Anthocyanins from agricultural waste: a source of next generation antimicrobials?

To treat microbial infections, antibiotics are life-saving but the increasing antimicrobial resistance is a World-wide problem. Therefore, there is a great need for novel antimicrobial substances. Fruit and flower anthocyanins have been recognized as promising alternatives to traditional antibiotics. How-ever, for future application as innovative alternative antibiotics, the full potential of anthocyanins should be further investigated.
The antimicrobial potential of anthocyanin mixtures against different bacterial species has been demonstrated in literature. Preliminary experiments performed by our laboratories, using grape, rose and red cabbage anthocyanins against S. aureus and E. coli confirmed the antimicrobial potential of these substances. Hundreds of different anthocyanin entities have been described. However, which of these entities hold antimicrobial effects is currently unknown. Our preliminary data show that an-thocyanins extracted from grape, rose and red cabbage contain different collections of anthocyanin entities with differential antimicrobial efficacies.
Our focus is on the extraction and characterization of anthocyanins from various crop residues. Grape peels are residues in the production of wine, while red rose and tulip leaves are residues in the production of tulip bulbs and regular horticulture. The presence of high-grade substances for pharmacological purposes in these crops may provide an innovative strategy to add value to other-wise invaluable crop residues.
This project will be performed by the collaborative effort of our institute together with the Medi-cal Microbiology department of the University Medical Center Groningen (UMCG), 'Wijnstaete', a small-scale wine-producer (Lemelerveld) and Imenz Bioengineering (Groningen), a company that develops processes to improve the production of biobased chemicals from waste products. Within this project, we will focus on the antimicrobial efficacy of anthocyanin-mixtures from sources that are abundantly and locally available as a residual waste product. The project is part of a larger re-search effect to further characterize, modify and study the antimicrobial effects of specific anthocy-anin entities.

Eindrapportage

Het overmatig en verkeerd gebruik van antibiotica heeft ertoe geleid dat
steeds meer bacteriestammen verminderd gevoelig of zelfs ongevoelig zijn
geworden voor de huidige antibiotica. Hierdoor zijn infectieziekten steeds
moeilijker te behandelen. Dit groeiende, ernstige en wereldwijde probleem
wordt onderkend door de WHO en vraagt onder meer om de ontwikkeling van
nieuwe antibiotica waartegen bacteriestammen nog niet resistent zijn.
In het huidige project heeft de Hanzehogeschool, in samenwerking met de
afdeling Medische Microbiologie van het UMCG en IMEnz Bioengineering
onderzocht of anthocyanen afkomstig van bloemen of vruchten bacteriegroei
zouden kunnen remmen. Het gebruikte plantaardige materiaal was afkomstig
uit plantaardige afvalstromen en draagt daardoor ook bij aan verwaarding van
afval.
Anthocyanen zijn de kleurstoffen die verschillende bloemen en vruchten
hun rood-paarse kleur geven. Inmiddels zijn meer dan 600 verschillende
anthocyanen beschreven die in verschillende samenstellingen voorkomen in
verschillende bloemen en vruchten. Bij de Hanzehogeschool is een specifieke
extractiemethode ontwikkeld waarmee anthocyanen gezuiverd kunnen
worden van de andere stoffen die zich in het plantmateriaal bevinden. Deze
zuivere anthocyaanextracten werden vervolgens getest op hun bacteriegroeiremmende capaciteit.
Analyse van de verkregen extracten liet zien dat deze zuiver waren en dat
de anthocyaan-samenstelling specifiek was voor het gebruikte
uitgangsmateriaal. Dit wil zeggen, in tulpenbladeren bevinden zich andere
anthocyanen dan in rozenbladeren en druivenschillen.
De extracten waren niet alleen verschillend in anthocyaansamenstelling,
maar ook in antimicrobiële werking. Alle geteste extracten lieten remming van
de bacteriegroei zien in relatief lage concentraties, waarbij het extract van
rozen en tulpen effectiever was dan het extract van druiven. Daarbij
interfereerde het druivenextract sterk met de gebruikte assays. Grampositieve bacteriestammen waren over het algemeen gevoeliger dan gramnegatieve bacteriestammen.
Onze resultaten zijn veelbelovend: anthocyanen lijken een duidelijke
antimicrobiële werking te bezitten. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen
welk anthocyaanmolecuul in de extracten verantwoordelijk is voor de gemeten
effecten. Daarnaast zal verder onderzoek moeten uitwijzen of anthocyanen in
de toekomst ingezet kunnen worden als alternatief voor de huidige antibiotica.