Write a one page summary of one of the following newer antimicrobials: natamysin, nisin, microgard (Links to an external site.)Links to an external site. (TM), or sodium lactate

Foods deteriorate in quality due to a wide range of reactions including some that are  physical, some that are chemical, some enzymatic and some microbiological. The various  forms of spoilage and food poisoning caused by microorganisms are preventable to a large  degree by a number of preservation techniques, most of which act by preventing or slowing  microbial growth. These include freezing, chilling, drying, curing, conserving, vacuum  packing, modified atmosphere packing, acidifying, fermenting, and adding chemical  preservatives. This is section 13, Chemical food protection.  We’ll look at the other food  preservation mechanisms in future modules.

1

From the moment a food source is harvested in begins to deteriorate.  It is estimated that  25% of the worlds food is lost to microbial decay annually.  This equals more than a billion  dollars per year.

2

Salting as a means of preserving foods predates written history. The Mesopotamians were known 3000 B.C.E. generally used salt to preserve meat and fish. Early Roman writers such  as Cato (234‐149 B.C.E.) clearly explained the need to salt perishable meats and vegetables  to preserve them.  We have already seen in past chapters that salt binds water reducing  water activity and also is toxic to enzymatic and DNA processes in cells.

3

Today, nearly all manufactured foods have different chemical preservatives because it  makes financial sense. Food additives maintain or improve freshness, safety, nutritional  value, taste, texture, or appearance. Consumers demand and enjoy a food supply that is  flavorful, nutritious, safe, convenient, colorful and affordable.

4

No audio.

5

No audio.

6

In the United States, neither the Food and Drug Administration (FDA) nor the U.S.  Department of Agriculture (USDA) has labeling claim rules for “natural.” The FDA explicitly  discourages the food industry from using the term. The Food, Drug, and Cosmetic Act  prohibits labeling that is false or misleading, but does not give any specifics. The USDA’s  Agricultural Marketing Service has a standard for organic food, but there is no legal  definition for natural foods.  Despite no legal U.S. definition for natural foods, there are  numerous unofficial or informal definitions, none of which are applied uniformly to foods  labeled “natural”.

7

So, are food chemical additives safe?

8

In 1958, the US created food additive legislation stating that the FDA must approve all food  additives and ingredients that are not generally recognized as safe.  The GRAS list contains  food additives that have been used historically and have shown no hazards during that  time.  Easily recognized examples are sodium chloride, sucrose and acetic acid.  Less easily  recognized are many of the common food preservatives such as sodium benzoate,  potassium sorbate, and calcium propionate.

9

The U.S. FDA maintains a list of over 3000 approved, generally recognized as safe, food  ingredients including food additives. The European Union uses a more international code  called “E” numbers.  E‐numbers are the code numbers that are used to identify food  additives that have been shown to be safe, and which have been authorized for use in the  EU. The E numbers 200 through 299 refer to those additives that are antimicrobial  preservatives.  Many countries that operate under the international standard called CODEX  also use E numbers.

10

Before we get started, let’s look a moment at the antimicrobial effects of chemicals.  First  there can be no effect at all.  Growth of microorganisms proceeds normally.  Second, a  chemical may slow growth some.  Third, a chemical may stop growth.  In this case it is  called bacteriostatic or fungistatic for bacteria and fungi respectively.  Chemicals that are  sporistatic prevent spores from germinating.  The forth level is death.  It is referred to as  microbiocidal, bactericidal, fungicidal, or sporicidal.

11

It is important to note that individual antimicrobial chemicals or other factors  can make  growth difficult for a microbe.  In this case it is termed a hurdle.  Basically, their growth or  progress is slowed.  If a hurdle is large enough, growth cannot occur and this is termed a  barrier.  Sometimes multiple hurdles can be created that prevent growth and then are  considered a barrier.

12

Let’s first look at the antifungal chemicals benzoate, sorbate, propionate, and parabens.   They are primarily used in foods to prevent spoilage from yeast and molds.  Their use  generally increases quality (no spoilage) and shelf life.  It is interesting to note that all of  these chemicals are naturally produced in foods and are easily broken down in human  metabolism.  All are on the US FDA GRAS list, yet the “all natural – no preservative” folks  ascribe many ailments to these compounds.  However, if yeast were allowed to spoil a food  they have the ability to produce some harsh chemicals naturally including: propanol,  isopropanol, butanol, and amyl alcohol.

13

The weak acid antimicrobial theory is based on the weak acid (benzoate, sorbate or  propionate) in its undissociated or acid form is lipophilic and can easily pass through the  cells membrane.  Once inside it can disassociate back into an anion and a proton  hydronium ion.   Disassociated acids and excess protons accumulate inside the cell reducing  intracellular pH. As the intracellular pH lowers, cell metabolism slows and then stops. Since  only undissociated acids pass through the lipid membrane, the pH of the food will  determine the effect.  The white box is a chart of the percent undissociated acid of  benzoate at different pH levels.  Resistance to weak organic acids is based on either an  increase in cytoplasmic buffering or the cells ability to shed excess protons.

14

Sodium benzoate was first preservative  allowed by the FDA under GRAS.  It  inhibits yeasts and molds at usage level  ~0.1%.  It is most effective against yeast,  less so for mold.  It has little affect on  bacteria.  The antimicrobial activity of  benzoates are related to its undissociated  form.  It is most undissociated at very low pH. It is 60% active at pH 4, but only 1.5% active  pH 6.  Therefore its highest usage is in acid

15

foods.  Its main antimicrobial effect is believed  to be disrupting lipids in cell membranes.  It is  used at 0.1% and levels above that may result  in a peppery flavor.

15

Sorbate also works best undissociated  and will disrupt cell membranes.   However, its pKa is higher than  benzoate.  It will be effective below pH  6.  Sorbate is most effective against  molds and is permitted to 0.2%.   Therefore it is common to combine  both sorbate and benzoate in many  acid foods.  Sorbate has some  incidental antibacterial effects,  although these are minor.  Sorbate

16

may be used as a second hurdle to  enhance other antimicrobials such as  nitrite for Clostridia.

16

Propionate, like sorbate is most  effective against molds.  Its activity is  less against yeasts and there is little  activity against bacteria.  Propionates  has the higher pKa than sorbate and is  effective at pH levels below 6.  It is  most often used in breads, cakes, and  cookies.

17

Parabens are related to the benzoates.   Like benzoates, they are believed to  disrupt lipids and cell membranes.   They have the highest pKa and will  work at some of the highest pH levels in foods.  However, they also have an  off‐flavor making their use minimal.

18

Let’s take a look at the antimicrobial fumigants sulfur, ethylene oxide and propylene oxide.

19

Fumes from burning sulfur have been used since the ancient Egyptian and Roman times to  sanitize fruits.  Its been in continued use for more than 2000 years.  When the SO2 gas  combines with water it forms sulfurous acid (H2SO3) as the antimicrobial.  When dry forms  of sulfur are used, such as sulfite or bisulfite, they end up forming the same sulfurous acid.  Sulfurous acid acts at the cell membrane and interacts with protein enzymes causing  inactivation.  Bacteria are most susceptible, while some yeasts and molds are slightly  resistant.  This fact explains its use in winemaking.  Sulfur would more selectively kill off  bacteria and leave the natural yeast to perform the wine fermentation.  Sulfur works best  applied on acid foods and therefore, it most often still applied to fruits.  In the USA sulfur is  not used as much anymore due to better general sanitation and the fact that sulfur  residues can cause chemical sensitivity reactions in approximately 10% of humans.

20

Ethylene and propylene oxides are very effective fumigant antimicrobials.  They are  microbiocidal, sporocidal, and fungicidal.  The fungi are killed in one or more hours of  contact time, while it takes longer to kill bacteria and spores.  Ethylene oxide is commonly  used in many foods and non‐food sterilizations for items that cannot withstand the heat of  autoclaving.

The U.S. spice industry uses Ethylene oxide  to eliminate pathogenic microbial  contaminants such as Salmonella and E.coli in spices. When applied in a validated process,  Ethylene oxide  can be extremely effective in eliminating Salmonella and E. coli as well as  reducing overall bacterial load, yeast and mold, coliforms, and other pathogens. Although  exact numbers are difficult to determine, ASTA estimates that between 40% and 85% of  spices in the U.S. are treated with Ethylene oxide each year. The main advantage of  Ethylene oxide  is that its use on spice generally has no significant impact on the  appearance or flavor of the spice.  The main concern over Ethylene oxide  use is the  production of ethylene glycol residues.  Ethylene glycol is quite toxic.  Due to that fact,  propylene oxide has gained usage as an alternative.  It is permitted for fruits, nuts, spices,  and grains.

21

22

Several hundred years ago it was discovered that sea salt would provide a pleasing red  color to smoked and dried meats.  Because of the color reaction it became more common  to use.  Later it was realized that meats smoked and dried using sea salt did not result in  “sausage poisoning”.  Eventually scientists figured out that sausage poisoning was caused  by Clostridium botulinum and that the active chemical in sea salt was nitrate.  Nitrate was  microbially broken down into nitrite.  Nitrite inhibits important iron containing enzymes in  the Clostridia group that prevents cell germination from a spore.  When nitrite is  transformed into nitric oxide it than affects meat color.  The maximum usage levels in  meats are 500 ppm for nitrate and 200 ppm for nitrite.

23

In the 1970’s it was discovered that nitrosamine compounds may lead to cancer.  Scientists  quickly looked at many foods for their presence.  Bacon was determined to result in  nitrosamines when cooked on high heat.  In response the amount of nitrite in bacon was  dropped to a maximum of 120 ppm.  Some companies lower that further by using iron‐ binding or chelating compounds such as sodium ascorbate, EDTA, or polyphosphate to  enhance the anti‐Clostridial activity of nitrite.

24

The effects of organic acids on microbial growth inhibition have been discussed.  Two  specific organic acids have effective antimicrobial abilities against Listeria.  These are  lactates and diacetates.  The primary mode of action is that they are transported into the  cell where they interfere with the acid/pH stasis of the cell.  First the cell must expend  energy to try and remove them and second the accumulation begins to affect metabolism.   At lower concentrations these organic acids are listeriostatic.  As the concentration inside  the cell rises they become listeriacidal.  Lactates and diacetates are usually used in tandem  in cured ready to eat meat products such as hot dogs.  The usage levels are usually  between zero and three percent for lactate and zero and 0.25 percent for diacetate.

25

Naturally occurring substances such as salt, rosemary extract, sugar, vinegar, alcohol, hops,  and diatomaceous earth are also used as traditional preservatives.

26

As discussed previously many intrinsic factors can affect growth.  These include pH, water  activity, nutrient content.  Sugar, salt, and other humectants can reduce the water activity  inhibiting growth.  Acids can reduce the pH reducing growth.  Alcohol is another compound  that inhibits bacteria and some yeasts.  With all of the concerns over the health status of  antimicrobial usage, manipulation of common food ingredients would definitely be an all  “natural” means of preservation.

27

Here are some of the more novel antimicrobials that are claimed as “natural”.  These  include eugenols a class of plant oils from clove, cinnamon, nutmeg, basil and bay leaf.   Allicins are organic sulfur compounds that are antimicrobial in garlic.  Natamycin is an  antifungal agent produced during fermentation by Streptomyces natalensis.  Bacteriocins are mostly small proteins produced by bacteria that inhibit other bacteria.  Nisin is a 34  amino acid long protein produced by Lactococcus lactis.  It has an unusual broad spectrum  of activity.  Nisin has been approved for use in some foods.  The trick to get around this  restriction is to use natural fermentates.  These are glucose or dairy grown cultures of L.  lactis spray dried.  Fermentates are considered “fermented glucose” or “fermented milk”  and not a preservative.  Bacteriophage use as antimicrobials is a relative new approach.   Nearly all species have specific bacteriophage that infect and kill them.  This provides a safe  and targeted approach to microbial control.

28