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

I probiotici sono microrganismi viventi che, quando consumati nelle giuste quantità, offrono benefici per la salute del corpo umano. Spesso vengono aggiunti ad alimenti come lo yogurt e agli integratori per sostenere la digestione e potenziare il sistema immunitario. Tuttavia, questi piccoli aiutanti affrontano un viaggio periglioso prima di poter raggiungere la loro destinazione. Per essere efficaci, devono sopravvivere al duro ambiente dello stomaco, dove acidi forti ed enzimi digestivi sono progettati per scomporre il cibo e uccidere i batteri. Se i probiotici muoiono prima di raggiungere l'intestino, il cibo o l'integratore forniscono un beneficio minimo. Gli scienziati cercano da tempo modi per proteggere queste cellule delicate, proprio come costruire uno scudo attorno a un fragile viaggiatore, assicurando che arrivino vivi e pronti a lavorare.

Un metodo promettente per questa protezione è la microincapsulazione, un processo in cui i batteri vengono rivestiti da uno strato protettivo. Una tecnica comune utilizzata per creare questi rivestimenti è l'essiccazione a spruzzo (spray drying), che trasforma una miscela liquida in una polvere fine. Sebbene questo metodo sia efficiente e scalabile, il calore e lo stress coinvolti possono talvolta danneggiare i batteri. Per risolvere questo problema, i ricercatori stanno esplorando combinazioni di diversi materiali per creare scudi più forti e resistenti. In questo studio, gli scienziati del National Institute of Food Technology Entrepreneurship and Management in India hanno indagato su una specifica miscela di due materiali di grado alimentare: latte scremato in polvere e carragenina. Il latte scremato in polvere contiene proteine e zuccheri che possono ammortizzare i batteri contro lo stress termico e di essiccazione, mentre la carragenina, una sostanza estratta dalle alghe rosse, è nota per la sua capacità di formare gel e trattenere l'acqua. I ricercatori volevano vedere se mescolando questi due si sarebbe creato uno scudo a doppio strato che potesse non solo proteggere i batteri durante il processo di essiccazione, ma anche controllare esattamente quando e dove i batteri vengono rilasciati all'interno del corpo.

Il team si è concentrato su un ceppo specifico di batteri probiotici chiamato Lacticaseibacillus rhamnosus NCDC 347. Hanno mescolato i batteri con soluzioni di latte scremato in polvere, carragenina e una combinazione di entrambi, poi hanno utilizzato uno spray dryer per trasformare le miscele in una polvere fine. Per testare quanto bene funzionasse questo nuovo scudo, hanno simulato il viaggio attraverso il sistema digestivo umano. Hanno posto la polvere in liquidi che mimano l'ambiente acido dello stomaco e l'ambiente più neutro e ricco di enzimi dell'intestino. Hanno anche testato la polvere in acqua pura per vedere come si comportava senza i fluidi digestivi. Misurando quanto i batteri fuoriuscissero dalla polvere nel tempo, potevano determinare se lo scudo stesse reggendo o si stesse decomponendo.

I risultati hanno mostrato che la miscela di latte scremato e carragenina ha creato una barriera altamente efficace. Quando la polvere è stata posta in acqua pura, i batteri sono stati rilasciati molto lentamente, indicando che lo scudo rimaneva intatto e non si era semplicemente dissolto. Tuttavia, quando la polvere è stata spostata in un fluido che mimava l'intestino, il tasso di rilascio è aumentato significamente. Ciò suggerisce che lo scudo è intelligente; rimane chiuso nello stomaco ma si apre quando raggiunge l'intestino, che è esattamente dove i batteri devono trovarsi. Al contrario, quando i ricercatori hanno testato la polvere in un liquido altamente acido destinato a mimare lo stomaco, il rilascio è stato molto più lento rispetto all'intestino, confermando che i batteri erano protetti dall'acido forte.

I ricercatori hanno anche osservato come lo scudo stesso cambiasse forma e dimensione assorbendo acqua. Hanno scoperto che il materiale si gonfiava significativamente quando entrava nel fluido intestinale, assorbendo più del doppio del proprio peso in acqua. Questo rigonfiamento era una parte chiave del processo, poiché aiutava a spingere i batteri fuori dallo scudo. Interessante è che il modo in cui i batteri uscivano dallo scudo non era un flusso semplice e costante. Invece, il rilascio era guidato dal rilassamento del materiale e dal cambiamento della sua struttura dopo aver assorbito acqua. Questo è diverso da come una spugna potrebbe semplicemente far gocciolare l'acqua; qui il materiale stesso doveva espandersi e cambiare per lasciare che i batteri uscissero. Questo meccanismo assicura che i batteri non vengano scaricati tutti in una volta, ma siano consegnati in modo controllato.

Forse il risultato più importante è stato quanto bene i batteri siano sopravvissuti al viaggio. Quando i ricercatori hanno esposto i batteri non protetti al fluido acido dello stomaco, i loro numeri sono diminuiti drasticamente, con la maggior parte di essi che moriva entro due ore. Tuttavia, i batteri nascosti all'interno dello scudo di latte scremato e carragenina sono rimasti molto più forti. Dopo due ore nello stesso fluido acido, la grande maggioranza dei batteri protetti era ancora viva. Lo scudo si è dimostrato efficace anche contro i sali biliari, una sostanza presente nell'intestino che può essere tossica per i batteri. Ancora una volta, i batteri protetti sono sopravvissuti molto meglio di quelli senza scudo. Anche dopo due ore in una soluzione con alti livelli di sali biliari, i batteri protetti hanno mantenuto alti tassi di sopravvivenza, mentre quelli non protetti hanno subito perdite pesanti.

Lo studio conclude che questa specifica combinazione di latte scremato e carragenina è uno strumento potente per la consegna di probiotici. Protegge con successo i batteri dal calore del processo di produzione e dalle dure condizioni dello stomaco. Soprattutto, permette ai batteri di sopravvivere al viaggio e di rilasciarli nell'intestino, dove possono svolgere il loro lavoro. I ricercatori suggeriscono che questo sistema a doppio strato potrebbe essere utilizzato per creare nuovi alimenti funzionali e integratori che consegnino in modo affidabile probiotici vivi all'intestino umano, trasformando una difficile sfida biologica in una gestibile soluzione ingegneristica.