Microencapsulação de Bifidobacterium BB-12 com leite de cabra e prebióticos : aplicação em frozen iogurte e avaliação das suas propriedades funcionais in vitro

Abstract

Este documento se encontra dividido nos seguintes capítulos: (a) Capítulo 1 - Funcionalidade dos componentes do leite de cabra, avanços recentes no desenvolvimento de produtos lácteos funcionais e suas implicações na saúde humana. Esta revisão apresenta um quadro completo do conhecimento atual das características e vantagens do leite de cabra como um potencial alimento funcional. Ele também fornece a base teórica necessária e alguns detalhes sobre o uso de prebióticos e/ou probióticos em produtos lácteos caprinos. Portanto, foram abordados alguns dos fatores que tornam a combinação de leite de cabra e ingredientes funcionais uma das áreas de pesquisa mais promissoras no campo da moderna indústria de laticínios caprinos. (b) Capítulo 2 - Sobrevivência de Bifidobacterium ssp. durante a passagem gastrointestinal e seu mecanismo de ação para inibição de bactérias patogênicas no intestino: uma breve revisão. Esta revisão apresenta uma visão concisa e direta do conhecimento atual sobre a sobrevivência das cepas de bifidobactérias durante a passagem pelo sistema gastrointestinal humano. Ela também fornece a base teórica necessária e detalhes sobre mecanismos de ação de bifidobactérias contra bactérias patogênicas. Também reportaremos alguns dos fatores que tornam a combinação de alimentos e bifidobactérias um dos tópicos de pesquisa mais promissores no campo da moderna ciência de alimentos. (c) Capítulo 3 - Técnicas para a microencapsulação de bactérias probióticas na incorporação e desenvolvimento de novos produtos lácteos. Este capítulo descreve as principais técnicas de microencapsulação de bactérias probióticas, tais como spray drying, spray cooling, spray freeze drying, spray dryer ultrassônico, extrusão, emulsão, recobrimento em leito fluidizado, encapsulamento através da coagulação-formação de gel de proteínas, liofilização, sistema de hibridação, encapsulamento por aerossol e electrospinning, bem como foram descritos os agentes encapsulantes mais utilizados nestes processos. (d) Capítulo 4 - Metodologias de caracterização de microcápsulas com bactérias probióticas para serem adicionadas em derivados lácteos. Este capítulo descreve a caracterização das microcápsulas probióticas através de análises morfológicas, de umidade, atividade de água, solubilidade, análises térmicas, densidade, fluidez, coesividade e análises de cor. Além disso, aborda a estabilidade das bactérias probióticas microencapsuladas durante a passagem através do sistema gastrointestinal, o processamento e armazenamento, bem como suas aplicações em derivados lácteos e seu impacto na indústria de alimentos. (e) Capítulo 5 ? Sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 microencapsulada com leite de cabra integral e prebióticos quando exposta a condições gastrointestinais simuladas e tratamentos térmicos. Neste estudo utilizou-se leite de cabra integral e/ou prebióticos (inulina e/ou oligofrutose) como agentes encapsulantes de Bifidobacterium BB-12 visando minimizar os danos à bactéria probiótica e otimizar a contagem de células viáveis após o processo de microencapsulação. O efeito protetor dos agentes encapsulantes também foi avaliado quando as células livres e as microcápsulas foram submetidas às condições gastrointestinais simuladas in vitro e após tratamento térmico. A contagem mais alta de células viáveis (9,58 log UFC g-1) e o rendimento de encapsulação (97,43%) foram observados para as microcápsulas que foram produzidas apenas com leite de cabra integral. Após serem submetidas às condições gastrointestinais simuladas in vitro, observou-se o melhor resultado da taxa de sobrevivência probiótica para as microcápsulas produzidas com leite de cabra integral (94,29%), seguidas das produzidas com leite de cabra integral e inulina (86,77%). Todos os agentes encapsulantes melhoraram a sobrevivência das bifidobactérias após as microcápsulas terem sido submetidas a tratamentos térmicos. (f) Capítulo 6 ? Efeito do uso de leite de cabra integral e prebióticos na sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 e nas propriedades físicas do pó ao longo do armazenamento. Neste artigo, os efeitos do leite integral de cabra e/ou inulina e/ou oligofrutose, como agentes carreadores, foram investigados para melhorar as taxas de sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 e as propriedades físicas das microcápsulas nas condições de armazenamento. No dia da sua fabricação, as microcápsulas foram avaliadas quanto à morfologia, tamanho de partícula e distribuição de gordura e bifidobactérias. A viabilidade das bifidobactérias, umidade e teor de gordura, atividade de água, solubilidade, densidade, fluidez, coesividade e propriedades de cor foram avaliadas por 120 dias a 4 ºC e a 25 ºC. O leite em pó integral de cabra com ou sem inulina como agentes encapsulantes apresentou as maiores taxas de sobrevivência de Bifidobacterium BB-12 após o spray drying e armazenamento. Ambos os pós apresentaram as propriedades físicas mais desejáveis, que podem ser creditados ao leite de cabra integral (200 g L-1) e à presença de inulina (100 g L-1), além do teor de gordura mostrando alta correlação com os valores de solubilidade. O menor volume ocupado pelos pós foi observado quando a oligofrutose foi usada como agente carreador. As amostras que apresentaram presença de rachaduras influenciaram os valores obtidos para viabilidade, atividade de água, solubilidade, densidade, fluidez e coesividade. Em relação aos parâmetros de cor, menor estabilidade foi observada quando a oligofrutose foi utilizada, enquanto a melhor estabilidade também foi observada para os pós com leite de cabra integral e/ou inulina. Durante o tempo de armazenamento, o melhor desempenho foi alcançado pelo processo de microencapsulação que usou apenas leite de cabra integral e/ou inulina e armazenamento a 4 °C. (g) Capítulo 7 ? Propriedades térmicas e de sorção de água de microcápsulas de Bifidobacterium BB-12 obtidas com uso de leite de cabra e prebióticos. Neste estudo, os pós contendo as microcápsulas de Bifidobacterium BB-12 com leite de cabra e/ou prebióticos (inulina e/ou oligofrutose) foram caracterizados quanto às suas propriedades térmicas e de sorção de água. As propriedades térmicas das amostras mostraram que a adição de prebióticos contribuiu para a maior estabilidade térmica, destacando as microcápsulas produzidas com inulina. Em relação às propriedades de sorção de água, o modelo de Peleg ajustou-se bem aos dados experimentais, fornecendo valores adequados da taxa de transferência de massa inicial. A isoterma encontrada para a amostra com leite de cabra integral com ou sem oligofrutose foi uma Isoterma Sigmoide (Tipo II), comumente observada na maioria dos alimentos. O uso de inulina resultou em uma mudança da curva de isoterma do Tipo II para o Tipo III, onde os mecanismos de relaxamento molecular e as forças de adsorção são fracos. Portanto, as condições de umidade relativa acima de 43% e 11% podem ser responsáveis pela diminuição da estabilidade de armazenamento dos pós secos por atomização, que continham as microcápsulas. (h) Capítulo 8 ? Eficiência de inativação de Escherichia coli por Bifidobacterium BB-12 microencapsulada e adicionada em Frozen Yogurt durante as condições gastrointestinais simuladas do intestino grosso. Neste trabalho, o objetivo foi verificar a interação de Bifidobacterium BB-12 microencapsulada e adicionado em Frozen Yogurt com a bactéria patogênica Escherichia coli no intestino grosso. Para isto, leite de cabra (200 g/L) e leite de cabra (100 g/L) e inulina (100 g/L) foram utilizados como agentes encapsulantes de Bifidobacterium BB-12 e aplicados em Frozen Iogurte (GF2 e GF3, respectivamente). A simulação da digestão gastrintestinal ocorreu de forma sequencial, considerando-se a boca, esôfago-estômago, duodeno, íleo, cólon ascendente, transverso e descendente. A cepa Escherichia coli ATCC 25922 foi usada como modelo de bactéria patogênica e adicionada no início da etapa ascendente do cólon. Uma amostra de controle contendo apenas E. coli (GF1) foi realizada. A quantificação de Bifidobacterium BB-12 foi realizada usando contagem de placas enquanto a contagem de E. coli foi comparada com quantificação por qPCR com diferenciação de células viáveis e não viáveis. No cólon ascendente, todas as amostras apresentaram contagens de E. coli de aproximadamente 5 log UFC g-1 por contagem de placas e por qPCR. A contagem de Bifidobacterium BB-12 foi <1,0, 9,23 e 9,11 log UFC g-1 para GF1, GF2 e GF3, respectivamente. Ao longo do cólon transverso (24h) e do cólon descendente (48h), as amostras GF2 e GF3 mostraram diminuição na contagem de E. coli e manutenção na contagem de bifidobactérias. A produção de ácidos orgânicos por bifidobactérias está diretamente relacionada à diminuição da contagem de E. coli. A amostra GF3 apresentou maior decréscimo de E. coli no cólon descendente devido à característica bifidogênica da inulina. Na contagem em placas, a E. coli não foi detectada para a amostra GF3 no cólon descendente. No entanto, quando quantificada por qPCR a amostra apresentou amplificação que correspondeu a 3 log UFC g-1. Desta forma, foi possível observar o fenômeno das células viáveis, mas não cultiváveis, de E. coli. Finalmente, recomenda-se a microcápsula produzida com leite de cabra e inulina para aplicação em produtos lácteos de cabra, devido ao melhor efeito antagonista frente a E. coli.

Abstract: This document is divided into the following chapters: (a) Chapter 1 - Functionality of the components from goat?s milk, recent advances for functional dairy products development and its implications on human health. This review presents a comprehensive picture of current knowledge of the characteristics and advantages of goat's milk as a potential functional food. It also provides the theoretical background and some details about the use of prebiotics and / or probiotics in goat?s milk products. Therefore, some of the factors that make the combination of goat's milk and functional ingredients one of the most promising research areas in the modern dairy goat industry were addressed. (b) Chapter 2 - Survival of Bifidobacterium ssp. during gastrointestinal passage and their mechanism of action for pathogenic bacteria inhibition in the gut: a concise review. This review presents a concise and direct view of current knowledge on the survival of strains of bifidobacteria during passage through the human gastrointestinal system. It also provides the necessary theoretical basis and details on the mechanisms of action of bifidobacteria against pathogenic bacteria. It was also reported some of the factors that make foods and bifidobacteria combination one of the most promising research topics in the field of modern food science. (c) Chapter 3 - Techniques for the microencapsulation of probiotic bacteria in the incorporation and development of new dairy products. This chapter describes the main microencapsulation techniques of probiotic bacteria, such as spray drying, spray cooling, spray freeze drying, ultrasonic spray dryer, extrusion, emulsion, fluidized bed coating, encapsulation through coagulation-protein gel formation, lyophilization, hybridization system, aerosol encapsulation and electrospinning, as well as the encapsulating agents most used in these processes have been described. (d) Chapter 4 - Methodologies for the characterization of microcapsules with probiotic bacteria to be added in dairy products. This chapter describes the characterization of probiotic microcapsules through morphological analysis, moisture, water activity, solubility, thermal analysis, density, fluidity, cohesiveness and color analysis. In addition, it addresses the stability of microencapsulated probiotic bacteria during passage through the gastrointestinal system, processing and storage, as well as their applications in dairy products and their impact on the food industry. (e) Chapter 5 ? Survival of Bifidobacterium BB-12 microencapsulated with full-fat goat?s milk and prebiotics when exposed to simulated gastrointestinal conditions and thermal treatments. In this study, full-fat goat?s milk and/or prebiotics (inulin and/or oligofructose) were used as carrier agents aiming to minimize the damage on the Bifidobacterium BB-12 and optimize viable cell count after the microencapsulation process. The protective effect was also evaluated when the free cells and the microcapsules were submitted to in vitro simulated gastrointestinal conditions and after undergoing thermal treatments. The highest viability count (9.58 log CFU g-1) and encapsulation yield (97.43%) were noted for the microcapsules that were produced with full-fat goat?s milk only. After being submitted to in vitro simulated gastrointestinal conditions, the best probiotic survival rate result was noted for the microcapsules produced with full-fat goat?s milk (94.29%), followed by those produced with full-fat goat?s milk and inulin (86.77%). All of the carrier agents improved the survival of the bifidobacteria after the microcapsules underwent thermal treatments. (f) Chapter 6 ? Effect of full-fat goat?s milk and prebiotics use on Bifidobacterium BB-12 survival and on the physical properties of spray-dried powders under storage conditions. In this study, the effects of full-fat goat?s milk and/or inulin and/or oligofructose, as carrier agents, were investigated to improve the survival rates of Bifidobacterium BB-12, and the physical properties of the microcapsules under storage conditions. On the day of their manufacture, the microcapsules were evaluated for morphology, particle size, and distribution of fat and bifidobacteria. The viability of the bifidobacteria, moisture and fat content, water activity, solubility, bulk and tapped density, flowability, cohesiveness and color properties were evaluated for 120 days at 4 ºC and at 25 ºC. The full-fat goat?s milk powder with or without inulin as encapsulating agents showed the highest survival rates of Bifidobacterium BB-12 after spray drying and storage. Both of these spray-dried powders showed the more desirable physical properties, which could only be credited to full-fat goat?s milk (200 g L-1) and to the presence of inulin (100 g L-1), besides the fat content showing high correlation with the solubility values. The lowest volume occupied by the spray-dried powders was noted when oligofructose was used as the carrier agent. The samples that showed presence of cracks influenced on the values obtained for viability, water activity, solubility, density, flowability, and cohesiveness. In relation to the color parameters, smaller stability was noted when oligofructose was used, while the best stability was also noted for the powders with full-fat goat?s milk and/or inulin. During storage time, the best performance was achieved by the microencapsulation process that used only full-fat goat?s milk and/or inulin and storage at 4 °C. (g) Chapter 7 ? Thermal and water sorption properties of Bifidobacterium BB-12 microcapsules obtained from goat?s milk and prebiotics. In this chapter, the spray-dried powders with Bifidobacterium BB-12 microcapsules with full-fat goat?s milk and/or prebiotics (inulin and/or oligofructose), were characterized about their thermal and water sorption properties. The samples? thermal properties showed that the addition of prebiotics contributed to the higher thermal stability, highlighting the microcapsules produced with inulin. Regarding the water sorption properties, the Peleg model fitted well to the experimental data, providing adequate values of the initial mass transfer rate. The isotherm found for the sample with full-fat goat?s milk with or without oligofructose was a Sigmoid Isotherm (Type II), commonly observed in most foods. The inulin use resulted in a change from Type II to Type III isotherm curve, where the molecular relaxation mechanisms and the adsorption forces are weak. Therefore, the relative humidity conditions above 43% and 11% can be responsible by a decrease of the storage stability of spray-dried powders, with microcapsules. (h) Chapter 8 ? Evaluation of the interaction between microencapsulated Bifidobacterium BB-12 added in goat?s milk Frozen Yogurt and Escherichia coli in the large intestine In this chapter, goat milk (200 g/L) and goat milk (100 g/L) and inulin (100 g/L) were used as encapsulating agents of Bifidobacterium BB-12 and then applied in Frozen Yogurt (GF2 and GF3, respectively). The simulation of gastrointestinal digestion occurred sequentially considering the mouth, esophagus-stomach, duodenum, ileum, ascending, transverse, and descending colon. The strain Escherichia coli ATCC 25922 was used as a model of pathogenic bacteria and added at the beginning of the ascending colon step. A control sample containing only E. coli (GF1) was performed. Quantification of Bifidobacterium BB-12 was performed using plate counting while the E. coli count was compared with quantification by qPCR with viable and nonviable cell differentiation. In the ascending colon, all samples showed E. coli counts of approximately 5 log CFU g-1 by plate counting and by qPCR. The Bifidobacterium BB-12 count was <1.0, 9.23 and 9.11 log CFU g-1 for GF1, GF2 and GF3, respectively. Throughout the transverse (24h) and descending colon (48h) samples GF2 and GF3 showed decrease in E. coli and maintenance of bifidobacteria counts. The production of organic acids by bifidobacteria was directly related to the decrease in the E. coli count. GF3 showed higher decrease of E. coli in the descending colon because of inulin bifidogenic characteristic. In plate counts, E. coli was not detected for the GF3 sample in the descending colon. However, when quantified by qPCR the sample presented amplification that corresponded to 3 log CFU g-1. In this way, it was possible to observe the phenomenon of the viable but not-culturable cells of E. coli. Finally, it is recommended the microcapsule produced with goat milk and the inulin for application in goat milk products, due to the better antagonist effect against E. coli.