Mechanism of Bacterial Inactivation by (+)-Limonene and Its Potential Use in Food Preservation Combined Processes

Abstract

This work explores the bactericidal effect of (+)-limonene, the major constituent of citrus fruits' essential oils, against E. coli. The degree of E. coli BJ4 inactivation achieved by (+)-limonene was influenced by the pH of the treatment medium, being more bactericidal at pH 4.0 than at pH 7.0. Deletion of rpoS and exposure to a sub-lethal heat or an acid shock did not modify E. coli BJ4 resistance to (+)-limonene. However, exposure to a sub-lethal cold shock decreased its resistance to (+)-limonene. Although no sub-lethal injury was detected in the cell envelopes after exposure to (+)-limonene by the selective-plating technique, the uptake of propidium iodide by inactivated E. coli BJ4 cells pointed out these structures as important targets in the mechanism of action. Attenuated Total Reflectance Infrared Microspectroscopy (ATR-IRMS) allowed identification of altered E. coli BJ4 structures after (+)-limonene treatments as a function of the treatment pH: β-sheet proteins at pH 4.0 and phosphodiester bonds at pH 7.0. The increased sensitivity to (+)-limonene observed at pH 4.0 in an E. coli MC4100 lptD4213 mutant with an increased outer membrane permeability along with the identification of altered β-sheet proteins by ATR-IRMS indicated the importance of this structure in the mechanism of action of (+)-limonene. The study of mechanism of inactivation by (+)-limonene led to the design of a synergistic combined process with heat for the inactivation of the pathogen E. coli O157:H7 in fruit juices. These results show the potential of (+)-limonene in food preservation, either acting alone or in combination with lethal heat treatments.

Lecznicze zastosowania limonenu

“…Dzięki przyjemnemu zapachowi limonen jest często stosowany jako dodatek do żywności, perfum, kremów, mydeł i produktów czyszczących wykorzystywanych w gospodarstwie domowym. Ponadto limonen wykazuje właściwości przeciwgrzybicze, bakteriostatyczne oraz bakteriobójcze, dzięki czemu ma potencjał do zastosowania jako substancja konserwująca [1,2].…”

“…R-limonen metabolizuje w organizmie człowieka głównie do kwasu perillylowego, kwasu dihydroperillylowego i limonen-1,2-diolu (ryc. 2) [1].…”

“…W innych badaniach R-limonen był również podawany psu przez cholecystostomię w czasie 7 dni i w dawkach po 10 mL. W dniu po podaniu ostatniej dawki nie wykazano większych anomalii z wyjątkiem niewielkiego nacieku komórek zapalnych oraz zwłóknienia w brodawce Vatera [1].…”

“…Lepsze efekty w inaktywacji limonenem bakterii Escherichia coli BJ4 osiągnięto, stosując środowisko kwaśne. Naukowcy zgłębiając dezaktywujący mechanizm działania R-(+)-limonenu na patogeny, stworzyli proces wykorzystujący podgrzewanie, który pozwolił na inaktywację bakterii Escherichia coli obecnych w sokach owocowych, co pokazuje, że limonen ma potencjał do zastosowania jako substancja konserwująca żywność [5].…”

Fragrant starch-based films with limonene

“…This confirms its antibacterial and antimycotic properties, 22 however the mechanism of bacterial inactivation by limonene is not well known. 28 The lethality of this compound depended on many factors such as pH, heat treatment or type of bacteria strain. Fungi exhibited resistance for pure limonene (Fig.…”