Développement de procédés pour le séchage par atomisation des bactéries probiotiques et évaluation de la qualité du produit
Summary
Ce protocole détaille les étapes de la production et de la caractérisation physico-chimique d’un produit probiotique séché par atomisation.
Abstract
Les probiotiques et les prébiotiques sont d’un grand intérêt pour les industries alimentaire et pharmaceutique en raison de leurs bienfaits pour la santé. Les probiotiques sont des bactéries vivantes qui peuvent conférer des effets bénéfiques sur le bien-être humain et animal, tandis que les prébiotiques sont des types de nutriments qui nourrissent les bactéries intestinales bénéfiques. Les probiotiques en poudre ont gagné en popularité en raison de la facilité et de la praticité de leur ingestion et de leur incorporation dans l’alimentation en tant que complément alimentaire. Cependant, le processus de séchage interfère avec la viabilité cellulaire puisque les températures élevées inactivent les bactéries probiotiques. Dans ce contexte, cette étude visait à présenter toutes les étapes de la production et de la caractérisation physico-chimique d’un probiotique séché par atomisation et à évaluer l’influence des protecteurs (association lait écrémé simulé et inuline:maltodextrine) et des températures de séchage dans l’augmentation du rendement en poudre et de la viabilité cellulaire. Les résultats ont montré que le lait écrémé simulé favorisait une viabilité probiotique plus élevée à 80 ° C. Avec ce protecteur, la viabilité des probiotiques, la teneur en humidité et l’activité de l’eau (Aw) diminuent tant que la température d’entrée augmente. La viabilité des probiotiques diminue à l’inverse avec la température de séchage. À des températures proches de 120 °C, le probiotique séché a montré une viabilité d’environ 90%, une teneur en humidité de 4,6% p/p et un Aw de 0,26; valeurs adéquates pour garantir la stabilité du produit. Dans ce contexte, des températures de séchage par atomisation supérieures à 120 °C sont nécessaires pour assurer la viabilité et la durée de conservation des cellules microbiennes dans la préparation en poudre et leur survie pendant la transformation et le stockage des aliments.
Introduction
Pour être définis comme des probiotiques, les micro-organismes ajoutés aux aliments (ou suppléments) doivent être consommés vivants, être capables de survivre pendant le passage dans le tractus gastro-intestinal de l’hôte et atteindre le site d’action en quantités suffisantes pour exercer des effets bénéfiques 1,2,7.
L’intérêt croissant pour les probiotiques est dû aux nombreux avantages pour la santé humaine qu’ils confèrent, tels que la stimulation du système immunitaire, la réduction du taux de cholestérol sérique et l’amélioration de la fonction de barrière intestinale en agissant contre les microbes nocifs, ainsi que leurs effets bénéfiques dans le traitement du syndrome du côlon irritable, entre autres 2,3. En outre, plusieurs études ont démontré que les probiotiques peuvent affecter positivement d’autres parties du corps humain où des communautés microbiennes déséquilibrées peuvent causer des maladies infectieuses 3,4,5.
Pour que les probiotiques soient efficaces sur le plan thérapeutique, le produit doit contenir entre 10 6et 107 UFC/g de bactéries au moment de la consommation6. D’autre part, le ministère italien de la Santé et Santé Canada ont établi que le niveau minimum de probiotiques dans les aliments devrait être de 109 UFC / g de cellules viables par jour ou par portion, respectivement7. Étant donné que des charges élevées de probiotiques sont nécessaires pour garantir qu’ils auront des effets bénéfiques, il est essentiel de garantir leur survie pendant le traitement, le stockage en rayon et le passage dans le tractus gastro-intestinal (GI). Plusieurs études ont démontré que la microencapsulation est une méthode efficace pour améliorer la viabilité globale des probiotiques 8,9,10,11.
Dans ce contexte, plusieurs méthodes ont été développées pour la microencapsulation des probiotiques, telles que le séchage par atomisation, la lyophilisation, la pulvérisation, l’émulsion, l’extrusion, la coacervation et, plus récemment, les lits fluidisés11,12,13,14. La microencapsulation par séchage par atomisation (SD) est largement utilisée dans l’industrie alimentaire car il s’agit d’un procédé simple, rapide et reproductible. Il est facile à mettre à l’échelle et a un rendement de production élevé à faible consommation d’énergie11,12,13,14. Néanmoins, l’exposition à des températures élevées et à une faible teneur en humidité peut affecter la survie et la viabilité des cellules probiotiques15. Les deux paramètres peuvent être améliorés pour une souche donnée en déterminant les effets de l’âge et des conditions de culture pour pré-adapter la culture et optimiser les conditions de séchage par atomisation (températures d’entrée et de sortie, processus d’atomisation) et la composition d’encapsulation 8,14,16,17,18.
La composition de la solution d’encapsulation est également un facteur important lors de l’OD car elle peut définir le niveau de protection contre les conditions environnementales défavorables. L’inuline, la gomme arabique, les maltodextrines et le lait écrémé sont largement utilisés comme agents d’encapsulation pour le séchage des probiotiques 5,17,18,19. L’inuline est un fructooligosaccharide qui présente une forte activité prébiotique et favorise la santé intestinale19. Le lait écrémé est très efficace pour maintenir la viabilité des cellules bactériennes séchées et génère une poudre avec de bonnes propriétés de reconstitution17.
Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 est une bactérie lactique qui produit de la bactériocine et présente une activité antilistérielle, en plus des caractères probiotiques20,21. Il s’agit d’une bactérie Gram positif hétérofermentative facultative en forme de bâtonnet qui se développe de 15 °C à 37 °C20 et qui est compatible avec la température corporelle homéostatique. Cette étude avait pour but de présenter toutes les étapes de la production et de la caractérisation physico-chimique d’un probiotique séché par atomisation (L. paraplantarum FT-259) et d’évaluer l’influence des protecteurs et des températures de séchage.
Protocol
Representative Results
Discussion
L. paraplantarum FT-259 est une bactérie Gram-positive, en forme de bâtonnet, est un producteur de bactériocines à activité antilistérielle et a un potentiel probiotique élevé20. Son et coll.24 ont déjà démontré la capacité immunostimulante et antioxydante des souches de L. paraplantarum. En outre, ils ont un grand potentiel probiotique, avec des propriétés telles que la stabilité dans des conditions gastriques et biliaires artificielles, l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été financée en partie par la Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Code financier 001. Cette étude a également été financée en partie par FAPESP – São Paulo Research Foundation. E.C.P.D.M. est reconnaissant pour une bourse de chercheur du Conseil national pour le développement scientifique et technologique (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).
