Evaluation of the activity of Satureja montana and Thymus vulgaris, free and nano-encapsulated essential oils, against the food spoilage yeast, Zygosaccharomyces parabailii

Abstract

Currently, the world losses of food products present values between 8% and 41%. This fact is related to post-harvest losses and also to the processing and packaging of goods, under the spoilage effects of microorganism, namely yeasts. The use of essential oils with antifungal and antimicrobial capacity has been widely studied by the scientific community, in different areas of interest. However, characteristics such as low stability and high volatility lead to loss of activity. The encapsulation of these compounds derived from the secondary metabolism of plants, can enhance activity and provide greater stability for the volatile compounds. In this study, the objective was to test different particle formulations, encapsulating the essential oils (EOs) of Thymus vulgaris and Satureja montana, against the food spoilage yeast Zygosaccharomyces parabailii, in view of their potential use as a biopesticide and food preservatives. In particularly zein, keratin and liposome particles were tested. The growth of Z. parabailii was reduced with all tested formulations for both EOs. Encapsulated S. montana essential oil (SMEO) originated a decrease in growth from 100 μg/mL, however, the essential oil of T. vulgaris (TVEO) did not inhibited growth significantly for this concentration. In over 60% of formulations examined, the MIC obtained for SMEO was 200 μg/mL. On the other hand, for TVEO a MIC of 200 μg/mL was only achieved with free essential oil. Regarding the assessment of plasma membrane integrity, at the concentration of 500 μg/mL the SMEO keratin particles had the most severe effect, reaching a maximum of 94% PI positive cells. Since this was also the condition for which CFUs were no more observed, the results suggest necrosis as a potential cell death mechanism. Fluorescence microscopy experiments with keratin SMEO particles labelled with FITC, showed that all green-labelled cells were also PI positive, again suggesting that the effect of the particles is directly related to membrane permeabilization. In summary, the essential oil Satureja montana demonstrated the best antifungal activity and the best efficacy was with the keratin particles formulation.

Atualmente, as perdas mundiais de produtos alimentícios apresentam valores entre 8% e 41%. Este facto está relacionado com as perdas pós-colheita e também com o processamento e embalamento de alimentos, sob os efeitos da deterioração dos microrganismos, nomeadamente as leveduras. O uso de óleos essenciais com capacidade antifúngica e antimicrobiana tem sido amplamente estudado pela comunidade científica, em diferentes áreas de interesse. No entanto, características como baixa estabilidade e alta volatilidade levam à perda de atividade. A encapsulação desses compostos derivados do metabolismo secundário das plantas, pode potencializar a atividade e proporcionar maior estabilidade aos compostos voláteis. Neste estudo, o objetivo foi testar diferentes formulações de partículas, encapsulando os óleos essenciais (EOs) de Thymus vulgaris e Satureja montana, contra a levedura de deterioração alimentar Zygosaccharomyces parabailii, tendo em vista seu potencial uso como biopesticida e conservante de alimentar. Em particular, partículas de zeína, queratina e lipossomas foram testadas. O crescimento de Z. parabailii foi reduzido com todas as formulações testadas para ambos os EOs. O óleo essencial de S. montana encapsulado (SMEO) ocasionou redução no crescimento a partir de 100 μg/mL, porém o óleo essencial de T. vulgaris (TVEO) não inibiu o crescimento significativamente para esta concentração. Em mais de 60% das formulações testadas, o MIC obtido para SMEO foi de 200 μg/mL. Por outro lado, para TVEO um MIC de 200 μg/mL, só foi alcançado com óleo essencial livre. Em relação à avaliação da integridade da membrana plasmática, na concentração de 500 μg/mL as partículas de queratina SMEO tiveram o efeito mais eficiente, atingindo um máximo de 94% de células PI positivas. Com esta concentração também não foram observados CFUs, os resultados esses que sugerem que ocorre necrose como mecanismo potencial de morte celular. Ensaios de microscopia de fluorescência com partículas de queratina SMEO marcadas com FITC, mostraram que todas as células marcadas com verde também eram PI positivas, sugerindo novamente que o efeito dos partículas está diretamente relacionado à permeabilização da membrana. Em resumo, o óleo essencial Satureja montana demonstrou a melhor atividade antifúngica e a melhor eficácia com a formulação de partículas de queratina.