Effect of Pectic Oligosaccharides on Physicochemical, and In-vitro Gastrointestinal Tract Release Properties of Hydrogel Beads for Synbiotic Encapsulation of Lactobacillus Bulgaricus

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The present study was performed (1) to produce the pectic oligosaccharide (POS) by enzyme treatment and low methoxyl (LM) pectin-based hydrogel beads coated with the resistant starch (RS) and (2) to determine the effects of different concentrations of POS on the physicochemical and in-vitro gastrointestinal tract properties of the hydrogel beads for synbiotic encapsulation of Lactobacillus bulgaricus.
POS was produced from commercial citrus peel pectin with enzymatic treatment (Viscozyme L.). LM pectin-based hydrogel was firstly coated with RS to produce RS hydrogel beads and the different concentrations of POS (0.8, 1.0 and 1.2%) were hydrated for the preparation of RS-POS beads (RS-POS0.8 beads, RS-POS1.0 beads, RS-POS1.2 beads, respectively). The XRD and SEM analysis confirmed that RS hydrogel beads were successfully produced by adding RS, and the hydration of POS with RS beads resulted in a more interconnected and denser structure without pores. The encapsulation efficiencies of RS beads and RS-POS beads ranged from 90.40% to 92.03%. In-vitro gastrointestinal tract release study was carried out to investigate that the hydrogel beads can be used as the delivery systems of L. bulgaricus for colon target. After incubation at 37 °C, free L. bulgaricus was completely killed by exposure to acidic conditions (60 min) and bile salt solution (120 min). However, viable counts of encapsulated L. bulgaricus were slightly decreased at both of acid and bile salt conditions, indicating that RS beads and RS-POS beads exhibited the higher protective effects of L. bulgaricus against the in-vitro gastric and small intestine conditions. After heating at 72 °C for 15 sec, encapsulated L. bulgaricus in RS-POS1.0 and RS-POS1.2 hydrogel beads exhibited higher heat stability than free L. bulgaricus. Based on the findings obtained from this study, it was indicated that the synbiotic encapsulation of L. bulgaricus in RS-POS beads can provide the greater viability of L. bulgaricus in in-vitro gastrointestinal tract and during heat treatment due to the interconnected and dense structure without pores. Furthermore, these results suggested that the hydrogel beads were suitable for the use of delivery system of L. bulgaricus and can be delivered to the colon to exert a healthy function on the host.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 (1) 효소(Viscozyme L) 처리에 의한 효소적 변형 펙틱 올리고당(petic oligosaccharide; POS)을 제조하고, 저 메톡실 펙틴 기반 하이드로겔 비드 생산에 저항 전분(resistant starch; RS)을 활용하였으며, (2) Lactobacillus bulgaricus의 신바이오틱 캡슐화를 위한 하이드로겔 비드의 이화학적 및 in-vitro 위장관 환경에서의 대사 과정에 상이한 농도의 POS가 미치는 영향을 평가하였다.
첫 번째로 상업용 감귤 껍질 펙틴에 상업 효소인 Viscozyme L을 사용하여 POS를 생산하고 신바이오틱 기반 하이드로겔의 제재로써 활용 가능성을 확인하기 위해Lactobacillus rhamnosus와 Lactobacillus bulgaricus를 선정하여 프리바이오틱 활성 평가를 진행하였다. POS는 감귤 껍질 펙틴 및 이눌린보다 강력한 프리바이오틱 활성을 나타내었으며, 이는 신바이오틱 기반 하이드로겔의 망상 구조를 채우는 필러로 적용하였다.
두 번째로는RS 및 POS를 활용한 신바이오틱 기반 하이드로겔 제조를 위해 저 메톡실 펙틴에 염화칼슘을 이용하여 물리적 가교결합(이온 간 상호작용)으로 고분자의 겔화를 유도함으로써 RS와 프로바이오틱스(L. bulgaricus)를 동시에 전달하는 하이드로겔 비드(RS beads)를 개발하였다. 물리적 가교결합을 통해 개발된 3차원 망상 구조체인 RS beads의 다공성 구조를 채우는 필러 역할을 위해서 프리바이오틱 제재인 POS를 상이한 농도(0.8, 1.0, 1.2%)로 첨가하여 구조적 특성이 향상된 하이드로겔 비드(RS-POS0.8 beads, RS-POS1.0 beads, RS-POS1.2 beads)를 개발하였다. XRD 및 SEM 분석을 통해 RS가 첨가된 하이드로겔 비드(RS beads)가 성공적으로 제조되었음을 확인하였으며, POS를 첨가한 RS-POS beads는 기공이 없이 더욱 조밀한 표면 구조를 가지고 있음을 확인하였다. 또한, POS의 농도가 각각 1.0 % 및 1.2%로 증가함에 따라 하이드로겔 비드 내에 더욱 많은 양의 L. bulgaricus가 포집되어 있는 것을 확인하였다. POS의 농도가 0 % 에서 1.2%로 증가함에 따라 캡슐화 효율은 90.40에서 92.03로 증가하였다. 하이드로겔 비드가 결장 표적을 위한 전달 시스템으로 사용되기에 적합한지를 평가하기 위해 in-vitro 위장관 방출 연구를 진행하였다. 그 결과, 인공 위 조건 및 담즙염 용액에서 각각 60분 및 120분 동안 노출되었을 때, 캡슐화 되지 않은 L. bulgaricus는 완전히 사멸되었으나 캡슐화된 L. bulgaricus는 소량 감소하였다. 열 안정성 평가를 위해 하이드로겔 비드를 72 °C에서 15초 동안 노출시킨 결과, RS-POS1.0 beads 및 RS-POS1.2 beads는 캡슐화 되지 않은 L. bulgaricus보다 더욱 높은 열 안정성을 가지고 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• LITERATURE REVIEW 1
• 1. Pectic oligosaccharide 1
• 2. Resistant starch 1
• 3. Probiotic, prebiotic and synbiotic 1
• 4. Hydrogel beads 2
• 5. Lactobacillus bulgaricus 3
• 1.1. Introduction 4
• 1.2. Materials and Methods 7
• 1.2.1. Materials 7
• 1.2.2. Preparation of pectic oligosaccharide by enzyme treatment 7
• 1.2.3. Prebiotic activity 9
• 1.2.3.1. Bacterial strain and culture conditions 9
• 1.2.3.2. Culture fermentation and enumeration 9
• 1.2.4. Preparation of the bacteria cells for encapsulation 9
• 1.2.5. Preparation of hydrogel beads 10
• 1.2.5.1. Encapsulation of L. bulgaricus by polysaccharide solution 10
• 1.2.5.2. Hydration of RS beads with pectic oligosaccharides 10
• 1.2.6. Ultra high resolution field emission scanning electron microscopy (UHR FE-SEM) 13
• 1.2.7. Powder X-ray diffraction (XRD) analysis 13
• 1.2.8. Encapsulation efficiency of L. bulgaricus 13
• 1.2.9. Viable bacteria enumeration 14
• 1.2.10. In-vitro release properties of hydrogel beads 14
• 1.2.10.1. Survival of free and encapsulated L. bulgaricus in simulated gastric fluid (SGF, pH 1.8) 14
• 1.2.10.2. Survival of free and encapsulated L. bulgaricus in bile salt solution 14
• 1.2.11. Storage stability of free and encapsulated L. bulgaricus during at 4 °C for
• 7 days 15
• 1.2.12. Heat tolerance test of free and encapsulated L. bulgaricus 15
• 1.2.13. Statistical analysis 15
• 1.3. Results and discussion 16
• 1.3.1. Prebiotic activity 16
• 1.3.1.1. Enumeration of bacteria 16
• 1.3.2. Ultra high resolution field emission scanning electron microscopy (UHR FE-SEM)
• 18
• 1.3.3. Powder X-ray diffraction (XRD) analysis 21
• 1.3.4. Encapsulation efficiency of L. bulgaricus 23
• 1.3.5. In-vitro survival properties of hydrogel beads 25
• 1.3.5.1. Survival of free and encapsulated L. bulgaricus in simulated gastric fluid (SGF, pH 1.8) and bile salt solution (pH 6.8) 25
• 1.3.6. Storage stability of free and encapsulated L. bulgaricus during at 4 °C for 7 days 29
• 1.3.7. Heat tolerance test of free and encapsulated L. bulgaricus 31
• 1.4. Conclusion 33
• REFERENCES 34