así a la supervivencia celular durante y tras el tratamiento. No obstante, se desconoce si la aparición de estrés oxidativo se produce durante los tratamientos con todas las tecnologías, y si hay una relación entre el daño en las diferentes estructuras y la aparición de este desequilibrio. Así, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral fue describir si el estrés oxidativo era un mecanismo común de inactivación celular en todas las tecnologías estudiadas y si había una relación entre el estrés oxidativo, el daño en diversas estructuras celulares y la inactivación y/o supervivencia celular. Para ello, utilizando Escherichia coli como microorganismo modelo, se llevó a cabo la puesta a punto de diversas técnicas para estudiar de manera directa o indirecta la aparición de desequilibrios oxidativos tras los diversos tratamientos y, posteriormente, se realizó un estudio para cada una de las tecnologías y una comparación de los resultados obtenidos. Se realizó un mayor esfuerzo experimental en el caso de los tratamientos térmicos.Los resultados obtenidos mostraron generación de estrés oxidativo en todos los tratamientos estudiados (calor, APH, PEAV y acidez). Sin embargo, el nivel de especies reactivas detectadas en el interior celular tras los tratamientos varió entre microorganismos, entre tecnologías, y dentro de cada una de ellas también se observó una variación en el nivel de los diferentes radicales estudiados. Además, se analizó la presencia de daños en otras estructuras como las membranas, proteínas y ADN, poniéndose de manifiesto la gran importancia de los fenómenos relacionados con el daño al ADN para las células tratadas por acidez, y de la agregación de proteínas citoplasmáticas en el caso de las células tratadas por altas presiones.Por otro lado, se observó una gran influencia de las condiciones de recuperación en la inactivación microbiana. Así, unas condiciones de ausencia de oxígeno y medio mínimo con un bajo potencial redox, favorecía notablemente la supervivencia microbiana. En el caso particular de los esporos bacterianos la recuperación en medio mínimo tras el tratamiento térmico determinó en gran medida la capacidad de germinación y con ello el porcentaje de supervivientes.Del mismo modo, el uso de determinadas sustancias quelantes o antioxidantes durante el crecimiento, tratamiento y/o recuperación celular también favorecerían la recuperación y supervivencia microbiana. A modo de ejemplo, el glutatión, ampliamente estudiado durante esta Tesis Doctoral, ejerció un gran efecto protector si se añadía durante el tratamiento térmico, disminuyendo el nivel de ROS y de daños en diferentes estructuras estudiadas, muy especialmente en la fracción proteica. No obstante el efecto del glutatión dependió tanto de la concentración como de la tecnología estudiada.Así, el desarrollo de esta Tesis Doctoral requirió de la puesta a punto y aplicación de diversas técnicas, directas e indirectas, para el estudio de la generación de estrés oxidativo y de diferentes daños en el interior celular durante los diferentes tratamientos aplicados y para evaluar la posible recuperación de estos daños al someter a las células a diferentes condiciones ambientales. De este modo, conociendo en profundidad los mecanismos implicados en la inactivación microbiana y las posibles condiciones que favorecerían la supervivencia microbiana, la industria alimentaria podrá diseñar procesos de conservación de alimentos más efectivos. <br /