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

Probiotica zijn levende micro-organismen die, wanneer ze in de juiste hoeveelheden worden geconsumeerd, gezondheidsvoordelen bieden aan het menselijk lichaam. Ze worden vaak toegevoegd aan voedingsmiddelen zoals yoghurt en supplementen om de spijsvertering te ondersteiven en het immuunsysteem een boost te geven. Deze kleine helpers staan echter een gevaarlijke reis te wachten voordat ze hun bestemming bereiken. Om effectief te zijn, moeten ze het harde milieu van de maag overleven, waar sterke zuren en spijsverteringsenzymen zijn ontworpen om voedsel af te breken en bacteriën te doden. Als de probiotica sterven voordat ze de darmen bereiken, biedt het voedsel of supplement weinig voordeel. Wetenschappers zoeken al lang naar manieren om deze delicate cellen te beschermen, vergelijkbaar met het bouwen van een schild rond een kwetsbare reiziger, om ervoor te zorgen dat ze levend aankomen en klaar zijn om aan het werk te gaan.

Een veelbelovende methode voor deze bescherming is micro-encapsulatie, een proces waarbij bacteriën worden gecoat met een beschermende laag. Een veelgebruikte techniek om deze coatings te maken is sproeidrogen, wat een vloeibare mengeling verandert in een fijn poeder. Hoewel deze methode efficiënt en schaalbaar is, kunnen de hitte en de stress die daarbij vrijkomen de bacteriën soms beschadigen. Om dit op te lossen, onderzoeken onderzoekers combinaties van verschillende materialen om sterkere, veerkrachtigere schilden te crekken. In dit onderzoek onderzochten wetenschappers van het National Institute of Food Technology Entrepreneurship and Management in India een specifieke mix van twee levensmiddelen-gekwalificeerde materialen: magere melkpoeder en carrageen. Magere melkpoeder bevat eiwitten en suikers die bacteriën kunnen beschermen tegen hitte en uitdroogingsstress, terwijl carrageen, een stof geëxtraheerd uit rode zeewier, bekend staat om zijn vermogen om gels te vormen en water vast te houden. De onderzoekers wilden zien of het mengen van deze twee een dubbellaags schild zou creëren dat niet alleen de bacteriën tijdens het droogproces kan beschermen, maar ook precies kan controleren wanneer en waar de bacteriën in het lichaam worden vrijgegeven.

Het team richtte zich op een specifieke stam van probiotische bacteriën genaamd Lacticaseibacillus rhamnosus NCDC 347. Ze mengden de bacteriën met oplossingen van magere melkpoeder, carrageen en een combinatie van beide, en gebruikten vervolgens een sproeidroger om de mengsels in een fijn poeder te veranderen. Om te testen hoe goed dit nieuwe schild werkte, simuleerden ze de reis door het menselijke spijsverteringsstelsel. Ze plaatsten het poeder in vloeistoffen die het zure milieu van de maag nabootsen en de meer neutrale, enzymrijke omgeving van de darmen. Ze testten het poeder ook in gewoon water om te zien hoe het zich gedraagt zonder spijsverteringsvloeistoffen. Door te meten hoeveel van de bacteriën er over een bepaalde tijd uit het poeder lekten, konden ze bepalen of het schild standhield of afbrak.

De resultaten toonden aan dat de mix van magere melk en carrageen een zeer effectieve barrière vormde. Wanneer het poeder in gewoon water werd geplaatst, werden de bacteriën zeer langzaam vrijgegeven, wat erop wijst dat het schild intact bleef en niet simpelweg oploste. Echter, wanneer het poeder werd verplaatst naar een vloeistof die de darmen nabootste, nam de vrijgave snelheid aanzienlijk toe. Dit suggereert dat het schild slim is; het blijft gesloten in de maag, maar opent zich wanneer het de darmen bereikt, wat precies is waar de bacteriën moeten zijn. In tegenstelling hiermee, toen de onderzoekers het poeder in een zeer zure vloeistof testten die bedoeld was om de maag na te bootsen, was de vrijgave veel langzamer dan in de darmen, wat bevestigde dat de bacteriën werden beschermd tegen het harde zuur.

De onderzoekers keken ook naar hoe het schild zelf van vorm en grootte veranderde wanneer het water absorbeerde. Ze ontdekten dat het materiaal aanzienlijk opzwellde wanneer het in de darmvloeistof kwam, waarbij het meer dan twee keer zijn eigen gewicht in water absorbeerde. Dit opzwellen was een cruciaal onderdeel van het proces, omdat het hielp de bacteriën uit het schild te duwen. Interessant genoeg was de manier waarop de bacteriën uit het schild bewogen geen eenvoudige, constante stroom. In plaats daarvan werd de vrijgave gedreven door het feit dat het materiaal ontspande en van structuur veranderde nadat het water had opgenomen. Dit is anders dan hoe een spons simpelweg water doorlaat; hier moest het materiaal zelf uitzetten en van vorm veranderen om de bacteriën te laten ontsnappen. Dit mechanisme zorgt ervoor dat de bacteriën niet in één keer worden gedumpt, maar op een gecontroleerde manier worden afgeleverd.

Misschien wel de belangrijkste bevinding was hoe goed de bacteriën de reis overleefden. Wanneer de onderzoekers de onbeschermde bacteriën blootstelden aan het zure maagvocht, daalde hun aantal drastisch, waarbij de meeste van hen binnen twee uur stierven. Echter, de bacteriën verborgen in het schild van magere melk en carrageen bleven veel sterker. Na twee uur in hetzelfde zure vocht waren een grote meerderheid van de beschermde bacteriën nog steeds in leven. Het schild bleek ook effectief tegen galzouten, een stof die in de darmen wordt gevonden en die giftig kan zijn voor bacteriën. Opnieuw overleefden de beschermde bacteriën veel beter dan de onbeschermde bacteriën. Zelfs na twee uur in een oplossing met hoge concentraties galzouten behielden de beschermde bacteriën hoge overlevingspercentages, terwijl de onbeschermde bacteriën zware verliezen leden.

De studie concludeert dat deze specifieke combinatie van magere melk en carrageen een krachtig hulpmiddel is voor het leveren van probiotica. Het slaagt erin de bacteriën te beschermen tegen de hitte van het productieproces en de harde omstandigheden van de maag. Belangrijker nog is dat het de bacteriën in staat stelt de reis te overleven en ze in de darmen vrij te geven, waar ze hun werk kunnen doen. De onderzoekers suggereren dat dit dubbellaagse systeem gebruikt kan worden om nieuwe functionele voedingsmiddelen en supplementen te creëren die live probiotica betrouwbaar afleveren in de menselijke darm, waardoor een moeilijke biologische uitdaging wordt omgezet in een beheersbare technische oplossing.