Desenvolvimento de nano-estruturas inteligentes para encapsular e transportar bactérias lácteas probióticas

Abstract

O objetivo deste trabalho consistiu na síntese e caracterização de sistemas inteligentes para encapsular bactérias lácteas probióticas, designadamente Lactobacillus acidophilus, de modo a aumentar a sua estabilidade e viabilidade quando atravessam o trato gastrointestinal (consequente da ingestão oral dos alimentos). Os sistemas de encapsulamento basearam-se num complexo polímero natural-copolímero sintético, Quitosano-(Poli(ácido acrílico)-Pluronic-Poli(ácido acrílico)) e estudou-se a influência de diferentes peso moleculares do copolímero acrílico na manutenção da viabilidade celular das bactérias. Os copolímeros Poli(ácido acrílico)-Pluronic-Poli(ácido acrílico) (PAA-PLU-PAA) foram sintetizados através de uma reação de polimerização por emulsão e apresentaram um peso molecular de 24 kDa e 12 kDa, sendo ambos constituídos pela mesma fração de segmentos PAA e Pluronic (50/50).O encapsulamento das bactérias foi realizado através da técnica layer-by-layer (LbL) e as condições de encapsulamento (concentração e pH da solução tampão e dos polielectrólitos, tempo de centrifugação nas lavagens, tempo de incubação para a deposição de cada camada) foram primeiramente estudadas e otimizadas. As condições ótimas foram alcançadas para pH=6, uma concentração de solução tampão igual a 0,15M, uma concentração molar de Quitosano e de PAA-PLU-PAA igual a 4,11׿10¿^(-8) mol/mL, centrifugação a 8000 rpm durante 5 min e 1h de incubação, a 37°C e 100 rpm, para a deposição de cada camada de polielectrólito.Os resultados demonstraram que para o copolímero acrílico de peso molecular 24 kDa, os sistemas de revestimento constituídos por 2 e por 4 camadas foram os que melhor permitiram a difusão de nutrientes, assegurando o crescimento das bactérias encapsuladas próximo do crescimento obtido para as bactérias livres. A taxa de sobrevivência dos probióticos revestidos com 2 camadas, após a passagem em fluido gástrico simulado (FGS) e em fluido intestinal simulado (FIS), foi de 84 % e a taxa de sobrevivência das bactérias revestidas com 4 camadas foi de 67%. Para o copolímero de peso molecular 12 kDa, apenas o sistema constituído por 2 camadas de revestimento permitiu que as bactérias tivessem acesso à quantidade necessária de nutrientes para exercerem a sua atividade metabólica e, neste caso, a taxa de sobrevivência das bactérias após o processo de digestão simulado foi de 83 %.Relativamente à informação existente na literatura, os aspetos inovadores deste trabalho compreendem o desenvolvimento de um sistema inteligente para o encapsulamento dos probióticos, a combinação dos polímeros usados (polímero orgânico-polímero inorgânico) e a avaliação de diferentes pesos moleculares poliméricos na estrutura de encapsulamento.

The aim of this work was the development and characterization of intelligent systems to encapsulate probiotic lactic bacteria, namely Lactobacillus acidophilus, to improve their stability and viability when they pass through the gastrointestinal tract, as consequence of the oral ingestion of food. The encapsulation systems were based on natural polymer-synthetic copolymer complexes, Chitosan-(Poly(acrylic acid)-Pluronic-Poly(acrylic acid)), and the influence of the polymeric molecular weight was performed to evaluate the bacteria cellular viability.The Poly(acrylic acid)-Pluronic-Poly(acrylic acid) (PAA-PLU-PAA) copolymers were synthetized by an emulsion polymerization reaction and had a molecular weight of 24 kDa and 12 kDa, both composed with the same fraction of PAA and Pluronic segments (50/50).The bacteria encapsulation was performed with layer-by-layer assembly (LbL) and the encapsulation conditions (pH and concentration of buffer solution and polyelectrolyte solutions, centrifugation time, incubation time of each layer) were firstly studied and optimized. The best conditions were reached for pH=6, buffer solution concentration of 0.15M, molar concentration of Chitosan and PAA-PLU-PAA solutions equal to 4.11׿10¿^(-8) mol/mL, centrifugation at 8000 rpm for 5 minutes, and 1h incubation at 37ºC and 100 rpm for the deposition of each polyelectrolyte layer.The results revealed that for the acrylic copolymer of molecular weight 24 kDa, coating systems consisting of 2 and 4 layers were those that best allow the diffusion of nutrients, ensuring the cellular growth next to the free bacteria growth. The survival rate of probiotics coated with 2 layers, after passage in simulated gastric fluid (SGF) and simulated intestinal fluid (SIF), was 84 % and the survival rate of bacteria coated with 4 layers was 67 %.For the 12 kDa molecular weight copolymer, only the system consisting of two coating layers enabled the bacteria access to the right amount of nutrients to exert their metabolic activity and, in this case, the survival rate of the bacteria after the simulated digestion process was 83 %.Regarding the existing information that can be found in the literature, the innovative aspects of this work include the development of an intelligent system to encapsulate probiotics, the combination of the used polymers (organic polymer-inorganic polymer) and the evaluation of different polymeric molecular weights in the encapsulation structure.