3D-gedruckte Probiotika für einen gesunden Darm

„Die Gesundheit liegt im Darm“, heißt es immer. Nachdem etwa 70 Prozent der körpereigenen Immunzellen in unserem Darm angesiedelt sind, kann man darauf schließen, dass an dieser Binsenweisheit wohl was dran ist. Seit dem Erfolg des Bestsellers Darm mit Charme von Giulia Enders ist unser Verdauungstrakt auch salonfähig geworden und man kann sich nun ohne Bezug auf Actimel und Activia über Probiotika und Verdauungsprobleme diverser Art unterhalten. Probiotika sind lebende Mikroorganismen, die unsere Darmgesundheit unterstützen und in einigen Joghurts enthalten sind. Vor allem die darin vorhandenen Mikroorganismen Lactobacillus und Bifidobacterium sorgen für unser Wohlbefinden und kommen der Gesundheit zugute. Aufgrund von verschiedenen Bedingungen in unserem Körper und außerhalb davon schaffen es diese wohltuenden Organismen allerdings nicht immer bis zum Magen-Darm-Trakt. Das liegt auch daran, dass die Verabreichungsmethoden wenig effizient sind. „Es besteht ein dringender Bedarf an einer innovativen Verkapselungstechnik, die die Stabilität von Probiotika während der Lebensmittelverarbeitung fördert und gleichzeitig eine wirksame Verabreichung an den Dickdarm ermöglicht“, sagt Sun-Ok Lee, außerordentliche Professorin für Ernährung in der Abteilung für Lebensmittelwissenschaften an der Arkansas Agricultural Experiment Station, und forscht daher zusammen mit einem Kollegen an 3D-gedruckten Verabreichungsmethoden für Probiotika.

Mithilfe von 3D-Lebensmitteldruckern wollen Lee und ihr Kollege Ali Ubeyitogullari, Assistenzprofessor für Lebensmitteltechnik in den Abteilungen Lebensmittelwissenschaft und Bio- und Agrartechnik, einen Weg finden, die Probiotika sicher in den Darm zu bringen und die Auswirkungen der Probiotika auf die Darmgesundheit zu verbessern. Das teilten sie Mitte November in den Pressenachrichten der University of Arkansas und der Abteilung Divison of Agriculture mit. Beide setzen ihr Vertrauen in die 3D-Drucktechnologie, das Überleben der Probiotika sicherzustellen. Unterstützt werden sie dabei vom National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums, welches mit einem Zuschuss von fast 300.000 Dollar dafür sorgt, dass sie mithilfe des 3D-Drucks das „gute Zeug“ in den Darm bekommen.

Sun-Ok Lee und Ali Ubeyitogullari arbeiten gemeinsam daran, die Auswirkungen von 3D-gedruckten Probiotika auf die Darmgesundheit zu untersuchen. (Bild: U of A System Division of Agriculture)

Wie bereits erwähnt, gilt der Weg der Probiotika bis in den Darm als besonders heikel. Lee konzentriert sich deshalb bei ihrer Studie darauf, eine Möglichkeit zu finden, Probiotika richtig zu verarbeiten, zu transportieren, in gelagerten Lebensmittel gut zu konservieren und anschließend sicher in das Kolon zu bringen. Ihr Ziel ist es, die Probiotika durch ein Material zu schützen, das gegen niedrige pH-Werte resistent ist und so dem sauren Milieu im Magen trotzt, sich dennoch im Dickdarm öffnen kann, wo weniger saure Werte vorherrschen, um dort die probiotische Wirkung zu entfalten. Um das zu erreichen, holte sich Lee Unterstützung aus dem Kollegium und arbeitet bei dieser Studie mit Ali Ubeyitogullari zusammen, der seinerseits bereits mehrere Forschungen im Bereich Nanotechnologie und 3D-Druck in Lebensmitteln durch und Extrusion durchgeführt hat.

Gemeinsam setzen sie dabei auf seine erforschte 3D-Lebensmitteldrucktechnologie und schützen die Probiotika indem sie sie in Alginat-Pektin-Mikrogelkügelchen einbetten. „Bei fast allen Verarbeitungsschritten sind die Probiotika äußeren Einflüssen wie der Temperatur ausgesetzt, so dass wir versuchen, sie während der Lebensmittelverarbeitung stabil zu machen. Mit dem 3D-Druck können wir sie genau lokalisieren und gleichzeitig einkapseln“, erläutert Ubeyitogullari die Herausforderung beim Verschiffen der Probiotika an die Wirkungsstätte Darm. „Sie können direkt in das Produkt eingebracht werden, und zwar in der richtigen Menge und Position,“ fährt er mit den Vorteilen des 3D-Druck für diese probiotischen Mikorgelkügelchen fort.

Das Basis-Material für die Kügelchen bietet eine Tinte aus Probiotika und Maisstärke. Der 3D-Drucker verarbeitet diese dann präzise zu Kügelchen, die in ein Hydrogel aus Alginat-Pektin eingekapselt sind. Das Alginat gewinnen die Forscher aus Algenextrakt, das Pektin aus Früchten wie Äpfeln, da es sich bei Pektin um ein Polysaccharid, also einer Kette von Zuckermolekülen handelt. Diese beiden Stoffe bilden die Grundlage für das Hydrogel für die Kügelchen. Die beiden Biopolymere weisen eine ähnliche Qualität wie Lebensmittel auf, denn sie sind biokompatibel und biologisch abbaubar. Außerdem haben sie sich durch die geringen Kosten und die Verfügbarkeit einen Platz auf dem Markt gesichert, sodass Alignat nun zu den am häufigsten verwendeten polymeren Materialien zählt, die für Hydrogele in Verkapselungen verwendet werden.

Nach dem Druck werden die Kügelchen gefriergetrocknet und mit löslichen Lipiden beschichtet. Diese sorgen dafür, dass die Probiotika samt pH-empfindlichem Alginat-Pektin im Dickdarm freigesetzt werden und dort zu einer gesunden Darmflora beitragen können.

Ali Ubeyitogullari  bringt viel Erfahrung aus seinen Forschungen im 3D-Lebensmitteldruck mit. (Bild: U of A System Division of Agriculture, Fred Miller)

Die Probiotika werden laut Lee anhand ihrer Zellzahl gemessen, in einem Gramm Lebensmittel befinden sich so Millionen von probiotischen Zellen. Diese Vorgehensweise erleichtert die Arbeit für die Forscher, denn durch das Einbetten der Probiotika in Mikrokügelchen, die dann in Lebensmittel gefüllt werden, können sie leichter gewogen werden. Die Forscher arbeiteten die Probiotika-Kügelchen für ihre Untersuchungen in Joghurt und Kekse ein, um die Lebensfähigkeit der Probiotika während der Verarbeitung, Lagerung und Verdauung zu bewerten. Alle diese Parameter gilt es zu beleuchten, um die Auswirkungen der 3D-gedruckten Probiotika-Kügelchen auf die Darmgesundheit zu eruieren. „Die Gesundheit des Darms hängt mit der Gesundheit von Herz und Gehirn und dem Immunsystem zusammen. Sie ist also wichtig für die Vorbeugung von chronischen Krankheiten“, sagt Lee zu ihrer Motivation für diese Studie. Mehr dazu finden Sie HIER.

Was halten Sie von 3D-gedruckten Probiotika für die Darmgesundheit? Lassen Sie uns dazu einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook oder LinkedIN  mit. Möchten Sie außerdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt für unseren wöchentlichen Newsletter.

*Titelbildnachweis: University of Arkansas, System Division of Agriculture