Aplication of rhamnolipid to control food pathogens biofilms

A formação de biofilme representa preocupação à indústria de alimentos pois é uma fonte crônica de contaminação. Encontrar estratégias eficientes para controlar o crescimento de microrganismos continua a ser um importante desafio. Uma delas é o uso dos ramnolipídeos (RLs), um biossurfatante produzido tipicamente por P. aeruginosa que apresenta potencial como agente antimicrobiano, anti-adesivo e dispersivo. Sua baixa toxicidade, biodegradabilidade, eficiência e especificidade em comparação aos surfatantes sintéticos podem torná-los promissores agentes de biocontrole. O presente estudo teve como objetivo estudar o potencial de uso de ramnolipídeos, em diferentes condições de concentração e temperatura, no controle e remoção de biofilmes de patógenos alimentares formados em meio de cultura e leite. Foram utilizadas Escherichia coli ATCC 43895, Listeria monocytogenes ATCC 19112, Staphylococcus aureus ATCC 8095, reconhecidos patógenos alimentares. Os biofilmes foram formados em placas de microtitulação de poliestireno nos meios de cultivo: caldo nutriente (CN), extrato de levedura com triptona de soja (TSYE) e matriz alimentar (leite) à 37 °C, por 24 h (E. coli) e 48 h (S. aureus e L. monocytogenes). Os biofilmes foram avaliados pela quantificação da biomassa, viabilidade celular, hidrofobicidade de superfície e análises qualitativa (microscopia eletrônica de varredura e de fluorescência) e quantitativa (caracterização da matriz polimérica). O ramnolipídeo foi submetido à análise físico-química de espalhamento dinâmico de luz (DLS), espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS). Os resultados obtidos para E. coli mostraram que a concentração de RL que mais removeu o biofilme foi 2 ‰, porém em temperaturas diferentes, para o CN à 25 °C e para o leite à 37 °C, com 33 ‰ e 80 ‰ de remoção, respectivamente. Para o biofilme de S. aureus em caldo nutriente os resultados mais eficientes foram à 25 °C, na concentração de 0,1 ‰ de RL e em leite 4 °C, na concentração de 0,05 ‰ de RL, com remoção de 35 ‰ e 89 ‰, respectivamente. O biofilme de L. monocytogenes em TSYE mostrou-se mais sensível à 37 °C, na concentração 0,5 ‰ de RL, o qual foi possível remover 35,3 ‰ da biomassa. Enquanto que em leite a 4 °C e 0,5 ‰ de RL, com remoção de 63,6 ‰ .Quanto à redução das células viáveis foi observado que para as bactérias Gram-positivas o tratamento mais efetivo foi à 4 °C com 0,05 ‰ de RL, nos meios CN e TSYEe 1 ‰ em leite. Para os biofilmes de E. coli a maior redução da viabilidade ocorreu em leite, após tratamento com RL 0,05 ‰ à 37 °C. As imagens de microscopia mostraram uma morfologia heterogênea na presença dos diferentes meios de cultivos, com destaque para os biofilmes de S. aureus (leite) e L. monocytogenes (TSYE), nos quais houve grande produção de matriz polimérica extracelular (MPE), e também apresentaram as maiores quantidades de carboidratos e proteínas. O tratamento com o ramnolipídeo reduziu a hidrofobicidade dos biofilmes. As análises de DLS e SAXS mostraram uma predominância em número de micelas com diâmetro entre 1-10 nm, independente das concentrações e temperaturas analisadas. De modo geral, a aplicação de ramnolipídeo promoveu remoção da biomassa celular como também redução de células viáveis presentes no biofilme. As evidências obtidas aqui, podem ser importantes subsídios para futuras investigações sobre as interações físico-químicas entre ramnolipídeos e a camada de biofilme visando aplicação como agentes sanitizantes em indústria de alimentos.Biofilm formation is a concern to the food industry because it is a chronic source of contamination. Finding effective strategies to control the growth of microorganisms remains a major challenge. One strategy is the use of rhamnolipids (RLs), a biosurfactant typically produced by P. aeruginosa that has potential as antimicrobial, anti-adhesive and biofilm disrupting agent. RLs low toxicity, biodegradability, efficiency and specificity comparatively to synthetic surfactants, makes them promising biocontrol agents. This work aimed to study the potential use of rhamnolipid at different conditions of concentration and temperature, to control and removal of biofilms of food pathogens established in culture medium and milk. The bacterial strain utilized Escherichia coli ATCC 43895, Listeria monocytogenes ATCC 19112, Staphylococcus aureus ATCC 8095, are well-recognized food pathogens. The biofilms were formed in polystyrene microtiter plates in culture media: nutrient broth (NB), yeast extract and tryptone soya (TSYE) and in food matrix (milk) at 37 °C for 24 h (E. coli) and 48 h (S. aureus and L. monocytogenes). Biofilms were assessed by biomass quantification, cell viability, surface hydrophobicity, qualitative (scanning electron microscopy and fluorescence) and quantitative (characterization of polymer matrix) analysis. The rhamnolipid was subjected to physical and chemical analysis of dynamic light scattering (DLS) and X-ray small angle scattering (SAXS). E. coli biofilms were removed more efficiently using 2 ‰ RL, but at different temperatures for NB (25 °C) and milk (37 °C) showing 33 ‰ and 80 ‰ respectively. For the biofilm of S. aureus in NB the best results was obtained at 25 °C and 0.1 ‰ RL and in milk medium at 4 °C with 0.05 ‰ RL showing 35 ‰ and 89 ‰ of biofilm disruption, respectively. The biofilm of L. monocytogenes in TSYE was more sensitive to the treatment at 37 °C with 0.5 ‰ RL, removing 35.3 ‰ of the biofilm; while in milk at 4 °C and 0.5 ‰ RL, biofilm removal reached 63.6 ‰. Reduction on cell viability was more effective for Gram-positive bacteria at 4 °C with 0.05 ‰ RL, for NB and TSYE and at 1 ‰ in milk. For E. coli biofilms the largest reduction of viability occurred in milk after treatment with 0.05 ‰ RL at 37 °C. The microscopy images showed a heterogeneous morphology in the presence of different media, especially biofilms of S. aureus (milk) and L. monocytogenes (TSYE), in which there was a great production of extracellular polymeric matrix (EPM), and also the highest amounts of carbohydrates and protein. The treatment with RL reduced the hydrophobicity of biofilms. The DLS and SAXS analysis of RL showed a predominance of micelles with diameters between 1-10 nm, independent of the concentrations and temperatures utilized. In general, the application of rhamnolipid promoted a reduction in biofilm mass as well in cell viability. The evidences obtained can provide a basis for future research on the physical and chemical interactions between rhamnolipid and biofilm layer aiming their application as sanitizers in food industry