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

프로바이오틱스는 적절한 양을 섭취했을 때 인체에 건강상의 이점을 제공하는 살아있는 미생물입니다. 이들은 소화를 돕고 면역 체계를 강화하기 위해 흔히 요거트와 같은 식품이나 보충제에 첨가됩니다. 그러나 이 작은 조력자들은 목적지에 도달하기 전까지 위험한 여정에 직면합니다. 효과를 발휘하려면, 음식을 분해하고 박테리아를 죽이도록 설계된 강한 산과 소화 효소가 존재하는 위장의 가혹한 환경에서 살아남아야 합니다. 만약 프로바이오틱스가 장에 도달하기 전에 죽는다면, 그 식품이나 보충제는 거의 이점을 제공하지 못합니다. 과학자들은 오랫동안 이 연약한 세포들을 보호할 방법을 모색해 왔으며, 이는 마치 부서지기 쉬운 여행자 주위에 방패를 구축하여 그들이 살아있는 상태로 도착해 제 역할을 다할 수 있도록 보장하는 것과 같습니다.

이러한 보호를 위한 한 가지 유망한 방법은 박테리아를 보호층으로 코팅하는 과정인 미세 캡슐화(microencapsulation)입니다. 이러한 코팅을 만드는 흔한 기술 중 하나는 액체 혼합물을 미세한 분말로 만드는 분무 건조(spray drying)입니다. 이 방법은 효율적이고 규모 확장이 가능하지만, 열과 스트레스가 박테리아에 손상을 줄 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 더 강하고 탄력 있는 방패를 만들기 위해 서로 다른 재료들의 조합을 탐구하고 있습니다. 이 연구에서 인도 국립 식품 기술 경영 교육 연구소(National Institute of Food Technology Entrepreneurship and Management)의 과학자들은 탈지 분유와 카라기난이라는 두 가지 식품 등급 재료의 특정 혼합물을 조사했습니다. 탈지 분유는 열과 건조 스트레스로부터 박테리아를 완충할 수 있는 단백질과 당을 포함하고 있으며, 홍조류에서 추출한 물질인 카라기노는 겔을 형성하고 물을 붙잡아두는 능력이 있는 것으로 알려져 있습니다. 연구진은 이 두 가지를 혼합함으로써 박테리아를 건조 과정 중에 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 체내의 정확한 시점과 장소에서 박테리아가 방출되도록 조절할 수 있는 이중 레이어 방패를 만들 수 있는지 확인하고자 했습니다.

연구팀은 Lacticaseibacillus rhamnosus NCDC 347이라고 불리는 특정 프로바이오틱스 균주에 집중했습니다. 그들은 박테리아를 탈지 분유, 카라기노, 그리고 이 둘의 혼합 용액과 섞은 후, 분무 건조기를 사용하여 혼합물을 미세한 분말로 만들었습니다. 이 새로운 방패가 얼마나 잘 작동하는지 테스트하기 위해, 그들은 인간의 소화 과정을 모사했습니다. 그들은 분말을 위장의 산성 환경을 모사한 액체와, 효소가 풍부하고 더 중성에 가까운 장의 환경에 놓았습니다. 또한, 방패가 없이 어떻게 행동하는지 보기 위해 순수한 물에 분말을 넣기도 했습니다. 시간이 지남에 따라 분말에서 박테리아가 얼마나 누출되는지 측정함으로써, 그들은 방패가 잘 유지되고 있는지 아니면 무너지고 있는지를 판단할 수 있었습니다.

결과는 탈지 분유와 카라기노의 혼합물이 매우 효과적인 장벽을 형성했다는 것을 보여주었습니다. 분말을 순수한 물에 넣었을 때 박테리아는 매우 느리게 방출되었는데, 이는 방패가 온전하게 유지되어 단순히 녹아 없어지지 않았음을 나타냅니다. 그러나 분말을 장의 환경을 모사한 액체로 옮겼을 때, 방출 속도가 현저히 증가했습니다. 이는 방패가 똑똑하다는 것을 시사합니다. 즉, 위에서는 닫혀 있다가 장에 도달하면 열리는 구조이며, 이것이 바로 박테리아가 필요한 곳입니다. 대조적으로, 연구진이 위를 모사한 고산성 액체에서 분말을 테스트했을 때, 장에서보다 방출이 훨씬 느렸으며, 이는 박테리아가 강한 산으로부터 보호받았음을 확인시켜 주었습니다.

연구진은 또한 물을 흡수함에 따라 방패 자체가 형태와 크기가 어떻게 변하는지도 살펴보았습니다. 그들은 재료가 장내 액체에 들어갔을 때 크게 부풀어 올라, 자체 무게의 두 배 이상의 물을 흡수한다는 것을 발견했습니다. 이 팽창은 핵심적인 과정이었는데, 이는 박테리아를 밖으로 밀어내는 데 도움을 주었습니다. 흥amente하게도, 박테리아가 방패 밖으로 이동하는 방식은 단순하고 꾸준한 흐름이 아니었습니다. 대신, 방출은 물을 머금은 후 재료가 이완되고 구조가 변화함에 따라 발생했습니다. 이는 스펀지에서 단순히 물이 흘러내리는 것과는 다릅니다. 여기서 재료 자체가 팽창하고 구조를 변화시켜야 박테리아가 탈출할 수 있습니다. 이 메커니즘은 박테리아가 한꺼번에 쏟아져 나오는 것이 아니라 통제된 방식으로 전달되도록 보장합니다.

아마도 가장 중요한 발견은 박테리아가 여정 동안 얼마나 잘 생존했는가 하는 점이었습니다. 연구진이 보호되지 않은 박테리아를 산성 위액에 노출시켰을 때, 박테리아의 수는 급격히 감소하여 2시간 이내에 대부분 죽었습니다. 그러나 탈지 분유와 카라기노 방패 안에 숨겨진 박테리아는 훨씬 더 강한 상태를 유지했습니다. 동일한 산성 액체에서 2시간이 지난 후에도, 보호된 박테리아의 대다수는 여전히 살아있었습니다. 방패는 또한 장 내에 존재하는 박테리아에 독성이 될 수 있는 물질인 담즙염에 대해서도 효과적임을 입증했습니다. 다시 말하지만, 보호된 박테리아는 담즙염 농도가 높은 용액에서도 2시간 후에 높은 생존율을 유지한 반면, 보호되지 않은 박테리아는 큰 손실을 입었습니다.

이 연구는 탈지 분유와 카라기노의 이 특정 조합이 프로바이오틱스를 전달하는 강력한 도구라는 결론을 내립니다. 이는 제조 과정의 열과 위장의 가혹한 조건으로부터 박테리아를 성공적으로 보호합니다. 무엇보다도, 이들은 박테리아가 여행에서 살아남아 인간의 장에서 제 역할을 할 수 있도록 허용합니다. 연구진은 이 이중 레이어 시스템이 신뢰할 수 있는 기능성 식품과 보충제를 만들어 인간의 장에 살아있는 프로바이오틱스를 확실히 전달하는 데 사용될 수 있다고 제안합니다. 이는 어려운 생물학적 과제를 관리 가능한 공학적 솔루션으로 바꾸는 것입니다.