Μίκρο- και νάνο-εγκλεισμός προβιοτικών βακτηρίων σε πρεβιοτικές μήτρες μέσω των τεχνικών του ηλεκτροστατικού ψεκασμού και της ξήρανσης υπό κατάψυξη

Δασκαλάκης Μούντανος, Αλέξανδρος; Daskalakis Mountanos, Alexandros

dc.contributor.author	Δασκαλάκης Μούντανος, Αλέξανδρος	el
dc.contributor.author	Daskalakis Mountanos, Alexandros	en
dc.date.accessioned	2019-07-22T11:29:36Z
dc.date.available	2019-07-22T11:29:36Z
dc.date.issued	2019-07-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49116
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16760
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εγκλεισμός	el
dc.subject	Encapsulation	en
dc.subject	Προβιοτικά	el
dc.subject	Κυτταρική καλλιέργεια	el
dc.subject	Ηλεκτροστατικός ψεκασμός	el
dc.subject	Ξήρανση υπό κατάψυξη	el
dc.subject	Probiotics	en
dc.subject	Cell culture	en
dc.subject	Electrospraying	en
dc.subject	Freeze drying	en
dc.title	Μίκρο- και νάνο-εγκλεισμός προβιοτικών βακτηρίων σε πρεβιοτικές μήτρες μέσω των τεχνικών του ηλεκτροστατικού ψεκασμού και της ξήρανσης υπό κατάψυξη	el
dc.title	Micro- and nano-encapsulation of probiotic bacteria in prebiotic matrices through electrospraying and freeze drying techniques	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Φυσικές Διεργασίες	el
heal.classification	Βιοτεχνολογία	el
heal.classification	Μηχανική τροφίμων	el
heal.classification	Unit operations	en
heal.classification	Biotechnology	en
heal.classification	Food engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-03
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν και εφαρμόστηκαν οι τεχνικές του ηλεκτροστατικού ψεκασμού και της ξήρανσης υπό κατάψυξη για τον εγκλεισμό προβιοτικών βακτηρίων Streptococcus thermophilus σε πρεβιοτικές μήτρες, με σκοπό τη βελτίωση της βιωσιμότητας και της βιοδιαθεσιμότητας τους. Ως προβιοτικά ορίζονται οι ζωντανοί μικροοργανισμοί, που όταν χορηγούνται σε επαρκείς ποσότητες προσφέρουν ορισμένο όφελος για την υγεία του ξενιστή. Πλέον, τα τρόφιμα εκτός από την παροχή των θρεπτικών συστατικών, αποτελούν μέσο επίτευξης της ευεξίας, διότι οι καταναλωτές είναι πιο ευαισθητοποιημένοι σε θέματα υγιεινής και ωφέλιμης διατροφής. Η εισαγωγή των προβιοτικών βακτηρίων σε γαλακτοκομικά προϊόντα εξυπηρετεί το σκοπό της ευεργετικής διατροφής, καθώς εμφανίζουν ποικίλα οφέλη στην υγεία του ανθρώπινου οργανισμού, αποκαθιστώντας το φυσιολογικό εντερικό μικροβιακό πληθυσμό. Πολλά στελέχη προβιοτικών, όπως εκείνα του γένους Streptococcus thermophilus. αδυνατούν να επιβιώσουν στις συνθήκες που επικρατούν στο πεπτικό σύστημα. Συνεπώς, κρίνεται απαραίτητος ο εγκλεισμός των προβιοτικών, σε μήτρες που θα τα προστατεύσουν από τις δυσμενείς συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό ενός ξενιστή. Ο εγκλεισμός των προβιοτικών πραγματοποιείται με διάφορες μεθόδους, με ιδανικές τον ηλεκτροστατικό ψεκασμό/ξήρανση και την ξήρανση υπό κατάψυξη, καθώς οι συγκεκριμένες μέθοδοι περιλαμβάνουν ήπιες συνθήκες, οι οποίες δε μειώνουν τη βιωσιμότητα των μικροοργανισμών. Στις ηλεκτροϋδροδυναμικές διεργασίες (ηλεκτροστατική ινοποίηση και ψεκασμός), με την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου υψηλής τάσης, παράγεται ένας ηλεκτρικά φορτισμένος πίδακας (jet) από πολυμέρες διάλυμα, σχηματίζεται ο κώνος Taylor στον πίδακα, με αποτέλεσμα την ξήρανση του διαλύτη και την παραγωγή των ινών ή των σωματιδίων αντίστοιχα. Στην ξήρανση υπό κατάψυξη, το υδατικό διάλυμα του πολυμερούς αφυδατώνεται μέσω της κατάψυξης του περιεχόμενου νερού και της ακόλουθης εξάχνωσης των σχηματιζόμενων παγοκρυστάλλων. Στη συγκεκριμένη εργασία, μελετήθηκαν οι διάφορες παράμετροι της διεργασίας του ηλεκτροστατικού ψεκασμού (electrospraying) και πιο συγκεκριμένα, η ροή του διαλύματος, η εφαρμοζόμενη τάση και η απόσταση μεταξύ του ακροφυσίου και της επιφάνειας συλλογής με σκοπό την ανάπτυξη σταθερών δομών με υψηλή απόδοση εγκλεισμού. Τα διαλύματα που μελετήθηκαν ήταν το μίγμα πρωτεΐνης ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζης (ηλεκτροστατικός ψεκασμός) και ζεΐνης και ολιγοφρουκτόζης (ομοαξονικός ηλεκτροστατικός ψεκασμός). Οι βέλτιστες συνθήκες του ηλεκτροστατικού ψεκασμού ήταν οι παρακάτω: • για το υδατικό διάλυμα πρωτεΐνης ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζης (αναλογίας 80:20 w/w) συνολικής συγκέντρωσης 40% w/w η ροή διαλύματος 500, 600, 700 μL/h και η απόσταση του ακροφυσίου από το συλλέκτη 6, 7, 8 cm, εκ των οποίων οι συνθήκες στις οποίες παρήχθησαν οι ποσότητες των διαφόρων δειγμάτων ήταν η ροή διαλύματος 600 μL/h, η απόσταση 7 cm και η εφαρμοζόμενη τάση 27.2-29.2 kV • για τα διαλύματα ζεΐνης συγκέντρωσης 5% w/w σε αιθανόλη-νερό (αναλογίας 80:20 v/v) και ολιγοφρουκτόζης συγκέντρωσης 3% w/w σε νερό η ροή διαλύματος 600, 700, 800 μL/h και η απόσταση του ακροφυσίου από το συλλέκτη 4, 5, 6 cm, εκ των οποίων οι συνθήκες στις οποίες παρήχθησαν οι ποσότητες των διαφόρων δειγμάτων ήταν η ροή διαλύματος ζεΐνης 700 μL/h, η ροή διαλύματος ολιγοφρουκτόζης 100 μL/h, η απόσταση 5 cm και η εφαρμοζόμενη τάση 25.2-28.2 kV. Επιπλέον, καλλιεργήθηκε το βακτηριακό στέλεχος Streptococcus thermophilus σε κατάλληλο θρεπτικό υλικό στους 37οC και σε pH=6.5 και ξηράνθηκε υπό κατάψυξη, με σκοπό να εγκλειστεί σε μήτρες πρωτεΐνης ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζης και ζεΐνης-ολιγοφρουκτόζης μέσω του ηλεκτροστατικού ψεκασμού και της ξήρανσης υπό κατάψυξη. Η παραγωγικότητα της διεργασίας του ηλεκτροστατικού ψεκασμού για το διάλυμα πρωτεΐνης ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζης μετρήθηκε ίση με 0.1503g/h, ενώ για το διάλυμα ζεΐνης-ολιγοφρουκτόζης προσδιορίστηκε ίση με 0.024g/h. Η απόδοση εγκλεισμού για την ξήρανση υπό κατάψυξη προσδιορίστηκε ίση με 38.7%, ενώ για τον ηλεκτροστατικό ψεκασμό υπολογίστηκε ίση με 86.5%. Η βιωσιμότητα των ελεύθερων βακτηρίων έπειτα από έκθεση σε διάλυμα προσομοίωσης των οξέων στομάχου βελτιώθηκε σημαντικά μέσω της ενθυλάκωσής τους σε μήτρα πρωτεΐνης ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζης με ηλεκτροστατικό ψεκασμό και με ξήρανση υπό κατάψυξη. Μεταξύ των δύο μεθόδων εγκλεισμού, ο ηλεκτροστατικός ψεκασμός φαίνεται ότι προστατεύει εντονότερα τα βακτήρια και διατηρεί υψηλότερη βιωσιμότητα. Ιδανική μήτρα για τον εγκλεισμό των προβιοτικών αποτελεί η ζεΐνη-ολιγοφρουκτόζη, καθώς, χάρη στον υδρόφοβο χαρακτήρα της, η ζεΐνη δε διαλύεται στα οξέα του στομάχου και προστατεύει πλήρως τα ενθυλακωμένα σε αυτή βακτήρια. Η μέθοδος της Φασματομετρίας υπερύθρου με Μετασχηματισμό Fourier απέδειξε τον εγκλεισμό των προβιοτικών στις μήτρες πρωτεΐνης ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζης και ζεΐνης-ολιγοφρουκτόζης τόσο με τη μέθοδο του ηλεκτροστατικού ψεκασμού όσο και με τη μέθοδο της ξήρανσης υπό κατάψυξη. Επιπλέον, δεν παρατηρήθηκαν μετατοπίσεις των κορυφών μεταξύ των φασματογραφημάτων των σωματιδίων πρωτεΐνης ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζης και των εγκλεισμένων βακτηρίων σε πρωτεΐνη ορού γάλακτος-ολιγοφρουκτόζη σε άλλους κυματαριθμούς, το οποίο σημαίνει πως δεν παρουσιάζεται αλληλεπίδραση μεταξύ των προβιοτικών βακτηρίων και της πολυμερικής μήτρας. Μέσω της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης, προσδιορίστηκε η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) της σκόνης ζεΐνης-ολιγοφρουκτόζης ίση με 133.423±0.261oC.	el
heal.abstract	During the present diploma thesis, the processes of electrospraying and freeze drying were researched and applied for the encapsulation of probiotic bacteria Streptococcus thermophilus in prebiotic matrices, in order to improve their viability and bioavailability. Probiotics are defined as living microbes, that -when administered in adequate amounts- confer a health benefit on the host. Nowadays, beyond providing the necessary nutrients, food constitute a mean of wellness, because of the consumers’ sensitization in healthy and beneficial diet. The inclusion of probiotics in dairy products serves the purpose of beneficial nutrition, because they induce the amelioration of human’s health, by restoring normal intestinal microflora. Many strains of probiotics, such as Streptococcus thermophilus fail to survive under the severe conditions of digestive system. Therefore, the encapsulation of probiotics in protecting matrices is necessary to cope with the adverse conditions that occur in the internal of the host. Probiotics’ encapsulation is accomplished through a variety of methods. Among them, electrohydrodynamic processes and freeze drying are proved to be ideal, due to the mild conditions, applied to the samples, that do not affect microbes’ viability. During electrohydrodynamic processes (electrospinning or electrospraying), a high-voltage electrical field is applied, so as to produce an electrically charged jet by a polymer solution, that forms the recognizable Taylor cone. As a result, the solvent is being dried and fibers or particles are produced respectively. In freeze drying, the aqueous polymer solution is dehydrated through freezing of water content and subsequent sublimation of the icicles formed. In the present project, several electrospraying parameters - in particular solution supply, applied voltage and tip-to-collector distance - were studied, in order to develop stable structures, characterized by high encapsulation efficiency. The mixtures studied were those of whey protein concentrate-fructooligosaccharide (electrospraying) and those of zein and fructooligosaccharide (coaxial electrospinning). Optimal electrospraying conditions are presented below: • for whey protein concentrate-fructooligosaccharide (ratio 80:20 w/w) aqueous solution with total concentration of 40% w/w, solution’s flow was set at 500, 600, 700 uL/h and tip-to-collector distance at 6, 7, 8 cm. Among these conditions, the amount of powder produced and analyzed was collected in a solution flow of 600 uL/h, a distance of 7 cm and an applied voltage range of 27.2-29.2 kV • for zein solution with concentration of 5% w/w in ethanol-water(ratio 80:20 v/v) coaxially electrospun with fructooligosaccharide aqueous solution with concentration of 3% w/w, solution’s flow was set at 600, 700, 800 uL/h and tip-to-collector distance at 4, 5, 6 cm. Among these conditions, the amount of powder produced and analyzed was collected in a zein solution flow of 700 uL/h, a fructooligosaccharide solution flow of 100 uL/h, a distance of 5 cm and an applied voltage range of 25.2-28.2 kV. Furthermore, the bacterial strain of Streptococcus thermophilus was cultivated in appropriate growth medium at 37o C, pH=6.5 and then was freeze dried, in order to be encapsulated in matrices of whey protein-fructooligosaccharide and zein-fructooligosaccharide, via electrospraying and freeze drying. Electrospraying process productivity for whey protein-fructooligosaccharide solution was measured at 0.1503 g/h, while for zein-fructooligosaccharide solution it was determined to be 0.0024 g/h. The encapsulation efficiency was calculated equal to 38.7% for freeze drying and 86.5% for electrospraying. The viability of free probiotics, after their exposure in simulated gastric juices was significantly enhanced, owing to their encapsulation in a whey protein-fructooligosaccharide matrix through either electrospraying or freeze drying. Between these two methods, electrospraying seems to protect probiotics more intensively and preserve a higher viability. Zein is an ideal matrix for the encapsulation of probiotics, because of his hydrophobic nature, which render this protein non-soluble in gastrointestinal juice and perfect protector of probiotics. Fourier Transform Infrared Spectroscopy substantiated the encapsulation of probiotics in whey protein- fructooligosaccharide and zein-fructooligosaccharide matrices either by electrospraying or by freeze drying techniques. Moreover, there were no shifts in band peaks between whey protein-fructooligosaccharide particles and encapsulated probiotics in whey protein-fructooligosaccharide spectra, which suggests that there is no interaction between these prebiotic matrices and bacteria. Through Differential Scanning Calorimetry glass transition temperature (Tg) for zein- fructooligosaccharide powder was measured equal to 133.423±0.261oC.	en
heal.advisorName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.advisorName	Krokida, Magdalini	en
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Ανδρεόπουλος, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Krokida, Magdalini	en
heal.committeeMemberName	Topakas, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Andreopoulos, Andreas	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	137 σ.
heal.fullTextAvailability	true