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.
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Protocol
1. Produktion der probiotischen Zellen
- Bereiten Sie die Brühe von De Man Rogosa und Sharpe (MRS) zu.
- Reaktivieren Sie 1% (v/v) der interessierenden Kultur in der MRS-Bouillon (hier wurde Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 verwendet).
- 24 h bei angemessener Temperatur inkubieren (wir haben 37 °C verwendet).
2. Trennen Sie die Bakterien von der Kultur
- Zentrifugieren Sie die Bakterienkultur bei 7.197 x g für 5 min bei 4 °C mit konischen 50-ml-Röhrchen. Es ist wichtig, dass das Gewicht der Röhrchen vor dem Eingriff ausgeglichen wird.
- Entfernen Sie den Überstand mit einer Pipette und entsorgen Sie ihn in einem geeigneten Behälter. Waschen Sie die Pellets mit einem Phosphatpuffer (pH 7) und homogenisieren Sie die Lösung.
- Wiederholen Sie den Zentrifugationsvorgang wie zuvor erwähnt.
- Um das Pellet zu erhalten, entfernen Sie den Überstand mit einer Pipette und entsorgen Sie ihn in einem geeigneten Behälter.
3. Zugabe von Trocknungshilfen
- Wählen Sie die Kombination aus zwei Trocknungsmittelzusammensetzungen (Schutzmitteln): Inulin:Maltodextrin-Gemisch und simulierte Magermilch (Tabelle 1)22,23.
- Wiegen Sie 5 g Inulin und 5 g Maltodextrin ab, um die erste Kombination von Schutzmitteln zu erhalten.
- Wiegen Sie 3 g Inulin, 3 g Laktose, 0,4 g kolloidalesSiO2 und 3,6 g Molkenprotein ab, um die zweite Kombination von Schutzmitteln zu erhalten.
- Geben Sie alle Trocknungshilfen in Reinstwasser (1:10) und unterziehen Sie sie dem magnetischen Rühren bis zur Solubilisierung.
- Stellen Sie sicher, dass die Schutzmittel und das Wasser homogen sind, geben Sie dann die Probiotika-Pellets in die Mischung und rühren Sie 20 Minuten lang mäßig um.
| Trocknungshilfen | Inulin und Maltodextrin | Simulierte Magermilch |
| Maltodextrin | 5% | - |
| Molkenprotein | - | 3.60% |
| Milchzucker | - | 3% |
| Inulin | 5% | 3% |
| Kolloidales SiO2 | - | 0.40% |
Tabelle 1: Zusammensetzung der Trocknungshilfen.
4. Sprühtrocknung
- Schalten Sie den Sprühtrockner (SD) ein und stellen Sie den Trocknungsgasdurchsatz, die Einlasstrocknungstemperatur sowie die Durchflussmenge und den Druck des Zerstäubergases wie folgt ein:
Vorlauftemperatur: 80 °C
Luftdurchsatz: 60 m³/h
Vorschub: 4 g/min
Zerstäubungsdurchfluss: 17 l/min
Zerstäubungsdruck: 1,5 kgf/cm²
Durchmesser der Zerstäuberdüse: 1 mm - Bereiten Sie die Zusammensetzung der Schutzmittel vor und fügen Sie die konzentrierten probiotischen Pellets hinzu.
- Beginnen Sie mit der Zufuhr der probiotischen Zusammensetzung (Zellen plus Schutzmittel) durch eine Peristaltikpumpe.
- Starten Sie den Timer und platzieren Sie das Produktauffanggefäß, wenn die Lösung in den Zerstäuber eintritt.
- Registrieren Sie die Austrittstemperatur alle 5 Minuten, um mögliche Temperaturinstabilitäten zu verfolgen.
- Stoppen Sie den Timer, wenn die gesamte probiotische Zusammensetzung dem SD zugeführt wurde.
- Wiegen Sie den Produktsammelbehälter, um die Menge der dem System zugeführten Zusammensetzung und die Menge des gesammelten Trockenprodukts zu bestimmen, um die Trocknungsausbeute (zurückgewonnenes Produkt) durch eine Massenbilanz im Trockner zu berechnen.
- Verwenden Sie simulierte Magermilch, um den Einfluss der Temperatur auf die Lebensfähigkeit der probiotischen Zellen zu bewerten, indem Sie fünf verschiedene Sprühtrocknungstemperaturen einstellen (80 °C, 100 °C, 120 °C, 140 °C und 160 °C vs. Austrittstemperaturen von 59 °C, 70 °C, 83 °C, 96 °C und 108 °C).
5. Charakterisierung des Pulvers
- Feuchtigkeitsgehalt des Produkts
- Wiegen Sie 100 mg des getrockneten Produkts genau ab und geben Sie es in das Titriergefäß der Karl-Fischer-Anlage.
- Drücken Sie die Initiationstaste, um die bi-amperometrische Titration des in der Probe vorhandenen Wassers zu starten.
- Wasseraktivität
- 0,6 g des getrockneten Produkts im Probenraum des Hygrometers bei 25 °C wiegen.
- Schließen Sie die Geräteabdeckung.
Anmerkungen: Der Test startet automatisch und stoppt, wenn die Probe den Gleichgewichtsdampfdruck im Probenraum erreicht.
6. Lebensfähigkeit von Probiotika
- Verdünnen Sie die zuvor hergestellten Bakteriensuspensionen in 9 ml Peptonwasser (0,1 % v/v).
- Wirbeln bis zur vollständigen Dispersion.
- Serielle dezimale Verdünnungen (1:10) in 9 ml Kochsalzlösung (0,9 % NaCl) durchführen.
- Die Verdünnungen werden auf MRS-Agarplatten gesät und bei 37 °C für 24-48 h inkubiert.
- Zählen Sie die koloniebildenden Einheiten (KBE/g) mit einem Koloniezähler mit Lupe.
- Berechnen Sie die probiotische Lebensfähigkeit des getrockneten Produkts nach der folgenden Gleichung:
EE (%) = (N∕N o) × 100
wobei N die Anzahl der lebensfähigen Zellen nach der Sprühtrocknung und No die Anzahl der Bakterienzellen vor der Sprühtrocknung ist. - Geben Sie die Anzahl der lebensfähigen Zellen in KBE/g der Produktdispersion an.
7. Datenanalyse
- Tabellieren Sie die erhaltenen Daten in einer Statistiksoftware und führen Sie die Analyse mit einem Mehrfachvergleichstest (ANOVA) durch.
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Representative Results
In dieser Studie wurde L. paraplantarum mittels SD unter Verwendung von Verkapselungsmitteln in Lebensmittelqualität (Inulin:Maltodextrin und simuliertes Milchpulver) verkapselt, was eine hohe Produktqualität und Wirksamkeit bei der Erhaltung der Lebensfähigkeit der Bakterienzellen zeigte17,19.
Die Ergebnisse der SD von Probiotika bei 80 °C zeigten, dass die unterschiedlichen Schutzsysteme (Inulin:Maltodextrin und simulierte Magermilch) einen effizienten Schutz der probiotischen Zellen mit einer Viabilität von 95,1 % bzw. 97,0 % förderten. Die Produktausbeute lag bei fast 50 Gew.-% für beide Schutzsysteme und war leicht besser für die simulierte Magermilch, die ein Produkt mit einem besseren Aussehen und einer besseren Fließfähigkeit erzeugte. Anschließend wurde die probiotische Zusammensetzung in Kombination mit der simulierten Magermilch einer Sprühtrocknung bei höheren Temperaturen von 80 °C bis 160 °C unterzogen (Abbildung 1).
Erwartungsgemäß führte der Anstieg der SD-Temperatur tendenziell zu einer Verringerung der probiotischen Lebensfähigkeit, die bei 160 °C fast 80 % erreichte. In Abbildung 1 ist auch zu sehen, dass der Einfluss der Trocknungstemperatur auf die Produktausbeute mit einem Durchschnittswert von 50,7 % ± 2,4 % w/w vernachlässigbar war. Diese Werte werden häufig bei Sprühtrocknern im Labormaßstab beobachtet. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die simulierte Magermilch ein gutes Schutzsystem für die probiotische Trocknung ist, da sie ein qualitativ hochwertiges Produkt mit guter Systemleistung (Produktausbeute) erzeugt.
Der Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivität der Pulver nahmen erwartungsgemäß umgekehrt mit der Sprühtrocknungstemperatur ab (Abbildung 2).
Abbildung 1: Pulverausbeute (%) und probiotische Viabilität (%) in Abhängigkeit von der SD-Temperatur (°C) mit simulierter Magermilch als Trocknungshilfe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Feuchtegehalt und Wasseraktivität der getrockneten probiotischen Proben entsprechend der SD-Temperatur (°C), mit simulierter Magermilch als Schutzsystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
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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 Antibiotika und Bindung an Darmzellen. Darüber hinaus produzieren sie keine Metaboliten, die sich negativ auf den Magen-Darm-Trakt auswirken können. Außerdem untersuchten Choi und Chang25 das EM von L. plantarum und berichteten über sein Potenzial zur Cholesterinsenkung basierend auf seiner Gallensalzhydrolaseaktivität und seiner Fähigkeit zur Bindung der Zelloberfläche. Neben der Toleranz gegenüber Säure- und Gallenstress zeigte L. plantarum EM auch eine antimikrobielle Aktivität gegen Krankheitserreger und Antibiotikaresistenzen, was sein Potenzial als Probiotikum bestätigt.
Die Herstellung getrockneter Probiotika für die Kommerzialisierung ist jedoch eine Herausforderung, da die Mikroorganismen verschiedenen Stressfaktoren wie thermischen, mechanischen, osmotischen und oxidativen Belastungen ausgesetzt sind. Die hohen Temperaturen, die mit dem Prozess verbunden sind, können die Denaturierung der Enzyme und Proteine fördern, die am Stoffwechsel der Zelle beteiligt sind, was zu mikrobiellen Lebensfähigkeitsverlusten führt. Der Wasserentzug während der Trocknung ist ebenfalls ein kritischer Faktor, da ein Mindestwassergehalt erforderlich ist, um die essentielle Stoffwechselaktivität aufrechtzuerhalten26. Die hohen Scherkräfte, die durch den Durchgang der probiotischen Mischung durch den Zerstäuber während der SD verursacht werden, können auch die Struktur der probiotischen Zelle schädigen und zu Lebensfähigkeitsverlusten beitragen27,28. Daher ist die richtige Auswahl der SD-Betriebsbedingungen (z. B. die Einlass- und Auslasstrocknungstemperaturen, die Trocknungsgasdurchflussrate, die Zufuhrdurchflussrate der probiotischen Zusammensetzung, der Zerstäubungsdruck und die Gasdurchflussrate) von entscheidender Bedeutung, um die Viabilitätsverluste der Zellen während der Sprühtrocknung zu minimieren, die Produktqualität zu verbessern und somit eine akzeptable Trocknerleistung zu erzielen.
Die Zusammensetzung der mit den Probiotika beladenen Bestandteile ist ebenfalls ein relevanter Faktor, da schlecht konzipierte Formulierungen die Probiotika während der Trocknung und Lagerung nicht schützen, was zu erheblichen Überlebensverlusten führt. Die Zusammensetzungseigenschaften werden durch die Zugabe der sogenannten Trocknungshilfsmittel (oder Schutzmittel) verbessert, die den Mikroorganismenzellen während der SD und Lagerung einen gewissen Schutz bieten können26,29. Kohlenhydrate (z. B. Monosaccharide, Disaccharide, Polysaccharide, Oligosaccharide usw.), Proteine und rekonstituierte Magermilch werden in der Regel der probiotischen Zusammensetzung zugesetzt, um die Zellen der Mikroorganismen während der SD zu schützen. Obwohl unklar, ist die schützende Wirkung von Magermilch mit ihrer komplexen Zusammensetzung verbunden, da sie Laktose, Fett, Kasein, Molkenprotein und Ca2+Kationen enthält. Einige Autoren haben argumentiert, dass die Molkenproteine und Ca2+ eine stärkere Wirkung haben als die Laktose30,31. Laut Fu et al.17 verleiht die Verwendung von Magermilch mit zugesetzter Molke Probiotika aufgrund hydrophober Wechselwirkungen zwischen den Milchproteinen und den Bakterienzellen einen hohen Wärmeschutz17.
Die protektiven Wirkungen der Trocknungshilfsmittel auf die Lebensfähigkeit von Probiotika werden durch drei Hypothesen erklärt, die zur Rechtfertigung der Aufrechterhaltung der Proteinkonformation und der Enzymaktivität während der SD verwendet werden, nämlich die Vitrifikationstheorie, die Wasserersatzhypothese und die Hydratationskrafthypothese, die von Broeckx et al.30 ausführlich diskutiert wurden.
Das Stressen der Probiotika während der Kultivierung ist eine weitere Methode, die verwendet werden kann, um die probiotische Zellresistenz während der SD zu verstärken.
Im vorliegenden Protokoll wurden die Auswirkungen von Schutzsystemen (eine Mischung aus Inulin:Maltodextrin und simulierter Magermilch) und die Sprühtrocknungstemperatur auf die Lebensfähigkeit und die Eigenschaften des getrockneten Probiotikums sowie die SD-Leistung bewertet.
Die Wahl der simulierten Magermilch basierte auf der Arbeit von Písecký22. Das Fructooligosaccharid Inulin und Laktose wurde als Kohlenhydrate (statt nur Laktose) und Siliciumdioxid als Asche hinzugefügt. Die Wahl von Inulin basierte auf der Literatur, in der es als präbiotisches Mittel beschrieben wurde, das die Vorteile der Probiotika im Darm verbessern kann32,33. Der Vergleich der protektiven Wirkung dieser Trocknungshilfsmittel auf die Lebensfähigkeit von Probiotika nach SD wurde bei 80 °C durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die simulierte Magermilch bei 80 °C eine höhere probiotische Lebensfähigkeit förderte als die Inulin-Maltodextrin-Kombination. Daher wurde eine Untersuchung der Auswirkungen der Trocknungstemperatur (80 °C bis 160 °C) auf die probiotische Lebensfähigkeit und die Pulverausbeute mit der simulierten Magermilch durchgeführt. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, verringerte der Anstieg der Eintrittstemperatur, der zu einer höheren Austrittstemperatur führte, wie erwartet das Überleben der Bakterien17. Die Pulverausbeute änderte sich jedoch bei keiner Temperatur und blieb bei etwa 50 %.
Der Dehydrierungsgrad von Probiotika hängt auch mit ihren Lebensfähigkeitsverlusten während der Trocknung und Produktlagerung zusammen. Die physikalischen und chemischen Verschlechterungsreaktionen eines getrockneten Produkts hängen vom freien Wassergehalt34 ab, aber eine übermäßige Dehydrierung kann die Lebensfähigkeit des getrockneten Probiotikums erheblich verringern. Erwartungsgemäß führte die Erhöhung der Trocknungstemperatur zu einer Abnahme der Produktfeuchte und der Wasseraktivität, die bei 160 °C Werte von 3,01 % ± 0,30 % (w/w) bzw. 0,201 ± 0,006 erreichten. Werte von Aw unterhalb des Monolayer-Feuchtegehalts (~0,40) sind in der Regel mit einer längeren Haltbarkeit verbunden, da weniger freies Wasser für biochemische Reaktionen und mikrobielles Wachstum zur Verfügung steht34. Bei sehr geringer Wasseraktivität (<0,20) nehmen die Lipidperoxidationsreaktionen jedoch deutlich zu, was sich nachteilig auf die Lebensfähigkeit des Produkts während der Lagerung auswirken kann. In Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt ist es vorzuziehen, dass die Werte im Bereich von 2,8 % bis 5,6 % bleiben, um die Erhaltung der Probiotika zu gewährleisten und die sich verschlechternden biochemischen Reaktionen langfristig zu reduzieren35,36.
Abbildung 2 zeigt, dass Sprühtrocknungstemperaturen über 120 °C erforderlich sind, um ein Produkt mit dem empfohlenen Aw herzustellen. Bei dieser Temperatur zeigte das getrocknete Probiotikum eine Lebensfähigkeit von etwa 90 %, einen Feuchtigkeitsgehalt von 4,6 Gew.-% und einen Aw von 0,26, was hervorragende Ergebnisse sind. Martins et al.37 empfahlen in einer Optimierungsstudie zur Sprühtrocknung von Lactococcus lactis-Zellen einen Aw-Wert von 0,198 und eine Einlass-Sprühtrocknungstemperatur von 126 °C, um die Lebensfähigkeitsverluste von Mikroorganismen zu minimieren, die in enger Übereinstimmung mit den Werten aus diesem Protokoll stehen.
Es könnten auch andere Methoden zur Pulvercharakterisierung durchgeführt werden, z. B. zur Untersuchung der morphologischen Merkmale, der Klebrigkeit36, der Fließfähigkeit und der Kompressibilität38.
In diesem Zusammenhang sind Sprühtrocknungstemperaturen über 120 °C erforderlich, um die Lebensfähigkeit und Haltbarkeit mikrobieller Zellen in einer pulverförmigen Zubereitung und ihr Überleben bei der Verarbeitung und Lagerung von Lebensmitteln zu gewährleisten. Aus industrieller Sicht ist dies ein hervorragendes Ergebnis, da die Sprühtrocknungstechnologie im Vergleich zur Gefriertrocknung kostengünstig ist und somit den Produktpreis senkt. Darüber hinaus scheint eine Überlebensrate von über 50 % ein robuster Bereich zu sein, der die Funktionalität probiotischer Pulver garantiert28, was bedeutet, dass die Überlebensrate ein guter Indikator für die Reproduktion dieses Protokolls im industriellen Maßstab ist. Die Skalierung auf industrielle Bedingungen muss jedoch getestet werden, um sicherzustellen, dass das Produkt die gleichen Eigenschaften aufweist wie das in diesem Protokoll erhaltene Pulver.
Die in diesem Protokoll beschriebenen Methoden zielten darauf ab, die Bedeutung der richtigen Auswahl der Zusammensetzung und der Verarbeitung der Variablen während der Sprühtrocknung von probiotischen Bakterien zu verdeutlichen, um die Lebensfähigkeit und Stabilität des Pulvers zu gewährleisten.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu erklären.
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , Rome, Italy. At https://www.fao.org/3/a0512e/a0512e.pdf (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. Standardisation of herbal extracts by drying technologies. Phytotechnology:A Sustainable Platform for the Development of Herbal Products. Oliveira, W. P. , CRC Press. Boca Raton, FL. 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. , GEA Process Engineering A/S. (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.
- Teferra, T. F. Possible actions of inulin as prebiotic polysaccharide: A review. Food Frontiers. 2 (4), 407-416 (2021).
- Labuza, T. P., Altunakar, B. Water activity prediction and moisture sorption isotherms. Water Activity in Foods: Fundamentals and Applications. Barbosa-Canovas, G. V., Fontana, A. J., Schmidt, S. J., Labuza, T. P. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. 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).
