Εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών στην παραγωγή προβιοτικών τροφίμων και in vivo έλεγχος της προβιοτικής δράσης

Abstract

The aim of the PhD thesis was the development of new probiotic food products with immobilized cells on natural supports. The above accomplishment include a) in vivo investigation of the probiotic properties of the strains L.plantarum 2035 and L. plantarum ACA-DC 2640, b) examination of biomass production of probiotic cells using whey, c) immobilization of probiotic cells on natural supports, d) production of dried cultures, e) investigation of the effect of temperature storage on cell viability, f) examination of the effect of immobilization and drying on the fermentation efficiency and on the aromatic profile of fermented milk products, and g) evaluation of using immobilized probiotic cells for food production.Initially, 24h after single-dose or daily administration the strains L. plantarum 2035 and L. plantarum ACA-DC 2640 were detected through multiplex PCR at levels ≥ 7 logcfu/g in feces, cecal or colon fluids or intestinal tissues.Throughout the production of L. casei ATCC 393 biomass using whey, the maximum growth rate and maximum biomass productivity were observed at pH 6.5. Higher (P<0.05) dry biomass concentration was recorded after the addition of 4% lactose. Additionally, cell immobilization of L. casei ATCC 393 cells on almond and pistachio pieces, biscuits, corn cereals, chocolate cereals, and oat was studied. Wet, thermally dried or freeze dried cultures were produced, and were stored at 4 or 20 or -18˚C. Immobilization and low storage temperatures enhanced and prolonged viability of wet or dried probiotic cultures, which were detected at levels > 7 logcfu/g up to 396 days of storage at 4˚C. During the storage of wet cultures, a gradual decrease (P<0.05) of the water activity was recorded, while in the dried cultures a gradual increase (P<0.05) was noted. Moreover, the metabolic efficiency of the new cultures was tested. A significant amount of lactic acid was produced and a high conversion rate was recorded. The highest lactic acid productivity and yield were 3.53 g/L*h and 0.91 g/g, respectively. The most important identified volatile compounds were esters, organic acids, alcohols and carbonyl compounds. Ice creams containing 1% free or 10% or 32% immobilized L. casei ATCC 393 cells were prepared, along with control samples. L. casei ATCC 393 cells were detected at levels ≥ 7 logcfu/g, 2 years after storage at -18˚C, even in the samples with 10% immobilized cultures. The addition of probiotic cultures had no effect on pH values (5.27-6.59). The most important identified volatile compounds were esters, organic acids, alcohols and carbonyl compounds. Application of PCA analysis showed that the quantity of the immobilized probiotic cells had a significant effect on volatiles. The new products were accepted by the panel.Also, yogurts containing free or immobilized L. plantarum 2035 cells on whey protein, were prepared. The strain was determined at levels ≥ 6 logcfu/g, even after the expiration date (4 weeks). The addition of L. plantarum cells had no effect on the streptococci population, and on the pH of the yoghurts. In conclusion, cell immobilization has a positive effect on cell survival, to levels that is considered to have a beneficial effect (> 6 ή 7 logcfu/g), and on the metabolic activity.

Σκοπός της διατριβής ήταν η ανάπτυξη νέων προβιοτικών προϊόντων με ακινητοποιημένες καλλιέργειες σε φυσικούς φορείς. Γι’ αυτό διερευνήθηκαν (α) in vivo για προβιοτικές ιδιότητες κύτταρα L. plantarum 2035 και L. plantarum ACA-DC 2640, (β) η παραγωγή προβιοτικών καλλιεργειών σε τυρόγαλα, (γ) η ακινητοποίηση προβιοτικών καλλιεργειών σε φυσικούς φορείς, (δ) η ξήρανση υγρών προβιοτικών καλλιεργειών, (ε) η επίδραση θερμοκρασίας αποθήκευσης στη βιωσιμότητα προβιοτικών καλλιεργειών, (στ) η επίδραση ακινητοποίησης και ξήρανσης στη μεταβολική δραστικότητα και στο προφίλ πτητικών ενώσεων ζυμωμένων προϊόντων γάλακτος, και (ζ) η καταλληλότητα ακινητοποιημένων προβιοτικών καλλιεργειών στην παραγωγή τροφίμων. Ειδικότερα, 24h μετά από εφάπαξ ή καθημερινή χορήγηση τα στελέχη L. plantarum 2035 και L. plantarum ACA-DC 2640 ταυτοποιήθηκαν με multiplex PCR σε ανώτατα επίπεδα ≥ 7 logcfu/g σε κόπρανα, εντερικό περιεχόμενο ή εντερικό ιστό τυφλού και κόλου. Κατά την παραγωγή κυττάρων L. casei ATCC 393 σε τυρόγαλα, ο μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης και η μέγιστη παραγωγικότητα βιομάζας παρατηρήθηκαν σε pH 6.5. Μεγαλύτερη (P<0.05) συγκέντρωση ξηρής βιομάζας καταγράφηκε μετά την προσθήκη 4% λακτόζης.Ακολούθως, μελετήθηκε η ακινητοποίηση κυττάρων L. casei ATCC 393 σε αμύγδαλο, φιστίκι Αιγίνης, μπισκότο, δημητριακά καλαμποκιού, σοκολατούχα δημητριακά, ή νιφάδες βρώμης, και παράχθηκαν υγρές, θερμικά αποξηραμένες ή λυοφιλιωμένες καλλιέργειες. Ακολούθησε αποθήκευση στους 4 ή 20 ή -18˚C. Η ακινητοποίηση και οι χαμηλές θερμοκρασίες αποθήκευσης, παρέτειναν την επιβίωση υγρών ή ξηρών κυττάρων του στελέχους σε επίπεδα > 7 logcfu/g έως και 396 ημέρες μετά την αποθήκευση στους 4˚C. Επιπλέον, στις υγρές καλλιέργειες καταγράφηκε σταδιακή μείωση (P<0.05) της τιμής aw, ενώ στις ξηρές παρατηρήθηκε σταδιακή αύξηση (P<0.05). Κατά τον έλεγχο μεταβολικής δραστικότητας των νέων καλλιεργειών παράχθηκε σημαντική ποσότητα γαλακτικού οξέος και καταγράφηκε υψηλό ποσοστό μετατροπής. Οι μεγαλύτερες τιμές παραγωγικότητας και απόδοσης ήταν 3.53 g/L*h και 0.91 g/g, αντίστοιχα. Οι σημαντικότερες ενώσεις ήταν εστέρες, οργανικά οξέα, αλκοόλες και καρβονυλικές ενώσεις. Ακολούθησε παραγωγή παγωτών με 1% ελεύθερη ή 10% ή 32% ακινητοποιημένη καλλιέργεια (υγρή ή ξηρή) και αντίστοιχα δείγματα ελέγχου. Το στέλεχος L. casei ATCC 393 ταυτοποιήθηκε σε επίπεδα ≥ 7 logcfu/g έως 2 έτη στους -18˚C, σχεδόν σε όλα τα παγωτά. Η προσθήκη προβιοτικής καλλιέργειας δεν επηρέασε το pH (5.27-6.59). Οι σημαντικότερες πτητικές ενώσεις ήταν εστέρες, οργανικά οξέα, αλκοόλες και καρβονυλικές ενώσεις. Σύμφωνα με την PCA ανάλυση, ξεχωρίζουν τα δείγματα διαφορετικής περιεκτικότητας σε ακινητοποιημένη καλλιέργεια. Τα παγωτά θεωρήθηκαν υψηλής ποιότητας και ήταν αποδεκτά από τους δοκιμαστές.Τέλος, παράχθηκαν γιαούρτια με προσθήκη ελεύθερης ή ακινητοποιημένης καλλιέργειας L. plantarum 2035. Τα επίπεδα του στελέχους προσδιορίσθηκαν ≥ 6 logcfu/g, ακόμα και μετά την ημερομηνία λήξης των προϊόντων, και η προσθήκη τους δεν επηρέασε τον πληθυσμό των στρεπτόκοκκων, και το pH των γιαουρτιών. Από την παρούσα διατριβή, συμπεραίνεται ότι η ακινητοποίηση έχει θετική επίδραση στην κυτταρική επιβίωση, σε επίπεδα που σχετίζονται με ευεργετικά οφέλη (> 6 ή 7 logcfu/g), και στη μεταβολική δραστικότητα.