Prozessentwicklung für die Sprühtrocknung von probiotischen Bakterien und Bewertung der Produktqualität
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Schritte zur Herstellung und physikalisch-chemischen Charakterisierung eines sprühgetrockneten probiotischen Produkts.
Abstract
Probiotika und Präbiotika sind aufgrund ihrer gesundheitlichen Vorteile für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von großem Interesse. Probiotika sind lebende Bakterien, die sich positiv auf das Wohlbefinden von Mensch und Tier auswirken können, während Präbiotika Arten von Nährstoffen sind, die die nützlichen Darmbakterien ernähren. Probiotika in Pulverform haben aufgrund der Leichtigkeit und Praktikabilität ihrer Einnahme und Integration in die Ernährung als Nahrungsergänzungsmittel an Popularität gewonnen. Der Trocknungsprozess beeinträchtigt jedoch die Lebensfähigkeit der Zellen, da hohe Temperaturen probiotische Bakterien inaktivieren. In diesem Zusammenhang zielte diese Studie darauf ab, alle Schritte bei der Herstellung und physikalisch-chemischen Charakterisierung eines sprühgetrockneten Probiotikums darzustellen und den Einfluss der Schutzmittel (simulierte Magermilch und Inulin:Maltodextrin-Assoziation) und der Trocknungstemperaturen auf die Erhöhung der Pulverausbeute und Zellviabilität zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass die simulierte Magermilch eine höhere probiotische Lebensfähigkeit bei 80 °C förderte. Mit diesem Schutzmittel verringern sich die Lebensfähigkeit von Probiotika, der Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivität (Aw), solange die Eintrittstemperatur steigt. Die Lebensfähigkeit der Probiotika nimmt umgekehrt mit der Trocknungstemperatur ab. Bei Temperaturen nahe 120 °C zeigte das getrocknete Probiotikum eine Lebensfähigkeit von etwa 90 %, einen Feuchtigkeitsgehalt von 4,6 Gew.-% und einen Aw von 0,26; Werte, die ausreichen, um die Produktstabilität zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang sind Sprühtrocknungstemperaturen über 120 °C erforderlich, um die Lebensfähigkeit und Haltbarkeit der mikrobiellen Zellen in der pulverförmigen Zubereitung und das Überleben während der Lebensmittelverarbeitung und -lagerung zu gewährleisten.
Introduction
Um als Probiotika definiert zu werden, müssen Mikroorganismen, die Lebensmitteln (oder Nahrungsergänzungsmitteln) zugesetzt werden, lebend verzehrt werden, in der Lage sein, während der Passage im Magen-Darm-Trakt des Wirts zu überleben und den Wirkort in ausreichender Menge zu erreichen, um positive Wirkungen auszuüben 1,2,7.
Das wachsende Interesse an Probiotika ist auf die verschiedenen Vorteile für die menschliche Gesundheit zurückzuführen, die sie mit sich bringen, wie z. B. die Stimulierung des Immunsystems, die Senkung des Serumcholesterinspiegels und die Verbesserung der Darmbarrierefunktion durch die Bekämpfung schädlicher Mikroben sowie ihre positiven Auswirkungen bei der Behandlung des Reizdarmsyndroms. u.a. 2,3. Darüber hinaus haben mehrere Studien gezeigt, dass Probiotika andere Teile des menschlichen Körpers positiv beeinflussen können, in denen unausgewogene mikrobielle Gemeinschaften Infektionskrankheiten verursachen können 3,4,5.
Damit Probiotika therapeutisch wirksam sind, sollte das Produkt zum Zeitpunkt des Verzehrs zwischen 10 6und 10 7 KBE/g Bakterien enthalten6. Auf der anderen Seite haben das italienische Gesundheitsministerium und Health Canada festgelegt, dass der Mindestgehalt an Probiotika in Lebensmitteln 109 KBE/g lebensfähige Zellen pro Tag bzw.pro Portion betragen sollte. In Anbetracht der Tatsache, dass hohe Mengen an Probiotika erforderlich sind, um sicherzustellen, dass sie positive Wirkungen haben, ist es wichtig, ihr Überleben während der Verarbeitung, der Lagerung im Regal und der Passage durch den Magen-Darm-Trakt zu gewährleisten. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Mikroverkapselung eine wirksame Methode ist, um die Gesamtlebensfähigkeit von Probiotika zu verbessern 8,9,10,11.
In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Methoden zur Mikroverkapselung von Probiotika entwickelt, wie z. B. Sprühtrocknung, Gefriertrocknung, Sprühkühlung, Emulsion, Extrusion, Koazervation und in jüngerer Zeit Wirbelschichten11,12,13,14. Die Mikroverkapselung durch Sprühtrocknung (SD) ist in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet, da sie ein einfaches, schnelles und reproduzierbares Verfahren ist. Es ist einfach zu skalieren und hat eine hohe Produktionsausbeute bei geringem Energiebedarf11,12,13,14. Nichtsdestotrotz können hohe Temperaturen und ein niedriger Feuchtigkeitsgehalt das Überleben und die Lebensfähigkeit der probiotischen Zellen beeinträchtigen15. Beide Parameter können für einen bestimmten Stamm verbessert werden, indem die Auswirkungen des Kulturalters und der Kulturbedingungen bestimmt werden, um die Kultur vorzuadaptieren und die Sprühtrocknungsbedingungen (Ein- und Auslasstemperaturen, Zerstäubungsprozess) und die verkapselnde Zusammensetzung zu optimieren 8,14,16,17,18.
Auch die Zusammensetzung der Verkapselungslösung ist ein wichtiger Faktor bei der SD, da sie das Schutzniveau gegen widrige Umweltbedingungen bestimmen kann. Inulin, Gummi arabicum, Maltodextrine und Magermilch werden häufig als Verkapselungsmittel für die probiotische Trocknung verwendet 5,17,18,19. Inulin ist ein Fructooligosaccharid, das eine starke präbiotische Aktivität aufweist und die Darmgesundheit fördert19. Magermilch ist sehr wirksam bei der Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit getrockneter Bakterienzellen und erzeugt ein Pulver mit guten Rekonstitutionseigenschaften17.
Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 ist ein Milchsäurebakterium, das neben probiotischen Eigenschaften auch Bacteriocin produziert und eine antilisterische Aktivität aufweist20,21. Es handelt sich um ein fakultatives heterofermentatives, stäbchenförmiges grampositives Bakterium, das von 15 °C auf 37 °C20 wächst und mit der homöostatischen Körpertemperatur kompatibel ist. Ziel dieser Studie war es, alle Schritte der Herstellung und physikalisch-chemischen Charakterisierung eines sprühgetrockneten Probiotikums (L. paraplantarum FT-259) darzustellen und den Einfluss der Schutzmittel und der Trocknungstemperaturen zu bewerten.
Protocol
Representative Results
Discussion
L. paraplantarum FT-259 ist ein grampositives, stäbchenförmiges Bakterium, produziert Bakteriozine mit antilisterieller Wirkung und hat ein hohes probiotisches Potenzial20. Son et al.24 haben bereits die immunstimulierende und antioxidative Wirkung von L. paraplantarum-Stämmen nachgewiesen. Außerdem haben sie ein großes probiotisches Potenzial mit Eigenschaften wie Stabilität unter künstlichen Magen- und Gallenbedingungen, Anfälligkeit für Antibio…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde teilweise vom Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Finance Code 001 finanziert. Diese Studie wurde zum Teil auch von der FAPESP – São Paulo Research Foundation unterstützt. E.C.P.D.M. ist dankbar für ein Researcher Fellowship des National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) 306330/2019-9.
Materials
| Aqua Lab 4TEV | Decagon Devices | – | Water activity meter |
| Centrifuge (mod. 5430 R ) | Eppendorf | – | Centrifuge |
| Colloidal SiO2 (Aerosil 200) | Evokik | 7631-86-9 | drying aid |
| Fructooligosaccharides from chicory | Sigma-Aldrich | 9005-80-5 | drying aid |
| GraphPad Prism (version 8.0) software | GraphPad Software | – | San Diego, California, USA |
| Karl Fischer 870 Titrino Plus | Metrohm | – | Moisture content |
| Lactose | Milkaut | 63-42-3 | drying aid |
| Maltodextrin | Ingredion | 9050-36-6 | drying aid |
| Milli-Q | Merk | – | Ultrapure water system |
| MRS Agar | Oxoid | – | Culture medium |
| MRS Broth | Oxoid | – | Culture medium |
| OriginPro (version 9.0) software | OriginLab | – | Northampton, Massachusetts, USA |
| Spray dryer SD-05 | Lab-Plant Ltd | – | Spray dryer |
| Whey protein | Arla Foods Ingredients S.A. | 91082-88-1 | drying aid |
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