Συστήματα ενθυλάκωσης προβιοτικών μικροοργανισμών με βιοπολυμερή: Φυσικοχημικές ιδιότητες και λειτουργική συμπεριφορά
Creators: name: Δουρβανίδης, Δημήτριος Αγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Ενθυλάκωση
Σύμπλοκη συσσώρευση
Προβιοτικοί μικροοργανισμοί
Encapsulation
Complex coacervation
Probiotics

description: Οι προβιοτικοί μικροοργανισμοί, όταν καταναλώνονται από τον άνθρωπο, προσφέρουν πολλά οφέλη για την υγεία του ξενιστή, με αποτέλεσμα το ενδιαφέρον για αυτά από τη βιομηχανία τροφίμων να είναι αυξημένο τα τελευταία χρόνια, με σκοπό τη χρήση τους ως πολύτιμα συστατικά για την ανάπτυξη λειτουργικών τροφίμων. Μια σημαντική πρόκληση για τη βιομηχανία τροφίμων είναι η διατήρηση υψηλής βιωσιμότητάς των προβιοτικών (&gt;106 CFU/g) κατά την επεξεργασία και την αποθήκευση του τροφίμου και φυσικά κατά τη διέλευσή τους από τον ανθρώπινο γαστρεντερικό σωλήνα. Η μικροενθυλάκωσης με τη χρήση διαφόρων βιοπολυμερών, έχει χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της βιωσιμότητας των προβιοτικών κυττάρων. Η σύμπλοκη συσσώρευση είναι μια ανερχόμενη τεχνική ενθυλάκωσης η οποία πραγματοποιείται όταν δύο αντίθετα φορτισμένα βιοπολυμερή αλληλεπιδρούν και σχηματίζουν δύο διακριτές φάσεις: την υδατική φάση και τη φάση των συσσωρευμάτων η οποία είναι πλούσια στα δύο βιοπολυμερή και περιέχει παγιδευμένη την προβιοτική καλλιέργεια. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της βιωσιμότητας ενός προβιοτικού στελέχους Lactobacillus paracasei έπειτα από έκθεσή του σε συνθήκες χαμηλού pH, υψηλών θερμοκρασιών και σε συχνές διεργασίες της βιομηχανίας τροφίμων όπως η ξήρανση με ψεκασμό και η λυοφιλίωση. Τα κύτταρα του μικροοργανισμού ενθυλακώθηκαν σε δύο προς εξέταση συστήματα μικροενθυλάκωσης, τα σύμπλοκα συσσωρεύματα και ένα σύστημα με διπλή ενθυλάκωση όπου τα σύμπλοκα συσσωρεύματα ακολούθως ενθυλακώθηκαν σε κάψουλες που παρασκευάστηκαν με εξωτερική ιονοτροπική πηκτωματοποίηση. Για τον σκοπό αυτό, σύμπλοκα συσσωρεύματα σχηματίστηκαν αρχικά με τη χρήση πρωτεΐνης ορού γάλακτος (WPI) και πηκτίνη-amidated με χαμηλό βαθμό εστεροποίησης (LMAP) στη βέλτιστη αναλογία μεταξύ των δύο βιοπολυμερών (WPI:LMAP) 3:1 και σε pH 4.0. Για την παρασκευή του δεύτερου συστήματος ενθυλάκωσης, σταγονίδια από το τελικό εναιώρημα συσσωρευμάτων ενσωματώθηκαν αρχικά με διάλυμα LMAP (1% w/w) και στη συνέχεια το μίγμα προστέθηκε στάγδην σε διάλυμα CaCl2 (5% w/w) με τη βοήθεια σύριγγας με τον άμεσο σχηματισμό κάψουλας με ιονοτροπική πηκτωματοποίηση μεταξύ της πηκτίνης και των ιόντων ασβεστίου. Τα αποτελέσματα από την έκθεση των ενθυλακωμένων και μη κυττάρων του μικροοργανισμού στις δυσμενείς συνθήκες που περιγράφτηκαν, έδειξαν ότι και τα δύο συστήματα ενθυλάκωσης βελτίωσαν σημαντικά τη βιωσιμότητα των κυττάρων σε σύγκριση με τα ελεύθερα κύτταρα. Επιπρόσθετα, το σύστημα διπλής ενθυλάκωσης, όπου τα συσσωρεύματα WPI:LMAP ενθυλακώθηκαν σε κάψουλες πηκτίνης με ιονοτροπική πηκτωματοποίηση, παρουσίασε ελαφρώς υψηλότερη προστασία στα προβιοτικά κύτταρα κατά την έκθεσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες σε σχέση με τα απλά σύμπλοκα συσσωρεύματα. Ωστόσο, η σύμπλοκη συσσώρευση από μόνη της παρουσίασε καλύτερη προστασία της βιωσιμότητας των κυττάρων σε περιβάλλον με χαμηλό pH. Σε γενικές γραμμές, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η διπλή ενθυλάκωση των προβιοτικών κυττάρων σε κάψουλες gel που περιέχουν σύμπλοκα συσσωρεύματα μπορεί να προσφέρει ενισχυμένη προστασία για ορισμένες εφαρμογές που σχετίζονται με συστήματα τροφίμων. Αξιοσημείωτη επίσης είναι η υψηλή προστασία που παρείχαν τα σύμπλοκα συσσωρεύματα WPI:LMAP και WPI:Gum Arabic, δύο συστημάτων που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο και χρησιμοποιήθηκαν για την προστασία μικροοργανισμών, κατά την ξήρανση με ψεκασμό, με τον μικροοργανισμό να διατηρεί τη βιωσιμότητά του σε επίπεδα &gt;106 CFU/g. Στο σύνολό τους, τα αποτελέσματα παρουσίασαν πολλές προοπτικές στην ενθυλάκωση προβιοτικών μικροοργανισμών, με την κατάλληλη επιλογή βιοπολυμερών αλλά και φυσικοχημικών ιδιοτήτων του συστήματος, ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο θα χρησιμοποιηθούν.
description: Probiotics, when consumed by humans, are implicated with the delivery of several health benefits to the host, thus raising the interest of food industry for using them as a valuable component in the development of functional food products. One of the main challenges in exerting their health effects is to maintain high viability (over 106 CFU/g) during storage and upon their transit through the gastrointestinal tract system. Microencapsulation using various biopolymers as wall materials has been often employed to improve viability of probiotic cells. Complex coacervation of probiotics is an emerging technique which takes place when two oppositely charged biopolymers electrostatically interact and form two separate phases: the aqueous phase and the coacervate phase which is rich in biopolymers and contains entrapped most of the probiotic cells. The objective of this study was to investigate the viability of a probiotic strain of Lactobacillus paracasei under exposure to low pH conditions, heat treatment and to processes commonly used in the food industry such as spray drying and freeze drying by using dual encapsulation; i.e. the combination of biopolymer complex coacervation followed by external ionotropic gelation. For this purpose, complex coacervates were firstly formed using whey-protein-isolate (WPI) and low-methoxyl amidated pectin (LMAP) at an optimum weight ratio of 3:1 and at pH 4.0. The coacervate’s final suspension was firstly incorporated in a 1% w/w LMAP solution and then added slowly into a CaCl2 (5% w/w) solution by means of a syringe and gel microspheres were formed by ionic gelation of the pectin and by the calcium ions. The results showed that both encapsulation techniques significantly improved the viability of the cells compared to the free cells. Moreover, the dual encapsulation of beads made by ionic gelation with embedded coacervates offered a slightly higher protection to the probiotic cells upon heating compared to the coacervates alone. However, complex coacervation as the sole encapsulation technique used, resulted in a better viability of the cells in a low pH environment. Overall, the findings indicated that dual encapsulation of cells in gel microspheres containing coacervates can offer improved protection for certain applications related to food systems. Finally, there was a remarkable high protection that complex coacervates of WPI:LMAP and WPI:Gum Arabic, two encapsulate systems developed in our lab for the protection of probiotics, offered upon exposure of cells to spray drying. The population of the cells remained above 106 CFU/g of dried powder. Overall, the results showed many prospects for the encapsulation of probiotic microorganisms, by appropriate selection of biopolymers and physicochemical properties of the system, depending on the environment in which they will be used.