Development of predictive methods revealing stability in probiotic cultures

Abstract

Although lactic acid bacteria have been traditionally used in food applications for long, the idea of using probiotics as a dietary supplement is relatively new. The probiotic strains used in the collaboration company’s products are freeze-dried before added to their formulations. The stability of the probiotic cultures is assessed in studies which often require long storage times before showing results. These studies have shown that batches of the same strains have different long-term stabilities. Therefore, the need for a method that can predict the stability of a probiotic culture and complement existing studies is crucial. The aim of this master thesis was to find a stress concentration where the response was different between a batch with poor long-term stability and a batch with good long-term stability. Ultimately, it was investigated if a correlation between stress response and future stability could be found, to indicate the future stability of new culture batches.

For two of the three strains investigated, a common stress concentration, where a significant difference in stress response between the poor and good batch was identified, was found after heat exposure at 50º C for 20 minutes. A difference in the degree of aggregation from the morphology observation was found after heat stress for both strain A and B, as well as in the growth during cultivation. Out of the two strains, strain B showed the biggest difference in stress response between the good and poor batch after the heat stress in question.

The thesis builds an important foundation for the future development of a predictive method revealing stability in probiotic cultures. When correlating the stress response to long-term stability as well as water activity, more batches with known long-term stability from each strain need to be analyzed. A linear correlation between long-term stability, water activity and stress response were indicated and could hopefully be used as a predictive method to reveal long-term stability in the future.

Popular Abstract (Swedish)

Sen urminnes tider har mjölksyrebakterier traditionellt sett används till fermentering för att addera karaktäristiska egenskaper och förlänga hållbarheten hos matprodukter. Enligt världshälsoorganisationen WHO är probiotika ’levande mikroorganismer som, när de intas i lämplig mängd, utövar hälsofördelar hos värden’. Probiotiska bakterier kan främja tarmfloran genom att konkurrera ut skadliga bakterier, producera antimikrobiella substanser och tillverka immunmodulerande föreningar som kan dämpa inflammationer hos värden. I samband med att vi lever i ett samhälle där det finns en växande trend att leva nyttigt och hitta nya, innovativa produkter som kan främja ens mående, har marknaden för probiotiska produkter växt massivt. Även om fermenterade produkter som yoghurt, filmjölk och surkål har funnits länge, är konceptet att sälja probiotiska mjölksyrebakterier som kosttillskott något som har kommit på senare år.

Företaget som detta examensarbete har gjorts i samarbete med använder sig av den probiotiska bakterien Limosilactobacillus reuteri (L. reuteri) i deras kosttillskott. L. reuteri har blivit utvärderad i 217 kliniska studier där probiotikans effekt på bland annat förstoppning, spädbarnskolik, IBS och akut gastroenterit blivit undersökt. Flera studier har även riktat in sig på probiotikans effekt på immunrelaterade sjukdomar och tandhälsa. Sammanfattningsvis så har studierna visat att L. reuteri varit effektiv mot bakteriella infektioner orsakade av H. pylori, mot akut diarré orsakat av rotavirus och mot flertalet barnsjukdomar som diarré, karies, atopisk dermatit, allergi och spädbarnkolik.

Innan L. reuteri adderas till de olika produkterna, måste bakteriekulturerna frystorkas för att underlätta hantering och förvaring. Det frystorkade kulturpulvret analyseras i stabilitetsstudier hos företaget, vilket ofta innebär långa förvaringstider innan ett resultat kan fås. Från dessa studier har det visat sig att olika satser av frystorkad bakteriekultur, som innehåller samma bakteriestam, har olika bra överlevnad efter långtidsförvaring. För att kunna optimera kultur-till-produkt-processen hos företaget, är det därför nödvändigt med en metod som kan förutsäga stabiliteten hos kultursatsen vid ett tidigare stadie och på så sätt komplettera de nuvarande stabilitetsstudierna.

I detta examensarbete har tre olika bakteriestammar som används i samarbetsföretagets kommersiella produkter blivit utsatta för olika stressförhållanden. Hos varje stam har stressresponsen mellan en sats med bra långtidsstabilitet och en med dålig långtidsstabilitet jämförts för att kunna hitta ett förhållande där skillnaden i stressrespons mellan den bra och dåliga satsen var signifikant. En signifikant skillnad i stressrespons mellan den bra och dåliga satsen kunde identifieras hos två av tre utav de tillgängliga bakteriestammarna. Genom att korrelera stressresponsen med långtidsstabiliteten, kunde en indikation om en linjär relation ses. Examensarbetet bygger en betydelsefull grund för den framtida utvecklingen av en prediktiv stabilitetsmetod. Med grund i detta examensarbete och genom att fortsätta testa kultursatser med känd långtidsstabilitet, kan en metod som företaget kan dra stor nytta av i framtiden fortsätta utvecklas.

• author: Andersson, Greta
• supervisor: Magnus Carlquist
• organization: Applied Microbiology
• course: KMBM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences; Technology and Engineering
• keywords: probiotics, probiotic supplements, lactic acid bacteria, stress response, method development, applied microbiology, teknisk mikrobiologi
• language: English
• id: 9021185
• date added to LUP: 2020-06-25 13:41:29
• date last changed: 2020-06-25 13:41:29