Naturstoffer som 'naturlige' konserveringsmidler i fødevarer

Publiceret April 2002

Mennesker har i gennem tusinder af år lært at leve af og med naturen og udnytte de forhåndenværende plantematerialer. Dele af den viden har overlevet i form af "naturmedicin" og "gode husgeråd", mens meget er gået tabt eller udnyttes ikke i dag. Moderne tænkning i miljørigtige, "grønne" produktionsmetoder, og negative forbrugerholdninger til kunstige tilsætningsstoffer, giver perspektiver for at (gen)indføre stoffer udvundet fra planter til erstatning af syntetisk fremstillede konserveringsmidler. Denne artikel vil fokusere på anvendelsen af ekstrakter fra krydderier og krydderurter til sikring af en optimal fødevarekvalitet.

Planternes "kemiske værn"

Sekundære metabolitter, som produceres af planter, menes at være deres kommunikation med omverdenen. Iblandt dem regnes f.eks. forsvarsstoffer, som planterne har udviklet for at forhindre invasion af fjender som svampe og bakterier, insekter eller større dyr. Der er ingen tvivl om, at vore forfædre udnyttede planternes naturlige antimikrobielle stoffer i lang højere grad, end vi gør det i dag. De tidligste kilder viser anvendelsen af planter og krydderier ved balsameringen af ægyptiske mumier omkring 2600 år før vor tidsregning, (1), og brug af sennepsfrø til konservering af frugtsaft i Romerriget (2). I primitive samfund menes krydderier og krydderurter at have været brugt i lige så høj grad for deres antimikrobielle virkninger, som for de smagsgivende egenskaber. Ganske som saltning er en gammelkendt konserveringsmetode, kan krydderier og krydderurter have haft en tilsvarende funktion (3). I dag kender vi bedst stofferne pga. deres smagskarakteristika, og brugen af dem er i nogle tilfælde blevet traditionsbunden skik. F.eks. menes humle oprindeligt at være blevet tilsat øl pga. de antimikrobielle indholdsstoffer (humuloner, lupuloner), og den bitterhed humlen forårsagede var en uønsket bivirkning. Med tiden er bitterhed så blevet en vigtig karakter for øl, der nødvendiggør brugen af humle (4).

Det er også et kendt faktum, at stærke krydderier traditionelt anvendes langt hyppigere og i større doser i varme udviklingslande (hvor køleskabe ikke er hver mands eje). Her er det en fordel, at de aktive antimikrobielle stoffer ofte også er aroma-stoffer, så man kan smage om maden er tilstrækkeligt konserveret. En omfattende undersøgelse af knap 5.000 kødbaserede madopskrifter fordelt på alle kontinenter, fandt en positiv korrelation mellem middel temperaturen i landet og brugen af stærke antimikrobielle krydderier, som cayennepeber, hvidløg, løg, anis, kanel, koriander, kommen, ingefær, citron græs og gurkemeje (3). Mens brugen af persille og dild er omvendt korreleret til middel temperaturen. Til gengæld var der ingen forskel på antallet af krydderurter, som voksede naturligt i de forskellige lande. Det bekræfter, at der anvendes en større del af de forhåndenværende krydderurter og krydderier i varmere lande. I "den primitive" madlavning er reglen at kombinations­konservering med flere stoffer foretrækkes frem for et enkelt stof. Et billede herpå er den unikke og specifikke ?curry?-blanding, der ofte er husstandens særeje i Indien. Brug af flere stoffer giver et bredere antimikrobielt spektrum, og forebygger udvikling af resistensmekanismer hos mikroorganismer.

Krydderier og krydderurter

De virksomme stoffer i planterne findes ofte i den essentielle olie del. Foruden disse stoffer, som almindeligvis dannes i hele planten og udgør en del af den almindelige funktion og metabolisme, kan mere specifikke stoffer dannes af planten, som reaktion på stress, mikrobielt angreb o.lign. Disse inducerede stoffer er som regel større molekyler, som phytoalexiner og andre polyphenoler. Mange af dem har også antimikrobielt aktivitet, men er mindre undersøgte mht. virkning, end de mindre stoffer i den essentielle olie.

Et udvalg af de mest kendte urter og krydderier samt eksempler på deres aktive antimikrobielle komponenter er listet i tabel 1 og vist i figur 1. De aktive stoffer her er hovedsageligt terpener (f.eks. carvon, limonen) eller phenolholdige forbindelser (eugenol, kanelaldehyd, vanilin). Små svovlholdige molekyler som allicin fra hvidløg og isothiocyanater fra sennep (og andre "korsblomstrende" planter) hører også til i kategorien af små flygtige effektive antimikrobielle naturlige forbindelser.  

Krydderi / urt

Engelsk navn

Aktive komponent

Appelsin

Orange

Limonen

Citron græs

Lemon grass

Citral

Hvidløg (Allium familie)

Garlic

Allicin

Kanel

Cinnamon

Kanelaldehyd, Eugenol

Kommen

Cumin

Carvon, Limonen

Kryddernellike

Clove

Eugenol

Lavendel

Bay

b-Myrcene, Chavicol, Eugenol

Oregano

Oregano

Carvacrol, Thymol

Rosmarin

Rosemary

a-Pinene, Camphene, Camphor, Eucalyptol (1,8-Cineole)

Salvie

Sage

a-Pinene, Camphene, Camphor, Eucalyptol (1,8-Cineole), Limonene

Sennep (Cruciferae)

Mustard

Allyl Isothiocyanate

Timian

Thyme

Thymol, p-Cymene

Vanille

Vanilla

Vanillin

Tabel 1.  Aktive komponenter i udvalgte krydderier og urter

2002_2 vaeggemose_fig1.gif
Figur 1. Antimikrobielle stoffer i udvalgte krydderier og urter.

I dag anser vi mest krydderier som aromastof-afgivere, men adskillige forsøg har vist hæmmende eller dræbende effekt på bakterier, gær og skimmelsvampe af indholdsstofferne (5,6,7). Enkelte steder i vores hverdag kan man stadig støde på anvendelse af disse naturlige stoffer i antimikrobielt henseende, eksempelvis er det ved syltning af rødbeder et gammelt husgeråd at lægge et stykke peberrod (som indeholder store mængder allyl isothiocyanat) med ned i glasset, og hos tandlægen kan man finde nellikeolie (eugenol) brugt mod tandpine.

De aktive stoffer er ikke lige virksomme overfor forskellige mikroorganismer (forskellige antimikrobielle spektra), og mikroorganismernes følsomhed afhænger af hvilket stof, som undersøges. Svampe synes generelt at være mere følsomme end bakterier, og Gram negative bakterier synes at være mere resistente end Gram positive (8). Forskellige test procedurer i litteraturen gør det dog svært at sammenligne forskellige resultater direkte med hinanden.

Studier af specifikke virkningsmekanismer for de aktive stoffer er sparsomme. Fælles for de phenolholdige stoffer synes dog at være en skadelig virkning på cellemembran (9), og ødelæggende virkning på enzymer er blevet påvist for de små svovlholdige forbindelser (10).

På BioCentrum-DTU har vi igennem flere år studeret den antimikrobiel effekt af ekstrakter fra planter og urter og som det vil blive beskrevet nærmere i det følgende har vi fundet at visse stoffer er effektive i næsten smagløse doser.

Aktiv pakning

I forbindelse med en række samarbejdsprojekter med den danske mejeribranche, danske brødfabrikker og emballagevirksomheder har vi undersøgt mulighederne for at pakke levnedsmidler under modificeret atmosfære for derigennem at forhindre skimmelvækst på produkterne og sikre en bedre produktkvalitet. Pakning i modificeret atmosfære med meget lave ilt-niveauer (<0,2%) og høje kuldioxidniveauer kan sikre en længere holdbarhed men kan i flere tilfælde ikke helt stoppe væksten. Nogle gær kan endda give problemer selv om alt ilt er fjernet med en ilt absorber.

Da modificeret atmosfære i flere tilfælde ikke giver en tilstrækkelig konserverende effekt har vi  derfor undersøgt mulighederne for at benytte aktiv pakning. Ved aktiv pakning har pakken en ekstra (aktiv) funktion udover blot at være et (passivt) beskyttende lag mod omgivende miljø. Pakken kontrollerer, eller kan reagere, på fænomener inde i pakken (11). De mest gængse former for aktiv pakning har været at indlægge eller indbygge iltabsorbere i emballagen. Andre tiltag har været forskellige indikatorer som ved en farvereaktion kan vise om produktet er nået ud over sin holdbarhedsperiode. I Mykologi gruppen på Biocentrum-DTU har vi især set på anvendelsen af ekstrakter fra krydderier og urter som aktive komponenter i forbindelse med emballering. Vores interesse har især være de flygtige antimikrobielle stoffer, fordi de ikke kræver direkte kontakt mellem produkt og emballagen og samtidig virker, der hvor der er behov for dem, nemlig på overfladen af produktet.

Indledningsvist blev et screeningsforsøg på fast laboratoriemedie foretaget, hvor en række alkoholer og flygtige olier blev testet mod de mest hyppigt fundne gær og skimmelsvampe på brød (12). Figur 2 viser resultaterne fra et forsøg hvor der blev tilsat 100 ml af de forskellige alkoholer på et stykke filterpapir lagt i låget af en Petri skål podet med de forskellige svampe og forseglet med parafilm. Det ses at den relative hæmning efter 14 dage stiger med kædelængden af alkoholen, således har ethanol, 2-propanol og tert-butanol nogenlunde den samme effekt, mens pentanol hæmmer væksten fuldstændig.

2002_2 vaeggemose_fig2.gif
Figur 2. Relativ hæmning efter 14 dage ved 25°C af de hyppigste forekommende skimmelsvampe på brød inhiberet ved tilsætning af 100 µl af forskellige alkoholer

Figur 3 viser resultaterne fra et tilsvarende forsøg med krydderiekstrakter hvor der blev  tilsat 1ml til hver petriskål. De viste fuldstændig hæmning af mikroorganismer ved brug af sennep, en kraftig hæmning ved brug af kanel, hvidløg og nellike, men kun lille effekt for oregano og vanille (12).

2002_2 vaeggemose_fig3.gif
Figur 3. Relativ hæmning efter 14 dage ved 25°C af de hyppigste forekommende skimmelsvampe på brød inhiberet ved tilsætning af 1 µl essentiel olie (af sennep, kanel, hvidløg, nellike, oregano og vanille).

På baggrund af resultaterne afprøvede vi sennep, kanel og nellike i et pilot pakkeforsøg med brød, hvor vi forinden podede brødene med svampe/gær1 og doserede olien i petriskåle, der blev pakket sammen med brødene uden at have direkte kontakt.

Disse forsøg viste at sennepsolie var særdeles effektivt, hvorimod de to andre olier skulle op i meget store mængder, som antageligt var sensorisk uacceptable i et så følsomt produkt som brød. Derfor fortsatte vi med at fokusere på sennepsolie.

Senneps essentielle olie

Det aktive stof i sennepsolie er allyl isothiocyanat (AITC), som udgør helt op til 95% af olien. AITC dannes udfra glucosinolater, som findes oplaget i vakuoler inde i plantecellerne. Når cellerne knuses eller går i stykker, kommer glucosinolaterne i kontakt med enzymet myrosinase, som spalter det til AITC og andre produkter

I vores undersøgelser fandt vi, at Aspergillus flavus var den svamp, som krævede højst sennepsolie dosis for at blive hæmmet. Men ved at kombinere sennepsolien med MAP, var det muligt at hæmme svampen, når der blev anvendt en sensorisk acceptabel dosis af sennepsolie. Yderligere forsøg med hvedebrød har dog vist, at dosis skal omkring eller over den sensoriske kritiske grænse (2 µl/brød) for at hæmme gær i MAP pakket hvedebrød.

Derimod var det muligt at hæmme alle undersøgte skimmelsvampe og gær på rugbrød i en sensorisk acceptabel dosis (ca.1µl/1000ml luft/brød). Rugbrød er dog også væsentligt forskelligt fra hvedebrød, med bl.a. meget lavere pH og mere ?egensmag?.

De lovende resultater med anvendelse af AITC til konservering har gjort at vi er gået videre med at få indbygget stoffet i fødevareemballage. Dette sker bl.a. i EU-projektet BioPack (www.biopack.org), hvor vi vil indbygge aktive komponenter i bionedbrydelige film fremstillet af (polylaktat og poly 3-hydroxy-butyrate). Måden at få stofferne indbygget i filmen på er at de først bygges ind i cyclodextriner, som dels beskytter under indbygningen i polymeren dels sørger for en kontrolleret frigivelse af stofferne.

Som nævnt benyttede de gamle romere sennep/AITC til konservering. I dag findes en række patenter på forskellige applikationsmetoder, hvor AITC anvendes som aktivt antimikrobielt stof. Disse er især af japansk eller amerikansk oprindelse. AITC er godkendt som aromastof i EU (opført i "den blå bog"), som et kategori A stof og en TDI (tolerabelt dagligt indtag) på 3,6 mg/dag/person. Til sammenligning skal nævnes, at i Dijon sennep findes omkring 0,22% AITC svarende til ca. 11 mg i en teskefuld (Moutarde de Dijon, Eldorado). Men da stoffet ikke er godkendt og optaget i positivlisten som et konserveringsmiddel kan det ikke anvendes som sådan. Det vil i givet fald kræve en godkendelse i EU systemet (12).

Fasens betydning

Resultaterne fra forsøgene med antimikrobielle stoffer fra krydderier og urter er på sin vis i modstrid med de resultater der findes i litteraturen og som vores samarbejdspartner i EU har fundet. Sennep findes således langt nede på listen over de mest antimikrobielle planter. Men da mange af forsøgene er udført ved at tilsætte stofferne til produktet satte vi os for at undersøge betydningen af om stoffet var i gasfase eller tilsat produktet. I en forsøgsopstilling tilsattes derfor de samme mængde stof enten til vækstsubstratet eller til gasfasen over substratet (i begge tilfælde hhv. 125 og 250 ml/ml).

Figur 4 viser et PLS-r model over hæmning afhængig af hvilket stof der tilsættes. På plottet ses det at det er forskellige stoffer, der hæmmer svampene i de to systemer (mærket med røde ringe). De stoffer, som virker bedst i det flygtige system ligger forneden i plottet, mens dem der virker bedst, når de bliver tilsat mediet ligger foroven. Jo længere stofferne ligger mod højre i plottet des mere aktive er de. Stofferne mærket med A (sennep, citrongræs og timian) virker godt i begge systemer.  Timian, nellike og kanel virker godt når de tilsættes mediet (B) og appelsin, rosmarin og salvie (C) virker godt, når de tilsættes i gasfasen. Sammenholdes Figur 4 med Tabel 1 og Figur 1 ses, at ekstrakterne der virker bedst ved tilsætning til mediet (B), hovedsageligt består af phenoliske stoffer. Det er også disse stoffer som i litteraturen angives som de mest antimikrobielle komponenter i planteekstrakter efterfulgt af aldehyder, ketoner, alkoholer og andre hydrocarboner. Sennep og citrongræs virkede godt i mediet, men virker bedre som flygtige stoffer, faktisk var sennep effektiv selv ved 1 ml/ml i gasfasen. Grunden til den store forskel i aktivitet er sandsynligvis at allyl isothiocyanat ved tilsætning til mediet reagerer med proteinerne i mediet og bliver delvist inaktiveret.

2002_2 vaeggemose_fig4.gif
Figur 4. PLS-r plot over hæmning af svampevækst på rugbrød enten ved tilsætning af ekstrakter til mediet eller i flygtig form.

Perspektiver for naturstoffer

Sekundære metabolitter i vore fødeplanter er noget, som pr. tradition ikke har haft stor interesse. De er som regel blevet minimeret eller ignoreret gennem avlsarbejde. I nyere tid er interessen dog blevet skærpet for stofferne, som følge af den jagt man har drevet for at finde en forklaring på vor industrialiserede samfunds velfærdssygdomme (som sukkersyge, hjertekar-sygdomme og kræft). I den sammenhæng har de naturlige aktive stoffer fået tillagt (ny) stor betydning, og man har skelet kraftigt til isolerede natur-/stammefolk, hvor "medicin" og føde ikke rigtigt skelnes fra hinanden (13). Antioxidanter er nu almindelig kendt for at have en forebyggende virkning på kræft og hjertekar sygdomme. Mange af disse antioxidanter er netop de samme (specielt phenol-forbindelser), som er blevet nævnt ovenstående for deres antimikrobielle egenskaber (figur 1).

Det giver et perspektiv for disse stoffer i den fremtidige levnedsmiddelproduktion, som både antimikrobielle og antioxidative stoffer. Der findes ganske givet også naturlige stoffer, som ikke har så kraftige smagsvirkninger, men stadige er antimikrobielle og antioxidative.

Den fornyede interesse har givet mange teorier indenfor området, specielt for hvordan deres funktion er i relation til den menneskelige krop. Nogle hævder, at de stoffer man p.t. anser for ønskede (f.eks. anthocyaniner) måske kun er mærkørstoffer for de virkelige aktive og interessante stoffer. Eller i virkeligheden er deres virkning "skadelige" (som mange naturstoffer jo er), men en lille dosis skadelige stoffer er ønskeligt, fordi det boost'er kroppens forsvarssystem, så det selv er "kampdygtig".

Fordi vi ikke fuldt ud kender de specifikke reaktionsmekanismer, findes der ikke nogen endegyldig teori. Den manglende viden vanskeliggør også arbejdet med at teste mange af stofferne, og give vejledning til lovgivere på området, da det er svært at vurdere om testmetoden overhovedet er relevant og realistisk. En sådan situation leder f.eks. til paradokset omkring AITC. Stoffet er i en undersøgelse blevet fundet at være kræftfremkaldende i rotte-leverceller, men samtidigt bliver netop glucosinolat-holdige grøntsager anbefalet specielt mod kræft pga. beviser for forebyggende virkning! Dette paradoks bunder sandsynligvis i rette dosis-respons-forhold.

Vanskelighederne ved at teste de aktive naturlige stoffer i et passende system, og de dermed forbundne økonomiske omkostninger, er formodentlig en af bevæggrundene til, at de endnu ikke har været benyttet i udstrakt grad i levnedsmiddelindustrien. Men den øgede fokus på sundere fødevarer, vil formodentligt være et incitament til at kigge nærmere på dem i fremtiden.

Referencer.

  1. David, A.R., 1992. Plants and plant products used in mummification, i H.N.Nigg & D.Seigler; Phytochemical Resources for Medicine and Agriculture, Plenum Press, New York, USA, s.15-32
  2. Holm, F. 1999. Natural food preservatives. Antimicrobials, Report for The Nordic Minimal Processing Network, FoodGroup Denmark.
  3. Billing,J & Sherman, P.W, 1998. Antimicrobial functions of spices: Why some like it hot. The Quarterly Review of Biology, 73, 1, 3-49.
  4. Walker, J.R.L., 1994. Antimicribial Compounds in Food Plants, i V.M.Dillon & R.G.Board; Natural Antimicrobial Systems and Food Preservation, CAB Inetrnational, UK, s.181-204.
  5. Deans, S.G. & Ritchie, G. 1987. Antimicrobial properties of plant essential oils, International Journal of Food Microbiology, 5, 165-180.
  6. Gould, G.W., 1996. Industry Perspectives on the use of natural antimicrobials and inhibitors for food applications, Journal of Food Protection, supplement, 82-86.
  7. Del Campo, J., Amiot, M. & Nguyen-The, C. 2000. Antimicrobial effect of rosemary extracts, Journal of Food Protection, 63, 10, 1359-1368.
  8. Zaika, L.L., 1987. Spices and herbs: Their antimicrobial activity and its determination, Journal of Food Safety, 9, 97-118.
  9. Nychas,G.J.E., 1995. Natural Antimicrobial from Plants, i G.W. Gould; New Methods of food preservation, Blackie, Chapman & Hall, UK, s.58-89.
  10. Delaquis,P.J. & Mazza,G., 1995. Antimicrobial properties of isothiocyanates in food preservation, Food Technology, 11, 73-84.
  11. Fabech et. al., 2000. Active and Intelligent Food Packaging, TemaNord 2000:584, Nordic Council of Ministers, DK-København.
  12. Nielsen, P.V. & Rios,R., 2000. Inhibition of fungal growth on bread by volatile components from spices and herbs, and the possible application in active packaging, with special emphasis on mustard essential oil, International Journal of Food Microbiology, 60, 219-229.
  13. Johns, T. & Chapman, L., 1995. Phytochemicals ingested in traditional diets and medicines as modulators of energy metabolism, i J.T. Arnason et al.; Phytochemistry of medicinal plants, Plemun Press, New York, USA, s.161-188.

1 Hvedebrød blev podet med: Penicillium commune, P.solitum, Aspergillus flavus og Endomyces fibuliger. Rugbrød med: P.roqueforti, P.corylophilum, Eurotium repens og Endomyces fibuliger.