SCREENING OF ESSENTIAL OILS FOR THEIR ANTIMICROBIAL ACTIVITY

СКРИНИНГ ЭФИРНЫХ МАСЕЛ НА ПРЕДМЕТ ИХ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТИ

Научная статья

Лыков И.Н.^1, *, Викторова А.С.², Муравьева А.С.³, Петелина К.О.⁴

^{1, 2, 3, 4} Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского, Калуга, Россия

* Корреспондирующий автор (linprof47[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье приведены результаты исследования антимикробной активности восьми коммерчески доступных эфирных масел: апельсина, лаванды, пихты, базилика, кедра, гвоздики, сосны и эвкалипта. Действие эфирных масел в отношении Staphylococcus aureus и Tetracoccus sp., наиболее часто присутствующих в воздухе учебных аудиторий, изучали методом возгонки в герметичной емкости, а также методом диффузии в питательном агаре. Исследование показало, что наиболее заметную антибактериальную активность в отношении стафилококка за 30 минутный интервал времени показали эфирные масла пихты, эвкалипта и гвоздики. Остальные тестируемые эфирные масла проявляли умеренное антимикробное действие. После 60-минутной экспозиции наблюдалось более заметное ингибирование стафилококка. Но и в этом случае наибольшей эффективностью обладали эфирные масла пихты, кедра, сосны и эвкалипта. Аналогичную антимикробную активность эфирные масла проявляли и в отношении тетракокка, но она была более умеренной, чем в отношении стафилококка. Метод диффузии в питательном агаре показал низкую эффективность эфирных масел в отношении стафилококка и тетракокка, что может быть связано с физико-химическими особенностями масел. Лишь у эфирного масла эвкалипта и в меньшей степени гвоздики наблюдались зоны задержки роста стафилококка.

Ключевые слова: стафилококк, тетракокк, эфирные масла, антимикробное действие.

SCREENING OF ESSENTIAL OILS FOR THEIR ANTIMICROBIAL ACTIVITY

Research article

Lykov I.N.^1, *, Viktorova A.S.², Muravyeva A.S.³, Petelina K.O.⁴

^{1, 2, 3, 4} Kaluga State University, Kaluga, Russia

* Corresponding author (linprof47[at]yandex.ru)

Abstract

The article presents the results of a study of the antimicrobial activity of eight commercially available essential oils: orange, lavender, fir, basil, cedar, clove, pine and eucalyptus. The effect of essential oils on Staphylococcus aureus and Tetracoccus sp., which are most often present in the air of classrooms, is studied by the method of sublimation in a sealed container, as well as by the method of diffusion in nutrient agar. The study demonstrates that the most noticeable antibacterial activity against staphylococcus in a 30-minute time interval is shown by essential oils of fir, eucalyptus and clove, while the rest of the tested essential oils show moderate antimicrobial effect. After a 60-minute exposure, a more noticeable inhibition of staphylococcus is observed. However, even in this case, the essential oils of fir, cedar, pine and eucalyptus are observed to be the most effective. The essential oils also show similar antimicrobial activity against tetracoccus, but it is more moderate than against staphylococcus. The method of diffusion in nutrient agar shows a low efficiency of essential oils against staphylococcus and tetracoccus, which may be due to the physicochemical characteristics of the oils. Only the essential oil of eucalyptus and, to a lesser extent, cloves have areas of staphylococcus growth delay.

Keywords: staphylococcus, tetracoccus, essential oils, antimicrobial effect.

Введение

Эфирные масла представляют сложный комплекс веществ различной химической природы, определяющих ароматические свойства растений. Их название связано с довольно высокой летучестью и способностью выделяться из растительных тканей с водяными парами. Эфирные масла ряда растений содержат в качестве основных компонентов летучие фенольные соединения, обладающие сильным и характерным запахом [1], [2].

По различным оценкам около 700000 видов растений обладают лечебными свойствами и могут использоваться в качестве антибактериальных, противовирусных, противогрибковых, ларвицидных, противоаллергических и антиканцерогенных агентов.

Промышленное производство эфирных масел является одной из старейших отраслей ряда стран Европы, Азии и Америки. В Европе оно началось с конца ХVII века. В России эфиромасличное производство создано в 20-е годы ХХ века на основе первых сортов, выведенных селекционерами Никитского ботанического сада.

Современный объем производства эфирных масел составляет во всем мире до 247,08 килотонн в год со среднегодовым темпом роста 7,5%, для чего используется более 300 видов культурных и дикорастущих эфироносов. Основной объем производства эфирных масел сосредоточен в Европе, странах Северной и Южной Америки, Азии [3]. Ожидается, что рынок будет определяться увеличением спроса за счет растущего использования в продуктах питания и напитках, средствах личной гигиены и косметики, а также для нужд ароматерапии.

Спектр биологической активности эфирных масел и их компонентов довольно широк. Например, монотерпеноиды оказывают обезболивающее, антигельминтное, антимикробное, инсектицидное, антивирусное, антигистаминное, противовоспалительное, противоревматическое, антиканцерогенное, диуретическое, гипотензивное и др. действия [4], [5], [6].

Изучение антимикробной активности эфирных масел растений (ЭМ) стало предметом многих научных исследований за последние два десятилетия. Спектр антимикробного действия эфирных масел и их компонентов затрагивает практически все группы микроорганизмов. Они способны подавлять развитие плесневых грибов, вирусов и различные виды простейших [5], [6]. Вместе с тем в оценке антимикробной активности смесей терпеновых соединений и эфирных масел имеются противоречивые точки зрения. Во многих случаях не удается связать антимикробную активность с составом эфирных масел. Основной причиной значительного разброса оценок антимикробной активности эфирных масел является своеобразие их физико-химических свойств, обусловленное химической природой терпеновых соединений. Для них характерна резко выраженная липофильность, вследствие чего при традиционных приемах применения, особенно в водных средах, не удается достичь однородности системы и эффективного контакта компонентов эфирного масла с компонентами водной фазы [7].

Ограничивающими факторами являются также низкая устойчивость эфирных масел в жидком состоянии к действию света и кислорода. Происходящие при этом окисление и полимеризация приводят к быстрой потере антимикробных свойств и изменению других качеств, в результате чего практическое применение их становится невозможным [8], [9], [10]. 

Методика исследований

В эксперименте использовали эфирные масла апельсина, лаванды, пихты, базилика, кедра, гвоздики, сосны и эвкалипта. В качестве тест-культур использовали культуры Staphylococcus aureus и Tetracoccus sp., выделенные из воздуха учебных аудиторий. Тест-культуры засевали газоном в чашки Петри с питательным агаром.

В качестве герметичных упаковок использовали стеклянные емкости объемом 3 литра (рис 1), в которые на нитках подвешивали по два кусочка бязи (1х1 см.). Каждый кусочек бязи предварительно смачивали в колбе с суспензией стафилококка или тетракокка.

Рис. 1 – Схема установки для исследования противогрибковой активности эфирных масел:

1 – крышка; 2 – крепеж ниток; 3 – кусочки бязи, пропитанные эфирным маслом; 4 – стеклянная емкость; 5 – пластиковый стаканчик

 

На дно банок помещали пластиковый стаканчик, в который добавляли по 1 мл исследуемого эфирного масла. Кусочки бязи находились от поверхности пластикового стаканчика с эфирным маслом на расстоянии 10 см. Банки закрывали полиэтиленовой крышкой.

Через 30 минут снимали 1 кусочек бязи из каждой банки. Кусочек бязи аккуратно срезали ножницами с нитки в подготовленную пробирку с физиологическим раствором и энергично встряхивали. Таким же образом через 60 минут обрабатывали второй кусочек бязи из каждой банки. Из полученных смывов осуществляли посев по 0,5 мл на две чашки Петри с питательным агаром. Посевы термостатировали в течение суток при 37,5^оС.

Эффективность антимикробного действия определяли по формуле:

 

где А – исходное число микроорганизмов, В – остаточное число микроорганизмов.

Для определения антимикробной активности эфирного масла использовали метод диффузии в питательном агаре. Суспензию каждого исследуемого образца микроорганизма, разбавленную до 6×10⁴ клеток/мл, распределяли шпателем Дригальского на поверхности питательного агара в чашках Петри. Диски из фильтровальной бумаги (диаметром 6 мм) пропитывали 0,1 мл исследуемого эфирного масла и помещали на поверхность засеянного агара. Чашки инкубировали при 37°C в течение 24 часов. Диаметр зон ингибирования измеряли в миллиметрах.

В качестве контроля использовали культуры Staphylococcus aureus и Tetracoccus sp. без воздействия эфирных масел. 

Результаты исследования

Нами установлено, что наиболее заметным антимикробным действием в отношении стафилококка за 30 минутный интервал времени обладали эфирные масла пихты, эвкалипта и гвоздики (рис. 2). Остальные эфирные масла проявляли умеренное антимикробное действие.

Рис. 2 – Антимикробное действие эфирных масел в отношении стафилококка

 

После 60-минутной экспозиции наблюдался более высокий уровень антимикробной активности. Но и в этом случае наибольшей эффективностью обладали эфирные масла пихты, кедра, сосны и эвкалипта. Умеренную антимикробную активность проявляли эфирные масла апельсина, лаванды, базилика.

Аналогичную антимикробную активность эфирные масла проявляли и в отношении тетракокка (рис. 3). При этом эфирные масла апельсина, лаванды, кедра и эвкалипта проявляли большую антимикробную активность в отношении тетракокка, чем стафилококка. Хотя эфирные масла пихты, кедра, сосны и эвкалипта и обладали наибольшей антимикробной эффективностью, но она была несколько умеренной, чем в отношении стафилококка.

Исследование антимикробной активности эфирных масел методом диффузии в питательном агаре показало их низкую эффективность в отношении и стафилококка и тетракокка. Лишь у эфирного масла эвкалипта и в меньшей степени гвоздики наблюдались зоны задержки роста стафилококка (рис. 4). Это может быть связано с низкой диффундирующей способностью эфирных масел в агаризированной среде.

Рис. 3 – Антимикробное действие эфирных масел в отношении тетракокка

Рис. 4 – Зоны задержки роста микроорганизмов при диффузии эфирных масел в питательном агаре:

1 – масло кедра; 2 – масло эвкалипта; 3– масло пихты; 4 – масло базилика; 5 – масло гвоздики; 6 – масло апельсина; 7 – масло лаванды; 8 – масло сосны

 

Недостаточно высокая антимикробная активность эфирных масел может быть связана с тем, что исследованные дешевые коммерческие эфирные масла могут представлять собой смесь растительного масла с небольшим процентом эфирного масла, искусственных ароматизаторов или более дешевых эфирных масел из других растений, близких по аромату, но не обладающих требуемыми свойствами.

Выводы

1. Наиболее эффективным антимикробным действием на Staphylococcus aureus при возгонке в герметичной емкости обладали эфирные масла пихты, эвкалипта и гвоздики.
2. Наибольшую антимикробную активность в отношении Tetracoccus sp. показали летучие компоненты эфирных масел апельсина, лаванды, кедра и эвкалипта.
3. Эфирные масла обладают низкой диффундирующей способностью в агаризированной среде. Это может быть связано с липофильностью и низкой устойчивостью эфирных масел в жидком состоянии. Лишь у эфирного масла эвкалипта и в меньшей степени гвоздики наблюдались зоны задержки роста стафилококка на питательном агаре.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Кинтя П.К. Терпеноиды растений / П.К. Кинтя, Ю.М. Фадеев, Ю.А. Акимов. - Кишинев: Штиинца, 1990. - 152 с.
2. Predoi D. Antimicrobial Activity of New Materials Based on Lavender and Basil Essential Oils and Hydroxyapatite / D. Predoi, S.L. Iconaru, N. Buton et al. // Nanomaterials. – 2018. – V. 8(5). Р. 291. doi.org/10.3390/nano8050291
3. Barbieri C. Essential Oils: Market and Legislation / C. Barbieri and P. Borsotto // Potential of Essential Oils. 2018. [Electronic resource]. URL: https://www.intechopen.com/books/potential-of-essential-oils/essential-oils-market-and-legislation (accessed: 12.06.2021)
4. Лыков И.Н. Антимикробная и био­логическая активность эфирных масел и их компонентов / И.Н. Лыков, Л.П. Давидюк, О.П. Павлова // Труды международной научно-практической конференции “Охрана атмосферного воздуха: системы мониторинга и защиты. – Пенза, 1999. С. 112-119
5. Лыков И.Н. Исследование противогрибковой активности действия эфирных масел / И.Н. Лыков // Тенденции развития науки и образования. 2019. №51. С. 17-20.
6. Dhifi W. Essential Oils’ Chemical Characterization and Investigation of Some Biological Activities: A Critical Review / W. Dhifi, S. Bellili, S. Jazi et al. // Medicines. – 2016. – V. 3(25). – Р. 2-6. [Electronic resource]. URL: www.mdpi.com/journal/medicines (accessed: 12.06.2021)
7. Jain S.R. The antimicrobial activity of some essential oils and their combinations / S.R. Jain, A. Kar // Planta medica. – 1971. – V. 20. – No.2. Р. 118-123.
8. Demo M. Antimicrobial Activity of Essential Oils Obtained from Aromatic Plants of Argentina / M. Demo, M. Oliva de las, M.L. López et al. // Pharmaceutical Biology. – 2005. – V. 43. –No. 2. – Р. 129–134.
9. Thielmann J. Screening essential oils for their antimicrobial activities against the foodborne pathogenic bacteria Escherichia coli and Staphylococcus aureus / J. Thielmann, P. Muranyib, P. Kazman // Heliyon. – 2019. – V. 5. – e01860.
10. Amor Gh. Basil Essential Oil: Composition, Antimicrobial Properties and Microencapsulation to Produce Active Chitosan Films for Food Packaging / Gh. Amor, M. Sabbah, L. Caputo et al. // Foods. – 2021. – V. 10. – Р. 121.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kintya P. K. Terpenoidy rastenijj [Terpenoids of plants] / P. K. Kinya, Yu. M. Fadeev, Yu. A. Akimov.- Chisinau: Shtiintsa, 1990. - 152 p. [in Russian]
2. Predoi D. Antimicrobial Activity of New Materials Based on Lavender and Basil Essential Oils and Hydroxyapatite / D. Predoi, S.L. Iconaru, N. Buton et al. // Nanomaterials. – 2018. – V. 8(5). Р. 291. doi.org/10.3390/nano8050291
3. Barbieri C. Essential Oils: Market and Legislation / C. Barbieri and P. Borsotto // Potential of Essential Oils. 2018. [Electronic resource]. URL: https://www.intechopen.com/books/potential-of-essential-oils/essential-oils-market-and-legislation (accessed: 12.06.2021)
4. Lykov I. N. Antimikrobnaja i biologicheskaja aktivnost' ehfirnykh masel i ikh komponentov [Antimicrobial and­biological activity of essential oils and their components] / I. N. Lykov, L. P. Davidyuk, O. P. Pavlova // Trudy mezhdunarodnojj nauchno-prakticheskojj konferencii “Okhrana atmosfernogo vozdukha: sistemy monitoringa i zashhity [Proceedings of the international scientific and practical conference "Atmospheric air protection: system of monitoring and protection topics]. - Penza, 1999, pp. 112-119 [in Russian]
5. Lykov I. N. Issledovanie protivogribkovojj aktivnosti dejjstvija ehfirnykh masel [Investigation of antifungal activity of the action of essential oils] / I. N. Lykov // Tendencii razvitija nauki i obrazovanija [Trends in the development of science and education]. 2019. №51, pp. 17-20 [in Russian]
6. Dhifi W. Essential Oils’ Chemical Characterization and Investigation of Some Biological Activities: A Critical Review / W. Dhifi, S. Bellili, S. Jazi et al. // Medicines. – 2016. – V. 3(25). – Р. 2-6. [Electronic resource]. URL: www.mdpi.com/journal/medicines (accessed: 12.06.2021)
7. Jain S.R. The antimicrobial activity of some essential oils and their combinations / S.R. Jain, A. Kar // Planta medica. – 1971. – V. 20. – No.2. Р. 118-123.
8. Demo M. Antimicrobial Activity of Essential Oils Obtained from Aromatic Plants of Argentina / M. Demo, M. Oliva de las, M.L. López et al. // Pharmaceutical Biology. – 2005. – V. 43. –No. 2. – Р. 129–134.
9. Thielmann J. Screening essential oils for their antimicrobial activities against the foodborne pathogenic bacteria Escherichia coli and Staphylococcus aureus / J. Thielmann, P. Muranyib, P. Kazman // Heliyon. – 2019. – V. 5. – e01860.
10. Amor Gh. Basil Essential Oil: Composition, Antimicrobial Properties and Microencapsulation to Produce Active Chitosan Films for Food Packaging / Gh. Amor, M. Sabbah, L. Caputo et al. // Foods. – 2021. – V. 10. – Р. 121.