Impact of environmental factors on viability and stability and high pressure pretreatment on stress tolerance of Lactobacillus rhamnosus GG (ATCC 53103) during spray drying

Diese Arbeit befasst sich in erster Linie mit der Evaluierung der Anwendbarkeit von Sprühtrocknung als eine alternative Methode zur Herstellung von Probiotika enthaltenden Trockenpräparaten. Dazu wurden optimale Trocknungsbedingungen ermittelt und die verwendeten Schutzmedien auf thermo-physikalische Beschaffenheit und Wechselwirkung mit einem synthetischen Membransystem untersucht. Eine Trocknungstemperatur von 80 °C wurde als ein annehmbarer Kompromiss ermittelt. Bei dieser Temperatur ließ sich eine probiotische Pulverzubereitung auf Milchbasis mit einer Restfeuchte von 4 Prozent und einem Keimgehalt von ca. 109 Zellen pro g herstellen. Der Auswahl des Trägermediums wurde eine große Rolle zugeschrieben, da dies das Überlebensverhalten während der Lagerzeit determiniert, was letztlich das Qualitätsmerkmal der probiotischen Produkte und somit die gesundheitsfördernde Wirkung vom Probiotikaverzehr beeinflußt. Obwohl partieller Austausch der Magermilch durch kommerzielle präbiotische Substanzen unter Beibehaltung einer konstanten Trägerstoffkonzentrationen keinen negativen Einfluss auf die unmittelbare Überlebensrate von Lactobacillus rhamnosus GG bei der Sprühtrocknung hatte, fand im Vergleich zu Magermilch eine stärkere Keimzahlreduktion in den beiden präbiotischen Kombinationspräparaten während der Lagerung bei 37°C statt. Desweiteren wurde festgestellt, dass das Vorliegen des Glaszustandes in dem Trägermaterial nur eine untergeordnete Rolle bei der Gewährleistung der Lagerstabilität der darin befindlichen Keime spielt. Die unterschiedliche Schutzwirkung der verwendeten Trägermaterialien müssen vielmehr in der räumlichen bzw. chemischen Struktur der Schutzmoleküle liegen, die wiederum Einfluss nehmen auf die Art und Weise, wie sie mit Zellmembranen bzw. ihre Bestandteile in Wechselwirkung treten. Diese Sicht wurde durch weitere Arbeit mit der Trocknung von den als Modellsystem für Doppellipidmembran dienenden Liposomen im Beisein von Zuckermolekülen bestätigt. Ferner wurde zur weiteren Klärung über den herausragenden Schutzeffekt von Magermilch auf die Lagerstabilität getrockneter Bakterien der Einfluss von Milchproteinen untersucht. Es zeigte sich, dass bei der Lagerung die Keimzahlreduktion bei Bakterien in proteolytisch behandelter Magermilch wesentlich schneller erfolgte als die in nativer Magermilch. Unterstützend wurde an einer analytischen Methode zur Charakterisierung der Zellschädigung während der Sprühtrocknung gearbeitet. Dazu wurde die durchflußzytometrische Analysenmethode verwendet. Dies benötigt entsprechende Färbungs- und Messungsstrategie, die im Vorfeld etabliert werden musste. Bei der Etablierungsphase wurde die Methode eingesetzt zur Beurteilung der Art und des Ausmaßes der zellulären Schädigung, die unter Anwendung verschiedener physikalischer Behandlung, wie beispielsweise Hochdruck-, Hitze-, oder Ultraschallbehandlung an den Zellen von L. rhamnosus GG herbeigeführt wurde. Dafür wurde die Farbstoffkombination Carboxyfluorescein-diacetat und Propidiumiodid angewandt. Es zeigt sich, dass während bei der Hitzebehandlung oberhalb 60°C der Verlust der Membranintegrität als primäre Ursache des hitzebedingten Zelltodes ausgemacht werden konnte, führte offensichtlich die irreversible Schädigung der membrangebundenen Enzymsysteme zum hochdruckinduzierten Zelltod. Anders als die hitzegetöteten Zellen bestand die Population der druckinaktivierten Zellen hauptsächlich aus Zellen, die noch intakte Membranen und aktives intrazellüläres Enzym besitzen. Hinsichtlich der Inaktivierung von L. rhamnosus GG während Sprühtrocknung führten den Ergebnissen zufolge höhere Temperaturen während der Trocknung zu stärkeren Schäden in der Zellmembran, welche als die Hauptursache für die beobachtete Inaktivierung identifiziert werden kann. Letztlich wurde die Eignung der Hochdruckvorbehandlung zur Verbesserung der Hitzestabilität von L. rhamnosus GG überprüft. Perspektivisch ließe sich diese Art von Vorbehandlung einsetzen, um die probiotischen Keime mit Hilfe ihrer induzierbaren Abwehrmechanismen gegenüber der Hitze- und Dehydrationsstress bei der Sprühtrocknung resistenter zu machen. Es zeigte sich, dass durch Druckvorbehandlung die Keime kurzzeitig gegenüber letaler Hitze resistenter waren. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass offensichtlich die als Reaktion auf die Druckvorbehandlung synthetisierten Stressproteine an der erhöhten Hitzeresistenz beteiligt sind. Anhand durchflusszytometrischer Analyse war es ersichtlich, dass diese Metaboliten die bakteriellen Membranen einen erhöhten Schutz vor hitzebedingter Schädigung verliehen.

Author dc:creator

• Ananta, Edwin

Advisor dc:contributor.advisor

• Knorr, Dietrich

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-11196
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1218

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/1515