Μοντελοποίηση σχηματισμού βιο-υμενίου από τη Salmonella enterica πάνω σε επιφάνεια ανοξείδωτου χάλυβα συναρτήσει της θερμοκρασίας, του pH και της αλατότητας

Abstract

Η Salmonella enterica είναι ένα από τα πιο σημαντικά τροφιμογενή παθογόνα βακτήρια, ενώ τα τελευταία χρόνια αποτελεί τον πιο συχνό παράγοντα στην εμφάνιση τροφιμογενών επιδημιών. Το συγκεκριμένο βακτήριο είναι ικανό να σχηματίζει βιο-υμένιο σε πολλές επιφάνειες και μπορεί έτσι να παραμένει μακροχρόνια προσκολλημένο σε αυτές, ανάλογα με το στέλεχος και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Στη παρούσα μελέτη ερευνήθηκε η αλληλεπίδραση της θερμοκρασίας (T, 13-39 oC), του pH (5-8) και της συγκέντρωσης του χλωριούχου νατρίου (NaCl, 0,5-8,5 %) στο σχηματισμό βιο-υμενίου από δύο διαφορετικά βακτηριακά στελέχη Salmonella enterica (ορότυποι Enteritidis και Typhimurium) υπό συνθήκες χαμηλών θρεπτικών συστατικών και χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία απόκρισης επιφάνειας. Η ανάπτυξη του βιο-υμενίου πραγματοποιήθηκε πάνω σε επιφάνεια ανοξείδωτου χάλυβα (ΑΧ), η οποία επωάστηκε για 24 ώρες σε 1/10 αραιωμένο θρεπτικό ζωμό τρυπτόνης, υπό 18 διαφορετικούς συνδιασμούς των τριών παραγόντων (T, pH, NaCl). Έτσι, χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία ελαχίστων τετραγώνων, προέκυψε μια πολυωνυμική εξίσωση δευτεύρου βαθμού για κάθε στέλεχος, η οποία περιγράφει το σχηματισμό βιο-υμενίου (logCFU/cm2) συναρτήσει των ανεξάρτητων παραγόντων (T, pH, NaCl). Και τα δύο μαθηματικά μοντέλα μπόρεσαν να προβλέψουν με αξιοπιστία τη συνδυαστική επίδραση αυτών των παραγόντων στο σχηματισμό βιο-υμενίου, με τις προβλεπόμενες τιμές να βρίσκονται σε καλή συμφωνία με τις πειραματικές παρατηρήσεις (R2 ≥ 0,96, P ≤ 0,0001). Βρέθηκε ότι και για τα δύο στελέχη, η παραγωγή βιο-υμενίου ευνοήθηκε σε χαμηλές συγκεντρώσεις NaCl (<4%) και υψηλές τιμές pH (>7), ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία. Συνεπώς η αύξηση της περιεκτικότητας σε NaCl περιόρισε την ανάπτυξη του βιο-υμενίου, ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας είχε διαφορετική επίδραση σε κάθε στέλεχος. Πιο συγκεκριμένα, οι θερμοκρασίες 34,5 και 13 oC ήταν οι προβλεπόμενες για τη μεγιστοποίηση του σχηματισμού βιο-υμενίου από τα στελέχη Enteritidis και Typhimurium αντίστοιχα, κάτι που επαληθεύτηκε και πειραματικά. Εν κατακλείδι, τα μοντέλα αυτά παρέχουν περιεκτικές και ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τη συνδυαστική επίδραση βασικών για τα τρόφιμα παραγόντων στην ανάπτυξη βιο-υμενίου από ένα σημαντικό τροφιμογενές παθογόνο, με σκοπό τον περιορισμό της παρουσίας του στη βιομηχανία τροφίμων.

Salmonella Enterica is one of the most important foodborne pathogenic bacteria, as it has been the most common factor in the appearance of foodborne outbreaks in recent years. This particular bacterium forms biofilm on many surfaces and remains long-term attached to them, depending on the strain and environmental conditions. The present study evaluated the interaction of temperature (T; 13 – 39 oC), pH (5 – 8) and sodium chloride (NaCl) concentration (0,5 – 8,5%) in biofilm formation by two S. enterica strains (ser. Enteritidis and Typhimurium) under low nutrient conditions and using response surface methodology. Biofilm growth was performed on stainless steel (SS) surfaces, which were incubated for 24 hours in 1/10 diluted tryptone soy broth, under 18 different combinations of the three factors (T, pH, NaCl). Thus, using least square regression analysis, a second order polynomial model, describing the relationship between biofilm formation (logCFU/cm2) and the independent factors (T, pH, NaCl), was obtained for each strain. Both mathematical models were able to reliably predict the combined effect of these factors on biofilm formation, with the predicted values being in good agreement with the experimental observations (R2 ≥ 0,96, P ≤ 0,0001). It was found that for both strains biofilm production was favored at low NaCl concentrations (<4%) and high pH values (> 7), regardless of temperature. Therefore, the increase in NaCl content reduced the biofilm growth, whereas the temperature increase had a different effect on each strain. Specifically, temperatures of 34,5 and 13 °C were predicted to maximize biofilm formation by strains Enteritidis and Typhimurium, respectively, which was also verified experimentally. In conclusion, these models provide comprehensive and accurate information on the combined effect of crucial food-related factors on biofilm growth of an important food-borne pathogen in order to limit its persistent presence in food industry.