Probiotika in Nahrungsergänzungsmitteln – wie die Wahl der Kapselhülle und der Form des Lyophilisats die Überlebensfähigkeit der CFU beeinflusst

Das Etikett eines probiotischen Nahrungsergänzungsmittels deklariert beispielsweise 10^9 CFU pro Kapsel. Die Frage, die selten direkt gestellt wird, lautet: Ist diese Zahl in dem Moment zutreffend, in dem der Verbraucher die Verpackung nach mehreren oder einem Dutzend Monaten öffnet, oder beschreibt sie ausschließlich den Zustand zum Zeitpunkt der Herstellung? Diese Unterscheidung ist von grundlegender Bedeutung, denn ein Probiotikum ist ein lebendes Produkt, und lebende Bakterienzellen verlieren mit der Zeit ihre Lebensfähigkeit.

CFU (colony forming units, koloniebildende Einheiten) sind der einzige objektive Qualitätsmaßstab eines Probiotikums. Ohne eine ausreichende Anzahl lebender Mikroorganismen erfüllt das Produkt nicht die Definition eines Probiotikums, die im internationalen wissenschaftlichen Konsens angenommen wurde (Hill et al., 2014). Die CFU-Zahl ist keine konstante Eigenschaft – sie degradiert unter dem Einfluss von Feuchtigkeit, Sauerstoff, Temperatur und Magensäure.

Für ein Unternehmen, das die Lohnherstellung in Auftrag gibt, sind die Wahl der Kapselform, des Hüllenmaterials sowie der Lagerbedingungen keine bloßen Ausstattungsdetails, sondern Faktoren, die das Ergebnis der CFU-Stabilitätsprüfung und die Glaubwürdigkeit der auf dem Etikett angegebenen Deklaration unmittelbar beeinflussen. Nachfolgend erläutern wir, was genau darüber entscheidet, wie viele lebende Bakterien in den Organismus des Verbrauchers gelangen.

Was ist ein Probiotikum und warum „lebend“ das einzige Qualitätskriterium ist

Die International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) definierte ein Probiotikum im Konsens von 2014 als „live microorganisms that, when administered in adequate amounts, confer a health benefit on the host“, also als lebende Mikroorganismen, die, in angemessenen Mengen verabreicht, dem Wirt einen gesundheitlichen Nutzen bringen (Hill et al., 2014). Zwei Elemente dieser Definition sind aus Sicht der Herstellung entscheidend: „live“ (lebend) und „adequate amounts“ (angemessene Mengen).

CFU, also eine koloniebildende Einheit, ist ein einzelner lebender Mikroorganismus, der zur Teilung und zur Bildung einer sichtbaren Kolonie auf einem Nährmedium fähig ist. Es handelt sich um ein operatives Maß der Lebensfähigkeit: Gezählt werden nur jene Zellen, die sich vermehren können, nicht aber tote oder geschädigte Zellen. Das Ergebnis wird als CFU pro Gramm oder CFU pro Kapsel angegeben. Wichtig ist, dass der bei der Herstellung gemessene Wert nicht dem Wert am Ende der Haltbarkeitsdauer entspricht, da ein Teil der Bakterienpopulation in dieser Zeit abstirbt.

Daraus ergibt sich eine praktische Konsequenz. Das Element „adequate amounts“ in der ISAPP-Definition bedeutet, dass die Zahl lebender Mikroorganismen zum Zeitpunkt des Verzehrs ausreichend sein muss und nicht nur zum Zeitpunkt der Herstellung. Wenn ein Nahrungsergänzungsmittel 10^9 CFU pro Kapsel deklariert, sollte dieser Wert bis zum Ende der Haltbarkeitsdauer bestätigt sein, bei Lagerung entsprechend den Empfehlungen auf dem Etikett. Um dies zu erreichen, plant der Hersteller in der Regel von Anfang an einen Überschuss an lebenden Zellen ein, typischerweise das 10- bis 100-Fache der deklarierten Dosis, um die unvermeidlichen CFU-Verluste im Laufe der Zeit abzudecken (Rajam und Subramanian, 2022).

Vier Hauptfaktoren der Degradation der Lebensfähigkeit probiotischer Stämme

Die Überlebensfähigkeit lyophilisierter probiotischer Stämme hängt von mehreren gut beschriebenen Umweltfaktoren ab. Ihre Kontrolle in der Phase der Formulierung, Verpackung und Lagerung entscheidet darüber, wie viele lebende Zellen bis zum Ende der Haltbarkeitsdauer überleben (Agriopoulou et al., 2023; Rajam und Subramanian, 2022).

• Feuchtigkeit (Wasseraktivität, aw) – der gefährlichste Faktor für lyophilisierte Stämme. Eine Wasseraktivität über 0,3 beschleunigt den Verlust der Zelllebensfähigkeit drastisch. Das Produktionsziel besteht darin, aw in der fertigen, verschlossenen und verpackten Kapsel unter 0,3 zu halten (Agriopoulou et al., 2023);
• Sauerstoff – empfindliche Stämme, insbesondere der Gattung Bifidobacterium, sind Anaerobier oder Mikroaerophile. Bereits eine geringe Sauerstoffmenge kann ihre Lipidmembranen schädigen. Kapseln mit geringer Sauerstoffdurchlässigkeit sowie eine Verpackung unter Stickstoff bieten zusätzlichen Schutz;
• Magensäure (pH 1,2–2,0) – die meisten Stämme sterben bei einem pH-Wert unter 3 innerhalb weniger Dutzend Minuten ab. Säureempfindliche Stämme, zum Beispiel Lactobacillus acidophilus oder Bifidobacterium longum, benötigen während der Passage durch den Magen einen aktiven Schutz;
• Temperatur – die Lagerung bei Raumtemperatur (25 °C) führt zu einem deutlich schnelleren CFU-Verlust als die Lagerung unter Kühlbedingungen (4 °C). Produkte, die als bei Raumtemperatur stabil deklariert werden, müssen auf Stämmen mit dokumentierter Thermotoleranz oder auf geeigneten Schutzmatrizen beruhen (Rajam und Subramanian, 2022).

Diese vier Faktoren wirken gemeinsam und verstärken sich gegenseitig. Eine höhere Temperatur beschleunigt die durch Feuchtigkeit ausgelösten Reaktionen, und das Vorhandensein von Sauerstoff vertieft oxidative Schäden an den Zellmembranen. Aus Sicht des Herstellers bedeutet dies, dass sich der Schutz der CFU-Überlebensfähigkeit nicht auf eine einzelne Lösung reduzieren lässt, sondern ein kohärentes Management der gesamten Kette erfordert: Auswahl des Stamms, Schutzmatrix, Kapselhülle und Außenverpackung.

Gut zu wissen: Wasseraktivität (aw) und warum der Schwellenwert 0,3 für Probiotika kritisch ist

Die Wasseraktivität (aw) ist ein Maß für die Verfügbarkeit von Wasser für chemische und biologische Reaktionen – sie ist nicht dasselbe wie der prozentuale Feuchtigkeitsgehalt. Der Wert aw = 1,0 entspricht reinem Wasser, und aw = 0 bedeutet das vollständige Fehlen von verfügbarem Wasser. Lyophilisierte probiotische Stämme zeigen nach Überschreiten des Schwellenwerts aw = 0,3 einen dramatischen Rückgang der Lebensfähigkeit: Wasser löst enzymatische und chemische Reaktionen aus, die zu Schäden an Zellmembranen und an der bakteriellen DNA führen (Agriopoulou et al., 2023). Aus diesem Grund sollte eine für Probiotika bestimmte Kapsel keine zusätzliche Feuchtigkeit in die Füllung einbringen. Genau dieses Kriterium unterscheidet Hüllenmaterialien und macht sie zu einem wesentlichen Element bei der Entwicklung eines probiotischen Produkts.

Wie das Material der Kapselhülle die CFU während der Lagerung beeinflusst

Die Kapselhülle selbst beeinflusst die Lebensfähigkeit der Bakterien nicht direkt. Ihre Rolle ist indirekt, aber real: Sie entscheidet darüber, wie viel Feuchtigkeit das Hüllenmaterial in das Innere der Kapsel einbringt oder während der Lagerung aufnimmt. Da ein lyophilisiertes Probiotikum hygroskopisch ist und der kritische Schwellenwert aw = 0,3 niedrig liegt, ist jede zusätzliche Wasserquelle in unmittelbarer Nähe des Stamms von Bedeutung. Unterschiede im natürlichen Feuchtigkeitsgehalt zwischen den Hüllenmaterialien von Hartkapseln sind in dieser Hinsicht gut dokumentiert (Yang et al., 2020).

Gelatine (13–16 % Feuchtigkeit)

Eine Gelatinekapselhülle zeichnet sich durch einen hohen natürlichen Wassergehalt im Bereich von 13–16 % aus (Yang et al., 2020). Dies bedeutet eine potenzielle Quelle zusätzlicher Feuchtigkeit für das hygroskopische Lyophilisat, das sich in ihrem Inneren befindet. Bei längerer Lagerung, insbesondere unter Bedingungen erhöhter Temperatur oder relativer Luftfeuchtigkeit, kann Wasser aus der Hülle in die Kapselfüllung migrieren. Bei Stämmen, die empfindlich auf das Überschreiten des Schwellenwerts aw = 0,3 reagieren, kann dieser Effekt den Verlust der Lebensfähigkeit beschleunigen und damit das Ergebnis der CFU-Stabilitätsprüfung verringern.

HPMC (4,5–6,5 % Feuchtigkeit)

Kapseln aus Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) haben einen deutlich niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von 4,5–6,5 % (Yang et al., 2020). Der niedrigere Wassergehalt in der Hülle minimiert das Risiko der Feuchtigkeitsmigration in die lyophilisierte Füllung. In der zitierten Studie wurde darauf hingewiesen, dass „HPMC capsules have weaker moisture sorption ability and moisture keeping ability than pullulan or gelatin capsules“, also dass HPMC-Kapseln eine geringere Fähigkeit zur Sorption und Speicherung von Feuchtigkeit aufweisen als Kapseln aus Pullulan oder Gelatine (Yang et al., 2020). Zusätzlich unterliegt HPMC nicht dem Phänomen der Vernetzung (Cross-Linking), wodurch das Problem einer verlängerten Zerfallszeit während der Lagerung entfällt. Aus diesen Gründen ist HPMC unter den standardmäßigen Hartkapseln die bevorzugte Wahl für Probiotika.

DRcaps (HPMC-Kapseln mit verzögerter Freisetzung)

Kapseln des Typs DRcaps sind eine Variante von HPMC-Kapseln, die so entwickelt wurde, dass sie die Freisetzung des Inhalts bei niedrigem pH-Wert verlangsamt. Studien haben ihren besseren Schutz säureempfindlicher Stämme während der Magenpassage im Vergleich zu standardmäßigen HPMC-Kapseln gezeigt (Agriopoulou et al., 2023). Dabei ist jedoch terminologische Präzision erforderlich: Die verzögerte Freisetzung in DRcaps-Kapseln ist nicht gleichbedeutend mit einem pharmakopöischen magensaftresistenten Überzug. Sie kann empfindlichen Stämmen einen praktischen Schutz bieten, doch bei regulatorischen Anforderungen an eine vollständige Beständigkeit gegen Magensäure ist ein geeigneter magensaftresistenter Überzug mit Verifizierung durch einen Freisetzungstest (Dissolution) erforderlich.

Gut zu wissen: CFU „bei der Herstellung“ und CFU „am Ende des Mindesthaltbarkeitsdatums“ – was deklarieren?

Branchenstandard ist die Deklaration der CFU am Ende der Haltbarkeitsdauer (at end of shelf life) und nicht des Wertes zum Zeitpunkt der Herstellung. Nur dieser Ansatz garantiert, dass der Verbraucher über die gesamte Verwendbarkeitsdauer des Produkts die deklarierte Dosis lebender Bakterien erhält. In der Praxis bedeutet dies, dass der Hersteller ein Produkt mit einem CFU-Überschuss herstellen muss, typischerweise dem 10- bis 100-Fachen des deklarierten Wertes, um die unvermeidlichen Verluste an Lebensfähigkeit im Laufe der Zeit abzudecken (Rajam und Subramanian, 2022). Drei Variablen entscheiden darüber, wie groß der Produktionsüberschuss sein muss und welche Haltbarkeitsdauer glaubwürdig deklariert werden kann: die Auswahl des Stamms einschließlich seiner natürlichen Thermotoleranz und Beständigkeit gegenüber Lagerbedingungen, die aus Kryoprotektiva bestehende Schutzmatrix sowie das Material der Kapselhülle.

Schutzmatrix und Kryoprotektiva – was auf dem Etikett des Nahrungsergänzungsmittels nicht zu sehen ist

Die Kapsel ist erst das letzte Element zum Schutz lebender Zellen. Zuvor sollte der lyophilisierte Stamm durch eine entsprechend ausgewählte Schutzmatrix geschützt werden, also durch eine Kombination von Kryoprotektiva, die Zellschäden während des Lyophilisierungsprozesses selbst sowie während der anschließenden Lagerung verhindern (Rajam und Subramanian, 2022). Deshalb gilt die Lyophilisierung (Freeze-Drying) als die wirksamste Methode zur Erhaltung der Lebensfähigkeit von Probiotika: Sie ermöglicht es, unmittelbar nach dem Prozess ein trockenes Produkt mit einer Wasseraktivität unter 0,1 zu erhalten, vorausgesetzt, es werden geeignete Schutzmaterialien eingesetzt.

Neben der Lyophilisierung werden in der Probiotika-Technologie auch andere Techniken der Verkapselung und Stabilisierung eingesetzt, wie Sprühtrocknung (Spray-Drying), Emulsion oder Granulation; dennoch bleibt die Lyophilisierung die Methode mit dem besten Profil zur Erhaltung der CFU (Rajam und Subramanian, 2022). Zu den am häufigsten verwendeten Kryoprotektiva gehören:

• Trehalose – ein Disaccharid, das als eines der wirksamsten Kryoprotektiva gilt und Zellmembranen während der Trocknung und Lagerung stabilisiert;
• Magermilch – eine klassische Schutzmatrix; sie enthält Laktose sowie Proteine, die eine Schutzfunktion für Bakterienzellen erfüllen;
• Inulin (FOS) – ein Präbiotikum, das Zellen während der Lyophilisierung schützt und zusätzlich als Nährsubstrat für Bakterien dienen kann; s
• modifizierte Stärke – ein Füllstoff mit schützenden Eigenschaften, der die Erzielung einer geeigneten Struktur des Lyophilisats erleichtert.

Zu den Materialien der inneren Hülle in Mikro- und Makroverkapselungstechniken, die Bakterien vor Feuchtigkeit und Magensäure schützen, gehören unter anderem Alginat, HPMC, Chitosan und Gelatine (Agriopoulou et al., 2023). Die Schlussfolgerung für den Hersteller ist eindeutig: Die CFU-Deklaration auf dem Etikett hat nur dann einen realen Wert, wenn ihr ein entsprechend entwickelter Lyophilisierungsprozess, eine ausgewählte Schutzmatrix sowie die richtige Wahl der Kapselhülle zugrunde liegen. Das Auslassen einer dieser Schichten erhöht die Geschwindigkeit des Verlusts der Lebensfähigkeit und untergräbt die Glaubwürdigkeit der deklarierten Dosis.

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Die Auswahl des Stamms, die Festlegung der anfänglichen CFU-Konzentration, das Design der Schutzmatrix sowie die Wahl des Kapseltyps sind Entscheidungen, die gemeinsam und nicht nacheinander getroffen werden sollten. Jede von ihnen beeinflusst die übrigen und das endgültige Ergebnis der Stabilitätsprüfung. Eubioco realisiert als Lohnhersteller, der nach den Standards GMP und ISO 22000:2018 arbeitet, die Herstellung probiotischer Nahrungsergänzungsmittel in trockenen festen Darreichungsformen. Kontaktieren Sie uns, um das Projekt zu besprechen.

Bibliografie

1. Hill, C., Guarner, F., Reid, G., Gibson, G.R., Merenstein, D.J., Pot, B., Morelli, L., Canani, R.B., Flint, H.J., Salminen, S., Calder, P.C., Sanders, M.E. (2014). The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics consensus statement on the scope and appropriate use of the term probiotic. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 11(8), S. 506-514. DOI: 10.1038/nrgastro.2014.66. [online] Verfügbar unter: https://doi.org/10.1038/nrgastro.2014.66 [Online-Zugriff: 20.05.2026]

2. Agriopoulou, S. et al. (2023). Application of Encapsulation Strategies for Probiotics: From Individual Loading to Combinations of Encapsulants for Enhanced Protection. Microorganisms, 11, 2896. DOI: 10.3390/microorganisms11122896. [online] Verfügbar unter: https://doi.org/10.3390/microorganisms11122896 [Online-Zugriff: 20.05.2026]

3. Rajam, R., Subramanian, P. (2022). Encapsulation of probiotics: past, present and future. Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences, 11(1). DOI: 10.1186/s43088-022-00228-w. [online] Verfügbar unter: https://doi.org/10.1186/s43088-022-00228-w [Online-Zugriff: 20.05.2026]

4. Yang, N., Chen, H., Jin, Z., Hou, J., Zhang, Y., Han, H., Shen, Y., Guo, S. (2020). Moisture sorption and desorption properties of gelatin, HPMC and pullulan hard capsules. International Journal of Biological Macromolecules, 159, S. 659-666. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.05.110. [online] Verfügbar unter: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.05.110 [Online-Zugriff: 20.05.2026]