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

プロバイオティクスは、適切な量で摂取されたときに人体に健康上の利益をもたらす、生きた微生物です。これらは消化を助け、免疫力を高めるために、ヨーグルトなどの食品やサプリメントにしばしば添加されます。しかし、これらの小さな助っ人たちは、目的地に到達する前に過酷な旅に直面します。効果を発揮するためには、食べ物を分解し細菌を死滅させるように設計された強力な酸や消化酵素が存在する、胃の厳しい環境を生き延ilmiştirなければなりません。もしプロバイオティクスが腸に到達する前に死んでしまえば、その食品やサプリメントはほとんど恩恵をもたらしません。科学者たちは、壊れやすい旅人の周りに盾を築くかのように、これらの繊細な細胞を保護する方法を長い間追求してきました。彼らが生き残り、準備を整えて仕事ができる状態で目的地に到着できるようにするためです。

この保護のための有望な方法の一つが、細菌を保護層でコーティングするプロセスである「マイクロカプセル化」です。このコーティングを作るために一般的に用いられる技術の一つが、液体混合物を微細な粉末に変える「スプレードライ（噴霧乾燥）」です。この方法は効率的で規模の拡大も容易ですが、熱やストレスによって細菌がダメージを受けることがあります。これを解決するために、研究者たちは、より強く、より弾力性のある盾を作るために、異なる材料の組み合わせを探索しています。本研究において、インドの国立食品技術経営管理研究所（NIFTEM）の科学者たちは、脱脂粉乳（スキムミルクパウダー）とカラギーナンという2つの食品グレードの材料の特定のブレンドを調査しました。脱脂粉乳には、熱や乾燥によるストレスから細菌を緩衝できるタンパク質や糖が含まれています。一方、赤海藻から抽出される物質であるカラギーナンは、ゲルを形成し水を保持する能力があることで知られています。研究者たちは、これら2つを混ぜ合わせることで、細菌を乾燥プロセス中から保護するだけでなく、体内のいつ、どこで細菌を放出するかを正確に制御できる二重の層の盾を作れるかどうかを検証したいと考えました。

チームは、「Lacticaseibacillus rhamnosus」NCDC 347と呼ばれる特定のプロバイオティクス菌株に焦点を当てました。彼らは細菌を脱脂粉乳、カラギーナン、およびその両方の混合溶液と混ぜ合わせ、その後スプレードライヤーを使用して混合物を微細な粉末に変えました。この新しい盾がどの程度うまく機能するかをテストするために、彼らは人間の消化管を通る旅をシミュレートしました。彼らは、粉末を胃の酸性の環境を模した液体と、より中性で酵素が豊富な腸内の環境に置きました。また、消化液なしでどのように振る舞うかを見るために、普通の水の中でも粉末をテストしました。細菌が粉末からどの程度漏れ出しているかを測定することで、盾が持ちこたえているのか、それとも崩壊しているのかを判断することができました。

結果は、脱脂粉乳とカラギーナンのブレンドが非常に効果的な障壁を作り出したことを示しました。粉末を普通の水に入れたとき、細菌の放出は非常にゆっくりしており、これは盾が完全な状態を維持し、単に溶け出すことはなかったことを示しています。しかし、粉末を腸内を模した液体に移すと、放出率が大幅に増加しました。これは、この盾が「賢い」ことを示唆しています。つまり、胃では閉じたままの状態を保ち、腸に到達すると開くという仕組みです。これはまさに、細菌が必要とされる場所です。対照的に、研究者が胃を模した高度に酸性の液体で粉末をテストしたところ、腸内よりも放出がはるかに遅かったため、細菌が厳しい酸から保護されていることが確認されました。

研究者たちはまた、盾自体が水を吸収する際にどのように形や大きさが変化するかについても調査しました。彼らは、腸内の液体に入ると、材料が著しく膨張し、自重の2倍以上の水を吸収することを発見しました。この膨張がプロセスにおける重要な部分であり、これが細菌を外へと押し出す助けとなりました。興味深いことに、細菌が盾から外へ出る様子は、単純で一定のフローではありませんでした。むしろ、放出は、材料が水を吸い込んだ後に緩和し、構造を変化させることによって駆動されていました。これは、スポンジから単に水が滴り落ちるような仕組みとは異なります。ここでは、材料自体が膨張し、変化することで、細菌が脱出できるようにする必要があったのです。このメカニメントにより、細菌が一気に放出されるのではなく、制御された形で届けられることが保証されます。

おそらく最も重要な発見は、細菌がいかに旅を生き抜いたかという点でした。研究者が無防備な細菌を酸性の胃液にさらしたところ、その数は劇的に減少し、2時間以内にほとんどが死滅しました。しかし、脱脂粉乳とカラギーナンの盾に隠された細菌は、はるかに強く生き残りました。同じ酸性の液体の中に2時間置かれた後でも、保護された細菌の大部分はまだ生きていました。また、盾は、腸内に存在する細菌にとって毒となり得る物質である胆汁塩に対しても効果的であることを証明しました。ここでも、保護された細菌は、盾のないものよりもはるかに生存率が高かったです。高濃度の胆汁塩を含む溶液の中に2時間置かれた後でも、保護された細菌は高い生存率を維持していましたが、無防備な細菌は大きな損失を被りました。

本研究は、この特定の脱脂粉乳とカラギーナンの組み合わせが、プロバイオティクスを届けるための強力なツールであることを結論づけています。それは、製造工程の熱や胃の過酷な条件から細菌を保護することに成功しました。最も重要なことは、細菌が旅を生き抜き、仕事ができる場所である腸内で放出されるようにすることです。研究者たちは、この二重層システムが、信頼性の高い生きたプロバイオティクスをヒトの腸に届けるための、新しい機能性食品やサプリメントを作成するために使用できると示唆しています。これにより、困難な生物学的課題を、管理可能なエンジニアリングの解決策へと変えることができるのです。