Иммобилизация клеток оказывает влияние на улучшение адаптации клеток к изменяющимся условиям окружающей среды, это в свою очередь может привести к повышению потенциала клеток для выживания в желудочно-кишечном тракте.
Известно множество вариантов технологии иммобилизации. К одному из таких видов относится использование системы мембранного биореактора. В такую мембранную систему обеспечивается непрерывная подача питательной среды, при этом клетки сохраняются в мембране, в то время как малые молекулы диффундируют через поры мембраны. Таким образом, в мембранном биореакторе фракции концентрированных клеток могут быть собраны перед осуществлением замораживания или сублимационной сушкой.
Высокая производительность клеток бифидобактерий была обнаружена при использовании мембранного реактора и осуществлении культивирования в питательной среде на основе молочной сыворотки. Так, при данном способе культивирования продуктивность культуры увеличилась в 15 раз. Тем не менее к недостатку данного метода относится то, что клетки в таких условиях проявляют пониженную метаболическую активность, что относится к стрессу. К тому же применение этого метода является достаточно дорогостоящим.
В пищевой промышленности широко представлен метод включения в состав специального носителя. В качестве носителя используется сферический полимер от 0,3 до 3,0 мм, иммобилизация чаще всего осуществляется методом эмульсификации в термическом (к-каррагинан, агароза, желатин) или ионотропическом геле (альгинат, хитозан). Культивирование клеток, иммобилизованных таким образом, приводит к образованию большого количества клеток. Рост клеток в таких суспензиях останавливается при отсутствии субстрата или при понижении pH, что является результатом накопления большого количества метаболитов [70].
Физиологические характеристики клеток могут быть изменены подкислением среды и путём регуляции экспрессии генов бактерий. Известно, что данный метод регуляции применялся для интенсификации производства бактериоцинов лактобактериями [65]. Реакция клеток на стресс также может являться преимуществом для иммобилизованных клеток и может привести к более эффективной адаптации к условиям окружающей среды. Кроме того, понимание механизмов стресса способствует повышению выживаемости клеток в промышленных условиях и в желудочно-кишечном тракте.
Одним из методов, наиболее часто применяемых при производстве продуктов питания, является микрокапсулирование. Эта технология иммобилизации клеток широко используется для производства различных видов продуктов питания.
Пробиотические бактерии часто вносят в различные виды пищевых продуктов. В большинстве случаев это имеет влияние на качественные характеристики продуктов, способствует улучшению микрофлоры желудочно-кишечного тракта человека и положительно влияет на здоровье.
Одним из продуктов, производство которого осуществляется на основе капсулированных пробиотических бактерий, является йогурт. Но некоторые исследования доказывают, что уровень выживаемости бактерий, содержащихся в свободной форме в йогуртах, весьма низкий [17, 20]. По результатам анализа различных коммерческих йогуртов в Австралии [13] и Европе на наличие L. acidophilus и Bifidobacteria выявлено, что большинство йогуртов содержат весьма низкое количество этих микроорганизмов, особенно штаммов рода Bifidobacteria. Результаты другого исследования также показывают, что выживаемость лактобактерий в йогуртах меньше, чем ежедневное рекомендуемое потребление, которое составляет 108 –109 КОЕ. Капсулирование бактерий позволяет не только увеличить выживаемость бактерий, но и улучшить консистенцию и текстуру йогурта. Известно, что материал капсул, используемый для микрокапсулирования, также оказывает влияние как на выживаемость пробиотических культур, так и на свойства йогурта. Таким образом, применение иммобилизации бактерий при помощи микрокапсулирования является актуальным и способствует повышению выживаемости пробиотических микроорганизмов.
Технология производства йогурта заключается в следующем. При составлении смеси обезжиренное сухое молоко восстанавливают дистиллированной водой до общего содержания сухих веществ 15 %. Смесь стерилизуют при 121 °С в течение 10 мин и охлаждают. Вносят стартовые культуры Streptococcus salivarius, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus delbrueckii bulgaricus, Lactobacillus acidophilus. Производство йогурта осуществляли на основе капсулированных бифидобактерий и бифидобактерий в свободной форме. Часть йогурта без внесения культур микроорганизмов использовали в качестве контроля. Микрокапсулы вносили в молоко в количестве 0,30–0,35 г и 6,0–7,0 г на 100 мл до концентрации клеток от 5 до 6∙106 КОЕ/мл и от 6 до 7∙107 КОЕ/мл. Все образцы разливали в стеклянные банки по 120 мл с завинчивающейся крышкой и культивировали при 42 °С в течение 4–5 ч до рН до 4,5. Образцы хранили при 4 °С и осуществляли исследование продуктов во время хранения.
Применение пробиотических штаммов при производстве сыра имеет ряд преимуществ. Благодаря плотной консистенции сыра и высокой кислотности среды вероятность сохранения пробиотических культур в кишечнике человека намного выше. Кроме того, протеиновая матрица, формируемая во время ферментации сыра, способствует защите бактерий, чувствительных к кислотам. Также уровень кислорода значительно уменьшается во время хранения сыра, что способствует формированию анаэробной среды, благоприятной для выживания бифидобактерий.
Несмотря на это выживаемость бактерий в сыре ограничена высоким содержанием соли. В то время как выживаемость бактерий изучена в твёрдых и полутвёрдых сырах, этот процесс не достаточно хорошо изучен в мягких сырах [46]. Содержание соли является основным ограничивающим фактором в мягких белых сырах, для решения этой проблемы было предложено вносить в сыр изначально большое количество пробиотической культуры для повышения концентрации ко времени потребления [17].
Доказано, что микрокапсулирование также является одной из наиболее многообещающих техник для защиты бактерий при производстве сыра [66]. Иммобилизация клеток на гидроколлоидных шариках способствует улучшению их защиты от внешних условий [47, 96]. Капсулирование в капсулы из альгината при производстве сыра приводит к повышению выживаемости клеток до 48 часов при pH 2,0 [107].
Технология производства сыра, содержащего пробиотические культуры, заключается в следующем. Часть молока засеивается стартовыми и пробиотическими штаммами. После внесения культур осуществляется термическая обработка продукта при 72 °С в течение 15 мин и охлаждается до температуры 32 °С. Для восстановления ионного баланса кальция после тепловой обработки добавляют хлорид кальция в виде раствора 40 % (вес/объем) до уровня 0,02 % (об/об). Смешанные культуры штаммов (1,0 %, об/об) добавляют к части молока до концентрации 5∙109 КОЕ/мл. При добавлении к одной из частей молока L. acidophillus и B. bifidum ВВ-12 культуры выращивают отдельно при 37 °С в течение 24 ч и затем вносят в микрокапсулы. После внесения капсул осуществляют ферментацию до концентрации 6∙1010 КОЕ/мл. Затем осуществляют коагуляцию с помощью сычужного фермента в течение 90 мин. После коагуляции молоко разделяют на части и отделяют сыворотку прессованием. После удаления сыворотки свежий сыр разделяют на порции и хранят в рассоле (12 %-ный раствор NaCl, вес/объем) при температуре 4 °С в течение 90 дней [89].
Особой популярностью пользуется симбиотическое мороженое, которое содержит пробиотики и пребиотики. Пробиотические микроорганизмы также добавляют в мороженое с целью облегчения их добавления в питание человека [53, 31, 106]. Благодаря нейтральному pH симбиотического мороженого бактерии могут дольше сохранять жизнеспособность. Несмотря на это, некоторые учёные заявляют, что замораживание очень сильно снижает количество жизнеспособных клеток, но процесс микрокапсулирования при производстве мороженого способствует сохранению их жизнеспособности [53, 31, 106]. Технология получения мороженого заключается в смешивании компонентов в следующих пропорциях: сухое обезжиренное молоко – 6 %, сахар – 17 %, крахмал – 1 %,
