Evaluation of the viability and functionality of microencapsulated probiotic microorganisms in lipid particles coated by electrostatic interaction of polymers

A microencapsulação tem sido utilizada promissoramente para melhorar a viabilidade de probióticos. Porém, pouco se sabe sobre o impacto desta na manutenção da funcionalidade do probiótico in vivo. Este trabalho teve como objetivo avaliar duas cepas de lactobacilos, encapsular essas cepas por um sistema envolvendo partículas lipídicas recobertas por interação eletrostática de polímeros e avaliar o efeito da encapsulação na manutenção da capacidade imunomoduladora das cepas. Na primeira etapa do estudo L. rhamnosus 64 e L. paracasei BGP1 foram avaliados quanto à resistência à lisozima e aos fluidos gastrointestinais simulados, perfil de hidrofobicidade da parede celular, susceptibilidade a antibióticos, atividade antagonista contra patógenos e capacidade de utilização de prebióticos. Em etapa seguinte as cepas foram encapsuladas e as microcápsulas avaliadas quanto à morfologia, tamanho e distribuição de partículas, umidade, atividade de água e efeito do pH e temperatura em sua estabilidade. Para avaliar a susceptibilidade dos microrganismos ao processo de encapsulação e estresse tecnológico, investigou-se o impacto do efeito da homogeneização com Ultra-Turrax, tolerância à temperatura, salinidade, diferentes pH e fluidos gastrointestinais simulados na viabilidade das bactérias. A viabilidade dos microrganismos durante a estocagem também foi estudada. Por fim, avaliou-se a manutenção da capacidade imunomoduladora dos microrganismos microencapsulados por meio da dosagem de citocinas pró e anti-inflamatórias e determinação da capacidade protetora contra infecção de Salmonella entérica sorovar Typhimurium em modelo animal. Os microrganismos demonstraram resistência à lisozima, com taxas de sobrevivência superiores a 80%. O perfil de hidrofobicidade da parede celular, foi baixo, entre 8,47 e 19,19%. Demonstraram resistência apenas à vancomicina (35 µg) e eritromicina (15 µg). As duas cepas foram capazes de antagonizar o crescimento de Escherichia coli V517, Salmonella enteritidis OMS-Ca, Staphylococcus aureus 76 e Listeria monocytogenes ATCC 15313. Quanto à capacidade de utilização de prebióticos, os microrganismos apresentaram comportamentos inversos, utilizaram preferencialmente inulina, raftilose 95 e lactulose. Nos testes de resistência aos fluidos gastrointestinais simulados constatou-se declínio significativo de células viáveis, com subtração de até 3,37 log UFC/mL. As cápsulas obtidas apresentaram formato típico e tamanhos médios de 80,12 ± 1,89 e 83,92 ± 1,70 µm. Condições de pH extremos (1,5 e 9,0) e temperatura superior a 50 °C comprometeram a estabilidade das cápsulas. A encapsulação melhorou significativamente a tolerância dos microrganismos à altas concentrações de sal e elevação de temperatura. Além disso, favoreceu a resistência dos microrganismos frente aos fluidos gastrointestinais simulados. A estabilidade dos microrganismos durante o período de estocagem também foi favorecida, após 120 dias de estocagem a 7 e 25 °C a concentração de microrganismos viáveis permaneceu superior a 7,0 log UFC/g. Nos testes in vivo para avaliação da manutenção da capacidade de imunomodulação constatou-se através de dosagem de citocinas (IL-2, IL-6, IL-10 e TNF-α) e IgA secretora, que a encapsulação não alterou a resposta imunológica provocada pelas cepas estudas. Concluiu-se que os microrganismos apresentaram comportamento in vitro de acordo com o desejado para candidatos ao uso de probióticos. A microencapsulação foi bem-sucedida, proporcionando as duas cepas maior resistência frente às condições adversas e de estresse tecnológico.Microencapsulation has been used successfully to improve the viability of probiotics microorganisms. The aim of this work was to evaluate two strains of lactobacilli, to encapsulate these strains by a system involving lipid particles coated by electrostatic interaction of polymers and to evaluate the effect of encapsulation in the maintenance of immunomodulatory capacity of these strains. In the first stage of the study L. rhamnosus 64 and L. paracasei BGP1 were evaluated for resistance to lysozyme and simulated gastrointestinal fluids, cell wall hydrophobicity profile, susceptibility to antibiotics, antagonist activity against pathogens and prebiotic utilization capacity. In the next step, the strains were encapsulated and the microcapsules evaluated regarding morphology, particle size and distribution, moisture, water activity and pH and temperature. The tolerance to temperature, salinity, different pH and simulated gastrointestinal fluids in the viability of the bacteria were also evaluated. The probiotics viability during the storage period was also studied. Finally, the maintenance of the immunomodulatory capacity of the encapsulated microorganisms was evaluated by means of the dosage of pro and anti-inflammatory cytokines and IgA. L. rhamnosus 64 and L. paracasei BGP1 demonstrated resistance to lysozyme, with survival rates above 80%. The hydrophobicity profiles of the cell wall were from 8.47 to 19.19%. Susceptibility to antibiotics also corroborated the literature, demonstrating resistance only to vancomycin (35 µg) and erythromycin (15 µg). The two strains were able to antagonize the growth of Escherichia coli V517, Salmonella enteritidis OMS-Ca, Staphylococcus aureus 76 and Listeria monocytogenes ATCC 15313. As far as the capacity of using prebiotics the two strains of lactobacilli presented inverse behaviors, they used preferably inulin, raftilose 95 and lactulose. In the tests of resistance to the simulated gastrointestinal fluids it was verified a significant decline of viable cells, with subtraction of up to 3.37 log CFU / mL, justifying the application of encapsulation technology. In the encapsulation step the capsules were produced with gum arabic, porcine gelatin and vegetable fat. The obtained capsules presented a typical format and average sizes of 80.12 ± 1.89 and 83.92 ± 1.70 µm. Extreme pH conditions (1.5 and 9.0) and temperature above 50 ° C compromised the stability of the capsules. The encapsulation significantly improved the tolerance of microorganisms to high salt concentrations and elevation of temperature. In addition, it favored the resistance of the microorganisms to the simulated gastrointestinal fluids. The stability of the microorganisms during the storage period was also favored, after 120 days of storage at 7 and 25 ° C the concentration of viable microorganisms remained higher than 7.0 log CFU / g. In the in vivo tests for evaluation of the maintenance of the immunomodulation capacity, the cytokines (IL-2, IL-6, IL-10 and TNF-α) and secretory IgA were determined, that encapsulation did not alter the immunological response by the strains of lactobacilli studied. It was concluded that the microorganisms presented in vitro behavior in accordance with the one desired for probiotic candidates. Microencapsulation was successful, giving both strains greater resistance to adverse conditions and technological stress