Name: Process Development for the Spray-Drying of Probiotic Bacteria and Evaluation of the Product Quality (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-04-07T14:45:00
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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.

1. Produktion der probiotischen Zellen
<ol><li>Bereiten Sie die Brühe von De Man Rogosa und Sharpe (MRS) zu.</li>
	<li>Reaktivieren Sie 1% (v/v) der interessierenden Kultur in der MRS-Bouillon (hier wurde Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 verwendet).</li>
	<li>24 h bei angemessener Temperatur inkubieren (wir haben 37 °C verwendet).</li>
</ol>2. Trennen Sie die Bakterien von der Kultur
<ol><li>Zentrifugieren Sie die Bakterienkultur bei 7.197 x...

Optimizing Spray-Dried Probiotic Product Quality Through Process Development

<ol>
	<li>Food and Agricultural Organization of the United Nations and World Health Organization. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probiotics+in+food:+Health+and+nutritional+properties+and+guidelines+for+evaluation.+FAO+Food+and+Nutrition+Paper+85.">Probiotics in food: Health and nutritional properties and guidelines for evaluation. FAO Food and Nutrition Paper 85.</a> Food and Agricultural Organization. , (2006).</li><li>Sharma, R., Rashidinejad, A., Jafari, S. 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C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cholesterol-lowering+effects+of+a+putative+probiotic+strain+Lactobacillus+plantarum+EM+isolated+from+kimchi.">Cholesterol-lowering effects of a putative probiotic strain Lactobacillus plantarum EM isolated from kimchi.</a> LWT- Food Science and Technology. 62 (1), 210-217 (2015).</li><li>Kiep&#347;, J., Dembczy&#324;ski, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+trends+in+the+production+of+probiotic+formulations.">Current trends in the production of probiotic formulations.</a> Foods. 11 (15), 2330 (2022).</li><li>Kiekens, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+spray-drying+on+the+pili+of+Lactobacillus+rhamnosus+GG.">Impact of spray-drying on the pili of Lactobacillus rhamnosus GG.</a> Microbial Biotechnology. 12 (5), 849-855 (2019).</li><li>Huang, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spray+drying+of+probiotics+and+other+food-grade+bacteria:+A+review.">Spray drying of probiotics and other food-grade bacteria: A review.</a> Trends in Food Science and Technology. 63, 1-17 (2017).</li><li>Wang, N., Fu, N., Chen, X. 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N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emerging+technologies+and+coating+materials+for+improved+probiotication+in+food+products:+A+review.">Emerging technologies and coating materials for improved probiotication in food products: A review.</a> Food and BioprocessTechnology. 15 (5), 998-1039 (2022).</li><li>Martins, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+ideal+water+activity+and+powder+temperature+after+spray+drying+to+reduce+Lactococcus+lactis+cell+viability+loss.">Determination of ideal water activity and powder temperature after spray drying to reduce Lactococcus lactis cell viability loss.</a> Journal of Dairy Science. 102 (7), 6013-6022 (2019).</li><li>Vock, S., Kl&#246;den, B., Kirchner, A., Wei&#223;g&#228;rber, T., Kieback, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Powders+for+powder+bed+fusion:+A+review.">Powders for powder bed fusion: A review.</a> Progress in Additive Manufacturing. 4, 383-397 (2019).</li></ol>

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 Antibio...

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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Aqua Lab 4TEV</td>
			<td>Decagon Devices</td>
			<td>-</td>
			<td>Water activity meter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge (mod. 5430 R )</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>-</td>
			<td>Centrifuge</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Colloidal SiO2 (Aerosil 200)</td>
			<td>Evokik</td>
			<td>7631-86-9</td>
			<td>drying aid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fructooligosaccharides from chicory</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>9005-80-5</td>
			<td>drying aid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GraphPad Prism (version 8.0) software</td>
			<td>GraphPad Software</td>
			<td>-</td>
			<td>San Diego, California, USA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Karl Fischer 870 Titrino Plus</td>
			<td>Metrohm</td>
			<td>-</td>
			<td>Moisture content</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lactose</td>
			<td>Milkaut</td>
			<td>63-42-3&#160;</td>
			<td>drying aid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Maltodextrin</td>
			<td>Ingredion</td>
			<td>9050-36-6</td>
			<td>drying aid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Milli-Q</td>
			<td>Merk</td>
			<td>-</td>
			<td>Ultrapure water system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRS Agar</td>
			<td>Oxoid</td>
			<td>-</td>
			<td>Culture medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRS Broth</td>
			<td>Oxoid</td>
			<td>-</td>
			<td>Culture medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OriginPro (version 9.0) software</td>
			<td>OriginLab</td>
			<td>-</td>
			<td>Northampton, Massachusetts, USA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spray dryer SD-05</td>
			<td>Lab-Plant Ltd</td>
			<td>-</td>
			<td>Spray dryer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Whey protein</td>
			<td>Arla Foods Ingredients S.A.</td>
			<td>91082-88-1</td>
			<td>drying aid</td>
		</tr>
	</tbody>
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process development for the spray-drying of probiotic bacteria and evaluation of the product quality

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.

Process Development for the Spray-Drying of Probiotic Bacteria and Evaluation of the Product Quality

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 simulier...

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Process Development for the Spray-Drying of Probiotic Bacteria and Evaluation of the Product Quality (Video) | JoVE 

Dieses Protokoll beschreibt die Schritte zur Herstellung und physikalisch-chemischen Charakterisierung eines sprühgetrockneten probiotischen Produkts.

Prozessentwicklung für die Sprühtrocknung von probiotischen Bakterien und Bewertung der Produktqualität

Probiotics and prebiotics are of great interest to the food and pharmaceutical industries due to their health benefits. Probiotics are live bacteria that ...

In unserem Labor forschen wir an nützlichen Mikroben, einschließlich Probiotika, bei denen es sich um lebende Mikroorganismen handelt, die Lebensmitteln zugesetzt werden können, um die Gesundheit der Verbraucher zu verbessern, in der Regel, indem sie mit pathogenen Bakterien im Darm konkurrieren, um sie auszuschließen und Symptome wie Durchfall oder andere Magen-Darm-Erkrankungen zu lindern. Heutzutage werden viele Techniken angewendet, um sicherzustellen, dass die Probiotika während der Haltbarkeit in Lebensmitteln überleben. Außerdem mussten sie die rauen Bedingungen des Magen-Darm-Trakts tolerieren, um ihre wohltuende Wirkung im Darm entfalten zu können.Wir haben viele Technologien untersucht, die das Überleben von Probiotika verbessern können, entweder in Lebensmitteln oder im menschlichen Wirt. Unter den Techniken ist die Mikroverkapselung durch Sprühtrocknung von großem Interesse, da sie einfach, schnell und reproduzierbar ist und hohe Erträge bei geringem Energiebedarf liefert. Es ist jedoch schwierig, die richtigen Bedingungen für die Gewinnung getrockneter Probiotika zu bestimmen.Und dafür müssen geeignete Schutzmittel gewählt werden. Magermilch, Maltodextrin oder andere wie probiotisches Inulin wurden mit verschiedenen probiotischen Stämmen verwendet. Der Bereich der Mikroverkapselung ist ein sich erfreulich entwickelndes Forschungsgebiet, das das Potenzial hat, die Lebensmittelindustrie zu beeinflussen, indem es neue Produkte für die Verwendung als funktionelle Inhaltsstoffe bereitstellt.In dieser Studie zeigen wir, wie man mit Hilfe der Sprühtrocknungstechnik eine mikroverkapselte Präparation einer potentiellen probiotischen Kultur erhält. Wir zeigen auch, wie man die wichtigsten Parameter bestimmt, um das Pulver zu charakterisieren, es zu erhalten und wie man die Überlebensrate des Probiotikums bewertet.