Développement de procédés pour le séchage par atomisation des bactéries probiotiques et évaluation de la qualité du produit

Résumé

Ce protocole détaille les étapes de la production et de la caractérisation physico-chimique d’un produit probiotique séché par atomisation.

Résumé

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 6^et 10^{7 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 fluidisés^11,12,13,14. 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’énergie^11,12,13,14. 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 probiotiques^20,21. 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.

Protocole

1. Production des cellules probiotiques

1. Préparez le bouillon De Man Rogosa et Sharpe (MRS).
2. Réactiver 1% (v/v) de la culture d’intérêt dans le bouillon MRS (ici, Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 a été utilisé).
3. Incuber pendant 24 h à une température adéquate (nous avons utilisé 37 °C).

2. Séparer les bactéries de la culture

1. Centrifuger la culture bactérienne à 7 197 x g pendant 5 min à 4 °C à l’aide de tubes coniques de 50 mL. Il est important que le poids des tubes soit équilibré avant la procédure.
2. À l’aide d’une pipette, retirer le surnageant et le jeter dans un récipient approprié. Laver les granulés avec un tampon phosphate (pH 7) et homogénéiser la solution.
3. Répétez le processus de centrifugation comme mentionné précédemment.
4. Pour obtenir la pastille, utilisez une pipette pour retirer et jeter le surnageant dans un contenant approprié.

3. Ajout d’auxiliaires de séchage

1. Sélectionnez la combinaison de deux compositions d’agent de séchage (protecteurs) : mélange inuline:maltodextrine et lait écrémé simulé (tableau 1)^22,23.
2. Peser 5 g d’inuline et 5 g de maltodextrine pour obtenir la première association de protecteurs.
3. Peser 3 g d’inuline, 3 g de lactose, 0,4 g de_SiO2 colloïdal et 3,6 g de protéines de lactosérum pour obtenir la deuxième combinaison de protecteurs.
4. Ajouter chacun des auxiliaires de séchage à de l’eau ultrapure (1:10) et soumettre à l’agitation magnétique jusqu’à solubilisation.
5. Assurez-vous que les protecteurs et l’eau sont homogènes, puis ajoutez les granulés de probiotiques au mélange, et remuez modérément pendant 20 min.

Auxiliaires de séchage	Inuline et maltodextrine	Lait écrémé simulé
Maltodextrine	5%	-
Protéine de lactosérum	-	3.60%
Lactose	-	3%
Inuline	5%	3%
SiOcolloïdal 2	-	0.40%

Tableau 1 : Composition des auxiliaires de séchage.

4. Séchage par atomisation

1. Allumez le sécheur-atomiseur (SD) et réglez le débit de gaz de séchage, la température de séchage à l’entrée, ainsi que le débit et la pression du gaz de l’atomiseur comme suit :
   Température d’entrée: 80 °C
   Débit d’air : 60 m³/h
   Vitesse d’avance: 4 g / min
   Débit d’atomisation : 17 L/min
   Pression d’atomisation : 1,5 kgf/cm²
   Diamètre de la buse de l’atomiseur: 1 mm
2. Préparer la composition des protecteurs et ajouter les granulés probiotiques concentrés.
3. Commencez l’alimentation de la composition probiotique (cellules plus protecteurs) à l’aide d’une pompe péristaltique.
4. Démarrez la minuterie et placez le récipient collecteur de produit lorsque la solution pénètre dans l’atomiseur.
5. Enregistrez la température de sortie toutes les 5 minutes pour suivre les instabilités de température possibles.
6. Arrêtez la minuterie lorsque toute la composition probiotique a été introduite dans le SD.
7. Peser le récipient de collecte des produits pour déterminer la quantité de composition introduite dans le système et la quantité de produit sec collectée, pour calculer le rendement de séchage (produit récupéré) grâce à un bilan massique dans le séchoir.
8. Utilisez du lait écrémé simulé pour évaluer l’effet de la température sur la viabilité des cellules probiotiques, en établissant cinq températures différentes de séchage par atomisation (80 °C, 100 °C, 120 °C, 140 °C et 160 °C par rapport à des températures de sortie de 59 °C, 70 °C, 83 °C, 96 °C et 108 °C).

5. Caractérisation des poudres

1. Teneur en humidité du produit
   1. Pesez précisément 100 mg du produit séché et placez-le dans le récipient de titrage de l’équipement Karl-Fischer.
   2. Appuyez sur le bouton d’initiation pour lancer le titrage biampérométrique de l’eau présente dans l’échantillon.
2. Activité aquatique
   1. Peser 0,6 g du produit séché dans le compartiment échantillon de l’hygromètre à 25 °C.
   2. Fermez le capot de l’équipement.
      REMARQUE: Le test démarre automatiquement et s’arrête lorsque l’échantillon atteint la pression de vapeur d’équilibre dans le compartiment de l’échantillon.

6. Viabilité des probiotiques

1. Diluer les suspensions bactériennes préalablement préparées dans 9 mL d’eau peptone (0,1 %, v/v).
2. Vortex jusqu’à dispersion complète.
3. Effectuer des dilutions décimales en série (1:10) dans 9 mL de solution saline (NaCl à 0,9 %).
4. Ensemencer les dilutions sur des plaques de gélose MRS et incuber à 37 °C pendant 24-48 h.
5. Comptez les unités formant colonies (UFC/g) à l’aide d’un compteur de colonies avec loupe.
6. Calculer la viabilité probiotique dans le produit séché selon l’équation suivante :
   EE (%) = (N∕N _o) × 100
   où, N est le nombre de cellules viables après séchage par atomisation, et N_o est le nombre de cellules bactériennes avant séchage par atomisation.
7. Exprimer le nombre de cellules viables en UFC/g de dispersion du produit.

7. Analyse des données

1. Tabulez les données obtenues dans un logiciel statistique et effectuez l’analyse à l’aide d’un test de comparaison multiple (ANOVA).

Résultats

Dans cette étude, L. paraplantarum a été encapsulé par SD à l’aide d’agents d’encapsulation de qualité alimentaire (inuline:maltodextrine et poudre de lait simulé), montrant une qualité et une efficacité élevées du produit dans la préservation de la viabilité cellulaire bactérienne^17,19.

Les résultats de l’écart-type des probiotiques à 80 °C ont montré que les systèmes protecteurs distincts (inuline...

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...

matériels

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