Progettazione e ottimizzazione di una miscela protettiva per il miglioramento della vitalità e shelf-life di probiotici: studio formulativo, di processo e di stabilità

Probiotics are live microorganisms whose clinical efficacy depends directly on cell viability at the time of consumption. Maintaining an adequate viable count (CFU/g) throughout their shelf life is still an open issue: temperature, relative humidity, oxygen, and water activity degrade the probiotic load during production, storage, and distribution, and current formulations do not always offer sufficient protection. This study addresses these issues by designing, optimizing, and characterizing a solid protective blend for a selected probiotic strain. The starting point is the physicochemical characterization of raw materials: cryoprotectants, anti-moisture agents, stabilizers, carriers, and prebiotic fibers, evaluated individually to determine their specific contribution to the formulation before combining them. Subsequently, the blend is rationally designed and optimized across multiple comparative batches. Technological characterization accompanies every phase: water activity (\(a_{w}\)), loss on drying (LOD), particle size, flowability (angle of repose, Carr's index), bulk and tapped density (Hausner ratio), and pH in aqueous dispersion provide a comprehensive physical profile of each formulation and guide the optimization choices. Stability studies, conducted through raw material, probiotic and blend–probiotic contact tests, make it possible to monitor and evaluate how the strain's viability evolves over time. A central part of the study consists of in vitro gastric tolerance tests, in which the strain is exposed to simulated gastric fluid at pH 1.5–3.0 and cell survival is measured before and after. In this context, formulations with and without carbonate agents are directly compared to understand whether carbonates offer real protection in an acidic environment. It is also assessed whether prebiotic fibers, after gastric transit, retain the ability to selectively support the growth and metabolic activity of the probiotic; if the answer is affirmative, the blend qualifies as a synbiotic product. The results will be statistically analyzed and compared with the literature to identify the formulation that best balances residual viability, technological behavior, and gastric resistance. At that point, it will be evaluated whether to introduce a granulation process and which pharmaceutical form is most consistent with the emerging characteristics. Finally, the obtained results will form the basis for considering a potential industrial scale-up and the future directions this type of formulation could take.

I probiotici sono microrganismi vivi la cui efficacia clinica dipende direttamente dalla vitalità cellulare al momento del consumo. Mantenere una conta vitale adeguata (UFC/g) lungo tutta la shelf-life è ancora un problema aperto: temperatura, umidità relativa, ossigeno e attività dell'acqua degradano la carica probiotica durante produzione, stoccaggio e distribuzione, e le formulazioni attuali non sempre offrono una protezione sufficiente. Questo lavoro risponde a queste problematiche progettando, ottimizzando e caratterizzando una miscela protettiva solida per un ceppo probiotico selezionato. Il punto di partenza è la caratterizzazione fisico-chimica delle materie prime, crioprotettori, agenti anti-umidità, stabilizzanti, carrier e fibre prebiotiche, valutate singolarmente per determinarne il contributo specifico alla formulazione prima di combinarle. Successivamente si procede alla progettazione razionale della miscela e all'ottimizzazione su più batch comparativi. La caratterizzazione tecnologica accompagna ogni fase: attività dell'acqua (a_w), perdita per essiccamento (LOD), granulometria, scorrevolezza (angolo di riposo, indice di Carr), densità apparente e a scuotimento (indice di Hausner) e pH in dispersione acquosa restituiscono un profilo fisico completo di ogni formulazione e guidano le scelte di ottimizzazione. Gli studi di stabilità, condotti tramite prove di contatto materia prima–probiotico e miscela–probiotico, permettono di monitorare e valutare come evolve la vitalità del ceppo nel tempo. Parte centrale dello studio sono le prove in vitro di tolleranza gastrica in cui il ceppo viene esposto a fluido gastrico simulato a pH 1.5–3.0 e si misura la sopravvivenza cellulare prima e dopo. In questo contesto si confrontano direttamente formulazioni con e senza agenti carbonati, per capire se i carbonati offrono una protezione reale in ambiente acido. Si valuta anche se le fibre prebiotiche, dopo il transito gastrico, conservano la capacità di sostenere selettivamente la crescita e l'attività metabolica del probiotico e nel caso in cui la risposta sia affermativa la miscela si qualifica come prodotto sinbiotico. I risultati saranno analizzati statisticamente e confrontati rispetto alla letteratura per individuare la formulazione che bilancia meglio vitalità residua, comportamento tecnologico e resistenza gastrica. A quel punto si valuterà se introdurre un processo di granulazione e quale forma farmaceutica sia più coerente con le caratteristiche emerse. I risultati ottenuti costituiranno infine la base per ragionare su un possibile scale-up industriale e sulle direzioni che questo tipo di formulazione potrebbe prendere in futuro.