Production of probiotic lactobacilli biomass for in-feed supplementation to growing pigs and sows: Production of probiotic lactobacilli biomass for in-feed supplementation to growing pigs and sows

Jose David Uezen; María Hortencia Miranda; Mariano Obregozo; Maria Cecilia Aristimuño Ficoseco; María Elena Fátima Nader Macías; Graciela Margarita Vignolo

doi:10.19137/cienvet.v28.9434

Authors

Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET San Miguel de Tucumán, Tucumán https://orcid.org/0009-0004-5675-2508
María Hortencia Miranda Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. , San Miguel de Tucumán, https://orcid.org/0000-0002-5581-527X
Lic. Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. San Miguel de Tucumán,
Dra. Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. , San Miguel de Tucumán,
Dra. Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. San Miguel de Tucumán https://orcid.org/0000-0001-7526-1860
Dra. Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. San Miguel de Tucumán

DOI:

https://doi.org/10.19137/cienvet.v28.9434

Keywords:

Technological properties, Spray dryer, Probiotic formulations, Pigs

Abstract

In the design of probiotic formulations, preservation of microorganism’s viability is the most important parameter to evaluate at the time of administration. In this study, the impact of spray-drying on the preservation of probiotic strains isolated from pig feces: Limosilactobacillus reuteri CRL2222, Lactobacillus amylovorus CRL2225 and Lactobacillus johnsonii CRL2229 was studied, by using a previously formulated protectant mix. The three probiotic strains displayed high resistance to spray-drying operating conditions and subsequent storage, showing survivability’s between 92.9 and 94.7%; probiotic powders exhibited low water activity (a_w:0.2) and moisture content ranging from 3.3±0.16 and 3.8±0.46. The used trehalose/maltodextrin/soy protein/sodium glutamate/calcium phosphate protectant mix showed high thermal protection during the process, allowing high final viability. When probiotic functionality of the strains was evaluated, hydrophobic character was maintained. Thus, it may be highlight that both viability and functionality of probiotics was preserved after spray-drying, characteristics that are strain-specific.

Author Biographies

, Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET San Miguel de Tucumán, Tucumán

Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. San Miguel de Tucumán, Doctor, Biotecnologo. Aislamiento e identificación de bacterias láctica porcinas con propiedades benéficas para utilizarlas cómo probióticos y mejorar la performance de producción. Técnicas microbiológicas y fisicoquímicas.
María Hortencia Miranda, Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. , San Miguel de Tucumán,

Doctor, Medica veterinaria. Becario postdoctoral CONICET. Dentro de mi experticia se incluyen la evaluación de propiedades benéficas, funcional-tecnológicas y de seguridad de Bacterias Lácticas Autóctonas Benéficas(BLAB) de diferentes ecosistemas bovinos y cerdos. Técnicas microbiológicas: actividad antimicrobiana frente a patógenos, formación de biofilm, producción de exopolisacáridos, expresión de factores de virulencia, resistencia al estrés osmótico/térmico y condiciones gastrointestinales, compatibilidad entre BLAB y sustancias bioactivas, polímeros, etc., viabilidad y mantenimiento de las propiedades benéficas en el tiempo, entre otras. Técnicas de biología molecular: extracción de ADN/ARN, PCR y RT-qPCR. Evaluación de inocuidad y efectos adversos de la administración de BLV en modelo experimental en bovinos y cerdos. Técnicas de citología e histología. Diseño de productos probióticos de aplicación veterinaria. Ensayos in vitro e in vivo.
Lic., Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. San Miguel de Tucumán,

Licenciado en Alimentos, Profesional principal CONICET. Desarrollo de alimentos o suplementos funcionales a partir de bioingredientes deshidratados (cepas probióticas y otros). Participación en proyectos de I+D+i y desarrollos tecnológicos bajo convenio CONICET-Empresa; Servicios Tecnológicos de Alto Nivel (STAN) a pedido de empresas; proyectos de extensión y actividades de divulgación científicas; proyectos de Tecnología Social para la cuenca láctea de Tucumán (proyectos YOGURITO; CHOCOLET; BIOSEC; y Bio-Queso). Control de calidad microbiológica y fisicoquímica de alimentos con probióticos. Optimización de parámetros de secado por spray para la producción de biomasa deshidratada de cepas potencialmente transferibles al sector socio-productivo. Realización de puesta a punto de equipos y técnicas de procesamiento de cereales y granos a escala laboratorio/piloto (molienda, mezclado, extrusión, tamizado, prensado, separación física de partícula, etc) para la obtención de ingredientes destinados al desarrollo de alimentos con alto valor nutricional para consumo humano o animal. Optimización de parámetros tecnológicos de proceso de extrusión y prensado de granos, que favorezcan la eliminación/disminución de FAN y separación de aceites vegetales. Realización de puesta en funcionamiento de nuevos equipos en Laboratorio de Tecnología Experimental de Alimentos y en Laboratorio de Análisis de Alimentos. Colaboración activamente con la Comisión de bioseguridad de la UE y como auxiliar patrimonial en el Sistema Informático de Bienes Inventariables (SIBI). Fortalecimiento de tareas de vigilancia tecnológica que permitan el desarrollo de nuevos productos o procesos innovadores atendiendo a demandas insatisfechas del sector socio-económico-productivo de la región. Participación de manera vinculada con nuevas instituciones público-privadas del sector socio-productivo de Tucumán. Fortalecimiento del vínculo entre la Mesa de Lechería de Tucumán y CERELA.
Dra., Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. , San Miguel de Tucumán,

Doctor, Biotecnologa. Investigador asistente CONICET. Estudio de la regulación genética de una bacteriocina producida por L. curvatus y de sistemas toxina-antitoxina (TA). Estudio de las poblaciones de bacterias lácticas aisladas de Chicha, una bebida alcohólica tradicional. Aislamiento y la caracterización de bacterias probióticas que se aplicarán en sistemas de producción de carne intensiva de novillos y en la optimización de medios de cultivo y matrices de bajo costo para su liofilización. Colaboración en un proyecto que evalúa el efecto inhibitorio de Lactobacillus vaginal en las células de cáncer cervical. Amplio conocimiento de las técnicas de microbiología y genética, con énfasis en organismos Gram-positivos, como la clonación de ADN, la transformación bacteriana (natural y electro-), PCR y PCR cuantitativa, Southern blot, proteómica y análisis bioinformático. Realizó investigaciones destinadas a controlar la incidencia de E. coli O157: H7.
Dra., Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. San Miguel de Tucumán

Doctor, Bioquimica. CONICET Investigador superior. Aislamiento, estudio y selección de bacterias lácticas benéficas de diferentes ecosistemas humanos y animales (bovinos, acuacultura, tracto urogenital femenino). Diseño de productos farmacéuticos para la prevención de infecciones y reestablecimiento de la microbiota autóctona de diferentes tractos y mucosas. Diseño y producción de fórmulas con Bacterias lácticas benéficas en salud humana y animal.
Dra., Centro de Referencia para Lactobacilos, CONICET. San Miguel de Tucumán

Doctor, Ingeniera química. Investigador superior CONICET. Biotecnología de bacterias lácticas. (1) Bacterias Lácticas (BL) en ecosistemas cárneos, calidad higiénica y sensorial de cárneos fermentados. Uso de genómica, proteómica y peptidómica en la caracterización de cárneos fermentados: enfoque en la denominacion de origen. BL productoras de bacteriocinas, caracterización de compuesto/s antibacterianos, cultivos bioprotectores, inclusión de bacteriocina/s en materiales de packaging (filmes bioactivos) inhibitorios de Listeria. Control de biofilms de Listeria sobre superficies industriales. (2) Proyecto MICROANDES (Europa-Latinoamerica, 2011-2015). Identificación y caracterización de BL a partir de productos Andinos (vegetal y animal). Funcionalidad, selección de cepas para diseño y/o mejoramiento nutricional de alimentos. (3) Probioticos en salud/productividad de animales para carne (bovinos y porcinos en engorde intensivo). Selección de cepas con características probioticas. Pruebas en animales.

References

Anee IJ, Alam S, Begum RA, Shahjahan RM, Khandaker AM (2021) The role of probiotics on animal health and nutrition. J of Basic Appl Zool. https://doi.org/10.1186/s41936-021-00250-x

Mamphogoro TP, Makete G, Modika KY, Kamutando CN (2024) Probiotics as feed additives for improved animal health and nutrition: The current perspectives. In Probiotics, Prebiotics, and Postbiotics in Human Health and Sustainable Food Systems, pp. 1-27, chapter 1, A. Vilela and A. Inês (Editors), IntechOpen. DOI: 10.5772/intechopen.1007406

Dowarah R, Verma A, Agarwal N (2017) The use of Lactobacillus as an alternative of antibiotic growth promoters in pigs: A review. Animal Nutrition. https://doi.org/10.1016/j.aninu.2016.11.002

Tang KL, Caffrey NP, Nóbrega DB, Cork SC, Ronksley PE, Barkema HW, Polachek AJ, Ganshorn H, Sharma N, Kellner JD, Ghali WA (2017) Restricting the use of antibiotics in food-producing animals and its associations with antibiotic resistance in food-producing animals and human beings: a systematic review and meta-analysis. Lancet Planet Health. https://doi.org/10.1016/S2542-5196(17)30141-9

Wang J, Li S, Tang W, Diao H, Zhang H, Yan H (2023a) Dietary complex probiotic supplementation changed the composition of intestinal short-chain fatty acids and improved the average daily gain of growing pigs. Veterinary Science. https://doi.org./10.3390/vetsci10020079

Mansilla FI, Aristimuño Ficoseco C, Miranda MH, Puglisi E, Nader‑Macías MEF, Vignolo G, Fontana CA (2022) Administration of probiotic lactic acid bacteria to modulate fecal microbiome in feedlot cattle. Scientific Reports. https://doi.org/10.1038/s41598-022-16786-z

Zamojska D, Nowak A, Nowak I, Macierzyńska-Piotrowska E (2021) Probiotics and postbiotics as substitutes of antibiotics in farm animals: A Review. Animals (Basel). https://doi.org/10.3390/ani11123431.

Aristimuño Ficoseco C, Mansilla FI, Maldonado NC, Miranda H, Nader-Macias MEF, Vignolo GM (2018) Safety and growth optimization of lactic acid bacteria isolated from feedlot cattle for probiotic formula design. Front Microb. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02220

Aristimuño Ficoseco C, Mansilla FI, Vignolo GM, Nader-Macías MEF (2023) Optimization of probiotic lactobacilli production for in-feed supplementation to feedlot cattle. Appl Microbiol. https://doi.org/10.3390/applmicrobiol3020024

Selvamani S, Dailin DJ, Rostom M, Malek RA, Gupta VK, El-Enshasy HA (2020) Optimizing medium components to enhance high cell mass production of biotherapeutic strain Lactobacillus reuteri DSM 20016T by statistical method. Journal of Science & Industrial Research. https://doi.org/10.56042/jsir.v79i9.41715

Huang S, Vignolles ML, Chen XD, Le Loir Y, Jan G, Schuck P (2017) Spray drying of probiotics and other food-grade bacteria: A review. Trends Food Sci. Technol. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.02.007

Vinderola G, Binetti A, Burns P, Reinheimer J (2011) Cell viability and functionality of probiotic bacteria in dairy products. Front. Microbiol. https://doi.org/10.3389/fmicb.2011.00070

Peighambardoust SH, Golshan Taftia A, Hesari J (2011) Application of spray drying for preservation of lactic acid starter cultures: a review. Trends Food Sci. Technol. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2011.01.009

Vinderola G, Champagne CP, Desfossés-Foucault E (2019) The production of lactic acid bacteria starters and probiotic cultures. An industrial perspective. En: Lactic Acid Bacteria. Microbiological and Functional Aspects. 317-336. CRC Press-Taylor& Francis Group.

Iaconelli C, Lemetais G, Kechaou N, Chain F, Bermúdez-Humarán LG, Langella P (2015) Drying process strongly affects probiotics viability and functionalities. J. Biotechnol. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2015.08.022

Uezen JD, Aristimuño Ficoseco C, Nader-Macías MEF, Vignolo GM (2023) Identification and characterization of potential probiotic lactic acid bacteria isolated from pig feces at various production stages. Can. J. Vet. Res. 87, 127-145.

Russo MI, Abeijón-Mukdsi MC, Santacruz A, Ross R, Malo AL, Gauffin-Cano P, Medina RB (2022) Spray dried lactobacilli maintain viability and feruloyl esterase activity during prolonged storage and under gastrointestinal tract conditions. J Food Sci Technol. https://doi.org/10.1007/s13197-021-05125-1

Meter Group Inc (2024a) AQUALAB 4TE water activity meter: Technical specifications and operating principles. https://aqualab.com/en/products/aqualab-4te/aqualab-4te-tech-specs

AOAC International (2024) Official methods of analysis of AOAC International (22nd ed.). AOAC International.

Meter Group Inc (2024b) Water activity measurement using chilled mirror dew point technology. https://aqualab.com/products/aqualab-4te-water-activity-meter

Fontana AJ (2024) Water activity in foods: Fundamentals and applications. CRC Press.

Rahman MS (2024) Handbook of food preservation (3rd ed.). CRC Press.

Rosenberg M, Doyle RJ. Microbial cell surface hydrophobicity: history, measurement, and significance. Microbial Cell Surface Hydrophobicity. 1990; 1-37.

Ocaña VS, de Ruiz Holgado AA, Nader-Macías MEF. Selection of vaginal H2O2-generating Lactobacillus species for probiotic use. Curr Microbiol. 1999; 38: 279-84

Vandervoorde L, Christiaens H, Verstraete W. Prevalence of coaggregation among chicken lactobacilli. J Appl Bacteriol. 1992; 72: 214-219

Ocaña VS, Nader-Macías MEF. Vaginal lactobacilli: self and co-aggregation. Br J Biomed Sci. 2003; 59: 183-190

Guan N, Li L (2020) Microbial response to acid stress: Mechanisms and applications. Appl. Microb. Biotech. https://doi.org/10.1007/s00253-019-10226-1

Barbosa J, Borges S, Teixeira P (2015) Influence of sub-lethal stresses on the survival of lactic acid bacteria after stray-drying in orange juice. Food Microbiol. Htpps://doi.org/10.1016/j.fm.2015.06.010

Behboudi-Jobbbehdar S, Soukoulis C, Yonekura L, Fisk I (2013) Optimization of spray-drying process condition for the production of maximally viable microencapsulated L. acidophilus NCIMB 701748. Drying Technol. https://doi.org/10.1080/07373937.2013.788509

Poddar D, Das S, Jones G, Palmer J, Jameson GB, Haverkamp RG (2014) Stability of probiotic Lactobacillus paracasei during storage as affected by the drying method. Int. Dairy J. 39, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2014.04.007

Broeckx G, Vandenheuvel D, Henkens T, Kiekens S, van den Broek MFL, Lebeer S, Kiekens F (2017) Enhancing the viability of Lactobacillus rhamnosus GG after spray drying and during storage. Int. J. Pharm. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2017.09.075

Guergoletto KB, Busanello M, Garcia S (2017) Influence of carrier agents on the survival of Lactobacillus reuteri LR92 and the physicochemical properties of fermented juçara pulp produced by spray drying. LWT. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2017.02.038

Dumitru M, Lefter NA, Habeanu M, Ciurescu G, Vodnar DC, Elemer S, Sorescu I, Georgescu SE, Dudu A (2023) Evaluation of Lactic Acid Bacteria isolated from piglets tract and encapsulation of selected probiotic cells. Agriculture. https://doi.org/10.3390/agriculture13051098

Savedboworn W, Teawsomboonkit K, Surichay S, Riansa-Ngawong W, Rittisak S, Charoen R, Phattayakorn K (2019) Impact of protectants on the storage stability of freeze-dried probiotic Lactobacillus plantarum. Food Sci. Biotechnol. https://doi.org/10.1007/s10068-018-0523-x

Duong T, Barrangou R, Russell, W.M., Klaenhammer, T.R. (2006). Characterization of the tre locus and analysis of trehalose cryoprotection in Lactobacillus acidophilus NCFM. Appl. Environ. Microbiol. https://doi.org/10.1128/AEM.72.2.1218-1225.2006

Xiao Z, Xia J, Zhao Q, Niu Y, Zhao D (2022) Maltodextrin as wall material for microcapsules: A review. Carbohydrate polymers. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120113

Wang Y, Hao F, Lu W, Suo X, Bellenger E, Fu N (2020) Enhanced thermal stability of lactic acid bacteria during spray drying by intracellular accumulation of calcium. J. Food Eng. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.109975

Santivarangkna C, Kulozik U, Foerst P (2008) Alternative drying processes for the industrial preservation of lactic acid starter cultures. Biotechnol. Prog. https://doi.org/10.1021/bp060268f

Wang F, Mutukumira AN (2022) Microencapsulation of Limosilactobacillus reuteri DPC16 by spray drying using different encapsulation wall materials. J. Food Process. Preserv. https://doi.org/10.1111/jfpp.16880

Kiekens S, Vandenheuvel D, Broeckx G, Claes I, Allonsius C, De Boeck I (2019) Impact of spray-drying on the pili of Lactobacillus rhamnosus GG. Microb. Biotechnol. https://doi.org/10.1111/1751-7915.13426