Otimização da produção de probióticos em biorreatores e suas aplicações em sistemas alimentícios sob a forma imobilizada

Abstract

Probióticos são suplementos alimentares de microrganismos vivos com efeitos benéficos no hospedeiro animal pela melhora do balanço intestinal. Dentre os microrganismos considerados probióticos, somente aqueles microrganismos classificados como bactérias ácido lácticas (LAB) são considerados importantes em relação à alimentação. Cultivos de altas densidades de células são cada vez mais importantes do ponto de vista industrial para a obtenção de LABs, pois produtos adicionados com esses suplementos apresentam alto valor agregado. Este trabalho tem por objetivo a produção de Lactobacillus plantarum em cultivo submerso em biorreator, avaliação da sua resistência na forma livre e imobilizada frente às condições de armazenamento sob refrigeração e trânsito gastrointestinal e elaboração de produto fermentado com adição de probióticos. Inicialmente foram realizados experimentos para selecionar Lactobacillus que apresentassem alta produtividade de biomassa. Em seguida foram realizados experimentos para avaliar a utilização de soro de queijo como ingrediente base da formulação do meio de cultivo e sua suplementação com diferentes fontes de nitrogênio. Com o microrganismo selecionado, L. plantarum, realizou-se a seleção de variáveis através do delineamento experimental Plackett Burman (P-B). A otimização das condições de cultivo foi realizada utilizando um delineamento composto central rotacional (DCCR). Paralelamente, foram testadas a sobrevivência de L. plantarum em armazenamento sob refrigeração e à exposição a meios que simulem a passagem pelo aparelho digestivo. Estas avaliações foram realizadas comparativamente entre os microrganismos na forma livre e na forma microencapsulada utilizando como polímeros alginato de sódio e pectina e recobrimentos com alginato de sódio e quitosana. Os resultados mostraram que a temperatura, pH, taxa de aeração, concentração de lactose e peptona foram os parâmetros que mais influenciaram a produção de biomassa. O DCCR para temperatura e taxa de aeração mostraram que o máximo de produção de biomassa predita foi de 14,30 g L-1 de L. plantarum, nas condições otimizadas. No ponto central do DCCR, atingiu-se a produção de biomassa de L. plantarum de 10,2 g L-1, como taxa de conversão de 0,10 g de células g-1 de lactose e 1,08 g de ácido láctico g-1 lactose (m/m) com as seguintes condições de cultivos: 140 g L-1 de lactose; 15 g L-1 peptona; 5 g L-1 extrato de levedura; pH 5,2; velocidade de agitação de 200 rpm; 34 ºC e 3,5 vvm. O meio intestinal simulado não interferiu na viabilidade dos microrganismos em relação ao meio controle. Já o meio gástrico simulado diminui drasticamente a viabilidade dos microrganismos nas condições testadas não havendo diferença significativa entre os diferentes materiais imobilizantes utilizados e o controle sem imobilização. No armazenamento sob refrigeração houve aumento da viabilidade em relação às células não imobilizadas, sendo que os tratamentos em que houve menor perda de viabilidade foram imobilização em 4 % de pectina, 3 % de alginato de sódio recoberto com quitosana e mistura de 2 % de alginato de sódio e 2 % de pectina. Quando testada a viabilidade em iogurte de L. plantarum imobilizados em 3 % de alginato recoberto com quitosana houve perda de viabilidade de 0,55 ciclo logarítmico durante 38 dias de armazenamento. A cepa de L. plantarum estudada se mostra como um microrganismos potencial para utilização como probiótico em alimentos, uma vez que demonstrou alta produtividade de células e boa viabilidade frente às condições de estresse utilizadas.

Probiotics are live microorganisms feed supplement, which beneficially affects the host animal by improving its intestinal microbial balance. Among the microorganisms considered probiotics, only those strains classified as latic acid bacteria - LAB are considered of importance regarding to the nutritional effects. High cell density cultivations of LABs are important from the industrial viewpoint, because products added with this supplement are of high value. The aims of this work were to investigate the biomass production of Lactobacillus plantarum in submerged bioreactor cultures, evaluate the resistance of free and immobilized L. plantarum when submitted to refrigerated storage, the viability in simulated gastrointestinal juices and in yoghurt. Initially, experiments were performed to select Lactobacillus that showed high productivity of biomass. Further experiments were performed to evaluate the use of cheese whey as a basic ingredient in the formulation of the medium and its supplementation with different nitrogen sources. The selected microorganism, L. plantarum, was used for the selection of variables of the Plackett Burman (PB) design. The optimization of culture conditions was performed using a central composite rotational (CCD) design. In parallel, it was tested the survival of L. plantarum in refrigerated storage and exposure to media that simulated the passage through the digestive tract. These evaluations were performed comparatively between microorganisms in the free and microencapsulated form using as polymers sodium alginate and pectin, coated with sodium alginate or chitosan. Results have shown that temperature, pH, aeration rate, lactose, and peptone were the most influential over biomass formation. The CCD for temperature and aeration rate showed that the model predicted maximal biomass production of 14.30 g L-1 (dw) of L. plantarum under the optimized conditions. At central point of CCD, it was obtained a biomass production of 10.2 g L-1 (dw), with conversion rates of 0.10 g of cell g-1 lactose and 1.08 g lactic acid g-1 lactose (w/w), with the following conditions: 140 g L-1 of lactose; 15 g L-1 peptone; 5 g L-1 of yeast extract; pH 5.2; stirred agitation of 200 rpm; 34 ºC and 3.5 vvm. The simulated intestinal medium did not affect the viability of microorganisms in relation to the control medium. However, the simulated gastric medium drastically reduces the viability of microorganisms in the conditions tested with no significant difference between the different materials used and the control without immobilization. In refrigerated storage there was an increase in the viability compared to free microorganisms, and the treatments with lower loss of viability were those of 4% pectin, 3% sodium alginate coated with chitosan and a mixture of 2% alginate sodium and 2% pectin. When tested the viability in yogurt of L. plantarum immobilized in 3% alginate coated with chitosan, the viability loss was 0.55 log cycle during 38 days of storage. The strain of L. plantarum studied was shown as a potential organism for use as probiotics in food, since it has shown high yield and good cell viability in the face of stress conditions used.