Effectiveness assessment of the bifidobacteria encapsulation when enriching juice-containing beverages with probiotics

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Beverages are among the most popular types of products that attract attention of researchers for enrichment with functional ingredients. The introduction of probiotics into the food matrix can increase the usefulness of food products, including beverages. However, probiotics are extremely sensitive to extreme environmental conditions, which significantly limits their ability to survive in food. The aim of the research is to establish an effect of encapsulation on the preservation of bifidobacteria in an enriched juice-containing beverage. Capsules from sodium alginate were used to protect probiotic microorganisms (bifidobacteria of six strains in the symbiotic starter) from unfavorable conditions of the environment of the food system and the gastrointestinal tract. The capsules were obtained by the drip method. The stability of the capsules was determined under different conditions. Their solubility in water and at pH values typical for the stomach (1.1–1.6), small intestine (7.8–8.2), and large intestine (8.0–8.5) were studied. The tests were carried out upon keeping in buffer solutions for 15 and 30 min. In addition, the stability of the capsules in apple juice with a pH of 3.82 when stored at 4±1°C for 7, 14, 21, and 28 days was assessed. Capsule losses during heat treatment were analyzed. The amount of bifidobacteria extracted from the capsules after mechanical destruction with their subsequent inoculation on the GMK1 medium was also monitored during juice storage. The results of the studies showed that the greatest destructive effect was observed in an acidic environment typical for the stomach, where losses amounted to 47.4% after 30 min. Capsule losses at pH values typical for different parts of the intestine ranged from 25.3 to 30.9%. The selected food system, apple juice, turned out to be a less aggressive environment for the capsules, in which the destruction of capsules was 8.7% after 28 days of storage. Capsule losses under the selected juice pasteurization modes ranged from 60.17% during processing for 10 minutes at 85°C to 67.42% during juice processing for 30 minutes at 98°C. The differences were statistically significant (p≤0.05). Thus, using the obtained data, it is possible to predict the total loss of capsules and probiotic microorganisms during the digestion and storage of the product and inoculate the required amount to impart probiotic properties to the product. The research has development prospects taking into account the possibility of varying the taste and aroma properties of both the food system and the capsules.

About the authors

O. P. Neverova

Ural State Agrarian University

Email: barykina_10@mail.ru
42, Karl Liebknecht str. Ekaterinburg, 620000

O. V. Zinina

Ural State Agrarian University

Email: barykina_10@mail.ru
42, Karl Liebknecht str. Ekaterinburg, 620000

Ch. Li

Northeast Agricultural University

Email: barykina_10@mail.ru
600 Changjiang Road, Xiangfang District, Harbin, Heilongjiang Province,150030

Zh. Liang

Northeast Agricultural University

Email: barykina_10@mail.ru
600 Changjiang Road, Xiangfang District, Harbin City, Heilongjiang Province,150030

M. B. Rebezov

V. M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems

Email: barykina_10@mail.ru
26, Talalikhin str., Moscow, 109316

E. A. Vishnyakova

South Ural State University

Email: barykina_10@mail.ru
76 Lenin Av., Chelyabinsk, 454080

E. S. Barykina

Ural State Agrarian University

Email: barykina_10@mail.ru
42, Karl Liebknecht str. Ekaterinburg, 620000

References

  1. Кобелькова, И. В., Коростелева, М. М., Кобелькова, М. С. (2021). Роль высокобелковых специализированных пищевых продуктов в повышении адаптационного потенциала спортсменов. Клиническое питание и метаболизм, 2(2), 92–99. https://doi.org/10.17816/clinutr81572
  2. Chernopolskaya, N., Gavrilova, N., Rebezov, M., Dolmatova, I., Zaitseva, T., Somova, Y. et al. (2019). Biotechnology of specialized product for sports nutrition. International Journal of Engineering and Advanced Technology, 8(4), 40–45.
  3. Kulushtayeva, B., Rebezov, M., Igenbayev, A., Kichko, Y., Burakovskaya, N., Kulakov, V. et al. (2019). Gluten-free diet: Positive and negative effect on human health. Indian Journal of Public Health Research and Development, 10(7), 889–892. https://doi.org/10.5958/0976-5506.2019.01690.5
  4. Zinina, O., Merenkova, S., Tazeddinova, D., Rebezov, M., Stuart, M., Okuskhanova, E. et al. (2019). Enrichment of meat products with dietary fibers: A review. Agronomy Research, 17(4), 1808–1822. https://doi.org/10.15159/ar.19.163
  5. Gavrilova, N., Chernopolskaya, N., Molyboga, E., Shipkova, K., Dolmatova, I., Demidova, V. et al. (2019). Biotechnology application in production of specialized dairy products using probiotic cultures immobilization. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), 8(6), 642–648. https://elibrary.ru/PYDNOH
  6. FAO/WHO (2001). Health and nutritional properties of probiotics in food including powder milk with live lactic acid bacteria. Report of a Joint FAO/WHO expert consultation on evaluation of health and nutritional properties of probiotics in food including powder milk with live lactic acid bacteria. Retrieved from https://www.iqb.es/digestivo/pdfs/probioticos.pdf Accessed 24.07.2024
  7. Galdeano, C. M., Cazorla, S. I., Dumit, J. M. L., Vélez, E., Perdigón, G. (2019). Beneficial effects of probiotic consumption on the immune system. Annals of Nutrition and Metabolism, 74(2), 115–124. https://doi.org/10.1159/000496426
  8. Vasiljevic, T., Shah, N. P. (2008). Probiotics — from Metchnikoff to bioactives. International Dairy Journal, 18(7), 714–728. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2008.03.004
  9. Jayamanne, V. S., Adams, M. R. (2006). Determination of survival, identity and stress resistance of probiotic bifidobacteria in bio-yoghurts. Letters in Applied Microbiology, 42(3), 189–194.
  10. Khalighi, A., Behdani, R., Kouhestani, S. (2016). Probiotics: A comprehensive review of their classification, mode of action and role in human nutrition. InTech, 2016. https://doi.org/10.5772/63646
  11. Lahiri, D., Nag, M., Sarkar, T., Ray, R.R., Shariati, M.A., Rebezov, M. et al. (2022). Lactic Acid Bacteria (LAB): Autochthonous and probiotic microbes for meat preservation and fortification. Foods, 11(18), 2792. https://doi.org/10.3390/foods11182792
  12. Ahsan, S., Khaliq, A., Chughtai, M. F. J., Nadeem, M., Tahir, A. B., Din, A. A. et al. (2022). Technofunctional quality assessment of soymilk fermented with Lactobacillus acidophilus and Lactobacillus casei. Biotechnology and Applied Biochemistry, 69, 172–182. https://doi.org/10.1002/bab.2094
  13. Lantushenko, E., Filipkina, N., Dolgolyuk, I., Starovoitova, K., Tereshchuk, L., Kozlova, O. (April 18-20, 2022). Study of properties of bacterial concentrates of lactic acid microorganisms. AIP Conference Proceedings: International Conference “Sustainable Development: Veterinary Medicine, Agriculture, Engineering and Ecology” (VMAEE2022), Moscow, Russia, 020068. https://doi.org/10.1063/5.0148295. https://elibrary.ru/VEJWPZ
  14. Богданова, Ю. И., Насонова, В. В. (2021). Применение пробиотиков при производстве пищевой продукции. Все о мясе, 4, 26–29. https://doi.org/10.21323/2071-2499-2021-4-26-29
  15. Зарубин, Н. Ю., Лаврухина, Е. В., Бредихина, О. В., Гриневич, А. И., Архипов, Л. О. (2023). Пробиотические пищевые рыбные продукты: роль в рационе питания и способ получения методом биотехнологии. Пищевая промышленность, (11), 67–71. https://doi.org/10.52653/PPI.2023.11.11.014
  16. Popova, N. V., Kameneva, K. S., Vasiliev, A. K. (2024). Intensification of the production of a plant-based probiotic drink. International scientific and practical conference “From modernization to rapid development: Ensuring competitiveness and scientific leadership of the agro-industrial complex” (IDSISA 2024). Ekaterinburg, Russian Federation, 2024. https://doi.org/10.1051/bioconf/202410802013
  17. Ферзаули, А. И., Мугу, И. Г., Лунина, Л. В., Тазова, З. Т. (2019). Анализ зарубежного опыта производства функциональных напитков. Новые технологии, 1, 198–207. https://doi.org/10.24411/2072-0920-2019-10120
  18. Aliyev, Sh., Khalilov, M., Saidov, R. (2022). Study of the pectin-based beverage preparation technology from fruits and vegetables grown in Azerbaijan. Bulletin of Science and Practice, 8(4), 242–250. https://doi.org/10.33619/2414-2948/77/30
  19. Nguyen, Q. V., Le, D. Ph., Nguyen, M. T., Tran, T. Ye. N., Le, D. T. (2022). Developing a herbal drink from green asparagus (Asparagus Officinalis l.): Effect of process parameters on the quality of the product. Food Processing: Techniques and Technology, 52(4), 640–648. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-4-2393
  20. Arruda, H. S., Silva, E. K., Pastore, G. M., Marostica Junior, M. R. (2023). Non-thermal supercritical carbon dioxide processing retains the quality parameters and improves the kinetic stability of an araticum beverage enriched with inulin-type dietary fibers. Foods, 12(13), Article 2595. https://doi.org/10.3390/foods12132595
  21. Zinov'eva, M. E., Shnaider, K. L., Zaripova, S. K. (June 17–18, 2021). Technology of probiotic beverage production based on juice. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. V International Workshop on Innovations in Agro and Food Technologies (WIAFT-V2021). Volgograd, Russian Federation, 2021. https://doi.org/10.1088/1755-1315/848/1/012011
  22. Smotraeva, I. V., Gargalyk, A. S., Balanov, P. E., Ivanchenko, O. B., Kuznetsova, T. A. (November 18–20, 2020). Development of probiotic drink production technology with the addition of citrus juice. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IV International Scientific Conference: AGRITECH-IV2020: Agribusiness, Environmental Engineering and Biotechnologies. Krasnoyarsk, Russian Federation, 2020. https://doi.org/10.1088/1755-1315/677/3/032044
  23. Terpou, A., Papadaki, A., Lappa, I. K., Kachrimanidou, V., Bosnea, L. A., Kopsahelis, N. (2019). Probiotics in food systems: Significance and emerging strategies towards improved viability and delivery of enhanced beneficial value. Nutrients, 11(7), Article 1591. https://doi.org/10.3390/nu11071591
  24. Сомов, А. Н., Похиленко, В. Д., Дунайцев, И. А., Клыкова, М. В., Чукина, И. А. (2022). Капсулированные в альгинат пробиотики: получение и некоторые свойства. Биотехнология, 5(38), 44–52. https://doi.org/10.56304/S0234275822050131
  25. Choudhury, N., Meghwal, M., Das, K. (2021). Microencapsulation: An overview on concepts, methods, properties and applications in foods. Food Frontiers, 2(4), 426–442. https://doi.org/10.1002/fft2.94
  26. Попов, В. Г., Аксентьева, В. В. (2023). Проектирование комплексных пищевых добавок в виде микрокапсулированных синбиотиков. Ползуновский вестник, 4, 54–61. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2023.04.007
  27. Voblikova, T., Laricheva, K. (2023). Bifidobacteria encapsulation and viability of probiotic culture during oral delivery in a milk drink matrix. International Journal of Food Science, 2023, Article 8484835. https://doi.org/10.1155/2023/8484835
  28. Какимов, А. К., Какимова, Ж. Х., Бепеева, А. Е. (8–9 декабря 2016). Получение инкапсулированных пробиотиков. 19я международная научно-практическая конференция, посвященная памяти Василия Матвеевича Горбатова. Москва: ВНИИМП, 2016.
  29. Kumar, A., Kaur, R., Kumar, V., Kumar, S., Gehlot, R., Aggarwal, P. (2022). New insights into water-in-oil-in-water (W/O/W) double emulsions: Properties, fabrication, instability mechanism, and food applications. Trends in Food Science and Technology, 128, 22–37. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2022.07.016
  30. Angardi, V., Ettehadi, A., Yücel, Ö. (2022). Critical review of emulsion stability and characterization techniques in oil processing. Journal of Energy Resources Technology, 144(4), Article 040801. https://doi.org/10.1115/1.4051571
  31. Qin, X. S., Gao, Q. Y., Luo, Z. G. (2021). Enhancing the storage and gastrointestinal passage viability of probiotic powder (Lactobacillus Plantarum) through encapsulation with pickering high internal phase emulsions stabilized with WPIEGCG covalent conjugate nanoparticles. Food Hydrocolloids, 116, Article 106658. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106658
  32. Zhang, Y., Lin, J., Zhong, Q. (2015). The increased viability of probiotic Lactobacillus salivarius NRRL B30514 encapsulated in emulsions with multiple lipid-protein-pectin layers. Food Research International, 71, 9–15. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2015.02.017
  33. Wang, M., Yan, W., Zhou, Y., Fan, L., Liu, Y., Li, J. (2021). Progress in the application of lecithins in water-in-oil emulsions. Trends in Food Science and Technology, 118, 388–398. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.10.019
  34. Martín, M. J., Lara-Villoslada, F., Ruiz, M. A., Morales, M. E. (2015). Microencapsulation of bacteria: A review of different technologies and their impact on the probiotic effects. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 27, 15–25. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2014.09.010
  35. Sultana, K., Godward, G., Reynolds, N., Arumugaswamy, R., Peiris, P., Kailasapathy, K. (2000). Encapsulation of probiotic bacteria with alginate-starch and evaluation of survival in simulated gastrointestinal conditions and in yoghurt. International Journal of Food Microbiology, 62(1–2), 47–55. https://doi.org/10.1016/s0168-1605(00)00380-9
  36. Liu, J., Liu, F., Ren, T., Wang, J., Yang, M., Yao, Y., Chen, H. (2021). Fabrication of fish gelatin/sodium alginate double network gels for encapsulation of probiotics. Journal of the Science of Food and Agriculture, 101(10), 4398–4408. https://doi.org/10.1002/jsfa.11081
  37. Hu, X., Liu, C., Zhang, H., Hossen, M. A., Sameen, D. E., Dai, J. et al. (2021). In vitro digestion of sodium alginate/pectin co-encapsulated Lactobacillus bulgaricus and its application in yogurt bilayer beads. International Journal of Biological Macromolecules, 193, 1050–1058. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.11.076
  38. Silva, M. P., Tulini, F. L., Martins, E., Penning, M., Favaro-Trindade, C. S., Poncelet, D. (2018). Comparison of extrusion and co-extrusion encapsulation techniques to protect Lactobacillus acidophilus LA3 in simulated gastrointestinal fluids. LWT, 89, 392–399. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2017.11.008
  39. Yang, S., Wei, S., Wu, Y., Fang, Y., Deng, Z., Xu, J. et al. (2024). Encapsulation techniques, action mechanisms, and evaluation models of probiotics: Recent advances and future prospects. Food Frontiers, 5, 1212–1239. https://doi.org/10.1002/fft2.374
  40. Касымов, И. Д., Марченко, А. Л., Басевич, А. В., Валеева, М. Е. (2023). Влияние параметров технологического процесса на микрокапсулирование субстанций с неудовлетворительными технологическими свойствами. Разработка и регистрация лекарственных средств, 12(4), 146–154. https://doi.org/10.33380/2305-2066-2023-12-4-1574
  41. Rojas-Muñoz, Y. V., Santagapita, P. R., Quintanilla-Carvajal, M. X. (2023). Probiotic encapsulation: Bead design improves bacterial performance during in vitro digestion. Polymers, 15(21), Article 4296. https://doi.org/10.3390/polym15214296
  42. Bepeyeva, A., de Barros, J. M. S., Albadran, H., Kakimov, A. K., Kakimova, Z. K., Charalampopoulos, D. (2017). Encapsulation of lactobacillus casei into calcium pectinatechitosan beads for enteric delivery. Journal of Food Science, 82(12), 2954–2959. https://doi.org/10.1111/1750-3841.13974
  43. Sekhavatizadeh, S. S., Yaghoobpour, T. (2023). Evaluation of physicochemical properties of Lactobacillus acidophilus cells encapsulated with sodium alginate and Balangu seed mucilage. Innovative Food Technologies, 11(1), 11–24. http://doi.org/10.22104/IFT.2023.5978.2127
  44. Lee, Y., Ji, Y. R., Lee, S., Choi, M. J., Cho, Y. (2019). Microencapsulation of probiotic lactobacillus acidophilus kbl409 by extrusion technology to enhance survival under simulated intestinal and freeze-drying conditions. Journal of Microbiology and Biotechnology, 29, 721–730. https://doi.org/10.4014/jmb.1903.03018
  45. Воробьев, В. И., Нижникова, Е. В. (2021). Переработка кислых яблочных соков, способствующая импортозамещению сокосодержащей продукции. Известия КГТУ, 61, 53–63.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Neverova O.P., Zinina O.V., Li C., Liang Z., Rebezov M.B., Vishnyakova E.A., Barykina E.S.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».