Food spoilage represents a serious issue for food industry and human health, causing significant economic losses and contributing to foodborne disease outbreaks. Filamentous fungi are among the most common causes of food spoilage due to their ability to proliferate under a great variety of environmental conditions, impacting particularly on bread industry. The current methods to contrast microbial food spoilage in bread industry include the use of chemical preservatives, raising environmental and consumer safety concerns and creating the need for natural alternatives. Moreover, the rise of antimicrobial resistance represents a serious menace for human life, reinforcing the urgency of finding new antimicrobial compounds to face this global problem. Fungi and bacteria are recognized as valuable reservoirs of such natural antimicrobial compounds. This study exploited the remarkable microbial biodiversity preserved in the Westerdijk Fungal Biodiversity Institute (Utrecht, the Netherlands) to conduct a screening program and identify new fungal/bacterial-derived secondary metabolites active against Aspergillus niger and Penicillium paneum, two major bread spoilage fungi. To this end, 34 thermophilic fungal and bacterial strains were previously selected, fermented in liquid media and tested for the antifungal activity of their culture filtrates (CF) and cell free extracts against A. niger and P. paneum through Bioscreen C Pro and plate diffusion assays. In this work, the 10 most promising CFs were screened for their activity against Saccharomyces cerevisiae to assess their compatibility with bread-making process. Secondly, the antimicrobial performance of these ten CFs on a broad spectrum of human pathogens including two bacterial strains, E. coli and B. subtilis, and one fungal strain, A. fumigatus, were assessed. Strains F04 and F06 showed low activity against S. cerevisiae, making them promising candidates for developing natural antimicrobial compounds against spoilage fungi. Strain F03 proved to be very active against all the tested microorganisms, representing the best candidate for the development of novel antimicrobial compounds. Strain F07 was the most active against food spoilage fungi and gave the best extraction yields with ethyl acetate, indicating that it’s likely a secondary metabolite. Bioactivity-guided purification of the active compound was performed using preparative HPLC, and the corresponding active compound was characterized using UV-HPLC-MS. The bioactive compound produced by F07 is likely myriocin, an amino acid-based antibiotic with strong immunosuppressant properties. Although myriocin is too toxic to be employed in food industry, this study highlights the potential of fungal biodiversity for discovering new natural products with antimicrobial properties.
Il deterioramento degli alimenti rappresenta un serio problema per l’industria alimentare e per la salute umana, causando ingenti perdite economiche e contribuendo alla diffusione di malattie di origine alimentare. I funghi filamentosi sono tra le cause più comuni di deterioramento alimentare grazie alla loro capacità di proliferare in un’ampia varietà di condizioni ambientali, con un impatto particolarmente rilevante sull’industria del pane. Le attuali strategie per contrastare il deterioramento microbico nell’industria della panificazione includono l’uso di conservanti chimici, che sollevano preoccupazioni per la sicurezza dei consumatori e per l’ambiente, evidenziando la necessità di alternative naturali. Parallelamente, la resistenza antimicrobica è in costante aumento, rappresentando una seria minaccia per la vita umana e rendendo necessaria la continua ricerca di nuovi composti antimicrobici per far fronte a questo problema globale. Funghi e batteri sono riconosciuti come preziose fonti di tali composti naturali bioattivi. Questo studio ha sfruttato la notevole biodiversità batterica e fungina conservata presso il Westerdijk Fungal Biodiversity Institute (Utrecht, Paesi Bassi) per condurre un programma di screening volto a individuare nuovi metaboliti secondari di origine fungina o batterica attivi contro Aspergillus niger e Penicillium paneum, principali responsabili del deterioramento del pane. A tal fine, 34 ceppi termofili fungini e batterici sono stati precedentemente selezionati, fermentati in terreni liquidi e valutati per l’attività antifungina dei loro filtrati colturali (CF) ed estratti privi di cellule contro A. niger e P. paneum mediante saggi condotti con Bioscreen C Pro e saggi di diffusione su piastra. In questo lavoro, i 10 CF più promettenti sono stati testati contro Saccharomyces cerevisiae al fine di determinarne la compatibilità con il processo di panificazione. In secondo luogo, è stata analizzata la loro attività antimicrobica contro un ampio spettro di patogeni umani, comprendente due batteri, E. coli e B. subtilis, e un fungo, A. fumigatus. I ceppi F04 e F06, poco attivi verso S. cerevisiae ma efficaci contro A. niger e P. paneum, sono emersi come candidati promettenti per lo sviluppo di composti antimicrobici naturali contro funghi responsabili del deterioramento degli alimenti. Il ceppo F03 è risultato molto attivo contro tutti i microorganismi testati, rappresentando il miglior candidato per lo sviluppo di nuovi composti antimicrobici. Il ceppo F07 è risultato il più attivo contro i funghi responsabili del deterioramento del pane e ha fornito le migliori rese di estrazione con acetato di etile, suggerendo che il composto è probabilmente un metabolita secondario. La purificazione guidata dalla bioattività del composto è stata eseguita mediante HPLC preparativa ed il composto attivo corrispondente è stato caratterizzato tramite UV-HPLC-MS. Il composto bioattivo prodotto da F07 è probabilmente la miriocina, antibiotico a derivazione amminoacidica con forti proprietà immunosoppressive. Sebbene la miriocina sia troppo tossica per essere impiegata come conservante naturale nell’industria alimentare, questo studio evidenzia il potenziale racchiuso nella biodiversità fungina come fonte di nuovi composti naturali ad attività antimicrobica.
Ricerca di antimicrobici naturali contro funghi responsabili del deterioramento degli alimenti
VITTALONI, SOFIA
2024/2025
Abstract
Food spoilage represents a serious issue for food industry and human health, causing significant economic losses and contributing to foodborne disease outbreaks. Filamentous fungi are among the most common causes of food spoilage due to their ability to proliferate under a great variety of environmental conditions, impacting particularly on bread industry. The current methods to contrast microbial food spoilage in bread industry include the use of chemical preservatives, raising environmental and consumer safety concerns and creating the need for natural alternatives. Moreover, the rise of antimicrobial resistance represents a serious menace for human life, reinforcing the urgency of finding new antimicrobial compounds to face this global problem. Fungi and bacteria are recognized as valuable reservoirs of such natural antimicrobial compounds. This study exploited the remarkable microbial biodiversity preserved in the Westerdijk Fungal Biodiversity Institute (Utrecht, the Netherlands) to conduct a screening program and identify new fungal/bacterial-derived secondary metabolites active against Aspergillus niger and Penicillium paneum, two major bread spoilage fungi. To this end, 34 thermophilic fungal and bacterial strains were previously selected, fermented in liquid media and tested for the antifungal activity of their culture filtrates (CF) and cell free extracts against A. niger and P. paneum through Bioscreen C Pro and plate diffusion assays. In this work, the 10 most promising CFs were screened for their activity against Saccharomyces cerevisiae to assess their compatibility with bread-making process. Secondly, the antimicrobial performance of these ten CFs on a broad spectrum of human pathogens including two bacterial strains, E. coli and B. subtilis, and one fungal strain, A. fumigatus, were assessed. Strains F04 and F06 showed low activity against S. cerevisiae, making them promising candidates for developing natural antimicrobial compounds against spoilage fungi. Strain F03 proved to be very active against all the tested microorganisms, representing the best candidate for the development of novel antimicrobial compounds. Strain F07 was the most active against food spoilage fungi and gave the best extraction yields with ethyl acetate, indicating that it’s likely a secondary metabolite. Bioactivity-guided purification of the active compound was performed using preparative HPLC, and the corresponding active compound was characterized using UV-HPLC-MS. The bioactive compound produced by F07 is likely myriocin, an amino acid-based antibiotic with strong immunosuppressant properties. Although myriocin is too toxic to be employed in food industry, this study highlights the potential of fungal biodiversity for discovering new natural products with antimicrobial properties.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/32182