Influence of Different Capsule Materials on the Physiological Properties of Microencapsulated <i> Lactobacillus acidophilus</i>

Abstract

This work aimed at evaluating the viability and physiological changes of <i> L. acidophilus </i>after the microencapsulation process and over a period of storage time; influence of heat treatments; viability and stability to some deliberately simulated conditions in the carrier foods (including the presence of salt, sugar, and organic acids); and the resistance of microencapsulated <i> L. acidophilus </i> to some simulated conditions of the human intestinal tract (including gastric juice and bile salts).<br /> To investigate the survival of <i> L. acidophilus </i> after spray drying, <i> L. acidophilus </i> spray dried with different carrier material mixtures including: <b> gum arabic </b> and gum arabic with: mannitol, pectin maltodextrin, skim milk, gum guar, gum karaya, carrageenan, alginate, lecithin, glycerol, tomato juice, tween 20, soybean flour, and gelatin; <b> soy protein </b> and soy protein with: alginate, pectin, gum arabic, gum arabic+alginate, and gum arabic+pectin; <b> whey protein </b> and whey protein with alginate, pectin, gum arabic, gum arabic+alginate, and gum arabic+pectin; <b> soy milk </b> and soy milk with: alginate, pectin, gum arabic, gum arabic+alginate, and gum arabic+ pectin; <b> gelatin </b> and gelatin with: mannitol, pectin, maltodextrin, skim milk, alginate, lecithin, glycerol, tween 20, tomato juice, soybean flour, soy protein, whey protein, and soy milk. It was found that the survival of <i> Lactobacillus acidophilus </i> in different capsule materials highly varied after spray drying. It is evident that, in general, the number of survivors decreased after spray drying for all capsule materials tested. The decreases ranged from less than 1 log cycle to 2 log cycles approximately. <br /> The results showed a great variability in the survival ability of microencapsulated <i> L. acidophilus </i>during storage at 5°C ranging from 4 to 15 weeks, which could be highly dependent on the different kinds of capsule materials. <br /> This study determined the viability of <i> L. acidophilus </i> during storage in different sucrose concentrations (5, 10, 15, 20, and 25%). The stability of microencapsulated cells was weakly affected by the different sucrose concentration used. 20 and 25% sucrose had moderate effect on the microencapsulated cells.<br /> The survival of free and microencapsulated <i> L. acidophilus </i> in 1. 2. 3. 4. and 5.% sodium chloride during storage at ^50C was investigated. Microencapsulated <i> L. acidophilus </i> with soy milk+gum arabic showed the best stability to salt compared to the other capsule materials. <br /> The present study evaluated the stability of free and microencapsulated <i> L. acidophilus </i> during refrigerated storage in different lactic, citric, and acetic acids solutions with different pH values (3, 4, and 5). Little variability was observed between the different acids used at the same pHs. The protein- and soy milk-containing capsule materials could highly protect and help <i> L. acidophilus </i> to survive better the low pHs harsh conditions.<br /> Cells inoculated into HCl solutions with pH values of 1, 2 and 3. Free cells exhibited intolerance to pH 1 and 2 and were more acid tolerant at pH 3. Nevertheless, microencapsulated cells in all capsule materials were found to be slightly more acid tolerant at pH 1, and obviously more acid tolerant at pH 2 and 3. Microencapsulated cells were likely to be buffered by the protein carrier matrix and were thus not likely to be exposed to the low pH extremes. The bile concentrations tested were 1, 2 and 4%.Microencapsulated cells with soy milk+gum arabic survived best in bile, followed by whey protein+gum arabic, soy protein+gum arabic, gelatin, and gum Arabic.<br /> The present study is the first investigation dealing with the effect of using different capsule materials on protecting and stabilizing the viability and stability of probiotics concerning the whole line: microencapsulation process stress; stress caused by the storage time and conditions; Influence within the food product until consumption; and stress within the intestinal tract.

<strong>Einfluss verschiedener Kapselmaterialien auf die physiologischen Eigenschaften mikroverkapselter <i>Lactobacillus acidophilus</i></strong><br /> Die Ziele der vorliegenden Arbeit bestehen in der Bewertung Stabilität von mikroverkapselten <i> Lactobacillus acidophilus </i> während des Zyklus von der Verkapselung (mit verschiedenen Kapselmaterialien) über die Lagerung, Verhalten in Lebensmitteln bis hin zum Verdauungstrakt.<br /> Um die Überlebensrate von <i> L. acidophilus </i> nach der Sprühtrocknung zu untersuchen, wurde mit folgenden Kapselmaterialien einzeln und in Kombination verwendet: <b> Gummi Arabicum </b> und Gummi Arabicum in Kombination mit Mannitol, Pektin, Maltodextrin, Magermilch, Gum Guar, Gum Karya, Carrageen, Alginat, Lecithin, Glycerol, Tomatensaft, Tween 20, Sojabohnenmehl, Gelatine; <b> Sojaprotein </b> und Sojaprotein in Kombination mit Alginat, Pektin; <b> Molkeprotein </b> und Molkenprotein in Kombination mit Alginat, Pektin; <b> Sojamilch </b> und Sojamilch in Kombination mit Alginat, Pektin, Gummi Arabicum+Alginat, Gummi Arabicum+Pektin; Sojaprotein in Kombination mit Gummi Arabicum, Gummi Arabicum+Alginat, Gummi Arabicum+Pektin; Molkeprotein in Kombination mit Gummi Arabicum, Gummi Arabicum+Alginat, Gummi Arabicum+Pektin; <b> Gelatine</b> und Gelatine in Kombination mit Mannitol, Pektin, Maltodextrin, Magermilch, Alginat, Lecithin, Glycerol, Tween 20, Tomatensaft, Sojabohnenmehl, Sojaprotein, Molkeprotein, Sojamilch. Es wurde herausgefunden, dass die Überlebensrate nach der Sprühtrocknung in Abhängigkeit vom Kapselmaterial stark variiert. Es ist offensichtlich, dass bei allen verwendeten Kapselmaterialien die Zellzahl durch die Sprühtrocknung sinkt. Der Abfall reicht dabei von etwas weniger als eine Zehnerpotenz bis zu annähernd zwei Zehnerpotenzen. <br /> Die Ergebnisse zeigten eine große Variabilität in der Überlebensfähigkeit mikroverkapselter <i> L. acidophilus </i> während der Lagerung bei 5⁰C, die zwischen 4 bis 15 Wochen lag und mit hoher Sicherheit auf die unterschiedlichen Kapselmaterialien zurückzuführen ist. <br /> Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der Lebensfähigkeit von <i>Lactobacillus acidophilus </i>in verschiedenen Saccharosekonzentrationen (5; 10; 15; 20 und 25%). Die Stabilität verkapselter Zellen wird für alle Saccharosekonzentrationen kaum beeinflusst. Nur bei 20 und 25% Saccharose konnte ein geringer negativer Effekt auf die verkapselten Zellen beobachtet werden.<br /> Es wurde die Überlebensfähigkeit von freien und mikroverkapselten <i>Lactobacillus acidophilus </i>Zellen in 1; 2; 3; 4 und 5%-iger Natriumchlorid-Lösung während einer Lagerung bei 5°C bestimmt. Mit Gummi Arabicum+Sojamilch verkapselte <i>Lactobacillus acidophilus </i> hatten im Vergleich zu allen anderen mikroverkapselten Zellen die höchste Stabilität gegenüber Kochsalz.<br /> Des weiteren wurde in der vorliegenden Studie die Stabilität freier und verkapselter <i>Lactobacillus acidophilus </i> während einer Kühllagerung in verschiedenen Milchsäure-, Essigsäure, und Zitronensäurelösungen mit verschiedenen pH-Werten (3; 4 und 5) bestimmt. Insgesamt können Kapselmaterialien, die Proteine oder Sojamilch enthalten, <i>Lactobacillus acidophilus </i> einen hohen Schutz bei niedrigen pH-Werten bieten.<br /> In weiteren Untersuchungen wurden die Mikroorganismen in Salzsäurelösungen mit pH-Werten von 1; 2 und 3 und Gallesalzgemisch-Konzentrationen von 1; 2 und 4% aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass mikroverkapselte Zellen bei allen Kapselmaterialien eine leicht höhere Säuretoleranz bei einem pH 1 und eine deutlich höhere Säuretoleranz bei pH-Werten von 2 und 3 aufweisen. Die mikroverkapselten Zellen werden durch die Proteinträgermatrix gepuffert und daher nicht den extremen pH-Werten im Magen ausgesetzt. Die Stabilität der verkapselten Mikororganismen gegenüber den Gallesalzen ist bei den mit Gummi Arabicum+Sojamilch verkapselt Porben am größten, gefolgt von Gummi Arabicum+Molkeprotein, Gummi Arabicum+ Sojaprotein und Gelatine.<br /> Die vorliegende Arbeit gibt erstmals einen Überblick über die Stabilität hinsichtlich der Überlebensfähigkeit und der physiologischen Eigenschaften für den Gesamtzyklus von probiotischen Mikroorganismen von der Herstellung über die Lagerung bis in den Verdauungstrakt unter vergleichbaren Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, das die Mikroverkapselung ein technologisches Konzept darstellt, Lebensmittel mit physiologisch aktiveren Probiotika herstellen zu können.