Release kinetic study of encapsulated probiotic Lacticaseibacillus rhamnosus strain NCDC 347 in double-layer matrix encapsulated by spray drying

Probiotika sind lebende Mikroorganismen, die, wenn sie in den richtigen Mengen konsumiert werden, gesundheitliche Vorteile für den menschlichen Körper bieten. Sie werden oft zu Lebensmitteln wie Joghurt und Nahrungsergänzungsmitteln hinzugefügt, um die Verdauung zu unterstützen und das Immunsystem zu stärken. Diese winzigen Helfer stehen jedoch einer gefährlichen Reise gegenüber, bevor sie ihr Ziel erreichen können. Um wirksam zu sein, müssen sie die raue Umgebung des Magens überleben, in der starke Säuren und Verdauungsenzyme darauf ausgelegt sind, Nahrung aufzuspalten und Bakterien abzutöten. Wenn die Probiotika sterben, bevor sie den Darm erreichen, bietet das Lebensmittel oder Nahrungsergänzungsmittel wenig Nutzen. Wissenschaftler suchen seit langem nach Wegen, diese empfindlichen Zellen zu schützen, ähnlich wie man einen Schutzschild um einen zerbrechlichen Reisenden baut, um sicherzustellen, dass sie lebendig ankommen und bereit sind, ihre Arbeit zu verrichten.

Eine vielversprechende Methode für diesen Schutz ist die Mikroverkapselung, ein Prozess, bei dem Bakterien mit einer Schutzschicht überzogen werden. Eine gängige Technik zur Erstellung dieser Beschichtungen ist das Sprühtrocknen, bei dem ein flüssiges Gemisch in ein feines Pulver verwandelt wird. Während diese Methode effizient und skalierbar ist, können die Hitze und die Belastungen, die dabei entstehen, die Bakterien manchmal schädigen. Um dies zu lösen, erforschen Forscher Kombinationen verschiedener Materialien, um stärkere, widerstandsfähigere Schilde zu schaffen. In dieser Studie untersuchten Wissenschaftler am National Institute of Food Technology Entrepreneurship and Management in Indien eine spezifische Mischung aus zwei lebensmittelechten Materialien: Magermilchpulver und Carrageen. Magermilchpulver enthält Proteine und Zucker, die die Bakterien gegen Hitze- und Trocknungsstress abfedern können, während Carrageen, eine aus rotem Seetang extrahierte Substanz, für seine Fähigkeit bekannt ist, Gele zu bilden und Wasser zu binden. Die Forscher wollten sehen, ob das Mischen dieser beiden würde, um einen doppelschichtigen Schild zu schaffen, der die Bakterien nicht nur während des Trocknungsprozesses schützen kann, sondern auch genau kontrolliert, wann und wo die Bakterien im Körper freigesetzt werden.

Das Team konzentrierte sich auf einen spezifischen Stamm von Probiotika namens Lacticaseibacillus rhamnosus NCDC 347. Sie mischten die Bakterien mit Lösungen aus Magermilchpulver, Carrageen und einer Kombination aus beiden, und verwendeten dann einen Sprühtrockner, um die Mischungen in ein feines Pulver zu verwandeln. Um zu testen, wie gut dieser neue Schild funktionierte, simulierten sie die Reise durch das menschliche Verdauungssystem. Sie platzierten das Pulver in Flüssigkeiten, die die saure Umgebung des Magens und die enzymreiche, neutralere Umgebung des Darms nachahmen. Sie testeten das Pulver auch in reinem Wasser, um zu sehen, wie es sich ohne Verdauungsflüssigkeiten verhält. Indem sie maßen, wie viel der Bakterien über die Zeit aus dem Pulver austrat, konnten sie bestimmen, ob der Schild hielt oder zerfiel.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Mischung aus Magermilch und Carrageen eine hocheffektive Barriere bildete. Als das Pulver in reinem Wasser platziert wurde, wurden die Bakterien sehr langsam freigesetzt, was darauf hindeutete, dass der Schild intakt blieb und sich nicht einfach auflöste. Wenn das Pulver jedoch in eine Flüssigkeit bewegt wurde, die den Darm nachahmte, stieg die Freisetzungsrate signifikant an. Dies deutet darauf hin, dass der Schild intelligent ist; er bleibt im Magen geschlossen, öffnet sich aber, wenn er den Darm erreicht, was genau der Ort ist, an dem die Bakterien benötigt werden. Im Gegensatz dazu, als die Forscher das Pulver in einer hochsauren Flüssigkeit testeten, die den Magen nachahmen sollte, war die Freisetzung viel langsamer als im Darm, was bestätigte, dass die Bakterien vor der aggressiven Säure geschützt waren.

Die Forscher untersuchten auch, wie sich der Schild selbst in Form und Größe veränderte, wenn er Wasser absorbierte. Sie fanden heraus, dass das Material stark anschwoll, wenn es in die Darmflüssigkeit gelangte, und mehr als das Doppelte seines eigenen Gewichts an Wasser aufnahm. Dieses Anschwellen war ein Schlüsselelement des Prozesses, da es half, die Bakterien aus dem Schild herauszudrücken. Interessanterweise war die Art und Weise, wie die Bakterien aus dem Schild wanderten, kein einfacher, stetiger Fluss. Stattdessen wurde die Freisetzung dadurch angetrieben, dass sich das Material nach dem Aufsaugen von Wasser entspannte und seine Struktur änderte. Dies unterscheidet sich von der Art und Weise, wie ein Schwamm einfach Wasser durchtropfen lässt; hier musste das Material selbst expandieren und sich verschieben, um die Bakterien entweichen zu lassen. Dieser Mechanismus stellt sicher, dass die Bakterien nicht auf einmal ausgeschüttet, sondern kontrolliert abgegeben werden.

Vielleicht war die wichtigste Erkenntnis, wie gut die Bakterien die Reise überstanden. Als die Forscher die ungeschützten Bakterien der sauren Magenflüssigkeit aussetzten, sank ihre Zahl drastisch, wobei die meisten innerhalb von zwei Stunden starben. Die im Magermilch- und Carrageen-Schild verborgenen Bakterien blieben jedoch viel stärker. Nach zwei Stunden in derselben sauren Flüssigkeit war ein Großteil der geschützten Bakterien noch am Leben. Der Schild erwies sich auch gegenüber Gallensalzen als wirksam, einer Substanz, die im Darm vorkommt und für Bakterien toxisch sein kann. Auch hier überlebten die geschützten Bakterien wesentlich besser als die ungeschützten. Selbst nach zwei Stunden in einer Lösung mit hohen Anteilen an Gallensalzen behielten die geschützten Bakterien hohe Überlebensraten bei, während die ungeschützten schwere Verluste erlitten.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese spezifische Kombination aus Magermilch und Carrageen ein leistungsstarkes Werkzeug zur Verabreichung von Probiotika ist. Sie schützt die Bakterien erfolgreich vor der Hitze des Herstellungsprozesses und den harschen Bedingungen des Magens. Am wichtigsten ist jedoch, dass sie die Bakterien ermöglicht, die Reise zu überstehen und sie im Darm freizusetzen, wo sie ihre Aufgabe erfüllen können. Die Forscher schlagen vor, dass dieses Doppelschichtsystem verwendet werden könnte, um neue funktionelle Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel zu entwickeln, die lebende Probiotika zuverlässig in den menschlichen Darm liefern und so eine schwierige biologische Herausforderung in eine handhabbare technische Lösung verwandeln.