Name: Process Development for the Spray-Drying of Probiotic Bacteria and Evaluation of the Product Quality (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-04-07T14:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Process Development for the Spray-Drying of Probiotic Bacteria and Evaluation of the Product Quality at JoVE.com

Questo studio è stato in parte finanziato dal Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Codice finanziario 001. Questo studio è stato anche sostenuto in parte da FAPESP - São Paulo Research Foundation. E.C.P.D.M. è grato per una borsa di ricerca dal Consiglio nazionale per lo sviluppo scientifico e tecnologico (CNPq) 306330/2019-9.

1. Produzione delle cellule probiotiche
<ol><li>Preparare il brodo De Man Rogosa e Sharpe (MRS).</li>
	<li>Riattivare l'1% (v/v) della coltura di interesse nel brodo MRS (qui è stato utilizzato Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259).</li>
	<li>Incubare per 24 ore ad una temperatura adeguata (abbiamo usato 37 °C).</li>
</ol>2. Separare i batteri dalla coltura
<ol><li>Centrifugare la coltura batterica a 7.197 x g per 5 minuti a 4 °C utili...

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. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+spray+dried+encapsulated+probiotics+in+functional+food+formulations.">Application of spray dried encapsulated probiotics in functional food formulations.</a> Food and Bioprocess Technology. 15, 2135-2154 (2022).</li><li>Reid, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probiotic+use+in+an+infectious+disease+setting.">Probiotic use in an infectious disease setting.</a> Expert Review of Anti-Infective Therapy. 15 (5), 449-455 (2017).</li><li>Alvarez-Olmos, M. I., Oberhelman, R. 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D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Producing+powders+containing+active+dry+probiotics+with+the+aid+of+spray+drying.">Producing powders containing active dry probiotics with the aid of spray drying.</a> Advances in Food and Nutrition Research. 85, 211-262 (2018).</li><li>Barbosa, J., Teixeira, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+probiotic+fruit+juice+powders+by+spray-drying:+A+review.">Development of probiotic fruit juice powders by spray-drying: A review.</a> Food Reviews International. 33 (4), 335-358 (2017).</li><li>Waterhouse, G. I. 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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 è un batterio Gram-positivo, a forma di bastoncello, è un produttore di batteriocine con attività antilisteriale e ha un alto potenziale probiotico20. Son et al.24 hanno precedentemente dimostrato la capacità immunostimolante e antiossidante dei ceppi di L. paraplantarum. Inoltre, hanno un grande potenziale probiotico, con proprietà come la stabilità in condizioni gastriche e biliari artificiali, la suscettibilità agli antibi...

Per essere definiti probiotici, i microrganismi aggiunti agli alimenti (o integratori) devono essere consumati vivi, essere in grado di sopravvivere durante il passaggio nel tratto gastrointestinale dell'ospite e raggiungere il sito di azione in quantità adeguate per esercitare effetti benefici 1,2,7.
Il crescente interesse per i probiotici è dovuto ai numerosi benefici per la salute umana che conferiscono, come la stimolazione del sistema immunitario, la riduzione dei livelli sierici di colesterolo e il potenziamento della funzione di barriera intestinale agendo contro i microbi dannosi, nonché i loro effetti benefici nel trattamento della sindrome dell'intestino irritabile, tra gli altri 2,3. Inoltre, diversi studi hanno dimostrato che i probiotici possono influenzare positivamente altre parti del corpo umano in cui comunità microbiche squilibrate possono causare malattie infettive 3,4,5.
Affinché i probiotici siano terapeuticamente efficaci, il prodotto deve contenere tra 10 6-107 CFU / g di batteri al momento del consumo6. D'altra parte, il Ministero della Salute italiano e della Salute del Canada ha stabilito che il livello minimo di probiotici negli alimenti dovrebbe essere di 109 CFU/g di cellule vitali al giorno o per porzione, rispettivamente7. Considerando che sono necessari carichi elevati di probiotici per garantire che avranno effetti benefici, è essenziale garantire la loro sopravvivenza durante la lavorazione, la conservazione a scaffale e il passaggio attraverso il tratto gastrointestinale (GI). Diversi studi hanno dimostrato che la microincapsulazione è un metodo efficace per migliorare la vitalità complessiva dei probiotici 8,9,10,11.
In questo contesto, sono stati sviluppati diversi metodi per la microincapsulazione dei probiotici, come spray-drying, liofilizzazione, spray-chilling, emulsione, estrusione, coacervazione e, più recentemente, letti fluidizzati11,12,13,14. La microincapsulazione mediante essiccazione a spruzzo (SD) è ampiamente utilizzata nell'industria alimentare perché è un processo semplice, veloce e riproducibile. È facile da scalare e ha un alto rendimento produttivo a basso fabbisogno energetico11,12,13,14. Tuttavia, l'esposizione alle alte temperature e al basso contenuto di umidità può influenzare la sopravvivenza e la vitalità delle cellule probiotiche15. Entrambi i parametri possono essere migliorati per un dato ceppo determinando gli effetti dell'età e delle condizioni di coltura per pre-adattare la coltura e ottimizzare le condizioni di essiccazione a spruzzo (temperature di ingresso e uscita, processo di atomizzazione) e la composizione incapsulante 8,14,16,17,18.
Anche la composizione della soluzione incapsulante è un fattore importante durante la SD in quanto può definire il livello di protezione contro condizioni ambientali avverse. Inulina, gomma arabica, maltodestrine e latte scremato sono ampiamente usati come agenti incapsulanti per l'essiccazione probiotica 5,17,18,19. L'inulina è un fruttooligosaccaride che presenta una forte attività prebiotica e promuove la salute intestinale19. Il latte scremato è molto efficace nel mantenere la vitalità delle cellule batteriche essiccate e genera una polvere con buone proprietà di ricostituzione17.
Lactiplantibacillus paraplantarum FT-259 è un batterio dell'acido lattico che produce batteriocin e presenta attività antilisteriale, oltre ai tratti probiotici20,21. È un batterio Gram-positivo eterofermentativo facoltativo a forma di bastoncino che cresce da 15 °C a 37 °C20 ed è compatibile con la temperatura corporea omeostatica. Questo studio mirava a presentare tutte le fasi coinvolte nella produzione e caratterizzazione fisico-chimica di un probiotico spray-dried (L. paraplantarum FT-259) e valutare l'influenza dei protettori e le temperature di essiccazione.

<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

I probiotici e i prebiotici sono di grande interesse per le industrie alimentari e farmaceutiche a causa dei loro benefici per la salute. I probiotici sono batteri vivi che possono conferire effetti benefici sul benessere umano e animale, mentre i prebiotici sono tipi di nutrienti che alimentano i batteri intestinali benefici. I probiotici in polvere hanno guadagnato popolarità grazie alla facilità e alla praticità della loro ingestione e incorporazione nella dieta come integratore alimentare. Tuttavia, il processo di essiccazione interferisce con la vitalità cellulare poiché le alte temperature inattivano i batteri probiotici. In questo contesto, questo studio mirava a presentare tutte le fasi coinvolte nella produzione e caratterizzazione fisico-chimica di un probiotico spray-dried e valutare l'influenza dei protettori (associazione simulata latte scremato e inulina:maltodestrina) e le temperature di essiccazione nell'aumentare la resa in polvere e la vitalità cellulare. I risultati hanno mostrato che il latte scremato simulato ha promosso una maggiore vitalità probiotica a 80 ° C. Con questo protettivo, la vitalità probiotica, il contenuto di umidità e l'attività dell'acqua (Aw) si riducono finché aumenta la temperatura di ingresso. La vitalità dei probiotici diminuisce inversamente con la temperatura di essiccazione. A temperature vicine a 120 ° C, il probiotico essiccato ha mostrato una vitalità intorno al 90%, un contenuto di umidità del 4,6% p / p e un Aw di 0,26; valori adeguati a garantire la stabilità del prodotto. In questo contesto, sono necessarie temperature di essiccazione a spruzzo superiori a 120 °C per garantire la vitalità e la durata di conservazione delle cellule microbiche nella preparazione in polvere e la sopravvivenza durante la lavorazione e la conservazione degli alimenti.

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

In questo studio, L. paraplantarum è stato incapsulato da SD utilizzando agenti incapsulanti per uso alimentare (inulina: maltodestrina e latte in polvere simulato), dimostrando un'elevata qualità del prodotto ed efficacia nel preservare la vitalità cellulare batterica17,19.
I risultati della SD dei probiotici a 80 °C hanno mostrato che i distinti sistemi protettivi (inulina: maltodestrina e latte scremato simulato) hanno ...

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

Questo protocollo descrive in dettaglio le fasi coinvolte nella produzione e nella caratterizzazione fisico-chimica di un prodotto probiotico essiccato a spruzzo.

Sviluppo di processi per l'essiccazione a spruzzo di batteri probiotici e valutazione della qualità del prodotto

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

Nel nostro laboratorio, facciamo ricerche sui microbi benefici, compresi i probiotici, che sono microrganismi vivi che possono essere aggiunti al cibo per migliorare la salute dei consumatori, Di solito competendo con i batteri patogeni nell'intestino per escluderli e alleviare i sintomi, come la diarrea o altri disturbi gastrointestinali. Al giorno d'oggi, molte tecniche sono state applicate per garantire che i probiotici sopravviveranno negli alimenti durante la durata di conservazione. Inoltre, avevano bisogno di tollerare le dure condizioni del tratto gastrointestinale per esercitare i loro effetti benefici all'interno dell'intestino.Abbiamo studiato molte tecnologie che possono migliorare la sopravvivenza dei probiotici, sia nel cibo che nell'ospite umano. Tra le tecniche, la microincapsulazione mediante spray drying è di grande interesse perché è semplice, veloce e riproducibile, fornendo alte rese a basso fabbisogno energetico. È difficile, tuttavia, determinare le giuste condizioni per ottenere probiotici secchi.E per questo, devono essere scelti protettivi adatti. Latte scremato, maltodestrina, o altri come inulina probiotica sono stati utilizzati con diversi ceppi probiotici. L'area della microincapsulazione è un campo di ricerca in felice evoluzione che ha il potenziale per avere un impatto sull'industria alimentare fornendo nuovi prodotti da utilizzare come ingredienti funzionali.In questo studio, dimostriamo come ottenere una preparazione microincapsulata di una potenziale coltura probiotica utilizzando la tecnica di spray drying. Mostriamo anche come determinare i parametri principali per caratterizzare la polvere, ottenerla e come valutare il tasso di sopravvivenza del probiotico.