Samosestavljivi in napredni biopolimerni ovoji za mikrokapsulacijo probiotikov in starterskih kultur

Mikrokapsuliranje je tehnika, s katero jedrni material prevlečemo ali ujamemo v polimerni material, da proizvedemo mikro-kroglice, mikro-kapsule in mikro-agregate v območju velikosti 1-1000 µm. Ta vsestranska tehnologija je uporabna za širok nabor izdelkov, kot so zdravilne učinkovine, arome, hlapna olja, rastlinski izvlečki, encimi in številne druge snovi. V zadnjih desetletjih se ta tehnologija uporablja tudi na področju imobilizacije mikrobnih celic zaradi številnih prednosti pred drugimi imobilizacijskimi tehnikami. Zaradi obilice naravnih biopolimerov raznolikih površinskih in koloidnih lastnosti ter dandanašnje sposobnosti preučevanja njihovih medsebojnih interakcij na molekularnem nivoju, se ponujajo številne priložnosti za razvoj naprednih namenskih dostavnih sistemov kapsuliranja mikroorganizmov, zlasti na področjih vodenja biotehnoloških procesov za proizvodnjo živil in razvoju probiotikov, ki so namenjeni zauživanju. Namen kapsuliranja celic se znatno razlikuje glede na njihovo končno uporabo. Pri kapsuliranju starterskih kultur za namen fermentacije zmanjšamo čas adaptacije v brozgi, dosegamo visoko celično gostoto v nosilcu, izboljšamo kinetiko procesa, zmanjšamo možnost za mikrobno kontaminacijo in omogočimo enostavnejšo separacijo ter ponovno uporabo biomase v naslednji šarži. Pri probiotikih, ki so namenjeni zauživanju, so cilji kapsuliranja drugačni, saj nosilec mikroorganizmu predstavlja predvsem zaščito med shranjevanjem ter zaščito pred prebavo, v naprednejših aplikacijah pa deluje tudi kot dostavni sistem v ciljni del prebavnega trakta ali drugih tkiv. Na področju razvoja materialov so bile prikazane številne lastnosti za povezovanje biopolimerov in sorodnih molekul kot naravnih gradnikov za votle oziroma porozne in ne porozne strukture z različno stopnjo notranje in zunanje organiziranosti, ki nakazujejo na del njihovega potenciala za uporabo v kapsulacijskih tehnikah. Polimeri, kot so strukturne komponente celične stene rastlin (pektin) in alg (alginat) ali škrob in njegovi derivati nudijo številne možnosti za pripravo prehransko varnih materialov z nadzorovano velikostjo, morfologijo in površinskimi ter strukturnimi lastnostmi. Številne od teh strukturnih komponent je mogoče pridobiti iz odpadnih surovin živilsko predelovalne industrije, s področja dejavnosti slovenske agroživilske industrije gre predvsem za odpadke predelave sadja (jabolčne lupine in ostanki po predelavi citrusov). V projektu bomo zadevne naravne snovi (predvsem rastlinske polisaharide in druge komponente rastlinskega izvora) temeljito okarakterizirali in jih uporabili kot gradnike za samodejno oziroma usmerjeno organizacijo. Pridobljene supramolekularne strukture bodo služile kot samostojni ovoji ali pa kot namenske strukturne šablone za širok nabor različnih postopkov kapsuliranja mikroorganizmov za izdelke, ki so namenjeni za zauživanje in/ali za stik z živili. Izbrane nosilce bomo uporabili na dveh primerih uporabe za kapsuliranje mikroorganizmov, to je za (i) kapsuliranje kvasovk za optimiranje pridobivanja etanola in (ii) za podaljšano zadrževanje v prebavilih in kot prebiotik za lastni izolat probiotičnih mlečnokislinskih bakterij. V obeh primerih bomo določili parametre učinkovitosti kapsuliranja, procesno in biološko aktivnost, kakor tudi sposobnost kapsulacijskega sistema za fermentacijo oziroma dostavo mikroorganizmov na celičnem nivoju. Projekt bo usmerjen v namensko pripravo mikrokapsulacijskih nosilcev rastlinskega izvora z natančno definiranimi površinskimi lastnostmi. Na ta način bomo sistematično preučili fizikalno, kemijsko in biološko ozadje, ki uravnava učinkovitost ujetja, preživetja in aktivnosti mikroorganizmov v napredne nosilce, s čimer bomo omogočili prehod iz uveljavljenih sistemov na osnovi alginatnih hidrogelov. Pripravljene nosilce bomo optimizirali za kapsuliranje modelnih mikroorganizmov ter preverili primernost razvitih mikrokapsulacijskih sistemov za reševanje specifičnih aktualnih izzivov v biotehnolo