8 manieren om biofilms te bestrijden

Aandacht voor reiniging en desinfectie

Overal ter wereld, op elk object groot of klein, kan je bacteriën terugvinden. In voedingsprocessen doden parameters zoals temperatuur, relatieve vochtigheid en osmotische stress ze af, waardoor de overgebleven bacteriën met te weinig zijn om ons immuunsysteem te omzeilen. Het wordt pas gevaarlijk als bacteriën de mogelijkheid krijgen om zich te vermeerderen en in grotere hoeveelheden op het product terecht te komen. Daarom is aandacht voor reiniging en desinfectie in de voedingsindustrie van cruciaal belang.

Bij aanhechting aan oppervlakken vormen bacteriën bij gebrek aan reiniging of desinfectie een beschermlaagje dat hen instaat stelt om zich te vermeerderen. Het laagje bacteriën dat op die manier ontstaat, noemt men een biofilm. Door het beschermlaagje bereiken reinigingsmiddelen en desinfectantia de bacteriën moeilijker. Gelukkig staat de wetenschap niet stil en ontstaan er steeds nieuwe manieren om biofilms te bestrijden.

1 Enzymen

In de voedingsindustrie is het gebruik van enzymen aan een sterke opmars bezig. Zo worden enzymen ingezet om eigenschappen van voedingsproducten te verbeteren. Ook voor de bestrijding van biofilms zijn enzymen een krachtige tool. Ze knippen de hoofdbestanddelen (polymeren en DNA) van de beschermlaag in kleine stukken, waardoor reinigingsmiddelen de bacteriën gemakkelijker bereiken. Het voordeel van enzymen is dat ze biologisch afbreekbaar en onschadelijk zijn voor de mens. Daarom gebruiken tal van commerciële spelers deze toepassing al bij reiniging en desinfectie in combinatie met chemische producten of ultrasoon geluid.

2 Koude plasma behandeling

Koude plasma behandeling creëer je door UV licht te mengen met zuurstof, stikstof, ozon, water en helium onder een elektrische lading. Het geïoniseerde gas heeft een lage temperatuur en bezit interessante antimicrobiële eigenschappen. Zo kan het bacteriën al in 10 minuten afdoden. Het gebruik ervan is in de voedingsindustrie momenteel nog beperkt wegens de hoge kostprijs.

3 Ultrasoon geluid

Een niet-destructieve manier om biofilmen te verwijderen, is via ultrasoon geluid (frequentie hoger dan 20 kHz). Wanneer je ultrasoon geluid door een vloeistof stuurt, veroorzaak je een drukdaling. Als een gevolg vormen er zich microbubbels in de vloeistof die door het geluid beginnen te trillen. Dat fenomeen heet cavitatie en zorgt ervoor dat de microbubbels kracht uitoefenen op oppervlakken. Zo gebruiken enkele vleesbedrijven ultrasoon geluid om hun vleeshaken in een vloeistof te reinigen. Door gebruik te maken van microbubbels in plaats van manuele reinigingsmethodes kan je in combinatie met reinigingsmiddelen een biofilm verwijderen zonder het materiaal te beschadigen.

4 Pulsed Electric Field

Een niet-chemische methode om het celmembraan van bacteriën te beschadigen is Pulsed Electric Field. Deze techniek maakt gebruik van onomkeerbare elektroporatie. Hoge voltage creëert poriën in de celmembranen van bacteriën. Langs deze poriën ontsnappen essentiële componenten van de bacterie, waardoor deze afsterft.

Deze techniek wordt ook als niet-thermische conserveringstechniek gebruikt in vloeistoffen om de houdbaarheid van voedingsproducten te verlengen met een minimaal verlies aan kwaliteit.

5 Antimicrobiële coatings

Coatings (bestaande uit nanopartikels) bezitten antimicrobiële eigenschappen die interageren met de buitenste laag van bacteriën. Een voorbeeld van een nanopartikel dat al een lange tijd tegen bacteriën wordt gebruikt, is zilver. Door aanraking met zilver zijn bacteriën minder beweeglijk en kan hun celmembraan beschadigd geraken. Daarnaast bestaan er coatings die de aanhechting van bacteriën aan oppervlakken verhinderen door chemische en fysische eigenschappen zoals hydrofobiciteit, elektrische ladingen en functionele groepen. Zo wordt in sommige zuivelbedrijven roestvrij staal gecoat met Ni-P-polytetrafluoroethyleen dat zowel aanhechting van bacteriën als afzetting van melk voorkomt.

6 Bacteriofaagbehandeling

Bacteriën bezitten een ‘natuurlijke’ vijand: bacteriofagen. Dat zijn virussen die specifieke bacteriën aanvallen en afdoden en daarbij de nuttige bacteriën met rust laten. Enkele Amerikaanse vleesbedrijven gebruiken commerciële bacteriofagen om Listeria biofilms te bestrijden. De bacteriofagen infecteren bacteriën door herkenning van componenten op de celwand. Toch zijn bacteriën in een biofilm in staat om zich te beschermen via een beschermlaag. De beschermlaag zorgt ervoor dat fysiek contact tussen bacteriofagen en bacteriën niet mogelijk is. Sommige bacteriofagen maken enzymes aan die de beschermlaag afbreken en zo de bacterie in staat stellen om tot bij de bacterie door te dringen.

In Europa is het gebruik van bacteriofagen nog niet toegestaan omdat het veiligheidsaspect voor de mens en het effect op de omgeving nog niet voldoende bewezen is. Daarnaast bestaan er nog een tal van uitdagingen in de aanmaak, opschaling en opzuivering van de bacteriofagen.

7 Chemische behandelingen

Vandaag wordt er voornamelijk gebruik gemaakt van chlorine-gebaseerde chemicaliën, waterperoxide en quarternaire ammonium componenten. Chlorine-gebaseerde chemicaliën dringen de celwand van bacteriën binnen en beschadigd de cel via verschillende oxidatiereacties. Het gebruik is zeer krachtig, maar bacteriën hebben manieren ontwikkeld om zich ertegen te beschermen. Het tweede chemische product is waterstofperoxide. Doordat waterstofperoxide vrije radicalen aanmaakt, wordt de beschermlaag beschadigd. Als een gevolg kan de biofilm gemakkelijker verwijderd worden. De derde chemische component is quaternaire ammonium componenten. Dat zijn positief geladen water-oplosbare componenten die buitenste laag van bacteriën beschadigen en zo celdood veroorzaken. Chlorine resistentie vormt net zoals antibioticaresistentie een grote uitdaging, waardoor het ontwikkelen van alternatieve technologieën een eerste stap is om dit probleem de wereld uit te helpen.          

8 Vroegtijdige detectie van biofilms

Een effectief bestrijdingsmiddel tegen biofilms is vermijden dat ze kunnen ontstaan. Daarvoor is vroegtijdige detectie noodzakelijk. In het project Bisceps onderzoekt het MICA lab de mogelijkheden van vroege detectie via impedantiemetingen. Een elektrisch signaal wordt over het oppervlak van de sensor gestuurd en wanneer een biofilm zich vormt op de sensor zal het signaal vertraagd worden en treedt er een weerstand op. In tegenstelling tot huidige detectiemethodes zoals ATP metingen kan de sensor een betrouwbaarder signaal geven dat er zich een biofilm vormt. Vroegtijdige detectie van biofilmvorming kan jou helpen om de frequentie van reiniging te verhogen of grondiger te reinigen.

Bronnen

• Yu H., Liu Y., Yang F., Xie Y., Guo Y., Cheng Y. en Yao W. (2021). Synergistic efficacy of high-intensity ultrasound and chlorine dioxide combination for Staphylococcus aureus biofilm control. Food Control. Vol. 122.
• Cha Y., Son B. en Ryu S.(2019). Effective removal of staphylococcal biofilms on various food contact surfaces by Staphylococcus aureus phage endolysin LysCSA13. Food Microbiology. Vol.84.
• Galié S., Garcia-Gutiérrez C., Miguélez E.M., Villar C.J. en Lombo F. (2018). Biofilms in the Food Industry: Health Aspects and Control Methods. Frontiers in microbiology. Vol. 9. p.898
• Nahar S., Mizan F.R., Ha A.J. en Ha S-D. (2018). Advances and Future Prospects of Enzyme-Based Biofilm Prevention Approaches in the FoodIndustry. Food Science and Food Safety. Vol. 17. p.1484-1502.
• Zhao X., Zhao F., Wang J. en Zhong N.(2017). Biofilm formation and control strategies of foodborne pathogens: food safety perspectives. RSC Advances. Vol.7 p. 36670-36683.
• Vyas N., Manmi K., Wang Q., Jadhav A.J., Barigou M., Sammons R.L., Kuehne S.A. en Walmsley A.D.(2019). Which Parameters Affect Biofilm Removal with Acoustic Cavitation? A Review. Ultrasound in Medicine & Biology. Vol. 45 (5), p.1044-1055.
• Liu D., Huang Q., Gu W. en Zeng X-A. (2021). A review of bacterial biofilm control by physical strategies. Food Science and Nutrition. p.1-18.