DOI: https://doi.org/10.3389/frfst.2025.1736362
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Satyaguna Rakhmatulloh وآخرون
الموضوع الرئيسي: البروبيوتيك والأطعمة المخمرة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير الإجهاد الحراري على قابلية الحياة والملفات الأيضية لسلالتين بروبيوتيك محليتين، Lacticaseibacillus casei AP و Pediococcus acidilactici BE، باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة-مطياف الكتلة عالي الدقة. تم تعريض السلالات لعلاجات حرارية عند 37 و 55 و 67 درجة مئوية، تلتها تقييمات لقابلية الحياة والأيض غير المستهدف. أظهرت النتائج أن Lacticaseibacillus casei AP أظهرت تحملًا أكبر للحرارة وحافظت على قابلية حياة أعلى مقارنة بـ P. acidilactici BE، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة (55 درجة مئوية و 67 درجة مئوية). كانت هذه المقاومة مرتبطة بآليات تكيف، بما في ذلك التعبير عن بروتينات الصدمة الحرارية وتعديلات في الدهون الغشائية.
كشفت التحليلات الأيضية، بما في ذلك تصور خريطة الحرارة وتحليل المكونات الرئيسية، عن توقيعات أيضية مميزة لكل سلالة تحت ظروف درجات حرارة مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن P. acidilactici BE أظهرت مستويات متزايدة من المستقلبات مثل حمض الستريك والفالين تحت الضغط، بينما أنتجت Lacticaseibacillus casei AP كميات أكبر من المركبات الواقية، بما في ذلك غوانوزين-5′-أحادي الفوسفات ودياسيلغليسرول أحادي الغالاكتوز. تبرز هذه النتائج التكيفات الأيضية الخاصة بالسلالات وتؤكد على الآليات الواقية لـ Lacticaseibacillus casei AP ضد الإجهاد الحراري، مما يوفر رؤى قيمة لتطوير تركيبات بروبيوتيك قوية مناسبة للتطبيقات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الزيادة المتزايدة في انتشار متلازمة الأيض، التي تؤثر على 20%-25% من السكان العالميين وتتميز بعوامل خطر مثل السمنة ومقاومة الأنسولين. في إندونيسيا، يتم الإبلاغ عن انتشارها بنسبة 23.34%، مع تداعيات صحية كبيرة، بما في ذلك ضعف نظام المناعة. تؤكد الورقة على إمكانية الأطعمة الوظيفية، وخاصة البروبيوتيك، لمعالجة هذه القضايا الصحية. لقد شهدت البروبيوتيك، وهي كائنات دقيقة حية مفيدة لصحة الجهاز الهضمي، نموًا كبيرًا في السوق، ومع ذلك تعتمد إندونيسيا بشكل أساسي على المنتجات البروبيوتيك المستوردة. تشكل هذه الاعتمادية تحديات من حيث التكلفة والتكيف المحلي، على الرغم من التنوع الميكروبي الغني في البلاد الذي يمكن أن يدعم تطوير سلالات بروبيوتيك محلية.
تركز الدراسة على سلالتين بروبيوتيك محليتين محددتين، Lacticaseibacillus casei AP و Pediococcus acidilactici BE، وكلاهما معزول من الرضع الإندونيسيين. لقد أظهرت هذه السلالات فوائد صحية، مثل التأثيرات المضادة لفرط كوليسترول الدم وفرط سكر الدم. تناقش المقدمة أيضًا التحديات المتعلقة بإدخال البروبيوتيك في المنتجات الغذائية، خاصة فيما يتعلق بالتخزين وقابلية الحياة أثناء المعالجة. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات الإجهاد الحراري على قابلية الحياة والملفات الأيضية لهذه السلالات البروبيوتيك، باستخدام تقنيات الأيض لتقييم مرونتها وتكيفها مع الحرارة، وهو أمر حاسم لتحسين استخدامها في تطبيقات الأطعمة الوظيفية.
النتائج
تشير النتائج إلى أن الإجهاد الحراري يشكل تهديدًا كبيرًا للخلايا البكتيرية خلال عملية التجفيف بالرش، خاصة عندما تتجاوز درجات الحرارة 40 درجة مئوية. يمكن أن تؤثر هذه الدرجات المرتفعة على السلامة الهيكلية للجزيئات الكبيرة الخلوية الأساسية، بما في ذلك البروتينات والدهون، والتي تعتبر حيوية للحفاظ على وظيفة غشاء الخلية.
تقدم الجدول 1 بيانات القابلية للحياة لخلايا Lacticaseibacillus casei AP و P. acidilactici BE بعد التعرض للإجهاد الحراري. تسلط النتائج الضوء على أنه على الرغم من ملاحظة بعض الاختلافات في القابلية للحياة، إلا أنها لم تكن ذات دلالة إحصائية (ns). ومن الجدير بالذكر أن الحروف المختلفة في نفس عمود الجدول تشير إلى اختلافات ذات دلالة إحصائية (p < 0.05) بين العلاجات، مما يبرز أهمية التحكم في درجة الحرارة في الحفاظ على قابلية الحياة للخلايا البكتيرية أثناء التجفيف بالرش.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تحمل الحرارة والاستجابات الأيضية لسلالتين بروبيوتيك، *Lacticaseibacillus casei* AP و *Pediococcus acidilactici* BE، تحت ظروف درجات حرارة مختلفة. أظهرت كلا السلالتين قابلية حياة مماثلة عند 37 درجة مئوية، لكن ظهرت اختلافات كبيرة عند درجات الحرارة المرتفعة. على وجه الخصوص، أظهرت *Lacticaseibacillus casei* AP مرونة أكبر، مع انخفاضات بنسبة 7.5% و 11.9% في القابلية للحياة عند 55 درجة مئوية و 67 درجة مئوية، على التوالي، مقارنة بـ *Pediococcus acidilactici* BE، التي أظهرت انخفاضات بنسبة 11.1% و 16.1%. تشير هذه النتائج إلى أن *Lacticaseibacillus casei* AP تمتلك تحملًا حراريًا متفوقًا، ربما بسبب نسبة أعلى من الأحماض الدهنية المشبعة في غشائها، مما يعزز الاستقرار تحت الضغط الحراري.
كشفت ملفات الأيض عن تكيفات أيضية مميزة بين السلالتين استجابةً للإجهاد الحراري. عند 37 درجة مئوية، أنتجت كلا السلالتين مستقلبات أولية مرتبطة بالعمليات الأيضية الأساسية. ومع ذلك، عند 55 درجة مئوية، لوحظت انخفاضات كبيرة في تركيزات المستقلبات، مما يشير إلى تغييرات في المسارات الأيضية نتيجة للإجهاد الحراري. ومن الجدير بالذكر أن *Lacticaseibacillus casei* AP أظهرت مستويات متزايدة من مستقلبات النوكليوتيدات والدهون الغشائية، والتي تعتبر حيوية للحفاظ على سلامة الخلايا وتسهيل التكيف مع الإجهاد الحراري. في المقابل، عرضت *Pediococcus acidilactici* BE ملفًا أيضيًا أكثر استقرارًا عبر درجات الحرارة، مما يشير إلى استراتيجية مختلفة للتعامل مع الإجهاد الحراري. أكدت التحليلات متعددة المتغيرات، بما في ذلك PLS-DA و PCA، أن درجة الحرارة هي المحرك الرئيسي للتنوع الأيضي، حيث أظهرت *Lacticaseibacillus casei* AP استجابة أيضية أكثر وضوحًا، خاصة عند العتبة الحرجة 55 درجة مئوية. تؤكد هذه النتائج على أهمية استراتيجيات الأيض الخاصة بالسلالات في التكيف مع الإجهاد الحراري في البكتيريا البروبيوتيك.
DOI: https://doi.org/10.3389/frfst.2025.1736362
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Satyaguna Rakhmatulloh et al.
Primary Topic: Probiotics and Fermented Foods
Overview
This study investigates the impact of heat stress on the viability and metabolic profiles of two indigenous probiotic strains, Lacticaseibacillus casei AP and Pediococcus acidilactici BE, utilizing liquid chromatography-high-resolution mass spectrometry. The strains were subjected to thermal treatments at 37, 55, and 67 °C, followed by assessments of cell viability and untargeted metabolomics. Results demonstrated that Lacticaseibacillus casei AP exhibited greater heat tolerance and maintained higher viability compared to P. acidilactici BE, particularly at elevated temperatures (55 °C and 67 °C). This resilience was associated with adaptive mechanisms, including the expression of heat shock proteins and modifications in membrane lipids.
Metabolomic analyses, including heatmap visualization and principal component analysis, revealed distinct metabolic signatures for each strain under varying temperature conditions. Notably, P. acidilactici BE showed increased levels of metabolites such as citric acid and valine under stress, while Lacticaseibacillus casei AP produced higher amounts of protective compounds, including guanosine-5′-monophosphate and monogalactosyl diacylglycerols. These findings highlight strain-specific metabolic adaptations and underscore the protective mechanisms of Lacticaseibacillus casei AP against heat stress, providing valuable insights for the development of robust probiotic formulations suitable for high-temperature industrial applications.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the increasing prevalence of metabolic syndrome, which affects 20%-25% of the global population and is characterized by risk factors such as obesity and insulin resistance. In Indonesia, the prevalence is reported at 23.34%, with significant health implications, including immune system impairment. The paper emphasizes the potential of functional foods, particularly probiotics, to address these health issues. Probiotics, which are live microorganisms beneficial for digestive health, have seen a substantial market growth, yet Indonesia primarily relies on imported probiotic products. This reliance poses challenges in terms of cost and local adaptability, despite the country’s rich microbial biodiversity that could support the development of indigenous probiotic strains.
The study focuses on two specific local probiotic strains, Lacticaseibacillus casei AP and Pediococcus acidilactici BE, both isolated from Indonesian infants. These strains have demonstrated health benefits, such as antihypercholesterolemic and antihyperglycemic effects. The introduction also discusses the challenges of incorporating probiotics into food products, particularly regarding storage and viability during processing. The research aims to investigate the effects of heat stress on the viability and metabolic profiles of these probiotic strains, utilizing metabolomic techniques to assess their resilience and adaptation to heat, which is critical for optimizing their use in functional food applications.
Results
The results indicate that heat stress poses a significant threat to bacterial cells during the spray drying process, particularly when temperatures exceed 40 °C. Such elevated temperatures can compromise the structural integrity of essential cellular macromolecules, including proteins and lipids, which are crucial for maintaining cell membrane functionality.
Table 1 presents the viability data for Lacticaseibacillus casei AP and P. acidilactici BE cells post-exposure to heat stress. The findings highlight that while some differences in viability were observed, they were not statistically significant (ns). Notably, different superscript letters within the same column of the table indicate statistically significant differences (p < 0.05) among the treatments, underscoring the importance of temperature control in preserving bacterial cell viability during spray drying.
Discussion
In this study, the heat tolerance and metabolic responses of two probiotic strains, *Lacticaseibacillus casei* AP and *Pediococcus acidilactici* BE, were investigated under varying temperature conditions. Both strains exhibited similar viability at 37 °C, but significant differences emerged at elevated temperatures. Specifically, *Lacticaseibacillus casei* AP demonstrated greater resilience, with only 7.5% and 11.9% decreases in viability at 55 °C and 67 °C, respectively, compared to *Pediococcus acidilactici* BE, which showed declines of 11.1% and 16.1%. These findings suggest that *Lacticaseibacillus casei* AP possesses superior heat tolerance, potentially due to a higher proportion of saturated fatty acids in its membrane, which enhances stability under thermal stress.
Metabolomic profiling revealed distinct metabolic adaptations between the two strains in response to heat stress. At 37 °C, both strains produced primary metabolites associated with essential metabolic processes. However, at 55 °C, significant reductions in metabolite concentrations were observed, indicating thermal stress-induced alterations in metabolic pathways. Notably, *Lacticaseibacillus casei* AP exhibited increased levels of nucleotide metabolites and membrane lipids, which are crucial for maintaining cellular integrity and facilitating heat stress adaptation. In contrast, *Pediococcus acidilactici* BE displayed a more stable metabolic profile across temperatures, suggesting a different strategy for coping with heat stress. Multivariate analyses, including PLS-DA and PCA, confirmed that temperature is a primary driver of metabolic variation, with *Lacticaseibacillus casei* AP showing a more pronounced metabolic response, particularly at the critical threshold of 55 °C. These results underscore the importance of strain-specific metabolic strategies in the adaptation to heat stress in probiotic bacteria.