Παραγωγή προβιοτικών γαλακτοκομικών προϊόντων με χρήση λυοφιλιωμένων και μη ακινητοποιημένων κυττάρων Lactobacillus casei

Abstract

The numerous health benefits and the increasing consumer’ s awareness on theprobiotic microorganisms attracted the interest of food industries. The inclusion ofprobiotics in our diet established a global market and lead to development and marketingof bulk volume of probiotic products.Generally, probiotics are “live microbial feed supplement which beneficially affectsthe host animal by improving its intestinal microbial balance”. Nevertheless, in order to beeffective there must be at least 106 viable cells per gram of the product.Increased viability and stability of probiotic microorganisms during processing andstorage have been reported when there are found in immobilized state.Freeze drying is a preservation method for microorganisms that finds application insensitive and high cost raw materials since it retains the morphological, structural,biochemical and genetic characteristics of cells, retain a large portion of microorganism’sviability and functional properties of proteins, peptides and pharmaceutical activesubstances. Freeze drying assist in cells preservation for long storage periods, reducestransportation cost while provides food industry with ready to use cultures. However, thecooling rate of cells during freeze drying and the presence of cryoprotective mediums arecrucial factors for the viability and stability of the microorganisms.The aim of the current thesis is the production of ready to use biocatalysts of theprobiotic microorganism L. casei ATCC 393 in free or/and immobilized state in naturalsupports such as apple pieces, raisins and wheat grains. Another aspect of the thesis is thecomparison of immobilized biocatalysts, freeze dried or not, with free L. casei cells andthe study of their suitability in production of several fermented milk products (yogurt,cheese).The immobilized biocatalysts in wheat grains, raisins and apple pieces were freezedried with or without the addition of cryoprotective medium and the effect ofcryoprotectans in fermentation kinetics of lactose and milk at 45oC was evaluated.Furthermore, the viability of the cells in the biocatalysts before and after preservation andstorage were studied.The results were promising for industrial application since the supports used areabundant, cheap and suitable for foods, while the potential probiotic characteristics mayimprove the viability of the probiotic cells in gastrointestinal tract. Generally, the bestviability results were obtained when raisins were used, however without significantdifferences from wheat grains both before and after freeze drying and storage. The systemdisplayed operational stability during successive batch fermentations and in combinationwith the satisfactory storage stability may lead in the production of ready to use cultures.Storage of the freeze dried immobilized biocatalysts for 12 months at -18oC sustained theviability and fermentative activity of L. casei cells.Since dairy fermentation products are important in human nutrition worldwide andhave been officially recognized by nutritionists as beneficial for human health, theproduced biocatalysts were used for the production of several representative dairyproducts. Therefore, yogurts, white cheese type “feta” and “teleme”, hard cheeses type“kefalotyri” and whey cheese type “myzithra”, were produced in order to study the effectof the biocatalyst in their physicochemical, microbiological and organolepticcharacteristics. Also, the viability of L. casei cells in the products during storage and or/ripening was studied.In general, the produced yogurts with immobilized biocatalysts were characterizedby their fine physicochemical, microbiological and organoleptic characteristics. Theyogurts with immobilized L. casei cells in wheat and raisins provided high population ofL. casei and therefore a probiotic character.During production of cheese type “feta” with the addition of immobilized L. caseicells in apples, the apple pieces were proved to be an effective substrate for the survival ofL. casei during cheese ripening. No spoilages of any kind were observed in salted cheesesproduced with immobilized and free L. casei cells after 7 months of ripening anddisplayed a characteristic flavor and organoleptically were accepted when compared withtraditional “feta” cheese.In addition, the production of cheeses type “teleme”, “kefalotyri” and “myzithra”with the addition of immobilized L. casei cells in wheat grains, raisins and apple pieces,exhibited the potency of these substrates in survival of L. casei cells during ripening andstorage. No spoilages were observed in the produced cheeses and the products wereorganolepticaly acceptable. However, even though immobilization of L. casei cellspositively affect cell viability, the addition of starter culture during cheese production isrecommended since it accelerates lipolysis and proteolysis and therefore improves theorganoleptic characteristics of cheeses.Not only wheat grains, raisins and apple pieces are promising supports forimmobilization of probiotic cultures but they are also promising for the production offood besides dairy products such as cereals, bread and meat products.

Τα πολυάριθμα οφέλη για την υγεία και η αυξανόμενη συνειδητοποίηση τωνκαταναλωτών για τα προβιοτικά έχουν κινήσει την προσοχή της βιομηχανίας τροφίμωνως προς την κατεύθυνση αυτή. Η προσθήκη προβιοτικών μικροοργανισμών στη διατροφήέχει πλέον καθιερωθεί στην παγκόσμια αγορά τροφίμων και οδηγεί στην ανάπτυξη καιεμπορευματοποίηση μεγάλου αριθμού προβιοτικών προϊόντων.Γενικά, ως προβιοτικά ορίζονται τα «ζωντανά μικροβιακά συμπληρώματα τροφώνπου έχουν ευεργετικές επιπτώσεις στον άνθρωπο όταν τα προσλαμβάνει για βελτίωση τηςεντερικής μικροβιακής ισορροπίας» Εντούτοις, προκειμένου να επιδράσουν θετικά οιπροβιοτικοί μικροοργανισμοί είναι ουσιαστικό να υπάρχουν τουλάχιστον 106 ζωντανάκύτταρα ανά γραμμάριο προϊόντος.Αυξημένο ποσοστό προβιοτικών μικροοργανισμών κατά την επεξεργασία καιαποθήκευσή τους έχει αναφερθεί όταν αυτά βρίσκονται σε ακινητοποιημένη κατάστασηΗ λυοφιλίωση είναι μια μέθοδος συντήρησης μικροοργανισμών που βρίσκειεφαρμογές σε ευαίσθητες και υψηλού κόστους ύλες καθώς διατηρεί τα μορφολογικά,δομικά, βιοχημικά και γενετικά χαρακτηριστικά των κυττάρων, διατηρεί μεγάλο μέροςτης βιωσιμότητας των μικροοργανισμών και των λειτουργικών ιδιοτήτων των πρωτεϊνών,των πεπτιδίων και των φαρμακευτικά ενεργών ουσιών. Η λυοφιλίωση των κυττάρωνβοηθάει στη συντήρησή τους για μεγάλες περιόδους αποθήκευσης, μειώνει το κόστοςμεταφοράς τους, ενώ παράλληλα παρέχει στη βιομηχανία τροφίμων έτοιμες προς χρήσηκαλλιέργειες. Ωστόσο, η ταχύτητα ψύξης των κυττάρων κατά τη διεργασία τηςλυοφιλίωσης και η παρουσία κρυοπροστατευτικών μέσων είναι δύο κρίσιμοι παράγοντεςτης διεργασίας.Οι στόχοι αυτής της διατριβής είναι η παραγωγή έτοιμων προς χρήση βιοκαταλύτητου προβιοτικού μικροοργανισμού L. casei σε ελεύθερη ή/ και ακινητοποιημένη μορφήσε φυσικά υποστρώματα, όπως κομμάτια μήλου, σταφίδες και κόκκους σιταριού. Επίσης,η σύγκριση των ακινητοποιημένων βιοκαταλυτών, λυοφιλιωμένων ή μη, μεταξύ τους καιμε τα ελεύθερα κύτταρα L. casei, καθώς και η μελέτη της καταλληλότητας αυτών για τηνπαραγωγή διαφόρων ζυμωμένων γαλακτοκομικών προϊόντων (γιαούρτι, τυριά).Οι βιοκαταλύτες που παρασκευάστηκαν με ακινητοποίηση σε κόκκους σιταριού,σταφίδες και κομμάτια μήλου λυοφιλιώθηκαν με ή χωρίς την χρήση κρυοπροστατευτικώνουσιών και αξιολογήθηκε η επίδραση των κρυοπροστατευτικών στην κινητική τωνζυμώσεων λακτόζης και γάλακτος στους 45οC. Επίσης, οι βιοκαταλύτες μελετήθηκαν όσοαφορά την επιβίωση των κυττάρων πριν και μετά τη συντήρηση και αποθήκευσή τους.Από τεχνολογική άποψη, τα αποτελέσματα είναι εξαιρετικά ελπιδοφόρα για πιθανήβιομηχανική εφαρμογή των παραγόμενων βιοκαταλυτών καθώς τα υποστρώματα πουχρησιμοποιήθηκαν παράγονται σε αφθονία, είναι φθηνά και κατάλληλα για τρόφιμα, ενώτα πιθανά πριβιοτικά χαρακτηριστικά τους μπορεί να βελτιώσουν τη βιωσιμότητα καιζωτικότητα των προβιοτικών κυττάρων στο γαστρεντερικό σύστημα. Γενικά εκ τωντριών υποστρωμάτων, την καλύτερη βιωσιμότητα των κυττάρων L. casei παρουσίασε ησταφίδα, χωρίς όμως σημαντικές διαφορές συγκρινόμενη με τους κόκκους σιταριού, τόσοπριν και μετά την λυοφιλίωση όσο και μετά από την αποθήκευση.Το σύστημα παρουσίασε λειτουργική σταθερότητα κατά τη διάρκεια διαδοχικώνεπαναλαμβανόμενων παρτίδων ζύμωσης, και ακολούθησε ικανοποιητική αποθήκευσητων λυοφιλιωμένων ακινητοποιημένων κυττάρων, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει στηνπαραγωγή έτοιμων προς χρήση καλλιεργειών. Η αποθήκευση των λυοφιλιωμένωνβιοκαταλυτών για 12 μήνες στους -18οC συνέβαλλε στη διατήρηση της βιωσιμότητας τωνκυττάρων L. casei καθώς και της ζυμωτικής ικανότητας των βιοκαταλυτών.Καθώς τα ζυμωμένα προϊόντα γάλακτος παίζουν σημαντικό ρόλο στη διατροφή τωνανθρώπων ανά τον κόσμο και έχουν αναγνωριστεί από τους διαιτολόγους ότι είναιωφέλιμα για την ανθρώπινη υγεία, οι παραχθέντες βιοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν γιατην παραγωγή ορισμένων αντιπροσωπευτικών γαλακτοκομικών προϊόντων. Έτσιπαρασκευάστηκαν γιαούρτια, τυρί τύπου «φέτας», τύπου «τελεμέ», τύπου «κεφαλοτύρι»και τύπου «μυζήθρας» προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση των βιοκαταλυτών σταφυσικοχημικά, μικροβιολογικά και οργανοληπτικά χαρακτηριστικά των προϊόντωναυτών. Επίσης, μελετήθηκε η βιωσιμότητα των κυττάρων L. casei στα προϊόντα αυτάκατά την συντήρηση ή/ και την ωρίμανση τους.Γενικά τα γιαούρτια που παρασκευάστηκαν με τους ακινητοποιημένουςβιοκαταλύτες χαρακτηρίστηκαν από καλά φυσικοχημικά, μικροβιολογικά καιοργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Τα γιαούρτια με ακινητοποιημένα κύτταρα L. casei σεσιτάρι και σταφίδες είχαν υψηλό πληθυσμό L. casei, γεγονός που προσδίδει προβιοτικόχαρακτήρα σε αυτά.Η προσθήκη ακινητοποιημένων κυττάρων L. casei σε μήλα κατά την παραγωγήτυριού τύπου «Φέτας» έδειξε ότι τα κομμάτια μήλου αποτελούν ένα πολύαποτελεσματικό υπόστρωμα για την επιβίωση των κυττάρων L. casei κατά την ωρίμανσητων τυριών αυτών. Επιπλέον, δεν παρατηρήθηκε αλλοίωση στα αλατισμένα τυριά τουτύπου αυτού που παρασκευάστηκαν με ακινητοποιημένα και ελεύθερα κύτταρα L. caseiμετά από ωρίμανση 7 μηνών και ήταν οργανοληπτικά αποδεκτά όταν συγκρίθηκαν με τοεξαιρετικά δημοφιλές τυρί φέτα.Επίσης, η παραγωγή τυριών τύπου «τελεμέ», «κεφαλοτύρι» και «μυζήθρας» μεπροσθήκη ακινητοποιημένων βιοκαταλυτών L. casei σε κόκκους σιταριού, σε σταφίδεςκαι κομμάτια μήλου έδειξε την αποτελεσματικότητα των υποστρωμάτων αυτών στηνεπιβίωση των κυττάρων L. casei κατά την ωρίμανση και συντήρησή τους. Γενικά, δενπαρατηρήθηκαν αλλοιώσεις στα τυριά που παρασκευάστηκαν με τους ακινητοποιημένουςβιοκαταλύτες και οργανοληπτικά ήταν αποδεκτά από τους κριτές. Ωστόσο, αν και ηακινητοποίηση των κυττάρων L. casei φαίνεται ότι δρα θετικά στη διατήρηση τηςζωτικότητας των κυττάρων συστήνεται η προσθήκη αρχικών καλλιεργειών κατά τηνπαραγωγή των τυριών για επιτάχυνση της λιπόλυσης και της πρωτεόλυσης και κατ’επέκταση της βελτίωσης των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών των τυριών.Οι κόκκοι σιταριού, οι σταφίδες και τα κομμάτια μήλου είναι υποσχόμεναυποστρώματα ακινητοποίησης προβιοτικών και φαίνεται εφικτή η χρήση τους στηνπαραγωγή διάφορων τροφίμων πέραν των γαλακτοκομικών, όπως δημητριακών, ψωμιούκαι προϊόντων κρέατος.