Utilização de microrganismos e nanofibras funcionalizadas como agentes de controle de fungos toxigênicos

Abstract

Fungos filamentosos com capacidade de produzir micotoxinas podem estar presentes em alimentos, desde o cultivo até o produto após industrialização. Devido a isso, estratégias para controlar o crescimento fúngico devem ser investigadas, a fim de evitar o desenvolvimento desses microrganismos, bem como a produção de suas toxinas nos alimentos. Neste trabalho, duas abordagens para o controle de fungos toxigênicos foram avaliadas. A primeira estratégia foi a utilização de bactérias provenientes de diferentes ambientes aquáticos, sendo que 10 linhagens de Bacillus spp. e a linhagem Pseudomonas sp. 4B foram testadas quanto à influência sobre os parâmetros de crescimento (taxas de crescimento micelial, esporulação e germinação de esporos) de fungos toxigênicos (Aspergillus e Penicillium) e formação de micotoxinas. Todas as bactérias foram capazes de inibir o crescimento dos fungos em meio de cultura, apresentando halos de inibição variando de 1,0 até 15,7 mm. Bacillus sp. P11 apresentou resultados mais expressivos em relação às demais linhagens do gênero Bacillus com maiores valores de redução na maioria dos parâmetros de crescimento. Além disso, Bacillus sp. P11 e Pseudomonas sp. 4B apresentaram efeito sobre as taxas de crescimento micelial, esporulação e germinação de esporos, com níveis de redução acima de 43,3, 32,1 e 84,1% respectivamente. Mesmo assim, as demais linhagens também apresentaram resultados satisfatórios sobre esses parâmetros. Estas bactérias também reduziram a síntese de aflatoxina B1 e ocratoxina A em mais de 94 e 63%, respectivamente, quando cultivadas simultaneamente com os fungos produtores de cada micotoxina. Adicionalmente, a capacidade de Bacillus sp. P11 em produzir os lipopeptídeos iturina A (167,9 mg/mL de extrato butanólico) e surfactina (361,9 mg/mL de extrato butanólico) foi confirmada. Estes compostos podem ter contribuído para a atividade antifúngica desta bactéria. A segunda estratégia investigada neste estudo para controlar o desenvolvimento de fungos toxigênicos foi o emprego de nanofibras de poli-ɛ-caprolactona (PCL) incorporadas com cetoconazol e natamicina como material antimicrobiano. Nesta abordagem, as nanofibras foram produzidas pela técnica de eletrofiação e posteriormente caracterizadas e avaliadas quanto ao seu potencial antifúngico. Nanofibras funcionalizadas com cetoconazol ou natamicina apresentaram atividade antifúngica contra os isolados toxigênicos uma vez que zonas de inibição variando de 6 a 44 mm foram observadas. Além disso, as análises de microscopia eletrônica e espectroscopia demonstraram que a incorporação dos antifúngicos não altera de forma expressiva as principais características das nanofibras. Também foi possível verificar a capacidade de liberação controlada dos antifúngicos durante 72 h de contato das nanofibras com diferentes soluções simulantes. Valores próximos a 80 e 45 μg/mL de cetoconazol e natamicina, respectivamente, foram observados em solução de Tween 20 (5%). Portanto, o processo de eletrofiação foi capaz de agregar propriedades antifúngicas às nanofibras de PCL. Os resultados demonstraram que as bactérias e os nanomateriais investigados neste estudo são promissores para o controle de fungos toxigênicos e produção de micotoxinas.

Filamentous fungi that have the potential to produce mycotoxins may be present in food, from cultivation to after industrialization. Therefore, several strategies to control fungal growth must be investigated in order to avoid the development of these microorganisms and the production of their toxins in food. In this work, two approaches to toxigenic fungi control were evaluated. The first one was the use of bacteria from different aquatic environments as biocontrol agents in which 10 Bacillus spp. strains and the Pseudomonas sp. 4B strain were tested in relation to the effect on growth parameters (mycelial growth, sporulation and spore germination rates) of toxigenic fungi (Aspergillus and Penicillium) and mycotoxin formation. All bacteria were able to inhibit the fungal growth in culture medium with inhibition zones ranging from 1.0 to 15.7 mm. It was also observed that Bacillus sp. P11 had better results compared to other Bacillus strains with larger reduction values in most of growth parameters. Furthermore, Bacillus sp. P11 and Pseudomonas sp. 4B exhibited effect on mycelial growth, sporulation and spore germination rates with reduction values above of 43.3, 32.1 and 84.1%, respectively. Even so, the other strains also showed satisfactory results on these parameters. Finally, these bacteria reduced the synthesis of aflatoxin B1 and ochratoxin A at levels above 94 and 63%, respectively, when co-cultivated with each mycotoxin producing fungi. Additionally, the ability of Bacillus sp. P11 to produce lipopeptides such as iturin A (167.9 mg/ml of butanolic extract) and surfactin (361.9 mg/ml of butanolic extract) was confirmed. These compounds may have contributed to antifungal activity of this bacterium. The second investigation of this work in order to control the growth of toxigenic fungi was the use of poly-ε-caprolactone nanofibers incorporated with ketoconazole and natamycin as antimicrobial material. In this approach, nanofibers were produced by the electrospinning technique and subsequently characterized and evaluated for their antifungal potential. Both nanofibers functionalized with ketoconazole and natamycin showed antifungal activity against toxigenic isolates since inhibitory zones ranging from 6 to 44 mm were observed. In addition, scanning electron microscopy and infrared spectroscopy analysis showed that the antifungals incorporation does not change the characteristics of nanofibers. It was also possible to verify the ability of controlled drug release during 72 h of nanofibers contact with different simulants solutions. Values near 80 and 45 μg/ml of ketoconazole and natamycin, respectively, were observed in the solution containing 5% Tween 20. Therefore, the electrospinning process was able to provide antifungal properties to the nanofibers. The results showed that bacteria and nanomaterials investigated in this study are promising for developing control strategies of toxigenic fungi and mycotoxin production.