• Keine Ergebnisse gefunden

4.   RESULTS AND DISCUSSIONS

4.1.   C HITOSAN ’ S IN VITRO ANTIMICROBIAL ACTIVITY  —   A CRITICAL LOOK

4.1.11.   Discussion

ATCC 12472, which possesses a considerable chitosan hydrolytic activity; on the other  hand the MIC for B. subtilis 165, also a chitosan‐hydrolyzing strain, was below 1 µg/ml,  indicating the absence of a direct correlation between hydrolysis and susceptibility to  chitosan. These findings debunk the theory of Beausejour et al. 13, who claimed that the  presence of a chitosan‐hydrolyzing activity is virtually synonymous with immunity  towards  chitosan,  and  therefore  suggested  its  use  together  with  a  biocontrol  strain  exhibiting chitosanolytic activity as a promising biocontrol tool. 

Although previous studies have investigated the chitosanolytic properties of a  number  of  organisms,  and  their  possible  use  for  chitosan‐degradation,  we  are  not  aware  of  any  reports  studying  the  relation  between  chitosanolytic  activity  on  one  hand, and bacterial susceptibility to chitosan in an in vitro setting. 

Whereas  both S. simulans  22  and S. aureus  SG511  have  no  chitosan‐degrading  activity, B. subtilis  168  demonstrated  an  adequate  activity  in  chitosanase‐detection  medium.  The  highest  chitosan‐hydrolyzing  activity  of B. subtilis  168  was  observed  in  cultures grown in rich media, such as TSB and BHI broth, followed by NI broth, and a  residual activity in CAMHB; the activities being detected both in the culture, as well as in  the cell‐free supernatant. 

In an in vitro setting, the potency of an antimicrobial agent is governed on the one  hand  by  its  properties  and  on  the  other  hand  by  the specific environmental  context,  including  the  type  of  growth  medium,  the  presence  of  extraneous  matter  and  the  experimental setting used to assess the potency. Underestimation of any of these factors  would inevitably lead to false conclusions. 

The  MIC  is  usually  taken  as  a  measure  of  the  susceptibility  of  a  bacterial  strain  towards  a  specific  antimicrobial  substance.  In  this  study  we  present  evidence  that  a  number  of  factors  may  account  for  large  variations  in  the  reported  MIC  values  of  chitosan in the available literature. 

The  discrepancies  between  data  may  result  from  the  different  degrees  of  deacetylation and molecular weights of chitosan. The evaluation of the dependence of  the antimicrobial activity of chitosan on each of these characteristics requires keeping  all other variables constant, for example by using chitosans of a wide MW range with  the same DD. This is however almost impossible to achieve, since chitosan is a natural  polymer; there would always be variations within product batches. Therefore, it would  be rather difficult to determine the optimal MW for the maximum antimicrobial activity. 

Liu et al. 182 studied the antimicrobial activity of chitosan against E. coli, and came  to the conclusion that its activity increased with increasing MW, up to a MW of 91.6 kDa; 

above that value, there was an inverse relationship between both. We were not able to  reach  a  similar  conclusion  based  on  our  findings;  however,  we  discovered  that  oligosaccharides lack the antimicrobial activity that is exhibited by large chains of the  polymer. This view is shared by Uchida et al. 323, who observed that chitosan oligomers  possessed weak or no antibacterial activity at levels as high as 0.5 –1.0%. In addition,  Young et al. 361  demonstrated  in  their  study  that  chitosan  increases  the  membrane  permeability of plant cells, a property shared by basic polymers, such as poly‐L‐lysine,  histone, DEAE‐dextran, protamine sulfate, and glycol chitosan;  in contrast, monomeric  D‐glucosamine and L‐lysine showed no effect at concentrations up to 500 µg/ml. On the  other hand, Rhoades and Roller 255 theorized that a mild degradion of chitosan enhances 

action.  Therefore,  it  seems  reasonable  to  suggest  that  there  seems  to  be  a  minimum  degree  of  polymerization  required  for  antimicrobial  activity,  above  which  the  activity  remains more or less constant. 

Noteworthy of mentioning is that the reported MIC values of chitosan are usually  much  higher  than  those  encountered  in  our  current  study.  Apart  from  differences  in  chitosan characteristics (including the use of plain or derivatized chitosans, oligomers  or high molecular weight polymers), we can conclusively demonstrate that this could be  ascribed  to  differences  in  experimental  settings,  including  both  the  culture  medium  used, as well as the method used for susceptibility assessment, which play critical roles  in the antimicrobial potency of chitosan. 

For  instance,  we  chose  to  use  the  broth  microdilution  method  for  susceptibility  testings, based on preliminary results that demonstrated the inferior activity of chitosan  in agar media. Nonetheless, some researchers used agar‐based methods (agar dilution 

215 and agar diffusion 128) to assess the antimicrobial potency of chitosan.  

Moreover, the antibacterial effects of chitosan and its oligosaccharides were often  studied in nutrient broth 182,335, tryptic soy broth 144,145 and phosphate buffer 318, where  the activity of chitosan is only minimal, resulting in considerably higher MIC values. In  addition,  some  of  these  researchers  tracked  the  inhibitory  effects  of  chitosan  spectrophotometrically 144,182. Based on the results of flocculation assays, we deem such  a  method  inappropriate,  due  to  large  fluctuations  in  optical  density  measurements  in  presence  of  chitosan.  Therefore,  it  seems  that  several  studies  ostensibly  demonstrating  the  antimicrobial  efficiency  of  chitosan  were  based  on  unsuitable  approaches. 

Among other criteria that need to be taken into consideration when evaluating the  efficiency  of  chitosan  for  use  as  a  preservative  is  its  concentration,  which  is  a  major  factor in antimicrobial activity. Most chitosan formulations contain high concentrations  of chitosan to achieve an optimal, broad spectrum activity. Here, we would like to point 

out that  the concentrations  of chitosan used  in this study are  far  below those used in  chitosan formulations or in other studies. For instance, Bae et al. used a 1.0% chitosan  solution in a clinical trial to study the  effect of chitosan on plaque formation 10,  while  Roller  and  Covill  studied  the  antimicrobial  properties  of  chitosan  glutamate  in  mayonnaise and mayonnaise‐based shrimp salad 259 as well as in laboratory media and  apple juice 258, at a level of 3 g/l and 0.1 ‐ 5 g/l, respectively.  

In  sum,  our  findings  uniformly  indicate  that,  while  there  is  little  doubt  that  chitosan could indeed be included as a preservative in certain systems; there is still  much  to  be  learned  about  its  antimicrobial  potential.  However,  a  stage  has  being  reached  at  which it is becoming  possible to  present  a  general account  of  the  main  criteria that should be closely observed while developing antimicrobial systems to be  implemented  into  industrial  applications.  Therefore,  at  this  point  we  would  like  to  reiterate that applications relying solely upon in vitro results should be treated with  caution, since results may differ considerably in a food or pharmaceutical formulation,  where such factors as the complexity of the medium, the presence of organic matter, the  pH of the formulation as well as the presence of other active agents, would all play an  important role in the final efficiency of the formulation.