Application of bioactive compounds in food bio-preservation and infection protection
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Université Sétif 1 - Ferhat ABBAS , Faculté des Sciences de la Nature et de la Vie
Abstract
Fungal contamination of citrus crops represents a significant issue in Algeria. The primary aim of this study is to limit fungal growth on orange fruits using the nanoemulsions obtained from plants of Origanum majorana, Citrus limon, Cymbopogon citratus and Foeniculum vulgare. The essential oils from these plants were extracted using hydrodistillation method, and their nanoemulsions were produced using ultrasonication method. The chemical composition was analyzed using a GC-MS system, and the physicochemical properties of the nanoemulsions were assessed. The antimicrobial efficacy was evaluated in vitro. Furthermore, the antifungal potential of marjoram and fennel was assessed in silico. The GC-MS analysis demonstrated that the nanoemulsification increases the concentrations of terpinen-4-ol and cis-β-terpineol in marjoram, as well as estragole and anethole in fennel, in addition to neral and geranial in both lemon and lemongrass oils, while reducing the levels of α-terpinene, fenchone, limonene, γ-terpinene, and β-myrcene. The nanoparticles exhibited a narrow particle size distribution, indicating high stability and monodispersity of the nanoemulsions. The TEM imaging of the nanoemulsions showed a spherical morphology with diverse nanometer-scale dimensions. The molecular and the phylogenetic analysis of the isolated fungi from orange fruits showed 100% homology to P. expansum and P. digitatum. the essential oils exhibited greater potency compared to their nanoemulsions, with MIC values spanning from 2% to 0.12% against bacteria and from 1% to 0.03% against fungus. Furthermore, the majority of the tested fungi were completely inhibited by lemongrass. On the other hand, F. vulgare showed the weakest antimicrobial activity. Strong binding-free energy values were observed in the interactions between essential oil or nanoemulsions and fungal enzymes, with notable docking scores (−6.6 to −7.0 kcal/mol) for aromatic components. The application of nanoemulsified marjoram, lemon and lemongrass as a coating on orange fruits significantly inhibit the growth of P. expansum and P. digitatum molds compared to uncoated samples. The use of nanoemulsions minimize negative changes in quality parameters of orange fruits throughout storage, encompassing titratable acidity (TA), pH, total soluble solids (TSS), ascorbic acid concentration, weight loss and firmness. The nanoemulsified O. majorana and C. limon did not influence the sensory attributes of the coated fruits as compared to the C. citratus nanoemulsion. Overall, the tested nanoemulsions demonstrated their high efficacy in managing pathogens affecting orange fruits
Description
La contamination fongique des cultures d'agrumes représente un problème important en Algérie. L'objectif principal de cette étude est de limiter la croissance fongique sur les fruits d'orange en utilisant les nanoemulsions obtenues à partir de plantes d’Origanum majorana, Citrus limon, Cymbopogon citratus et Foeniculum vulgare. Les huiles essentielles de ces plantes ont été extraites par hydrodistillation et leurs nanoémulsions ont été obtenues par ultrasonication. La composition chimique a été analysée à l'aide d'un appareil GC-MS, puis les propriétés physico-chimiques des nanoémulsions ont été évaluées. L'efficacité antimicrobienne a été évaluée in vitro. De plus, le potentiel antifongique de la marjolaine et du fenouil a été évalué in silico. L'analyse GC-MS a démontré que la nanoémulsification augmente les concentrations de terpinen-4-ol et de cis-β-terpinéol dans la marjolaine, ainsi que d'estragole et d'anéthole dans le fenouil, en plus de néral et de géranial dans les huiles de citron et de citronnelle, tout en réduisant les niveaux de α-terpinène, de fenchone, de limonène, de γ-terpinène et de β-myrcène. Les nanoparticules ont montré une distribution étroite des tailles de particules, indiquant une grande stabilité et une monodispersité des nanoémulsions. L'imagerie MET des nanoémulsions a montré une morphologie sphérique avec des dimensions variées à l'échelle nanométrique. L'analyse moléculaire et phylogenetique des moisissures isolées des fruits d'orange a montré une homologie de 100 % avec P. expansum et P. digitatum. Les huiles essentielles ont montré une plus grande efficacité par rapport à leurs nanoémulsions, avec des valeurs de CMI allant de 2 % à 0,12 % contre les bactéries et de 1 % à 0,03 % contre les moisissures. De plus, la majorité des moisissures testées ont été complètement inhibés par la citronelle. D’autre part, F. vulgare a montré la plus faible activité antimicrobienne. Des valeurs élevées d'énergie libre de liaison ont été observées dans les interactions entre les huiles essentielles ou les nanoémulsions et les enzymes fongiques, avec des scores de docking notables (−6,6 à −7,0 kcal/mol) pour les composants aromatiques. L'application de nanoémulsions de la marjolaine, le citron et la citronelle comme revêtement sur les fruits d'orange inhibe significativement la croissance des moisissures P. expansum et P. digitatum par rapport aux échantillons non revêtus. L'utilisation de nanoémulsions minimise les changements négatifs dans les paramètres de qualité des fruits d'orange tout au long du stockage, englobant l'acidité titrable (AT), le pH, les solides solubles totaux (SST), la concentration en acide ascorbique, la perte de poids et la fermeté. Les nanoémulsions d'O.majorana et de C. limon n'ont pas influencé les attributs sensoriels des fruits enrobés par rapport à la nanoémulsion de C. citratus. Dans l'ensemble, les nanoémulsions testées ont démontré leur haute efficacité dans le control des pathogènes affectant les fruits d'orange