先に述べたように、プロバイオティクスの生存性と活力は、摂取（あるいは外用）された後に期待通りの働きをする「機能的プロバイオティクス」を確保するために極めて重要です。では、具体的にどのように生存性と活力を最適化し、最高の性能を持つプロバイオティクス株を生産するのでしょうか。
プロバイオティクス株が発酵、濃縮、保存、貯蔵、そして上部消化管を通過する際に生き残るために操作できる主要な要因が2つあります。それらは最適化できる唯一の要因ではありませんが、培養条件や培養培地を調整することで、強健で高活性なプロバイオティクス株を生産する上で大きな成果が得られます。
プロバイオティクス生産：培養条件の最適化
強健な成長と代謝活性を確保するために、株ごとに特化した培養条件を調整・最適化することが可能です。これは生産の発酵段階だけでなく、微生物はストレスの大きいスプレー乾燥や凍結乾燥（すなわち濃縮）プロセス、さらに保存中の休眠状態も生き延びなければならないという点で極めて重要です。そして、摂取されると再び正常な代謝活動を開始する必要があります。
適切な培養条件を設定することで、プロバイオティクス株を可能な限り強健にし、発酵終了後の濃縮や保存を生き延びられるように備えることができます。
最適化できるパラメータはいくつかあります。
発酵時間:発酵中、細菌は「遅滞期」「指数増殖期」「定常期」「死滅期」という4つの主要な成長段階を経ます。発酵の継続時間は、プロセスを停止した時点で大部分の細胞がどの成長段階にあるかを決定します。多くのプロセスは、細菌が強健で細胞数が最大となる指数増殖期と定常期の間で停止されます。しかし、代謝活性は各段階で変化し、腸上皮細胞への付着能力など望ましいプロバイオティクス特性は、指数増殖期に必ずしも最大になるとは限りません。したがって、生産者は菌株ごと、用途ごとに最適な発酵時間を決定する必要があります。
発酵温度:発酵中の温度は、総細胞数やプロバイオティクスの耐性、冷凍乾燥を生き延びる能力に大きな影響を与えることが複数の研究で示されています。高温は成長速度を速める可能性がありますが、必ずしも総細胞数を増やすわけではなく、発酵後のプロセスを生き延びる能力に悪影響を与えることがあります。さらに、発酵温度が成長に悪影響を与えない場合でも、温度によって代謝活性は変化するため、各菌株の生存性と機能性を両立させる温度を選択する必要があります。
発酵pH:発酵中のpHは、再水和されたプロバイオティクス株が人間の胃で遭遇する低pHや、小腸に存在する高濃度の胆汁塩に耐える能力に影響を与えることが研究で示されています。しかし、酸や胆汁塩ストレスに耐えるための最適pHは、凍結乾燥プロセスを生き延びるためには必ずしも最適ではないことも研究で明らかになっています。したがって、生産者は両方の生存パラメータの最良のバランスを達成する各株の最適pHを決定する必要があります。
撹拌速度：発酵中の撹拌は、細菌（または酵母）が培地内の主要な栄養素（炭素源や窒素源）に曝露される可能性を高めます。しかし、すべての発酵プロセスが撹拌によって改善されるわけではありません。また、撹拌速度が速いことは必ずしも微生物の健全な成長につながるわけではありません。撹拌速度は株ごとに最適化されるべきであり、pHや温度、さらには培地に存在する栄養素によっても変化する可能性があります。
培養培地は、おそらく発酵プロセスで最も重要な要素です。適切な栄養素がなければ、プロバイオティクス株は成長せず、機能もしません。
プロバイオティクス生産における培養培地の最適化
プロバイオチック菌株は、乳酸細菌（LAB）のほとんどが、大腸菌などの典型的な実験室菌株よりも複雑な栄養要件を持っています。例えば、E. coliは数十年にわたり栄養豊富なルリア・ベルタニ培地で培養されており、この培地は一般的な実験室株に広く適しています。
対照的に、LABはより複雑な栄養要求を持ち、リボフラビンとアセテートは複数の種の成長に必要な化合物です。システインやパントテン酸などの特定の添加物は、L. caseiを含むいくつかの種の成長をさらに促進します。また、LAB種は密接に関連していますが、栄養要求は大きく異なる場合があります。例えば、リボフラビンは複数の種の成長に必要ですが、他の種はそれを合成できるため、培養培地に添加する必要はありません。
栄養要求が異なっていても、すべてのLABに共通する栄養要求は「窒素」です。窒素は、成長に必要なリボ核酸、アミノ酸、ビタミンの構成要素です。
窒素源には、アンモニウム塩のような無機窒素源や、アミノ酸・タンパク質・尿素のような有機窒素源があります。土壌や植物には窒素が高濃度で含まれているため、農業や食品生産の副産物は産業発酵における一般的な窒素源となっています。
酵母由来の栄養素は、ビタミン・ミネラル・窒素を豊富に含むため、数十年間にわたり細菌の培養培地に窒素源として利用されてきました。これはLAB（乳酸菌）の生存性と活力に影響を与える上で重要であることが証明されています。酵母由来の遊離アミノ酸、ペプチド、ヌクレオチド、ビタミン、微量栄養素（すなわち酵母由来栄養素）は、培養培地に単独で、あるいは菌株ごとに調整した比率で添加することができます。他の窒素源と異なり、酵母由来栄養素は動物由来ではなく、天然で、非遺伝子組換え（non-GMO）、アレルゲンフリーで、よりクリーンです。
栄養素の選択
プロバイオティクス株の生存性と活力を最適化するために、さまざまな栄養素の組み合わせを提供することができます。成長を最適化する栄養素が、必ずしも発酵後の生産工程や人間の消化管通過を生き延びるために最適な栄養素であるとは限らないことを考慮することが重要です。
重要なのは、一方を犠牲にしてもう一方を最大化するのではなく、生存性と活力の両方を最大化できる適切な栄養素を選択することです。
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