Разработка технологического процесса распылительной сушки пробиотических бактерий и оценка качества продукции
Summary
В этом протоколе подробно описаны этапы, связанные с производством и физико-химическими характеристиками высушенного распылением пробиотического продукта.
Abstract
Пробиотики и пребиотики представляют большой интерес для пищевой и фармацевтической промышленности из-за их пользы для здоровья. Пробиотики — это живые бактерии, которые могут оказывать благотворное влияние на благополучие человека и животных, а пребиотики — это типы питательных веществ, которые питают полезные кишечные бактерии. Порошковые пробиотики завоевали популярность благодаря легкости и практичности их приема внутрь и включения в рацион в качестве пищевой добавки. Однако процесс сушки влияет на жизнеспособность клеток, поскольку высокие температуры инактивируют пробиотические бактерии. В этом контексте данное исследование было направлено на то, чтобы представить все этапы, связанные с производством и физико-химической характеристикой высушенного распылением пробиотика, и оценить влияние протекторов (имитация обезжиренного молока и ассоциации инулин:мальтодекстрин) и температуры сушки на увеличение выхода порошка и жизнеспособности клеток. Результаты показали, что смоделированное обезжиренное молоко способствовало более высокой жизнеспособности пробиотиков при 80 ° C. При использовании этого защитного средства жизнеспособность пробиотиков, содержание влаги и активность воды (Aw) снижаются при повышении температуры на входе. Жизнеспособность пробиотиков снижается с температурой сушки. При температурах, близких к 120 ° C, высушенный пробиотик показал жизнеспособность около 90%, содержание влаги 4,6% по весу и Aw 0,26; значения, достаточные для обеспечения стабильности продукта. В этом контексте температура распылительной сушки выше 120 °C необходима для обеспечения жизнеспособности микробных клеток и срока годности при приготовлении порошка и выживаемости во время обработки и хранения пищевых продуктов.
Introduction
Чтобы быть определяемыми как пробиотики, микроорганизмы, добавляемые в пищевые продукты (или добавки), должны потребляться живыми, быть в состоянии выжить во время прохождения в желудочно-кишечном тракте хозяина и достигать места действия в достаточных количествах, чтобы оказывать благотворное влияние 1,2,7.
Растущий интерес к пробиотикам обусловлен несколькими преимуществами для здоровья человека, которые они приносят, такими как стимуляция иммунной системы, снижение уровня холестерина в сыворотке крови и усиление барьерной функции кишечника за счет воздействия на вредные микробы, а также их благотворное влияние при лечении синдрома раздраженного кишечника. среди прочих 2,3. Кроме того, несколько исследований показали, что пробиотики могут положительно влиять на другие части человеческого тела, где несбалансированные микробные сообщества могут вызывать инфекционные заболевания 3,4,5.
Чтобы пробиотики были терапевтически эффективными, продукт должен содержать от 10 6до 10 7 КОЕ /г бактерий во время потребления6. С другой стороны, Министерство здравоохранения Италии и Министерство здравоохранения Канады установили, что минимальный уровень пробиотиков в пище должен составлять 109 КОЕ/г жизнеспособных клеток в день или на порцию соответственно7. Учитывая, что для того, чтобы гарантировать их благотворное воздействие, необходимы высокие нагрузки пробиотиков, важно гарантировать их выживание во время обработки, хранения на полках и прохождения через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Несколько исследований показали, что микрокапсулирование является эффективным методом повышения общей жизнеспособности пробиотиков 8,9,10,11.
В этом контексте было разработано несколько методов микрокапсулирования пробиотиков, таких как распылительная сушка, сублимационная сушка, распылительное охлаждение, эмульсия, экструзия, коацервация и, совсем недавно, псевдоожиженные слои11,12,13,14. Микрокапсулирование методом распылительной сушки (SD) широко используется в пищевой промышленности, поскольку это простой, быстрый и воспроизводимый процесс. Его легко масштабировать, и он имеет высокую производительность при низких потребностях в энергии11,12,13,14. Тем не менее, воздействие высоких температур и низкого содержания влаги может повлиять на выживаемость и жизнеспособность пробиотических клеток15. Оба параметра могут быть улучшены для данного штамма путем определения влияния возраста и условий культуры для предварительной адаптации культуры и оптимизации условий распылительной сушки (температура на входе и выходе, процесс распыления) и инкапсулирующей композиции 8,14,16,17,18.
Состав инкапсулирующего раствора также является важным фактором во время УР, поскольку он может определять уровень защиты от неблагоприятных условий окружающей среды. Инулин, гуммиарабик, мальтодекстрины и обезжиренное молоко широко используются в качестве инкапсулирующих агентов для сушки пробиотиков 5,17,18,19. Инулин — фруктоолигосахарид, обладающий сильной пребиотической активностью и способствующий здоровьюкишечника19. Обезжиренное молоко очень эффективно поддерживает жизнеспособность высушенных бактериальных клеток и образует порошок с хорошими восстанавливающими свойствами17.
Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 представляет собой молочнокислую бактерию, которая продуцирует бактериоцин и проявляет антилистерическую активность, помимо пробиотических признаков20,21. Это факультативная гетероферментативная палочковидная грамположительная бактерия, которая растет от 15 ° C до 37 ° C20 и совместима с гомеостатической температурой тела. Это исследование было направлено на то, чтобы представить все этапы, связанные с производством и физико-химической характеристикой высушенного распылением пробиотика (L. paraplantarum FT-259), а также оценить влияние протекторов и температур сушки.
Protocol
Representative Results
Discussion
L. paraplantarum FT-259 представляет собой грамположительную палочковидную бактерию, является продуцентом бактериоцинов с антилистерной активностью и обладает высоким пробиотическим потенциалом20. Son et al.24 ранее продемонстрировали иммуностимулирующую и антиокси…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было частично профинансировано Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Финансовый кодекс 001. Это исследование также было частично поддержано FAPESP – Исследовательским фондом Сан-Паулу. E.C.P.D.M. благодарен за стипендию исследователя от Национального совета по научно-техническому развитию (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).
