Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3198
Main Title: Prozesstechnische Stabilisierung des probiotischen Milchsäurebakteriums Lactobacillus acidophilus
Translated Title: Process engineering for the stabilization of the probiotic Lactobacillus acidophilus
Author(s): Senz, Martin
Advisor(s): Stahl, Ulf
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit war die Optimierung unterschiedlicher Verfahren zur Aufrechterhaltung der Viabilität von Lb. acidophilus NCFM während der verfahrenstechnischen Prozessierung und Lagerung. Dabei wurde gezielt die Einflussnahme des Fermentationsmediums und des darin enthaltenen Peptons auf das Wachstumsverhalten und die Robustheit der Zellen untersucht. Es wurde dargestellt, dass eine Konzentration von 0,05 % Tween 80 im Nährmedium essentiell für ein optimales Wachstum von Lb. acidophilus NCFM ist. Durch Auswahl eines speziellen Mediums (MRS, DifcoTM) bzw. eines speziellen Peptons (DifcoTM Proteose Peptone No. 3) konnten Bakterienpopulationen mit verhältnismäßig hoher Zelldichte und mit charakteristisch kleinen Zellmorphologien generiert werden, welche sich durch ein durchschnittliches Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D-Ratio) der Stäbchen von 2,1 auszeichneten. Diese Bakterien zeigten im Vergleich zu Kulturen anderer Nährmedien, in denen durchschnittlich größere Zellen gebildet wurden (L/D-Ratio: 3,5), eine erhöhte Toleranz gegenüber inaktivierenden Einflüssen beim Einfrieren, der Gefriertrocknung und der anschließenden Lagerung der Lyophilisate. Diese erhöhte Zellstabilität von kleineren Bakterien konnte ebenfalls für den Prozess der Zellimmobilisierung mittels Kaltextrusion, sowie der anschließenden Trocknung und Lagerung der Extrudate, dargestellt werden. Untersuchungen mit anderen Lactobacillaceae deuteten darauf hin, dass die Ausbildung charakteristischer Zellmorphologien in Abhängigkeit von dem Nährmedium nicht auf Lb. acidophilus NCFM beschränkt ist. Weiter wurde dargestellt, dass Hitzestressbehandlungen ungeeignet dazu sind, erhöhte Stresstoleranzen und somit erhöhte Überlebensraten während der Prozessierungsschritte Einfrieren, Lyophilisation sowie der anschließenden trockenen Lagerung in Lb. acidophilus zu induzieren. In der vorliegenden Arbeit wurde zudem der Prozess der Kaltextrusion zur Immobilisierung von Lb. acidophilus in eine Teigmatrix, sowie der anschließenden Trocknung der Granulate, etabliert. Während anfängliche Überlebensraten in den feuchten Extrudaten nach der Extrusion unter 1 % lagen, konnte diese durch Variation der Prozessbedingungen in Bereiche von 60 - 70 % gesteigert werden. Weiter konnte durch gezielte Integration von Glycerol und Kokosnussfett in den Herstellungsprozess die Überlebensrate während einer anschließenden dreistündigen Trocknung der Extrudate von anfänglichen 10 - 20 % auf ca. 65 % erhöht werden. Es wurden Studien zur Lagerstabilität von Lb. acidophilus in unterschiedlichen Präparationen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass in mit Bakterien beladenen Extrudaten die Lagerstabilität größtenteils höher ist, als in gefriergetrockneten Präparaten, die unter identischen Bedingungen (37°C, relative Luftfeuchte von 11,3 %) gelagert wurden. Betrachtet man die vollständige Herstellung der trockenen Granulate in Bezug auf die Überlebensrate, so ist der Gesamtprozess während der Entwicklung um einen Faktor von ca. 300 verbessert worden. Für den Verkapselungsprozess ist die Verwendung von flüssigen Kulturen der von lyophilisierten Bakterienpräparaten vorzuziehen. Obwohl keine deutlichen Unterschiede während der Teigherstellung und Extrusion ermittelt wurden, zeigten flüssige Ansätze nach der Verkapselung vergleichsweise höhere Lagerstabilitäten. Weitere Lagerungsversuche von getrockneten Extrudaten offenbarten, dass sich abhängig von den Trocknungsbedingungen ein gewisser Anteil der Bakterien in einem „ruhenden“ Zustand befindet, in dem die Bakterien noch lebend, aber zur Ausbildung von Kolonien unfähig sind. So konnte wiederholt beobachtet werden, dass die Konzentration an Kolonie bildenden Einheiten innerhalb der ersten 4 Wochen einer gekühlten Lagerung bei 4°C auf bis zu 295 % der Startkonzentration der Lagerung anstieg. Bezieht man die Kenntnisse auf einen Produktionsprozess, in dem Bakterien zur Langzeitlagerung getrocknet und, wie in dieser Arbeit beobachtet, reversibel beschädigt werden, so könnte eine strategische Nachbehandlung dazu beitragen, die Viabilitätsverluste in den fertigen Bakterienpräparaten nachhaltig zu verringern.
The aim of this thesis was the optimization of different processing steps to achieve stable preparations of viable Lactobacillus acidophilus NCFM. The influence of the fermentation medium and including components as peptone were investigated according to growth characteristics and stability behavior of the cells. It was demonstrated that a Tween 80 concentration of at least 0.05 % was necessary to get appropriate cell concentrations. The utilization of a specific growth medium (MRS, DifcoTM) as well as a special peptone (DifcoTM Proteose Peptone No. 3) resulted in populations with high cell numbers and in average small cell sizes. Those cultures exhibited a characteristic length to diameter ratio (L/D-ratio) of ≤ 2.1, whereas bacteria grown in other media had distinct larger cell sizes (L/D-ratio ≥ 3.5). It was shown that small cells were more stable against different processing steps as freezing, freeze-drying and the following storage. This enhanced tolerance was also observed for the process of micro-encapsulation via cold-extrusion technique as well as the following drying and storage of the pellets. Further investigations with other lactobacilli demonstrated that the relation of growth medium and cell morphology is not limited to Lb. acidophilus NCFM. The presented results offer the possibility to improve the stability of microorganisms and increase the shelf-life of products that require the containment of living microorganisms by selecting the optimized media composition. It is further illustrated that cell morphology is a non-neglectable parameter for cellular stability and has to be regarded during optimization of a production process of viable bacteria as probiotics and starter cultures. Furthermore, it was investigated if the induction of a stress-response in Lb. acidophilus is appropriate to increase the cellular tolerance against stressful conditions during freezing, freeze-drying and the following storage. Therefore selected mild heat-stress conditions were used to induce the cellular response. Thereby, none of the chosen treatments were able to increase cell stability during any processing step. It was concluded that a heat-treatment of Lb. acidophilus is not appropriate to improve the production process of bacteria-preparations. Further, the encapsulation of Lb. acidophilus in a dough matrix via cold-extrusion technique and the following drying of the pellets were successfully applied and the survival rates of the bacteria were increased. Pre-treatments of concentrated bacteria with glycerol and coconut fat had a beneficial effect on the viability of bacteria during drying. Thereby, the initial survival rates in the granules were improved from values of 10 to 20 % to values between 60 and 70 %. It was further shown that the encapsulation of liquid cultures is favorable compared to solid preparations. The application of former resulted in better stability properties during storage in a dry state. Repeated storage tests revealed that a certain amount of bacteria existed in an active but not culturable state after the encapsulation and drying process. Within four weeks of cold storage at 4°C, up to 295 % of the initial colony forming units could be regenerated. The results indicate a particular importance of the post-drying phase, and offer the possibility to improve cell viability in the preparations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35237
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3495
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3198
Exam Date: 11-Nov-2011
Issue Date: 2-May-2012
Date Available: 2-May-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Lactobacillus acidophilus
Probiotika
Zellmorphologie
Zellviabilität
Lactobacillus acidophilus
Morphology
Probiotics
Viability
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