กรุณาใช้ตัวระบุนี้เพื่ออ้างอิงหรือเชื่อมต่อรายการนี้:
http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/12584
ชื่อเรื่อง: | Development of encapsulated salmonella bacteriophages to reduce salmonella spp. in food matrices |
ชื่อเรื่องอื่นๆ: | การพัฒนา Salmonella bacteriophages ในรูปแบบเอนแคปซูเลท เพื่อลดปริมาณเชื้อ salmonella spp. ในอาหาร |
ผู้แต่ง/ผู้ร่วมงาน: | Kitiya Vongkamjan Kantiya Petsong Faculty of Agro-Industry (Food Technology) คณะอุตสาหกรรมเกษตร ภาควิชาเทคโนโลยีอาหาร |
คำสำคัญ: | Bacteriophages;Food contamination |
วันที่เผยแพร่: | 2019 |
สำนักพิมพ์: | Prince of Songkla University |
บทคัดย่อ: | Salmonella Enteritidis and Salmonella Typhimurium are the most important serovars that have often been linked to food contamination and foodborne outbreaks. Bacteriophage (phage) has the outstanding properties over antibiotics and other chemical agents with regards to its specificity to kill bacterial pathogens. Phage applications have gained interest as alternative strategy for controlling bacterial pathogens in the food industry. This study aimed to develop microencapsulated phage as dry powder to improve phage applications as an effective strategy to control Salmonella serovars. Abundance and diversity of Salmonella phages in various animal farms (chicken, swine, goat and bovine) in Songkhla province, Thailand were evaluated upon phage isolation. A total of 36 Salmonella phages were obtained, suggesting that animal farms in our study are common sources of abundant Salmonella phages. Phenotypic characterization of all isolated phages was determined by phage lysis profiles. Phages were evaluated for their lysis profiles on 47 Salmonella strains (28 serovars) isolated from various sources (animal farms, seafood processing plant and humans) in Thailand and the US. Most of isolated phages showed the broader host range on Salmonella strains isolated from animal farms in Thailand as compared to other sources. However, a few phages showed a broad spectrum against Salmonella strains from different communities and continents. Genotypic characterization by pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) analysis revealed the estimated genome sizes ranging from 50 ± 2 kb to 200 ± 2 kb among isolated phages. Phenotypic and genotypic characterizations indicated that our isolated phages could effectively control important Salmonella serovars. To improve the antibacterial efficiency of our phages against important Salmonella serovars (S. Enteritidis and S. Typhimurium), we thus selected three phages which showed the highest efficiency and further develop as a phage cocktail. Based on efficiency of plating (EOP) and lytic ability assays, KP4, KP5 and KP50 were selected. Electron microscopy analysis classified these phages in the order Caudovirales and family Siphoviridae. One-step growth curve assay revealed the burst size of three phages of approximately 25-98 PFU/cell and latent period of 5-40 min on S. Enteritidis. On S. Typhimurium the burst size revealed approximately 70-112 PFU/cell and latent period of 10-15 min. Genome sequencing analysis and annotation revealed that phages KP4, KP5 and KP50 presented as virulent phages due to the absence of the lysogeny module, genes associated virulence/toxins and genes associated antibiotic resistance. Antibacterial efficiency of our developed phage cocktail was investigated in in-vitro, foods and also feed model. In-vitro study, S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by more than 4 log CFU/mL after 4 h of phage cocktail treatment. In addition, phage-resistant development was not found in Salmonella after phage cocktail treatment. In chicken meat, S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by 0.66 and 1.73 log CFU/cm2, respectively. In sunflower sprout, S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by 1.27 and 1.17 log CFU/g, respectively. In animal feed, S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by 1.87 and 2.38 log CFU/g, respectively. Antibacterial efficiency studies indicated that our developed phage cocktail provided high efficiency to control Salmonella contamination in food matrices. A new form of microencapsulated phage as dry powder was developed to improve the limitations and extend the application of phage as traditional lysate form. To protect phage particles from drying method (freeze-drying), the formulations presented the combination of coating materials (whey protein isolate; WPI and trehalose) were optimized. The ratio of WPI/trehalose at 3:1 presented the optimal formulation with the highest encapsulation efficiency (EE) of 91.9%. SEM images indicated the complex physical structure of coating materials. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis revealed the chemical interaction of coating materials as H-bonding. Differential scanning calorimetry (DSC) analysis indicated Tg of our develop dry phage powder with optimal formulation at 63.43°C. Our dry phage powder with optimal formulation showed the specific functional properties to protect phage particles as high stability in wide range of pH (1.5 to 9.5) and various temperatures (4°C, 25°C and 50°C). A developed phage cocktail was transformed as dry powder by the optimized formulation using freeze-drying. Stability and storage conditions studies revealed that dry phage cocktail powder kept in aluminium laminated foil bag at 4°C showed the suitable conditions of dry phage cocktail powder. The phage titer was decreased by only 0.5 log PFU/mL and the physio-chemical properties (color and aw) of dry phage cocktail powder remained unchanged over 12 weeks of storage. In addition, the study revealed that dry phage cocktail powder showed higher phage survivability as compared to the lysate form. Dry phage cocktail powder showed the desirable antibacterial efficiency to decrease the number of S. Enteritidis and S. Typhimurium in in-vitro, foods and also feed model. In-vitro study showed that S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by 1.79 and 3.63 log CFU/mL, respectively at 37°C, and 0.43 and 2.36 log CFU/mL, respectively at 10°C. In chicken meat, S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by 0.57 and 1.78 log CFU/cm2, respectively. In sunflower sprout, S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by 0.86 and 1.2 log CFU/g, respectively. In animal feed, S. Enteritidis and S. Typhimurium were decreased by 1.92 and 1.74 log CFU/g, respectively. Sensory evaluation (30 panelists) indicated that the quality of foods (chicken meat and sunflower sprout) and feed applied with dry phage cocktail powder were accepted for 3 days and 2 days of storage, respectively. Results indicated that the developed dry phage cocktail powder provided high antibacterial efficiency to control Salmonella serovars in different food matrices without negative effect on the acceptability of consumers. In addition, this study also investigated the effect of a combination of antibiotic and bacteriophage in controlling Salmonella. The results showed that antibiotic and bacteriophage provided the synergistic effect against Salmonella compared to using antibiotic alone. Moreover, this effective strategy could lower the mechanism of antibiotic resistance at the molecular level, indicating that this combination can be used as the effective strategy to control Salmonella. Overall, this study indicates that animal farm environments in Thailand provide abundance and diversity of Salmonella phages which could effectively eliminate important Salmonella serovars isolated from different sources and continents. Our developed phage cocktail in both lysate and dry powder form showed high efficiency to control Salmonella serovars in different food matrices. Dry phage cocktail powder developed here showed high efficiency to protect phage particles in the harsh conditions. This study suggests that phage as dry powder is a novel convenient form for applications, storage and transportation. In addition, this developed form can be used in various food matrices and also in high-risk sources of Salmonella contamination to improve safety along the food production chain. |
Abstract(Thai): | เชื้อ Salmonella Salmonella Enteritidis และ Salmonella Typhimurium เป็นซีโรวาร์ที่สําคัญของ ซึ่งมักมีรายงานการปนเปื้อนและเป็นสาเหตุของการระบาดโรคติดต่อทางอาหาร แบคเทอริ-โอเฟจ (เฟจ) เป็นไวรัสที่มีความสามารถในการทําลายอย่างจําเพาะเจาะจงต่อแบคทีเรียเจ้า บ้าน ซึ่งเป็นคุณสมบัติพิเศษนอกเหนือจากยาปฏิชีวนะและสารเคมีอื่นๆ ในปัจจุบันการประยุกต์ใช้เพจเป็น สารควบคุมทางชีวภาพได้รับความนิยมเป็นอย่างมากในอุตสาหกรรมอาหารงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ พัฒนาแบคเทอริโอเฟจในรูปแบบเอนแคปซูเลทที่มีลักษณะเป็นผงแห้ง เพื่อใช้ในการควบคุมเชื้อ Salmonella สายพันธุ์ต่างๆ โดยได้ทําการแยกเฟจที่มีความจําเพาะต่อเชื้อ Salmonella จากสิ่งแวดล้อม ภายในฟาร์มสัตว์ประเภทต่างๆ (สัตว์ปีก สุกร แพะ และ โค-กระบือ) ภายในจังหวัดสงขลา เพื่อศึกษา ความชุกของเฟจในแหล่งดังกล่าว งานวิจัยนี้สามารถแยกได้ทั้งหมด 36 เฟจ ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่า สิ่งแวดล้อมภายในฟาร์มสัตว์ดังกล่าวเป็นแหล่งที่อยู่สําคัญของเพจที่มีความจําเพาะต่อเชื้อ Salmonella ในการศึกษาลักษณะทางฟีโนไทป์ เฟจที่แยกได้ทั้งหมดถูกนํามาทดสอบความสามารถในการทําลายเชื้อ Salmonella จํานวน 47 สายพันธุ์ (28 ซีโรวาร์) ที่แยกได้จากแหล่งต่างๆ (ฟาร์มสัตว์ โรงงานอุตสาหกรรม อาหารทะเล และคน) จากประเทศไทยและสหรัฐอเมริกา ผลการทดลองพบว่าเฟจจํานวนหนึ่งมีความสามารถในการทําลายเชื้อ Salmonella จาก แหล่งต่างๆได้หลากหลายสายพันธุ์ ทั้งนี้เพจส่วนใหญ่มีความสามารถสูงในการทําลายเชื้อ Salmonella จากฟาร์มสัตว์ในประเทศไทย ข้อมูลนี้ชี้ให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างแหล่งที่อยู่ของแบคทีเรียเจ้าบ้าน กับเฟจ ขนาดโดยประมาณของจีโนมของเพจโดยเทคนิค pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) อยู่ในช่วง 50 + 2 kb ถึง 200 + 2 kb ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่าเฟจที่แยกได้มีความหลากหลายทาง พันธุกรรมและมีความสามารถในการทําลายเชื้อ Salmonella ที่แยกได้จากแหล่งต่างๆได้หลากหลายสาย พันธุ์ รวมถึงสายพันธุ์สําคัญต่างๆที่มักมีรายงานการระบาด ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงได้ทําการคัดเลือกเฟจที่มี ความสามารถในการทําลายเชื้อ Salmonella สายพันธุ์ที่มีรายงานการระบาดมากที่สุดคือ S. Enteritidis และ S. Typhimurium การเพิ่มประสิทธิภาพของเฟจในรูปแบบสารควบคุมทางชีวภาพได้มีการพัฒนาให้อยู่ใน รูปแบบของ phage cocktail โดยมีการทดสอบด้วยวิธี efficiency of plating (EOP) และ lytic ability assays ชี้ให้เห็นว่าเฟจจํานวน 3 สายพันธุ์คือ KP4 KP5 และ KP50 มีความสามารถในการทําลาย S. Enteritidisและ S. Typhimurium สูงสุด จากการศึกษาลักษณะทางสัณฐานโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบ ส่องผ่าน (TEM) พบว่าเฟจทั้งหมดจัดอยู่ในตระกูล Caudovirales และวงศ์ Siphoninidae คุณสมบัติ ทางชีวภาพซึ่งบ่งบอกถึงประสิทธิภาพในการทําลาย S. Enteritidis และ S. Typhimurium ประกอบด้วย latent period ของเฟจ KP4 KP5 และ KP50 เมื่อเข้าทําลาย S. Enteritidis อยู่ในช่วง 5 ถึง 40 นาที และเมื่อเข้าทําลาย S. Typhimurium อยู่ในช่วง 5 ถึง 15 นาที ขนาด burst size ของเฟจ KP4 KP5 และ KP50 เมื่อเข้าทําลาย S. Enteritidis อยู่ในช่วง 25 ถึง 98 PFU/cell และเมื่อเข้าทําลาย S. Typhimurium อยู่ในช่วง 70 ถึง 112 PFU/cell จากการวิเคราะห์เชิงพันธุกรรมพบว่าเฟจ KP4 KP5 และ KP50 ไม่ปรากฏยีนที่เกี่ยวข้องกับ lysogeny module ยีนที่ก่อให้เกิดความรุนแรงหรือความเป็นพิษ ต่อมนุษย์และสัตว์ รวมถึงยีนที่เกี่ยวข้องกับการต้านยาปฏิชีวนะ ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่าเฟจทั้งสามสาม พันธุ์เป็น vilurent phage จากการศึกษาประสิทธิภาพของ phage Cocktail ในการทําลายเชื้อ S. Enteritidis และ S. Typhimurium ในหลอดทดลองพบว่า เชื้อทั้งสองถูกลดจํานวนลงมากกว่า 4 log CFU/mL ภายในเวลา 4 ชั่วโมง นอกจากนี้ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่าไม่มีการดื้อต่อเพจของเชื้อทั้งสองสาย พันธุ์หลังจากการเข้าทําลายโดย phage cocktail เมื่อทดสอบประสิทธิภาพของ phage cocktail ในการ ลดเชื้อ S. Enteritidis และ 5. Typhimurium ในเนื้อไก่สด ต้นอ่อนทานตะวัน และอาหารสัตว์ พบว่าเชื้อ S. Enteritidis ถูกลดจํานวนลงประมาณ 0.66 Log CFU/cm 1.27 log CFU/g และ 1.87 log CFU/g ตามลําดับ และเชื้อ S. Typhimurium ถูกลดจํานวนลงประมาณ 1.73 log CFU/cm 1.17 log CFU/g และ 2.38 log CFU/g ตามลําดับ ดังนั้น phage Cocktail ที่พัฒนาขึ้นโดยงานวิจัยนี้มีประสิทธิภาพในการ ควบคุมเชื้อ Salmonella ในอาหารที่มีองค์ประกอบเชิงเคมี ชีวภาพ และกายภาพที่หลากหลาย เพื่อการลดข้อจํากัดและเพื่อพัฒนารูปแบบการประยุกต์ใช้แบคเทอริโอเฟจ งานวิจัยนี้จึง ได้นําเทคนิค microencapsulation มาใช้และมีการพัฒนารูปแบบของเฟจให้อยู่ในรูปผงแห้งเพื่อเป็นการ ปกป้องเฟจจากสภาวะรุนแรงในกระบวนการทําแห้ง โดยได้ทดสอบหาสัดส่วนที่เหมาะสมที่สุดของ WPI (Whey Protein Isolate) และน้ําตาล trehalose เพื่อทําให้เฟจรอดชีวิตมากที่สุดเมื่อผ่านกระบวนการ ทําแห้ง ผลการทดลองพบว่าสัดส่วนของ WPI และน้ําตาล trehalose ที่ 3:1 คือสูตรที่ทําให้เฟจรอดชีวิต มากที่สุดคือ 91.9% ผลการวิเคราะห์โครงสร้างภายนอกของเฟจในรูปผงแห้งที่ได้จากสูตรที่เหมาะสมที่สุด โดยเทคนิคการวิเคราะห์ด้วยกล้องอิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) พบว่า WPI และน้ําตาล trehalose เกิดการผสานเชิงโครงสร้าง งกันและกัน การวิเคราะห์โดย fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) แสดงให้เห็นว่า WPI และน้ําตาล trehalose ในสูตรสารผสมดังกล่าวจับกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ผลของการวิเคราะห์โดย differential scanning calorimetry (DSC) แสดงให้เห็นว่าเฟจในรูปผงแห้งที่ ได้จากสูตรที่เหมาะสมที่สุดมีค่า T. อยู่ที่ 63.43°C สัดส่วนของ WPI และน้ําตาล trehalose จากสูตรที่ เหมาะสมที่สุดนี้มีคุณสมบัติพิเศษเชิงโครงสร้างทางเคมีในการปกป้องเฟจจากสภาวะรุนแรงต่างๆ อาทิเช่น ความเป็นกรด-ด่างในช่วงกว้าง (pH 1.5 ถึง pH 9.5) และที่อุณหภูมิในระดับต่างๆ (4°C 25°C และ 50°C) Phage cocktail ที่ถูกพัฒนาขึ้นยังได้ถูกนํามาเปลี่ยนรูปให้อยู่ในรูปแบบผงแห้งโดยใช้ สูตรและวิธีการข้างต้น การศึกษาความคงตัวและสภาวะการเก็บรักษาที่เหมาะสมของ phage cocktail ในรูปแบบผงแห้ง พบว่าการเก็บรักษา phage cocktail ในรูปแบบผงแห้งในบรรจุภัณฑ์แบบ aluminium laminated foil ที่อุณหภูมิ 4°C เป็นสภาวะการเก็บรักษาที่เหมาะสมที่สุด โดยในสภาวะนี้เฟจมีการอยู่ รอดในอัตราที่สูง (มีการลดลงของเฟจอยู่ที่เพียง 0.5 log PFU/mL) รวมถึงการคงสภาพทางเคมีกายภาพ (สีและค่า water activity) ของ phage cocktail ในรูปแบบผงแห้งตลอดระยะเวลาการเก็บรักษาเป็น เวลา 12 สัปดาห์ ผลการทดลองพบว่า phage cocktail ในรูปแบบผงแห้งมีประสิทธิภาพในการลดจํานวน เชื้อ S. Enteritidis และ S. Typhimurium ในหลอดทดลองที่37°C ได้ 1.79 และ 3.63 log CFU/mL ตามลําดับ และที่10°C ได้ 0.43 และ 2.36 log CFU/mL ตามลําดับ ผลการทดสอบประสิทธิภาพของ phage cocktail ในรูปแบบผงแห้งในการลดเชื้อ S. Enteritidis และ S. Typhimurium ในเนื้อไก่สด ต้น อ่อนทานตะวัน และอาหารสัตว์ พบว่าเชื้อ S. Enteritidis ถูกลดจํานวนลงถึง 0.57 CFU/cm 0.86 CFU/g และ 1.92 CFU/g ตามลําดับ และ S. Typhimurium ถูกลดจํานวนลงถึง 1.78 CFU/m 1.2 CFU/g และ 1.74 CFU/g ตามลําดับ เพื่อศึกษาการยอมรับของผู้บริโภคต่อการประยุกต์ใช้ phage cocktail ในรูปแบบผงแห้งกับอาหารสดและอาหารสัตว์ จึงได้ทําการทดสอบทางประสาทสัมผัสจาก ผู้ทดสอบจํานวน 30 คน ผลการทดสอบชี้ให้เห็นว่าเนื้อไก่สดและต้นอ่อนทานตะวันที่มีการโรย phage cocktail ในรูปแบบผงแห้งได้รับการยอมรับจากผู้บริโภคเป็นเวลา 3 วันและอาหารสัตว์ที่มีการโรย phage cocktail ในรูปแบบผงแห้งได้รับการยอมรับจากผู้บริโภคเป็นเวลา 2 วันของการเก็บรักษา นอกจากนี้งานวิจัยนี้ยังได้ศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับประสิทธิภาพของการเสริมฤทธิ์กัน ระหว่างยาปฏิชีวนะและแบคเทอริโอเฟจในการยังยั้งเชื้อ Salmonella พบว่าการเสริมฤทธิ์กันระหว่างยา ปฏิชีวนะและแบคเทอริโอเฟจมีประสิทธิภาพในการยังยั้งเชื้อ Salmonella ได้ดีกว่าการใช้ยาปฏิชีวนะ เพียงอย่างเดียว อีกทั้งยังสามารถลดการเกิดการดื้อยาของเชื้อ Salmonella ได้ในระดับโมเลกุล จึง สามารถประยุกต์ใช้ทั้งยาปฏิชีวนะและแบคเทอริโอเฟจในการยับยั้งเชื้อ Salmonella ได้อย่างมี ประสิทธิภาพ งานวิจัยนี้ชี้ให้เห็นว่าฟาร์มสัตว์ในประเทศไทยเป็นแหล่งที่ส่งผลถึงความชุกและความ หลากหลายของเฟจที่มีความจําเพาะต่อเชื้อ Salmonella โดยเป็นเฟจที่มีความสามารถในการทําลายเชื้อ Salmonella สายพันธุ์ที่หลากหลายจากแหล่งต่างๆ Phage cocktail ทั้งในรูปแบบของเหลวและผงแห้ง ที่พัฒนาขึ้นจากงานวิจัยนี้มีประสิทธิภาพในการทําลายเชื้อ S. Enteritidis และ S. Typhimurium ไม่ เพียงแค่ในหลอดทดลอง แต่มีประสิทธิภาพในการควบคุมการปนเปื้อนของเชื้อในตัวอย่างอาหารได้จริง อีกทั้ง phage Cocktail ในรูปแบบผงแห้งยังมีคุณสมบัติในการทนต่อสภาวะรุนแรงต่างๆ น้ําหนักน้อย และมีอายุการเก็บรักษาที่ยาวนาน ส่งผลดีต่อการนําไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อการควบคุมการ ปนเปื้อนของเชื้ออย่างมีประสิทธิผลและและง่ายต่อการเก็บรักษาและการขนส่ง นอกจากนี้รูปแบบของ เฟจที่พัฒนาขึ้นในงานวิจัยนี้ยังสามารถนําไปประยุกต์ได้กับอาหารหลากหลายประเภท รวมถึงในแหล่ง ต่างๆที่มีความเสี่ยงสูงในการปนเปื้อนเชื้อ Salmonella เพื่อการพัฒนาความปลอดภัยตลอดห่วงโซ่อาหาร |
รายละเอียด: | Thesis (Ph.D., Food Science and Technology)--Prince of Songkla University, 2019 |
URI: | http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/12584 |
ปรากฏในกลุ่มข้อมูล: | 850 Thesis |
แฟ้มในรายการข้อมูลนี้:
แฟ้ม | รายละเอียด | ขนาด | รูปแบบ | |
---|---|---|---|---|
435565.pdf | 4.45 MB | Adobe PDF | ดู/เปิด |
รายการทั้งหมดในระบบคิดีได้รับการคุ้มครองลิขสิทธิ์ มีการสงวนสิทธิ์เว้นแต่ที่ระบุไว้เป็นอื่น