不同壁材對益生菌微膠囊性能的影響

(包頭輕工職業(yè)技術(shù)學院,內(nèi)蒙古包頭014035）

不同壁材對益生菌微膠囊性能的影響

趙德勝

(包頭輕工職業(yè)技術(shù)學院,內(nèi)蒙古包頭014035）

探討了不同類型的包埋壁材對益生菌在生產(chǎn)加工、貯藏和人體內(nèi)的耐受性以及對產(chǎn)品感官性能等方面的影響，并對益生菌微膠囊壁材將來的應用和發(fā)展趨勢進行了展望。

益生菌；微膠囊壁材；耐受性

0 引言

世界衛(wèi)生組織(WHO)和糧農(nóng)組織(FAO)聯(lián)合定義益生菌為“活的微生物，當攝入充足數(shù)量時，它會賦予宿主某種健康益處”[1]。大量的研究已經(jīng)證實了益生菌對人體的健康作用[2-3]。益生菌要想發(fā)揮它們的健康作用必須滿足：(1)在被人體攝入時必須保持一定活性；(2)必須要有足夠數(shù)量的菌定植于腸道中[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)利用微膠囊包埋技術(shù)可以提高益生菌在加工及貯藏期間的活性并能改善其在宿主體內(nèi)的存活率[6]。因此微膠囊包埋效果在益生菌領(lǐng)域的應用越來越受到人們的關(guān)注。而微膠囊的包埋效果與其所使用的壁材有著密切的聯(lián)系[7]，本文對目前益生菌微膠囊使用的不同類型壁材、其對益生菌體內(nèi)外的耐受特性以及對產(chǎn)品感官性能的影響等進行陳述，并對其將來的發(fā)展趨勢提出展望。

1 壁材的選擇

壁材的不同將導致益生菌微膠囊對外界環(huán)境具有不同的抗性，進而影響到益生菌的活性。實際應用中許多材料可被用作包埋壁材，例如：凝膠多糖（淀粉、纖維素、海藻酸鹽、果膠、卡拉膠、殼聚糖等）、蛋白質(zhì)（大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、明膠、β-乳球蛋白等）、脂類和脂肪（植物油、石蠟等）都已被廣泛研究[8-10]。篩選與菌株相適應的微膠囊壁材依賴于以下因素：所用壁材的物理化學性質(zhì)、壁材之間及與其它物質(zhì)間的分子作用、細菌形態(tài)、宿主腸道組織狀態(tài)等。

最常用作乳桿菌、雙歧桿菌微膠囊壁材的是海藻酸鹽和殼聚糖這類離子多糖，海藻酸鹽可以提高胃腸液中益生菌的存活率，例如海藻酸鹽微膠囊可以將雙歧桿菌屬和乳桿菌屬中的一些菌株的存活率增至80%～95%[2,11]，且以海藻酸鹽為壁材的微膠囊化菌株已經(jīng)應用在了冰淇淋、冷凍酸奶和蛋黃醬等食品的加工中[12-14]。從壁材結(jié)構(gòu)上看，海藻酸鹽可以與Ca2+產(chǎn)生一個強度較大的分子框架，進而保證較好的凝膠強度，其粘性附著力隨海藻酸鹽的濃度的增加而增加，顯示出假塑性流體的性狀[15]。需要注意的是磷酸鹽、檸檬酸鹽、螯合劑等可同Ca2+離子競爭，會弱化海藻酸凝膠的強度。同時，在Lawrie和Lucinda-Silva等的研究中海藻酸（陰離子）和殼聚糖（陽離子）所形成的多層膜結(jié)構(gòu)或者微球形結(jié)構(gòu)是一種高度穩(wěn)定的聚電解質(zhì)復合物體系，可以很好的抵抗胃腸道和惡劣條件[16-17]。這使得這兩種壁材起到了協(xié)同保護益生菌的作用。另外也有研究表明通過雙層結(jié)構(gòu)的殼聚糖-羧甲基纖維素嗜酸乳桿菌微膠囊不但提高了菌株在模擬胃液和腸液中的存活率，還可以降低在冷凍和冷凍干燥中益生菌的活力損失[18]。

微生物高分子聚合物、蛋白質(zhì)、多肽也可被用作為胃腸道靶向益生菌壁材。當用海藻酸鈉和黃原膠結(jié)合包埋時可以提高嗜酸乳桿菌（LA14）和乳雙歧桿菌（BI-07）在酸性條件下的存活率[19]；結(jié)冷膠和黃原膠以（0.75∶1）的比例包埋時可以提高植物乳桿菌和鼠李糖乳桿菌對模擬膽鹽的耐受性[20]。Sun和Griffiths等通過利用0.75%的結(jié)冷膠和1%黃原膠對嬰兒芽孢桿菌進行微膠囊包埋后，該菌可以在巴氏消毒酸奶中存活達5周[21]。同樣地，在鄒強等的研究中采用乳清蛋白包埋的雙歧桿菌在粒徑上同海藻酸鈉制備的微膠囊相比要更小且包埋率較高；在耐受性方面乳清蛋白包埋的微膠囊要優(yōu)于海藻酸鈉包埋的，這是由于乳清蛋白分子具有許多堿性的氨基酸殘基，所以在偏中性的環(huán)境中，乳清蛋白具有較高的緩沖能力，在雙歧桿菌微膠囊內(nèi)部，這些氨基酸殘基能夠中和滲透進來的H+，從而維持一個pH值偏中性的內(nèi)部環(huán)境，保持雙歧桿菌的活性[22]。

隨著人們對各種材料特性的了解，越來越多的材料被用來作為壁材，益生元成分就是其中之一。它們可對益生菌優(yōu)勢的發(fā)揮起到輔助作用，通過選擇性刺激腸道內(nèi)益生菌生長來對宿主產(chǎn)生益生作用。菊粉、低聚果糖和抗性淀粉是在微膠囊包埋中較常見的三種益生元（prebiotic），它們可以與益生菌協(xié)同，進而作為某些益生菌的增殖因子，維持優(yōu)勢菌的地位。例如，當?shù)途酃恰甊aftilose?P95’以1.5%添加到酸奶中可以提高乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的活性，在4℃4周的貯藏期里可以提高約為1.42個對數(shù)值[23]。Fritzen-Freire等以不同比例的復原乳、菊粉、低聚果糖為壁材包埋益生菌，通過噴霧干燥法制備出微膠囊，顯示出了對乳雙歧桿菌（Bifidobacterium BB-12）在胃腸道或極端熱處理狀態(tài)下有較好的保護作用[24]。類似地，加入了抗性淀粉的海藻酸鈉微膠囊可以提高嗜酸乳桿菌（L.acidophilus La-5）在伊朗白色鹽制奶酪6個月成熟期內(nèi)菌株的存活率[25]。

2 壁材對益生菌在不同條件下的影響

在實際應用中，益生菌在食物中生存能力是對微膠囊包埋效果進行評價的一項重要指標。Mosilhey[7]等研究了針對不同溫度和不同壁材的組合對嗜酸乳桿菌（L.acidophilus La-5）微膠囊活性的影響。嗜酸乳桿菌的活力很大程度取決于使用的包埋壁材：在初始菌株濃度為108～109g-1時，微膠囊蛋白質(zhì)-碳水化合物的形成（樹膠-大豆蛋白、樹膠-乳清蛋白）可以提高嗜酸乳桿菌在熱處理60℃（104～106g-1）和63℃（104～105g-1）的活力；其中樹膠-大豆蛋白是唯一當溫度達到65℃（102g-1）仍有耐受能力的組合。在樹膠陰離子和大豆蛋白或乳清蛋白陽離子聚凝的過程中，黏彈性與靜電力的相互作用的數(shù)目有關(guān)，并最終形成樹膠-蛋白復合物，增加了益生菌的耐熱性。同樣，Mosilhey研究中發(fā)現(xiàn)經(jīng)樹膠和乳清蛋白、樹膠和大豆蛋白微膠囊化的嗜酸乳桿菌可以在5℃存活達15周，這可以使微膠囊可以在冷藏食品中發(fā)揮出理想的益生功效。但是當使用阿拉伯樹膠或明膠作為壁材與蛋白或者豆乳結(jié)合時，冷藏條件下的益生菌存活能力可能發(fā)生較大損失[7]。

一般情況下，雙歧桿菌由于自身特性會導致它們對于生存環(huán)境的要求比較高。通常在pH值低于5.0或者高于8.0的環(huán)境中雙歧桿菌不能生長；在高于46℃或者低于20℃不能生長；雙歧桿菌是革蘭氏陽性厭氧菌，需要在厭氧的環(huán)境下生長，有氧的外界環(huán)境會抑制它們的生長。在KHALIL等[26]的研究中，通過使用海藻酸鈣對兩歧雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum）和嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）進行微膠囊包埋添加在蛋黃醬中，與未包埋的乳酸菌添加相比，包埋后的兩歧雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum）和嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）可以分別存活12周和8周，而未包埋的僅僅能夠存活2周，其原因是通過包埋后可以隔絕O2、酸性等不良環(huán)境，能在較長的貯藏期內(nèi)保證益生菌的活性。同樣在此研究中還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過包埋的益生菌添加在蛋黃醬中可以起到抑制酵母菌和霉菌的功效，抑制時間長達12周，而未經(jīng)包埋的活菌在添加后6周便出現(xiàn)了腐敗微生物。

研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微膠囊化的益生菌的活性與包埋壁材的層數(shù)有一定的關(guān)聯(lián)[27]。對微膠囊進行雙層包埋，可以防止益生菌在存儲中與氧氣的過多接觸，并能提高其在低pH值和高溫下的穩(wěn)定性[28]。通常用來作為雙層包埋的壁材有殼聚糖、多聚賴氨酸、海藻酸鹽、直鏈淀粉、樹膠和明膠等[29-32]。在李旭華等[29]研究使用殼聚糖、明膠為主要壁材，制備出了鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus LT22）雙層微膠囊，微膠囊凍干后呈現(xiàn)近似球形的白色顆粒，鼠李糖乳桿菌LT22雙層微膠囊具有較好的耐酸性和腸溶性，在70℃下處理1 h以內(nèi)和100℃下處理30 s內(nèi)，其活菌數(shù)量下降的較少，可以說明雙層包埋的微膠囊具有較強的耐受短時高溫的能力，且在活體試驗中對小鼠無毒副作用，試驗所研制的雙層微膠囊大大提高了鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus LT22）對高溫的抵抗力。在Altamirano-Fortoul等研究中，他們試圖將益生菌應用于高溫之下的食品中（其中包括巴氏消毒食品和焙烤食品），利用嗜酸乳桿菌和乳清蛋白、羧甲基纖維素（CMC）、果膠、菊粉、新鮮的龍舌蘭糖漿通過噴霧干燥形成復合微膠囊，以1%～2%懸浮在淀粉溶液中，噴在冷面團上，面包在180℃下烘烤16 min，在焙烤之前，面包表皮上的嗜酸乳桿菌菌落數(shù)達108g-1，在焙烤后的24 h貯藏后降至106～107g-1[32]。通過以上實驗，表明了化學性質(zhì)不同的多層材料可以為益生菌微膠囊提供更好的耐熱性能，同時還可以更好的應用在不同種類的食品加工中。

3 壁材對益生菌在人體中存活率和釋放性的影響

由于益生菌本身抗性較差，在人體胃腸道的釋放與繁殖有一定難度。因此要保證在益生菌到達腸道后能夠繼續(xù)繁殖對人體產(chǎn)生益生作用，需要益生菌在胃酸(pH值為2.0)消化過程中不受胃酸的影響并且到達腸道，否則由于人體胃腸蠕動和消化的生理規(guī)律，該菌體很可能在1.5 h之后離開小腸，進入大腸，則益生菌就起不到原有的作用。通過微膠囊包埋的目的是利用壁材抵抗益生菌在進入人體腸道之前對于氧氣、溫度、pH值等不良環(huán)境的抵抗能力，最終壁材在腸道中溶解并釋放出益生菌，此時益生菌的活性可以保持在一個較高的水平上，可以抑制有害菌的繁殖，進而可以促進腸道運動、提高腸道機能，改善排便狀況。人體內(nèi)的益生菌以乳桿菌屬、雙歧桿菌屬為代表，并己被證實在臨床上能夠治療和預防人和動物的某些腸道疾病或者起保健作用。例如乳酸桿菌，對低聚寡糖發(fā)酵供給對動物機體有益的乳酸、丙酸和丁酸，降低腸道pH值，抑制病原菌的生長和促進胃腸道的蠕動[33-34]。

包埋壁材對益生菌在較低pH和膽鹽中耐受性的影響已被廣泛研究。Mokarram等研究了經(jīng)海藻酸鈉包裹的微膠囊層數(shù)對嗜酸乳桿菌（PTCC1643）和鼠李糖乳桿菌（PTCC1637）在胃液中存活率的影響，結(jié)果顯示在模擬胃液pH值為1.5下保持2 h，雙層海藻酸鈉包裹的微膠囊具有更好地保護能力[35]。Mandal等發(fā)現(xiàn)L.casei（NCDC-298）微膠囊的活力隨海藻酸鹽濃度的增加而升高，甚至可以在pH值為1.5下存活長達3 h[36]。對膽鹽的耐受性取決于壁材的選擇，Murata等選取海藻酸鈉與殼聚糖（Alginate-chitosan,AC）共同對益生菌進行包裹，發(fā)現(xiàn)添加殼聚糖可以增進菌株對膽鹽的耐受性[37]。海藻酸鈉-殼聚糖復合體在與膽鹽作用時可在微膠囊表面形成一層不溶性的物質(zhì)，因而限制了膽汁擴散到微膠囊的內(nèi)部，從而防止膽汁與益生菌的直接作用，可以保持益生菌在腸道中的釋放效率。其原因可能是海藻酸鹽與殼聚糖一道，作為壁材對于保護益生菌活力方面具有一個較高水平的協(xié)同作用。在于煒婷等的研究中，海藻酸鈉和殼聚糖（Alginate-chitosan,AC）微膠囊在模擬胃液中收縮，在模擬腸液中膨脹，膨脹度高達544.95%，且無破損，說明經(jīng)過優(yōu)化條件制備的微膠囊，可以使含有益生菌的AC微膠囊在胃、腸道中具有理想的活力而滿足腸道生化微膠囊的功能要求[38]。

在李梅等的研究中，通過建立pH值應答機制將海藻酸鈣和魚精蛋白復合壁材包裹干酪乳桿菌（Lactobacillus casei CICC 23185）微膠囊。通過包裹后，在腸液中由于胰蛋白酶與魚精蛋白的作用導致其在50 min內(nèi)全部釋放，同普通海藻酸鈣包裹的微膠囊釋放所耗時是它的7.6倍[39]。在Shi等的研究中，利用牛乳蛋白雙層包埋保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus），在胃液中（pH值為2.0，2 h）活菌數(shù)目可達108g-1，同時其包埋成分中的牛乳蛋白是腸道定位釋放的良性載體，可以更好的促進釋放，全部釋放用時45 min[40]。因而選擇適合的壁材能夠在很大程度上增加益生菌產(chǎn)品在貯藏和人體內(nèi)對于環(huán)境的抗性，極大的增加了其實用價值。

4 壁材對食品感官性能的影響

好的益生菌微膠囊產(chǎn)品通常具備三個特征：(1)可以通過先進的包埋技術(shù)，使壁材以半滲透微球聚合物的形式對益生菌進行保護，將益生菌與不良的外部環(huán)境產(chǎn)生隔離；(2)能在內(nèi)部維持其適合的微環(huán)境，保持菌株活力；(3)產(chǎn)品本身的感官特性不會因為益生菌以及包埋材料的存在而受到影響[41]。

考慮到產(chǎn)品的品質(zhì)可能會受到益生菌代謝和包埋材料以及貯藏條件的影響，所以在市場銷售之前需對產(chǎn)品的感官品質(zhì)進行評價[42]。大量的研究表明適當?shù)谋诓牟粌H不會影響到產(chǎn)品的品質(zhì)，有的還會提高產(chǎn)品的感官性能。研究表明微膠囊化益生菌的直徑會直接影響到消費者對產(chǎn)品的認可度，當益生菌微膠囊直徑小于20 μm時，對終產(chǎn)品的口感和質(zhì)地的影響最小，而當微膠囊粒徑在1～3 mm時，產(chǎn)品的質(zhì)地和口感會受到不利影響，進而影響到消費者的選擇[11,43-44]。Ross等通過利用低聚果糖和蛋白質(zhì)對嬰兒雙歧桿菌進行包埋，結(jié)果顯示微膠囊顆粒粒徑保持在15～20 μm，應用在食品中可以對質(zhì)地和口感起到有利作用[45]。通過海藻酸鈣和抗性淀粉包埋的嗜酸乳桿菌和乳雙歧桿菌微膠囊的酸奶口感上的平滑感會增強，同時微膠囊包埋有助于保證貯藏期內(nèi)酸奶中益生菌的數(shù)量，在整個貯存期內(nèi)酸奶的顏色質(zhì)地口感均未產(chǎn)生任何異味[46]。在Zanjani等[47]的研究中，益生菌（Lactobacillus casei ATCC 39392）通過海藻酸鈣和玉米淀粉包埋后可以應用于奶油蛋糕中，在4～25℃的貯藏期長達4周，同時奶油蛋糕質(zhì)構(gòu)也更加細膩。在Fahimdanesh等[48]的研究中，添加了由抗性淀粉包裹的兩歧雙歧桿菌微膠囊和干酪乳桿菌微膠囊的蛋黃醬，在貯藏的過程中能有效抗氧化，因而可以保證益生菌數(shù)量的同時還能更好地保持蛋黃醬原有的色澤。添加了由結(jié)冷膠和黃原膠包裹的乳雙歧桿菌微膠囊可以改善發(fā)酵粥的風味；玉米淀粉-海藻酸鹽微膠囊的加入可以增強果汁吞咽時順滑的口感；以上都是添加益生菌修飾產(chǎn)品適口性的例子[49,50]。因而，不同壁材的益生菌微膠囊的添加對于一些食品來說，可以起到維持益生菌的活力，同時又可起到修飾食品的品質(zhì)的功效。

5 展望

益生菌是一類有助于改善人體健康的活性微生物，這類微生物只有在腸道中粘附和定植后，才可能發(fā)揮益生作用。通過微膠囊包埋技術(shù)可以更好地發(fā)揮益生菌的健康作用，而益生菌的生存能力在很大程度上取決于壁材的類型、濃度、細菌類型及益生菌與宿主腸道粘膜之間的物理化學作用等，通過分子組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等新的方法將有助于我們更為詳細地了解益生菌的生理特性，從而可以選擇更多的與其特性相符的包埋材料和方法。

同時針對壁材而言，目前除海藻酸鈉被廣泛研究外，還應大力開發(fā)潛在的壁材，如益生元、抗性淀粉等，它們可以更好的與益生菌結(jié)合增強益生功效。微膠囊化包埋可以提高益生菌在腸道中的黏附功能，對在食品、醫(yī)療保健等領(lǐng)域內(nèi)實際應用具有重要意義。

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Effects of wall material on characteritics of microencapsulated probiotics

ZHAO Desheng
(Bao Tou Light Industry Vocational Technical College,Baotou 014035,China)

This paper reviewed the effects of different types of microcapsule wall material on viability of probiotics during the production and processing,storage and the human body,and the influence of microcapsule wall material to the sensory of characteristics of probiotic foods was also been discussed.The application and development trend of probiotic microcapsule wall material in the future is prospected.

probiotics;microcapsule wall material;resistence

TQ920.1

B

1001-2230（2017）02-0029-04

2016-06-01

趙德勝(1969-)，男，講師，從事應用微生物，生物制藥工程，藥物制劑等方面的研究。