Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Antimikrobielle Wirksamkeit von chemischen Einzelkomponenten ätherischer Öle gegenüber ausgewählten Lebensmittelverderbniserregern

Rüben, Christiane

Because of the critical attitude of the consumer towards synthetic preservatives food preserved by natural additives becomes increasingly popular. At the same time a shelf-life as long as possible is asked for. Because many spices and herbs have antimicrobial properties, they became interesting as alternative for conventional preservatives. However, the antimicrobial properties of spices depend on the quantity and composition of their essential oil, which is subjected to considerable variation.  In this work, the essential oil components thymol, carvacrol, linalool, 1,8-cineol, α-pinen und α-terpineol in different concentrations were examined with regard to their antibacterial activity against A. hydrophila, B. thermosphacta, E. coli and Ps. fragi. The lowest concentration of an essential oil component examined was equal to the amount of the component, which can be achieved by adding the usual amount of the corresponding spice to food. Afterwards, the oil components were combined with each other in different concentrations with the aim of discovering possible synergistic and antagonistic effects. The results shall enable to predict the antimicrobial activity of a spice, after knowledge of the amount and composition of its essential oil. The antimicrobial properties of the essential oil components were estimated by using the bouillonmicrodilution, viable cell count and measurement of the optical density. The investigation of the antimicrobial properties of the single components against the chosen bacteria resulted in the following order, started with the antimicrobial most effective oil component: thymol, carvacrol, linalool, α-pinen, 1,8-cineol and α‑terpineol. A. hydrophila was the most sensitive bacterium, followed by B. thermosphacta and E. coli. Ps. fragi showed the greatest resistance towards the antimicrobial activity of the oil components. All six substances exhibited antimicrobial activity only in high concentrations. These concentrations were at least the 10-fold of the concentration which can be obtained by addition of the corresponding spices to food. Synergistic antimicrobial effects against all tested bacteria arose when combining thymol and carvacrol. Depending on their concentration linalool combined with thymol or carvacrol led to a synergistic antimicrobial effect against A. hydrophila, E. coli and B. thermosphacta. Carvacrol and linalool synergistically inhibited the growth of Ps. fragi. The combination of thymol and linalool, however, did not show any mutual influence on the involved components. Thymol and 1,8-cineol had a synergistically antimicrobial effect against A. hydrophila, E. coli an B. thermosphacta. In their activity towards Ps. fragi the two substances did not influence each other. The combination of carvacrol and 1,8-cineol showed a synergistic inhibitory effect against A. hydrophila, E  coli and Ps. fragi, against B. thermosphacta an antagonistic effect was noticed. Thymol and α-pinen inhibited synergistically the growth of A. hydrophila and E. coli, but unfolded an antagonistic effect against B. thermosphacta in the combination 100 ppm thymol with 340 ppm, α-pinen. As to the inhibitory activity against Ps. fragi no mutual influence between thymol and α‑pinen was observed. The combination of carvacrol and α-pinen had a synergistic antibacterial effect against E. coli and Ps. fragi. With regard to the inhibitory effect in this combination an antagonistic effect was observed towards A. hydrophila and B. thermosphacta. The combination of thymol and α-terpineol as well as the combination of carvacrol and α-terpineol showed a synergistic antimicrobial effect against A. hydrophila, E. coli and Ps. fragi. The inhibitory effect against B. thermosphacta was reduced by the combination thymol or carvacrol respectively and with α-terpineol. The results showed that even when combined, the concentration of at least one of the participating oil component necessary for an inhibitory effect is clearly above the concentration which can be achieved in spiced food and is acceptable in taste. This proves true even if there exists a synergistic antibacterial effect. Therefore, extension of shelf-life of food by using spices with a high content of thymol, carvacrol, linalool, 1,8-cineol, α-pinen or α-terpineol alone or in combination with each other is not much promising. However, a successful use of spices within the scope of the hurdle principle might be possible.  Besides the major components, essential oil contains about 60 further compounds, which can influence the antimicrobial activity of the oil. In this work only two components of essential oils were combined. Therefore the assessment of the antimicrobial activity of spices - according to the knowledge of the amount and the composition of their essential oil - needs the inclusion of further components into the investigations.

Durch natürliche Zusätze konservierte Lebensmittel erfreuen sich aufgrund der kritischen Haltung des Verbrauchers gegenüber chemisch-synthetischen Lebensmittelzusätzen bei gleichzeitig wachsender Bedeutung einer möglichst langen Haltbarkeit zunehmender Beliebtheit. Da viele Gewürze und Kräuter neben ihren aromatisierenden Eigenschaften auch über eine antimikrobielle Wirksamkeit verfügen, wurden sie als Alternative zu herkömmlichen Konservierungsstoffen interessant. Das Ausmaß der antibakteriellen Aktivität der Gewürze hängt jedoch stark von der Menge und Zusammensetzung ihres ätherischen Öls ab, die zum Teil erheblichen Schwankungen unterworfen ist. Ihre keimhemmende Wirkung lässt sich daher nicht zuverlässig vorhersagen. Um die antimikrobielle Aktivität eines Gewürz besser einschätzen zu können, wurden in dieser Arbeit die Einzelkomponenten ätherischer Öle Thymol, Carvacrol, Linalool, 1,8-Cineol, α-Pinen und α-Terpineol in verschiedenen Konzentrationen hinsichtlich ihrer antibakteriellen Wirksamkeit gegenüber den Verderbniserregern B. thermosphacta, E. coli, Ps. fragi und A. hydrophila geprüft. Die geringste geprüfte Stoffkonzentration entsprach dabei einer solchen Menge des jeweiligen Inhaltsstoffs ätherischer Öle, wie sie auch durch Zusatz einer üblichen Menge des entsprechenden Gewürzes zu Lebensmitteln erreicht werden kann. Anschließend wurden die Ölkomponenten in unterschiedlichen Konzentrationen miteinander kombiniert, um mögliche synergistische und antagonistische Effekte entdecken zu können. Die Prüfung der antimikrobiellen Eigenschaften der Einzelkomponenten ätherischer Öle erfolgte nach dem Prinzip der  Bouillonmikrodilution in Kombination mit der Messung der optischen Dichte und Bestimmung der aeroben Keimzahl. Die Untersuchung der keimhemmenden Eigenschaften der Einzelkomponenten ergab in absteigender Reihenfolge ihrer Wirksamkeit diese Reihung, begonnen mit der antimikrobiell wirksamsten Ölkomponente: Thymol, Carvacrol, Linalool, α‑Pinen, 1,8‑Cineol und α-Terpineol. Alle sechs Stoffe entfalteten ihre antimikrobielle Wirksamkeit erst in Konzentrationen, die deutlich über denjenigen lagen, die durch Zugabe des entsprechenden Gewürzes zu Lebensmitteln erreicht werden können. Bei Kombination von Thymol und Carvacrol traten synergistische antimikrobielle Effekte gegenüber allen geprüften Bakterien auf. Linalool führte in Kombination mit Thymol oder Carvacrol zu einem synergistischen antimikrobiellen Effekt gegenüber A. hydrophila, B. thermosphacta und E. coli. Carvacrol und Linalool hemmten das Wachstum von Ps. fragi synergistisch, die Kombination von Thymol und Linalool ließ jedoch keine wechselseitige Beeinflussung der beteiligten Komponenten erkennen. Thymol und 1,8-Cineol wirkten gegenüber A. hydrophila, E. coli und B. thermosphacta synergistisch antimikrobiell, in ihrer Wirksamkeit gegenüber Ps. fragi beeinflussten sich die beiden Stoffe nicht. Die Kombination von Carvacrol und 1,8-Cineol wirkte synergistisch keimhemmend gegenüber A. hydrophila, E. coli und Ps. fragi. Gegenüber B. thermosphacta war ein antagonistischer Effekt feststellbar. Thymol und α-Pinen hemmten synergistisch das Wachstum von A. hydrophila und E. coli, entfalteten gegenüber B. thermosphacta jedoch einen antagonistischen Effekt. Hinsichtlich der keimhemmenden Eigenschaften gegenüber Ps. fragi wurde keine wechselseitige Beeinflussung beobachtet. Die Kombination von Carvacrol und α‑Pinen wirkte gegenüber E. coli und Ps. fragi synergistisch antimikrobiell. Gegenüber A. hydrophila und B. thermosphacta wurde hinsichtlich der Hemmwirkung in dieser Kombination ein antagonistischer Effekt beobachtet. Die Stoffkombination Thymol und α-Terpineol sowie die Kombination Carvacrol und α-Terpineol entfaltete einen synergistischen antibakteriellen Effekt bezüglich der Wirksamkeit gegenüber A. hydrophila, E. coli und Ps. fragi. Die keimhemmende Wirkung gegenüber B. thermosphacta wurde durch Kombination von Thymol bzw. Carvacrol mit α‑Terpineol jedoch reduziert. Die Ergebnisse zeigten, dass bei Kombination der Ölkomponenten die für eine Hemmwirkung erforderlichen Konzentrationen eines oder beider beteiligten Stoffe auch bei Vorliegen eines synergistischen antibakteriellen Effekts deutlich über denjenigen liegen, die in gewürzten Lebensmitteln erreicht werden und sensorisch akzeptabel sind. Damit erscheint eine Haltbarkeitsverlängerung von Lebensmitteln durch den Einsatz von Gewürzen mit einem hohen Gehalt an den geprüften Einzelkomponenten alleine oder in Kombination miteinander wenig aussichtsreich. Ein erfolgreicher Einsatz von Gewürzen im Rahmen des Hürdenprinzips wäre allerdings denkbar. Neben ihren Hauptkomponenten enthalten Gewürzöle ca. 60 weitere Stoffe, die ihre antimikrobielle Wirksamkeit beeinflussen können. Da in vorliegender Arbeit jeweils nur zwei Komponenten ätherischer Öle miteinander kombiniert wurden, bedarf eine Einschätzung der antimikrobiellen Wirksamkeit von Gewürzen die Einbeziehung weiterer Komponenten in die Untersuchungen.

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Rüben, Christiane: Antimikrobielle Wirksamkeit von chemischen Einzelkomponenten ätherischer Öle gegenüber ausgewählten Lebensmittelverderbniserregern. Hannover 2009. Tierärztliche Hochschule.

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