Master's Thesis

Encapsulation of probiotics into microgels for food applications

Final Thesis 5.4 MB

Author of thesis: Bc. Jana Novotná

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Štěpánka Trachtová, Ph.D.

Reviewer: RNDr. Martina Mikešová, Ph.D.

Abstract:

Probiotic microorganisms play a key role in maintaining the balance of the gut microbiota, which is essential for overall human health. However, their effectiveness depends on their ability to survive the harsh conditions encountered during food processing, storage, and passage through the gastrointestinal tract. One promising approach to enhance their stability is encapsulation within protective structures such as microgels.
The theoretical part of this thesis provides an overview of the importance of gut microbiota, the characteristics of probiotics, and technological strategies for their encapsulation, with
a focus on methods suitable for food applications. Additionally, it describes materials commonly used for the formation of microgel systems and their relevant properties.
The experimental part focuses on the preparation of microgel structures containing reference strains of microorganisms belonging to the genera Lactobacillus, Streptococcus, and Saccharomyces. The physicochemical properties of these structures and the viability of the encapsulated cells were assessed. Stability was evaluated in model food matrices composed of four types of plant-based milks differing in macronutrient composition, and under conditions simulating the gastrointestinal environment.

Keywords:

Probiotic bacteria, encapsulation, microgels, viability, gastrointestinal tract, plant-based milk

Date of defence

26.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Jaké jsou mechanického vlastnosti Vámi použitého gelu? Není gel až příliš tuhý? Dochází k volnému uvolnění bakterií z gelu? Víte, jaké množství bakterií bylo zachyceno v gelu a kolik se jich uvolnilo? Zmiňujete, že výsledky stability, můžete to objasnit? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. Můžeme z hlediska legislativy používat termín mléko u rostlinných alternativ? doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. Jak jste připravovala vzorky pro qPCR? Byly bakterie schopny růst i když byly imobilizovány do částic? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala velmi dobrou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala velmi dobré odborné znalosti i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. (člen)

Diplomová práce Bc. Jany Novotné se zabývá problematikou enkapsulace probiotických mikroorganismů do mikrogelových struktur s cílem zvýšit jejich stabilitu a využitelnost v potravinářských aplikacích. Jedná se o aktuální téma s významným vědeckým i aplikačním přesahem, které reflektuje současný rozvoj funkčních potravin a nutraceutik.

Cílem práce bylo zpracovat literární rešerši zaměřenou na metody a materiály mikroenkapsulace probiotik, se zvláštním důrazem na mikrogelové systémy, a dále experimentálně připravit enkapsulované částice a hodnotit jejich vlastnosti, zejména životaschopnost a stabilitu v modelových podmínkách potravinových matric a simulovaného gastrointestinálního traktu. Všechny stanovené cíle byly naplněny.

Teoretická část práce je zpracována přehledně a systematicky. Studentka prokázala dobrou orientaci v odborné literatuře i schopnost jejího kritického zhodnocení. Text poskytuje ucelený přehled současných přístupů k enkapsulaci probiotik, včetně diskuse výhod a limitů jednotlivých metod a materiálů.
V experimentální části byla úspěšně provedena enkapsulace vybraných probiotických mikroorganismů do mikrogelových částic. Studentka využila kombinaci mikrobiologických i molekulárně biologických metod, včetně qPCR, a realizovala testy stability v různých potravinových matricích i simulovaných podmínkách gastrointestinálního traktu.

Experimentální práce probíhala ve spolupráci s Ústavem makromolekulární chemie AV ČR, kde byla zajištěna syntéza mikrogelových nosičů na bázi polymerního systému P2HPG-Tyr. Tuto spolupráci hodnotím velmi pozitivně – studentka se aktivně zapojila do práce na externím špičkovém pracovišti a prokázala schopnost efektivní komunikace i adaptace na interdisciplinární výzkumné prostředí. Její podíl na syntéze nosičů i jejich následném využití představuje významný přínos práce a dokládá schopnost týmové vědecké spolupráce.

Diskuse výsledků je věcná, logicky strukturovaná a zasazená do kontextu odborné literatury. Studentka dokázala výsledky adekvátně interpretovat a zároveň kriticky zhodnotit limity provedených experimentů.
Za zásadní přínos práce považuji propojení experimentálního výzkumu s reálnými aplikačními podmínkami, zejména testování stability v různých typech rostlinných nápojů. Tato část vykazuje významný aplikační potenciál. Získaná data zároveň představují vhodný základ pro další výzkum a možnou publikační činnost v oblasti potravinářské chemie či aplikované biotechnologie. Kontrola podobnosti v rámci programu Thesis vykazuje hodnotu 5,2 %, což svědčí o vysoké míře originality práce a původnosti prezentovaných dat.

I přes dílčí slabší stránky práce, mezi které lze zařadit například kvantifikaci enkapsulační účinnosti nebo problematiku výskytu mikroorganismů mimo gelovou strukturu, hodnotím práci velmi pozitivně. Po celou dobu řešení pracovala studentka systematicky a s aktivním přístupem k řešení zadané problematiky. Stejně pozitivně byla hodnocena i na externím pracovišti.

Na základě výše uvedeného a posouzení jednotlivých kritérií hodnotím práci stupněm A ve většině hodnocených oblastech. Stupněm B hodnotím pouze oblast interpetace výsledků a jejich diskuse.
Předložená diplomová práce splňuje požadavky kladené na závěrečné práce navazujícího magisterského studia a doporučuji ji k obhajobě s návrhem souhrnné klasifikace stupněm A.

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce se věnuje tématu stabilizace probiotických mikroorganismů prostřednictvím mikrogelových systémů pro využití v potravinářství. Jedná se o relevantní a současně náročné téma, které spojuje mikrobiologii, polymerní chemii i potravinářskou technologii.
Práce je logicky a přehledně členěna. Celkový počet stran splňuje doporučený rozsah. Diplomová práce se plně drží zadání. Řešitelka pracovala s celkem 73 literárními zdroji, citace jsou ve správném formátu. Úroveň jazykového zpracování je dobrá. Autorka se v textu dopouští pouze drobných překlepů a stylistických chyb. V sekci 5 Výsledky a diskuse jsou na několika místech bohužel špatná propojení na obrázky a v textu se lze tak tedy dočíst pouze "Error: Reference source not found", obrázky jsou však popsány a v logickém sledu, takže není problém si konkrétní obrázek spojit s informací v textu i bez relevantních odkazů.
Teoretická část práce je zpracována přehledně a velmi obsáhle, s důrazem na klíčové aspekty jako je fyziologie trávicího traktu, vlastnosti probiotik a popis mechanismů přežívání probiotik v gastrointestinálním traktu i technologické principy enkapsulace. Oceňuji i důraz na různé typy běžně používaných materiálů a jejich porovnání. Studentka zpracovala rozsáhlou literární rešerši opřenou o velké množství citací a provedla experimentální část zaměřenou na přípravu mikrogelových struktur s obsahem vybraných probiotik, jejich charakterizaci a sledování stability v různých potravinových matricích a simulovaných podmínkách gastrointestinálního traktu.
Experimentální část se zaměřuje na přípravu mikrogelových částic s použitím nového syntetického polymeru P2HPG-Tyr a sledování životaschopnosti probiotik v různých modelových podmínkách. Z poskytnutých výsledků práce je patrná velká časová náročnost a pracnost přípravy a zpracovávání vzorků. Pozitivně hodnotím aplikaci kultivačních i molekulárně biologických metod a vyhodnocení stability pomocí několika modelových rostlinných nápojů.
V kapitole 5 Výsledky a diskuse však autorka výsledky především a pouze popisuje, aniž by se pokusila o hlubší biologické nebo technologické vysvětlení již zjištěných poznatků nebo diskusi nad možnými mechanismy odlišné stability v jednotlivých nápojích nebo nad interakcemi polymeru s komponenty matrice. Z uvedených výsledků je patrné, že jako kontrolní vzorek byly zařazeny neenkapsulované kultury, pro budoucí návrh testu bych zařadila také referenční vzorek např. s alginátem nebo želatinou, aby bylo možné i srovnání zvoleného polymeru s běžně používanými materiály. V diskusi výsledků stability by bylo přínosné lépe vysvětlit, jaké konkrétní složky jednotlivých rostlinných mlék mohly hrát rozhodující roli při pozitivní i negativní interakci s probiotiky. Bylo by také zajímavé diskutovat i případné limity použitého inovativního syntetického polymeru z hlediska potravinářské legislativy či ekonomickou stránku využití tohoto polymeru v následné praxi.
V Závěru autorka zmiňuje, že se jedná o pilotní studii, proto i přes výše uvedené nedostatky doporučuji tuto diplomovou práci k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. 1/ Proč jste se rozhodla použít výhradně rostlinná mléka? Jak by se podle Vás lišily výsledky při použití klasického kravského mléka?
  2. 2/ Jaké konkrétní výhody přináší polymer P2HPG-Tyr oproti potravinářsky běžným materiálům jako alginát? Lze ho bezpečně využít v praxi?
  3. 3/ Jak by se podle Vás změnily výsledky stability, pokud by byly použity kmeny získané z komerčních probiotických přípravků namísto sbírkových?
  4. 4/ Jaká je výhoda použití qPCR v porovnání s kultivačními metodami při sledování životaschopnosti probiotik?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová