تطوير عملية التجفيف بالرش لبكتيريا البروبيوتيك وتقييم جودة المنتج
Summary
يفصل هذا البروتوكول الخطوات المتبعة في الإنتاج والتوصيف الفيزيائي الكيميائي لمنتج بروبيوتيك مجفف بالرش.
Abstract
البروبيوتيك والبريبايوتكس ذات أهمية كبيرة للصناعات الغذائية والصيدلانية بسبب فوائدها الصحية. البروبيوتيك هي بكتيريا حية يمكن أن تمنح آثارا مفيدة على رفاهية الإنسان والحيوان ، في حين أن البريبايوتكس هي أنواع من العناصر الغذائية التي تغذي بكتيريا الأمعاء المفيدة. اكتسبت مسحوق البروبيوتيك شعبية بسبب سهولة وعملية ابتلاعها ودمجها في النظام الغذائي كمكمل غذائي. ومع ذلك ، فإن عملية التجفيف تتداخل مع صلاحية الخلية لأن درجات الحرارة المرتفعة تعطل بكتيريا البروبيوتيك. في هذا السياق ، هدفت هذه الدراسة إلى عرض جميع الخطوات التي ينطوي عليها الإنتاج والتوصيف الفيزيائي الكيميائي للبروبيوتيك المجفف بالرش وتقييم تأثير المواد الواقية (محاكاة الحليب الخالي من الدسم والإينولين: رابطة مالتوديكسترين) ودرجات حرارة التجفيف في زيادة إنتاجية المسحوق وصلاحية الخلية. أظهرت النتائج أن الحليب الخالي من الدسم المحاكي عزز قابلية أعلى للبروبيوتيك عند 80 درجة مئوية. مع هذا الواقي ، تقل صلاحية البروبيوتيك ومحتوى الرطوبة والنشاط المائي (Aw) طالما زادت درجة حرارة المدخل. تقل صلاحية البروبيوتيك على العكس من ذلك مع درجة حرارة التجفيف. عند درجات حرارة قريبة من 120 درجة مئوية ، أظهر البروبيوتيك المجفف قابلية للحياة حوالي 90٪ ، ومحتوى رطوبة بنسبة 4.6٪ وزن / وزن ، و Aw يبلغ 0.26 ؛ القيم الكافية لضمان استقرار المنتج. في هذا السياق ، يلزم وجود درجات حرارة تجفيف بالرش أعلى من 120 درجة مئوية لضمان صلاحية الخلايا الميكروبية وعمرها الافتراضي في تحضير المسحوق والبقاء على قيد الحياة أثناء معالجة الأغذية وتخزينها.
Introduction
ليتم تعريفها على أنها بروبيوتيك ، يجب استهلاك الكائنات الحية الدقيقة المضافة إلى الأطعمة (أو المكملات الغذائية) على قيد الحياة ، وأن تكون قادرة على البقاء على قيد الحياة أثناء المرور في الجهاز الهضمي للمضيف ، والوصول إلى موقع العمل بكميات كافية لممارسة تأثيرات مفيدة1،2،7.
يرجع الاهتمام المتزايد بالبروبيوتيك إلى الفوائد العديدة التي تمنحها لصحة الإنسان ، مثل تحفيز الجهاز المناعي ، وخفض مستويات الكوليسترول في الدم ، وتعزيز وظيفة حاجز الأمعاء من خلال العمل ضد الميكروبات الضارة ، وكذلك آثارها المفيدة في علاج متلازمة القولون العصبي ، من بين أمور أخرى 2,3. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت العديد من الدراسات أن البروبيوتيك يمكن أن يؤثر بشكل إيجابي على أجزاء أخرى من جسم الإنسان حيث يمكن أن تسبب المجتمعات الميكروبية غير المتوازنة الأمراض المعدية3،4،5.
لكي تكون البروبيوتيك فعالة علاجيا ، يجب أن يحتوي المنتج على ما بين 10 6-107 CFU / g من البكتيريا في وقت الاستهلاك6. من ناحية أخرى ، أثبتت وزارة الصحة الإيطالية والصحة الكندية أن الحد الأدنى لمستوى البروبيوتيك في الغذاء يجب أن يكون 109 CFU / g من الخلايا القابلة للحياة يوميا أو لكل وجبة ،على التوالي 7. بالنظر إلى أن هناك حاجة إلى كميات كبيرة من البروبيوتيك لضمان أنه سيكون لها آثار مفيدة ، فمن الضروري ضمان بقائها أثناء المعالجة وتخزين الرف والمرور عبر الجهاز الهضمي (GI). أظهرت العديد من الدراسات أن الكبسلة الدقيقة هي طريقة فعالة لتحسين الجدوى الكلية للبروبيوتيك8،9،10،11.
في هذا السياق ، تم تطوير عدة طرق للكبسلة الدقيقة للبروبيوتيك ، مثل التجفيف بالرش ، والتجفيف بالتجميد ، والتبريد بالرش ، والمستحلب ، والبثق ، والتكسير ، ومؤخرا ، الأسرة المميعة11،12،13،14. يستخدم الكبسلة الدقيقة عن طريق التجفيف بالرش (SD) على نطاق واسع في صناعة المواد الغذائية لأنها عملية بسيطة وسريعة وقابلة للتكرار. من السهل توسيع نطاقه ، وله عائد إنتاج مرتفع عند متطلبات الطاقة المنخفضة11،12،13،14. ومع ذلك ، فإن التعرض لدرجات حرارة عالية ومحتوى رطوبة منخفض يمكن أن يؤثر على بقاء وصلاحية خلايا البروبيوتيك15. يمكن تحسين كلا المعلمتين لسلالة معينة من خلال تحديد تأثيرات عمر المزرعة وظروفها للتكيف المسبق مع المزرعة وتحسين ظروف تجفيف الرذاذ (درجات حرارة المدخل والمخرج ، عملية الانحلال) وتكوين التغليف8،14،16،17،18.
يعد تكوين محلول التغليف أيضا عاملا مهما أثناء SD حيث يمكنه تحديد مستوى الحماية ضد الظروف البيئية الضارة. يستخدم الأنسولين والصمغ العربي والمالتوديكسترين والحليب الخالي من الدسم على نطاق واسع كعوامل تغليف لتجفيف البروبيوتيك5،17،18،19. Inulin هو fructooligosaccharide الذي يقدم نشاطا قويا للبريبايوتك ويعزز صحة الأمعاء19. الحليب الخالي من الدسم فعال جدا في الحفاظ على صلاحية الخلايا البكتيرية المجففة ويولد مسحوقا بخصائص إعادة تكوين جيدة17.
لاكتيبلانتيباكيللوس بارابلانتاروم FT-259 هي بكتيريا حمض اللبنيك التي تنتج البكتيريا وتقدم نشاطا مضادا للليستيرية ، إلى جانب سمات البروبيوتيك20,21. إنها بكتيريا اختيارية غير متجانسة على شكل قضيب موجب الجرام تنمو من 15 درجة مئوية إلى 37 درجة مئوية20 ومتوافقة مع درجة حرارة الجسم الاستتبابية. هدفت هذه الدراسة إلى تقديم جميع الخطوات التي ينطوي عليها الإنتاج والتوصيف الفيزيائي الكيميائي للبروبيوتيك المجفف بالرش (L. paraplantarum FT-259) وتقييم تأثير المواد الواقية ودرجات حرارة التجفيف.
Protocol
Representative Results
Discussion
ل. بارابلانتاروم FT-259 هي بكتيريا إيجابية الجرام على شكل قضيب ، وهي منتج للبكتيريا ذات النشاط المضاد للليستيرية ، ولديها إمكانات بروبيوتيك عالية20. أظهر Son et al.24 سابقا قدرة المنشطات المناعية ومضادات الأكسدة لسلالات L. paraplantarum. إلى جانب ذلك ، لديهم إمكانات بر…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذه الدراسة جزئيا من قبل Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – قانون المالية 001. كما تم دعم هذه الدراسة جزئيا من قبل FAPESP – مؤسسة أبحاث ساو باولو. E.C.P.D.M. ممتن لزمالة الباحث من المجلس الوطني للتنمية العلمية والتكنولوجية (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).
