תהליך פיתוח לייבוש בהתזה של חיידקים פרוביוטיים והערכת איכות המוצר
Summary
פרוטוקול זה מפרט את השלבים הכרוכים בייצור ואפיון פיסיקוכימי של מוצר פרוביוטי מיובש בהתזה.
Abstract
פרוביוטיקה ופרה-ביוטיקה מעניינות מאוד את תעשיות המזון והתרופות בשל היתרונות הבריאותיים שלהן. חיידקים פרוביוטיים הם חיידקים חיים שיכולים להעניק השפעות מועילות על רווחת האדם ובעלי החיים, ואילו פרה-ביוטיקה היא סוג של חומרים מזינים שמזינים את חיידקי המעי המועילים. אבקת פרוביוטיקה צברה פופולריות בשל הקלות והמעשיות של בליעתם ושילובם בתזונה כתוסף מזון. עם זאת, תהליך הייבוש מפריע ליכולת הקיום של התא, שכן טמפרטורות גבוהות משביתות חיידקים פרוביוטיים. במסגרת זו, מחקר זה ביקש להציג את כל השלבים הכרוכים בייצור ואפיון פיסיקוכימי של פרוביוטיקה מיובשת בהתזה ולהעריך את השפעת חומרי ההגנה (חלב רזה מדומה ואינולין:קשר מלטודקסטרין) וטמפרטורות הייבוש בהגדלת תפוקת האבקה וכדאיות התא. התוצאות הראו כי חלב רזה מדומה קידם כדאיות פרוביוטית גבוהה יותר ב 80 מעלות צלזיוס. עם הגנה זו, הכדאיות הפרוביוטית, תכולת הלחות ופעילות המים (Aw) פוחתים כל עוד טמפרטורת הכניסה עולה. יכולת הקיום של הפרוביוטיקה פוחתת לעומת זאת עם טמפרטורת הייבוש. בטמפרטורות קרובות ל-120°C, הפרוביוטיקה המיובשת הראתה חיוניות סביב 90%, תכולת לחות של 4.6% w/w, ו-Aw של 0.26; ערכים נאותים כדי להבטיח את יציבות המוצר. בהקשר זה, נדרשות טמפרטורות ייבוש בהתזה מעל 120 מעלות צלזיוס כדי להבטיח את יכולת הקיום של התאים המיקרוביאליים ואת חיי המדף שלהם בהכנת האבקה והישרדותם במהלך עיבוד המזון ואחסונו.
Introduction
כדי להיות מוגדרים כפרוביוטיקה, מיקרואורגניזמים שנוספו למזונות (או תוספים) צריכים להיות נצרכים, להיות מסוגלים לשרוד במהלך המעבר במערכת העיכול של המארח, ולהגיע לאתר הפעולה בכמויות נאותות כדי להפעיל השפעות מועילות 1,2,7.
העניין הגובר בפרוביוטיקה נובע ממספר יתרונות לבריאות האדם שהם מעניקים, כגון גירוי מערכת החיסון, הפחתת רמות הכולסטרול בסרום ושיפור תפקוד מחסום המעי על ידי פעולה נגד חיידקים מזיקים, כמו גם ההשפעות המיטיבות שלהם בטיפול בתסמונת המעי הרגיז. בין היתר 2,3. בנוסף, מספר מחקרים הוכיחו כי פרוביוטיקה יכולה להשפיע באופן חיובי על חלקים אחרים בגוף האדם שבהם קהילות חיידקים לא מאוזנות יכולות לגרום למחלות זיהומיות 3,4,5.
כדי שפרוביוטיקה תהיה יעילה מבחינה טיפולית, המוצר צריך להכיל בין 10 6-107 CFU/g של חיידקים בזמן הצריכה6. מצד שני, משרד הבריאות האיטלקי וקנדה קבעו כי הרמה המינימלית של פרוביוטיקה במזון צריכה להיות 109 CFU/g של תאים קיימא ליום או למנה, בהתאמה7. בהתחשב בכך שיש צורך בעומסים גבוהים של חיידקים פרוביוטיים כדי להבטיח שיהיו להם השפעות מועילות, חיוני להבטיח את הישרדותם במהלך העיבוד, אחסון המדף והמעבר במערכת העיכול (GI). מספר מחקרים הוכיחו כי מיקרואנקפסולציה היא שיטה יעילה לשיפור הכדאיות הכוללת של פרוביוטיקה 8,9,10,11.
בהקשר זה, פותחו מספר שיטות למיקרואנקפסולציה של פרוביוטיקה, כגון ייבוש בהתזה, ייבוש בהקפאה, קירור בהתזה, תחליב, שחול, קואצרבציה, ולאחרונה, מיטות נוזליות 11,12,13,14. מיקרואנקפסולציה על ידי ייבוש בהתזה (SD) נמצאת בשימוש נרחב בתעשיית המזון מכיוון שהיא תהליך פשוט, מהיר וניתן לשחזור. קל להגדיל אותו, ויש לו תפוקת ייצור גבוהה בדרישות אנרגיה נמוכות11,12,13,14. עם זאת, החשיפה לטמפרטורות גבוהות ותכולת לחות נמוכה יכולה להשפיע על הישרדותם ועל יכולת הקיום של התאים הפרוביוטיים15. ניתן לשפר את שני הפרמטרים עבור זן נתון על ידי קביעת ההשפעות של גיל התרבית והתנאים כדי להתאים מראש את התרבית ולייעל את תנאי הייבוש בריסוס (טמפרטורות כניסה ויציאה, תהליך אטומיזציה) ואת הרכב המעטפת 8,14,16,17,18.
הרכב התמיסה העוטפת הוא גם גורם חשוב במהלך SD מכיוון שהוא יכול להגדיר את רמת ההגנה מפני תנאים סביבתיים קשים. אינולין, גומי ערבי, מלטודקסטרין וחלב רזה נמצאים בשימוש נרחב כחומרים עוטפים לייבוש פרוביוטי 5,17,18,19. אינולין הוא פרוקטואוליגוסכריד המציג פעילות פרה-ביוטית חזקה ומקדם את בריאות המעי19. חלב דל שומן יעיל מאוד בשמירה על הכדאיות של תאי חיידקים מיובשים ומייצר אבקה עם תכונות reconstitution טוב17.
Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 הוא חיידק חומצה לקטית המייצר בקטריוצין ומציג פעילות אנטיליסטריאלית, מלבד תכונות פרוביוטיות20,21. זהו חיידק גראם-חיובי בצורת מוט הטרופרמנטטיבי פקולטטיבי הגדל מ 15 ° C ל 37 ° C20 והוא תואם לטמפרטורת הגוף ההומיאוסטטי. מחקר זה נועד להציג את כל השלבים הכרוכים בייצור ואפיון פיסיקוכימי של פרוביוטיקה מיובשת בריסוס (L. paraplantarum FT-259) ולהעריך את השפעת חומרי ההגנה וטמפרטורות הייבוש.
Protocol
Representative Results
Discussion
ל. פרפלנטרום FT-259 הוא חיידק גראם-חיובי, בצורת מוט, הוא יצרן של בקטריוצינים בעלי פעילות אנטי-ליסטריאלית, ובעל פוטנציאל פרוביוטי גבוה20. Son et al.24 הדגימו בעבר את היכולת החיסונית ונוגדת החמצון של זני L. paraplantarum. חוץ מזה, יש להם פוטנציאל פרוביוטי גדול, עם תכונות כג?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן בחלקו על ידי Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Finance Code 001. מחקר זה נתמך בחלקו גם על ידי FAPESP – קרן המחקר של סאו פאולו. E.C.P.D.M. אסירת תודה על מלגת חוקר מטעם המועצה הלאומית לפיתוח מדעי וטכנולוגי (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 |
References
- Food and Agricultural Organization of the United Nations and World Health Organization. Probiotics in food: Health and nutritional properties and guidelines for evaluation. FAO Food and Nutrition Paper 85. Food and Agricultural Organization. , (2006).
- Sharma, R., Rashidinejad, A., Jafari, S. M. Application of spray dried encapsulated probiotics in functional food formulations. Food and Bioprocess Technology. 15, 2135-2154 (2022).
- Reid, G. Probiotic use in an infectious disease setting. Expert Review of Anti-Infective Therapy. 15 (5), 449-455 (2017).
- Alvarez-Olmos, M. I., Oberhelman, R. A. Probiotic agents and infectious diseases: a modern perspective on a traditional therapy. Clinical Infectious Diseases. 32 (11), 1567-1576 (2001).
- He, X., Zhao, S., Li, Y. Faecalibacterium prausnitzii: A next-generation probiotic in gut disease improvement. Canadian Journal of Infectious Diseases and Medical Microbiology. 2021, 6666114 (2021).
- Corona-Hernandez, R. I., et al. Structural stability and viability of microencapsulated probiotic bacteria: A review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 12 (6), 614-628 (2013).
- Hill, C., et al. The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics consensus statement on the scope and appropriate use of the term probiotic. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. 11 (8), 506-514 (2014).
- Chávez, B. E., Ledeboer, A. M. Drying of probiotics: Optimization of formulation and process to enhance storage survival. Drying Technology. 25 (7-8), 1193-1201 (2007).
- Wang, G., Chen, Y., Xia, Y., Song, X., Ai, L. Characteristics of probiotic preparations and their applications. Foods. 11 (16), 2472 (2022).
- Baral, K. C., Bajracharya, R., Lee, S. H., Han, H. -. K. Advancements in the pharmaceutical applications of probiotics: Dosage forms and formulation technology. International Journal of Nanomedicine. 16, 7535 (2021).
- Bustamante, M., Oomah, B. D., Rubilar, M., Shene, C. Effective Lactobacillus plantarum and Bifidobacterium infantis encapsulation with chia seed (Salvia hispanica L.) and flaxseed (Linum usitatissimum L.) mucilage and soluble protein by spray drying. Food Chemistry. 216, 97-105 (2017).
- Tran, T. T. A., Nguyen, H. V. H. Effects of spray-drying temperatures and carriers on physical and antioxidant properties of lemongrass leaf extract powder. Beverages. 4 (4), 84 (2018).
- Oliveira, W. P., Oliveira, W. P. Standardisation of herbal extracts by drying technologies. Phytotechnology:A Sustainable Platform for the Development of Herbal Products. , 105-140 (2021).
- Burgain, J., Gaiani, C., Linder, M., Scher, J. Encapsulation of probiotic living cells: From laboratory scale to industrial applications. Journal of Food Engineering. 104 (4), 467-483 (2011).
- Boza, Y., Barbin, D., Scamparini, A. R. P. Survival of Beijerinckia sp. microencapsulated in carbohydrates by spray-drying. Journal of Microencapsulation. 21 (1), 15-24 (2004).
- De Castro-Cislaghi, F. P., dos Reis e Silva, C., Fritzen-Freir, C. B., Lorenz, J. G., Sant’Anna, E. S. Bifidobacterium Bb-12 micro encapsulated by spray drying with whey: survival under simulated gastrointestinal conditions, tolerance to NaCl, and viability during storage. Journal of Food Engineering. 113 (2), 186-193 (2012).
- Fu, N., Huang, S., Xiao, J., Chen, X. D. Producing powders containing active dry probiotics with the aid of spray drying. Advances in Food and Nutrition Research. 85, 211-262 (2018).
- Barbosa, J., Teixeira, P. Development of probiotic fruit juice powders by spray-drying: A review. Food Reviews International. 33 (4), 335-358 (2017).
- Waterhouse, G. I. N., Sun-Waterhouse, D., Su, G., Zhao, H., Zhao, M. Spray-drying of antioxidant-rich blueberry waste extracts; Interplay between waste pretreatments and spray-drying process. Food and Bioprocess Technology. 10 (6), 1074-1092 (2017).
- Tulini, F. L., Winkelströter, L. K., De Martinis, E. C. P. Identification and evaluation of the probiotic potential of Lactobacillus paraplantarum FT259, a bacteriocinogenic strain isolated from Brazilian semi-hard artisanal cheese. Anaerobe. 22, 57-63 (2013).
- Ribeiro, L. L. S. M., et al. Use of encapsulated lactic acid bacteria as bioprotective cultures in fresh Brazilian cheese. Brazilian Journal of Microbiology. 52 (4), 2247-2256 (2021).
- Písecký, J. . Handbook of Milk Powder Manufacture. , (2012).
- Patel, K. C., Chen, X. D., Kar, S. The temperature uniformity during air drying of a colloidal liquid droplet. Drying Technology. 23 (12), 2337-2367 (2005).
- Son, S. -. H., et al. Antioxidant and immunostimulatory effect of potential probiotic Lactobacillus paraplantarum SC61 isolated from Korean traditional fermented food, jangajji. Microbial Pathogenesis. 125, 486-492 (2018).
- Choi, E. A., Chang, H. C. Cholesterol-lowering effects of a putative probiotic strain Lactobacillus plantarum EM isolated from kimchi. LWT- Food Science and Technology. 62 (1), 210-217 (2015).
- Kiepś, J., Dembczyński, R. Current trends in the production of probiotic formulations. Foods. 11 (15), 2330 (2022).
- Kiekens, S., et al. Impact of spray-drying on the pili of Lactobacillus rhamnosus GG. Microbial Biotechnology. 12 (5), 849-855 (2019).
- Huang, S., et al. Spray drying of probiotics and other food-grade bacteria: A review. Trends in Food Science and Technology. 63, 1-17 (2017).
- Wang, N., Fu, N., Chen, X. D. The extent and mechanism of the effect of protectant material in the production of active lactic acid bacteria powder using spray drying: A review. Current Opinion in Food Science. 44, 100807 (2022).
- Broeckx, G., Vandenheuvel, D., Claes, I. J. J., Lebeer, S., Kiekens, F. Drying techniques of probiotic bacteria as an important step towards the development of novel pharmabiotics. International Journal of Pharmaceutics. 505 (1-2), 303-318 (2016).
- Zheng, X., et al. The mechanisms of the protective effects of reconstituted skim milk during convective droplet drying of lactic acid bacteria. Food Research International. 76, 478-488 (2015).
- Kolida, S., Tuohy, K., Gibson, G. R. Prebiotic effects of inulin and oligofructose. British Journal of Nutrition. 87 (S2), S193-S197 (2002).
- Teferra, T. F. Possible actions of inulin as prebiotic polysaccharide: A review. Food Frontiers. 2 (4), 407-416 (2021).
- Labuza, T. P., Altunakar, B., Barbosa-Canovas, G. V., Fontana, A. J., Schmidt, S. J., Labuza, T. P. Water activity prediction and moisture sorption isotherms. Water Activity in Foods: Fundamentals and Applications. , 161-205 (2020).
- Misra, S., Pandey, P., Mishra, H. N. Novel approaches for co-encapsulation of probiotic bacteria with bioactive compounds, their health benefits and functional food product development: A review. Trends in Food Science & Technology. 109, 340-351 (2021).
- Misra, S., Pandey, P., Dalbhagat, C. G., Mishra, H. N. Emerging technologies and coating materials for improved probiotication in food products: A review. Food and BioprocessTechnology. 15 (5), 998-1039 (2022).
- Martins, E., et al. Determination of ideal water activity and powder temperature after spray drying to reduce Lactococcus lactis cell viability loss. Journal of Dairy Science. 102 (7), 6013-6022 (2019).
- Vock, S., Klöden, B., Kirchner, A., Weißgärber, T., Kieback, B. Powders for powder bed fusion: A review. Progress in Additive Manufacturing. 4, 383-397 (2019).
