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Doctoral Thesis
2009
Antimicrobial activity of Thai traditional medicinal plants extract incorporated alginate-tapioca starch based edible films against food related bacteria including foodborne pathogens
Antimicrobial activity of Thai traditional medicinal plants extract incorporated alginate-tapioca starch based edible films against food related bacteria including foodborne pathogens
Abstract (English)
In Thai traditional medicine, different plant extracts are known to have a bactericidal or at least a bacteriostatic effect on bacteria and/or fungi. In Thailand, medicinal plants have been used safely since ancient times as herbal medicines and also as food colouring and flavouring agents. The application of selected plant extracts to foods could prevent foodborne diseases and food spoilage. In this study the antimicrobial activities of Andrographis paniculata (Burm.f.) Nees, Curcuma zedoaria (Christm.) Roscoe, Garcinia mangostana Linn., Hibiscus sabdariffa Linn., Musa sapientum Linn., Nelumbo nucifera Gaertn., Piper betle Linn., Psidium guajava Linn., and Punica granatum Linn. used by Thai practitioners of traditional medicine were investigated against different strains of food related bacteria, including 3 strains of Escherichia coli 2 strains of Salmonella Typhimurium, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, 1 strain of Bacillus subtilis, Vibrio parahaemolyticus, Yersinia enterocolitica, and 2 strains of Pseudomonas sp. Minimum Inhibitory Concentration (MIC-value) and Minimum Bactericidal Concentration (MBC-value) of hot water extracts, ultra sonicated extracts, and ethanolic extracts were determined by using the method described by the DVG (Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft). From the results, it can be investigated that all crude extracts exhibited antimicrobial activity at least against one of the test organisms at concentration of 15.0 g/100 ml or lower. The results also indicated that the antibacterial activity of hot water extracts was better than ultra sonicated extracts and the ethanolic extracts exhibited the best antibacterial activity. Among the ethanolic extracts, the highest inhibitory activity was caused by Hibiscus sabdariffa Linn. and Piper betle Linn. The antimicrobial activity of both extracts against the test organisms was determined as Minimum Inhibitory Concentrations (MIC-value) ranging from 0.1 to 3.0 g/100 ml and 0.1 to 2.5 g/100 ml, as well as Minimum Bactericidal Concentrations (MBC-value) ranging from 0.2 to 3.5 g/100 ml and 0.2 to 1.5 g/100 ml for the ethanolic extracts of Hibiscus sabdariffa Linn. and Piper betle Linn., respectively.
Bactericidal activity of the extracts was determined using a modified suspension test method according DIN EN 1040 (Quantitative suspension test for the evaluation of basic bactericidal activity of chemical disinfectants and antiseptics) and DIN EN 1276 (Quantitative suspension test for the evaluation of bactericidal activity of chemical disinfectants and antiseptics used in food, industrial, domestic, and institutional areas). Concentrations of 15.0 g/100 ml of the pure ethanolic extract of Curcuma zedoaria (Christm.) Roscoe, Garcinia mangostana Linn., Hibiscus sabdarifa Linn., and Piper bettle Linn., demonstrated a lethal effect within 15 seconds contact time. The others required more than 1 hour contact time to inactivate the test organisms. Among the test organisms, spore forming Bacillus spp. exhibited the highest resistance. The bactericidal activity of Thai traditional medicinal ethanolic extracts was decreased when interfering substances were added.
To determine the bactericidal activity on surfaces the ethanolic extract of Piper betle Linn. was coated on stainless steel discs, but the results indicated that stainless steel discs were not the suitable surfaces to use as an artificial antimicrobial surface.
To simulate the application under use conditions the antimicrobial activity of Alginate-Tapioca starch-based edible films were studied by incorporation of those ethanolic extracts as a natural antimicrobial agent. The edible films exhibited antimicrobial activity against bacteria tested by using agar diffusion assay. The presence of 20.0 % v/v of those extracts in the edible films had the ability to inactivate the test organisms within 24 hours incubation time. These results revealed that ethanolic extracts of those medicinal plants had a good potential to be incorporated to make antimicrobial edible film or coating for various food applications. The cytotoxic effect of those ethanolic medicinal plants extract were also determined using 4 different cell lines. The results of the cytotoxicity screening showed that the activity of the extracts correlates more with their effect on microorganisms than with their possible effect on the mucous membranes of human.
The antimicrobial edible films and coating were studied in model food. The results demonstrated that the edible film wrapping method had advantages and showed more excellent benefit in the application with food than the edible coating method. In addition, the storage temperature was an important factor. Antimicrobial edible films presented higher activity at room temperature than under cold conditions (4ºC).
In summary, the extract of those Thai traditional medicinal plants by itself or incorporated into edible films had potential for inhibiting or inactivating foodborne pathogens or food related bacteria in microbiological media and model food system; therefore, they could be useful as a method for controlling growth of foodborne pathogens and food related bacteria.
Abstract (German)
In Thailand ist bei Ärzten der traditionellen Heilkunst seit langem die inaktivierende oder wenigstens statischen Wirkung verschiedener Pflanzenextrakte auf Bakterien und/oder Pilze bekannt. In Thailand, wurden Heilpflanzen von alters her sicher als Medizinkräuter und zum Würzen und Färben von Lebensmitteln eingesetzt. Die Anwendung ausgewählter Pflanzenextrakte auf Lebensmitteln könnte zur Vermeidung von Lebensmittelverderbnis und -infektionen beitragen. In der vorliegenden Studie wurde die bakterizide Wirkung von Andrographis paniculata (Burm.f.) Nees, Curcuma zedoaria (Christm.) Roscoe, Garcinia mangostana Linn., Hibiscus sabdariffa Linn., Musa sapientum Linn., Nelumbo nucifera Gaertn., Piper betle Linn., Psidium guajava Linn., and Punica granatum Linn., die in der traditionellen thailändischen Heilkunde angewendet werden, auf verschiedene Bakterien getestet, die mit Lebensmittelverderbnis und -infektionen im Zusammenhang stehen. Hierzu zählten 3 Escherichia coli-Stämme, 2 Stämme von Salmonella Typhimurium, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Pseudomonas sp und jeweils 1 repräsentativer Stamm von Bacillus subtilis, Vibrio parahaemolyticus und Yersinia enterocolitica. Von allen Heilpflanzen wurde jeweils ein Heißwasser- Ultraschall- und Alkohol-Extrakt hergestellt, von denen dann zunächst mittels der von der Deutschen Veterinärmedizinischen Gesellschaft (DVG) beschriebenen Methode die Minimalen Hemmkonzentration (MHK) und die Minimalen Bakteriziden Konzentration (MBK) bestimmt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die reinen Extrakte in Konzentrationen von 15.0 g/100 ml oder weniger bakterizide Wirkung gegen mindestens einen der getesteten Mikroorganismen entwickelten. Die beste Wirksamkeit zeigte dabei das Alkohol-, die geringste Aktivität das Ultraschall-Extrakt. Unter den Alkohol-Extrakten besaßen die von Hibiscus sabdariffa Linn. und Piper betle Linn. die stärkste inhibitorische Wirkung. Dabei lag die MHK für das Extrakt von Hibiscus sabdariffa Linn. in Abhängigkeit vom Testorganismus zwischen 0.1 und 3.0 g/100 ml und die MBK bei 0.2 bis 1.5 g/100 ml. Mit dem Alkohol-Extrakt von Piper betle Linn. wurden MHK-Werte zwischen 0.1 und 2.5 g/100 ml, bzw. MBK-Werte von 0.2 bis 3.5 g/100 ml ermittelt.
Zur Bestimmung der Inaktivierungskinetik und des Eiweißfehlers der Alkohol-Extrakte wurden Suspensionsversuche modifiziert nach DIN EN 1040 (Quantitativer Suspensionsversuch zur Bestimmung der bakteriziden Wirkung (Basistest) chemischer Desinfektionsmittel und Antiseptika) und DIN EN 1276 (Quantitativer Suspensionsversuch zur Bestimmung der bakteriziden Wirkung chemischer Desinfektionsmittel und Antiseptika in den Bereichen Lebensmittel, Industrie, Haushalt und öffentliche Einrichtungen). Ohne Zusatz von Belastungssubstanz wirkten die Extrakte von Curcuma zedoaria (Christm.) Roscoe, Garcinia mangostana Linn., Hibiscus sabdarifa Linn., and Piper betle Linn., in einer Konzentration von 15.0 g/100 ml innerhalb von 15 Sekunden Einwirkungszeit bakterizid auf die Testkeime. Bei gleicher Konzentration mussten die übrigen Extrakte mindestens 1 Stunde einwirken, um die Testkeime zu inaktivieren. Unter den Testkeimen zeigten die sporenbildenden Bacillus spp. die größte Stabilität gegenüber den Extrakten.
Alle Heilpflanzenextrakte wiesen bei Zusatz einer repräsentativen Belastungssubstanz einen mehr oder weniger ausgeprägten Eiweißfehler auf.
Zur Bestimmung der Wirksamkeit auf Oberflächen wurden zunächst rostfreie Stahlplättchen mit dem Alkohol-Extrakt von Piper betle Linn. beschichtet. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass dieses Trägermaterial nicht zur Simulation des späteren Anwendungsgebietes der Pflanzenextrakte geeignet war.
Zur Simulation der praktischen Anwendungsbedingungen wurde die bakterizide Wirksamkeit einer eßbaren, auf Alginat-Tapioka-Stärke basierenden Beschichtung, die die jeweiligen Alkohol-Extrakte als natürliche, antibakteriell wirksame Substanzen enthielten, getestet. Im Agar-Diffusionstest wurde die bakterizide Wirksamkeit der eßbaren Folien nachgewiesen. Dabei war ein Volumenanteil von 20.0 % v/v der Extrakte in der Beschichtung ausreichend, um die Testkeime innerhalb von 24 Stunden zu inaktivieren. Diese Ergebnisse ließen erkennen, dass gute Einsatzmöglichkeiten für in eßbare Beschichtungen inkorporierte Alkohol-Extrakte der getesteten Heilpflanzen im Lebensmittelbereich bestehen könnten. Dies wurde auch durch die Ergebnisse der Zytotoxizitätsversuche an 4 Zelllinien untermauert. Hierbei wurde festgestellt, dass der ermittelte, gerine zytotoxische Effekt sich nicht negativ auf die menschliche Schleimhaut, die mit den eßbaren Beschichtungen in Kontakt kommt, auswirken, sondern auf Mikroorganismen beschränkt sein dürfte.
Die bakterizide Wirksamkeit von eßbaren Folien und Beschichtungen wurde an Modell-Lebensmitteln getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verpackung mit einer eßbaren Folie wesentliche Vorteile gegenüber einer eßbaren Beschichtung aufwies. Daneben stellte die Lagerungstemperatur einen wesentlichen Faktor dar. So war die bakterizide Wirksamkeit der eßbaren Beschichtungen bei Raumtemperatur deutlich höher als bei Kühlschranktemperatur (4ºC).
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Extrakte der getesteten thailändischen traditionellen Heilpflanzenextrakte als pure Extrakte oder aber inkorporiert in eßbare Beschichtungen das Potential besitzen durch Lebensmittel übertragbare Pathogene und Verderbniserreger in Suspensions- und Modell-Lebensmittel-Versuchen zu Inaktivieren oder zumindest zu Hemmen. Daher könnte ihre Anwendung dazu beitragen Lebensmittelinfektionen und ? verderbnis zu verhindern.
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Animal Science
Examination date
2009-04-19
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English
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Publisher place
Classification (DDC)
580 Plants
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Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Tepsorn2009,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5248},
author = {Tepsorn, Racha},
title = {Antimicrobial activity of Thai traditional medicinal plants extract incorporated alginate-tapioca starch based edible films against food related bacteria including foodborne pathogens},
year = {2009},
school = {Universität Hohenheim},
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