乳酸菌微膠囊包埋技術與常用壁材的研究進展

劉仁杰 - 李 哲 毛思凝 - 梁 珊ANG 趙 悅 王玉華 -

(吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118)

乳酸菌是對從發酵性碳水化合物中產生的大量乳酸的革蘭氏陽性細菌的通稱[1]。乳酸菌隸屬于乳酸菌科，形態差異大，有長桿、短桿或圓形[2]。一些乳酸菌是人和動物胃腸道和雌性生殖道的共生菌，可以改善人和動物的健康狀況[3]，乳酸菌的益生功能在醫藥、食品和飼料等領域研究廣泛。乳酸菌對腸道菌群具有重要影響，可與腸道有害微生物形成拮抗作用，抑制外襲菌的生長和定植，產生抗菌性代謝產物[4]。部分乳酸菌還能激活特異性和非特異性免疫細胞，提高機體的免疫功能[5]。乳酸菌細胞壁具有與變異原性物質結合的能力，使變異原不能活化，從而減弱或消除變異原物質的毒害作用[6]。此外，乳酸菌能抑制致突變酶的活性及一些致癌物，起到抗腫瘤作用。

乳酸菌在腸道的活菌數>106CFU/mL時才能發揮益生作用[7]。然而絕大多數乳酸菌對不良環境抵抗力差，加工過程中易受溫度、氧氣、溶劑和機械壓迫等影響，在人體消化道中易受胃酸和膽鹽脅迫使活菌數大量降低，最終無法發揮益生功效。乳酸菌微膠囊包埋技術是一種乳酸菌的保護措施，可以增強菌體對外界不良環境的抵抗力，顯著提高菌體的存活率，使其在腸道中定植，充分發揮乳酸菌益生功能[8-11]。文章就乳酸菌微膠囊包埋技術的優缺點及改進常用壁材的包埋方法進行綜述，以期為乳酸菌微膠囊的研究和應用提供理論參考和技術支撐。

1 包埋技術概述

微膠囊包埋是用特殊手段將需要包被的物質包裹在微小封閉的聚合物薄膜中形成1～500 μm微囊的技術[12-13]。被包埋的物質稱為芯材，包埋使用的材料稱為壁材。微膠囊技術將芯材與外界環境隔離，達到保護效果。在適當條件下，通過某些外部刺激和緩釋作用，芯材物質能定點釋放[14]。

微膠囊包埋技術始于20世紀30年代，1936年大西洋海岸漁業公司首次在液體石蠟中制備了魚肝油明膠微膠囊并申請專利。1957年穆爾企業公司申請了噴霧干燥制備微膠囊的專利，促進了微膠囊產業的發展。1958年，各國申請了20多項關于微膠囊的專利，其中包括了相分離法制備微膠囊和明膠微膠囊固定化等，微膠囊制備技術的發明使微膠囊產業進入快速發展階段。70年代后，微膠囊技術的成熟擴展了微膠囊的應用范圍，進入醫藥、農業、食品等行業[15]。

2 微膠囊包埋方法對乳酸菌活性的影響

2.1 界面聚合法

界面聚合法是將兩種活性單體分別溶解在兩種不互溶的溶劑中，再使兩種溶液進行不可逆的聚合反應，并在溶液界面處析出不溶性聚合產物[16]。界面聚合法的工藝成熟，反應條件溫和，設備比較簡單，反應迅速，易得到高分子量的聚合物。它適用于合成聚酰胺、聚亞胺酯等工業產品。但界面聚合的交聯劑普遍存在毒性，影響乳酸菌的生存率，同時對人體有潛在危害，故難以廣泛運用[17]。此外，后續物料處理工藝繁雜，難以廣泛推廣。

2.2 相分離法

相分離法是通過改變溫度、pH值或加入凝聚劑等方法將芯材與壁材混合溶液的溶解度降低，凝聚形成濃稠液體并包裹芯材形成微膠囊的方法[18]。根據分散介質以及芯材在水中溶解性的不同，可以將相分離法分為水相分離法和油相分離法。相分離法操作簡單，材料來源廣，在食品、藥品中運用廣泛。Silva等[19]使用相分離法制備雙歧桿菌Bb-12微膠囊，包埋率達到99.52%，與未經包埋的乳酸菌相比耐酸性顯著增強，然而微膠囊粒徑分布較寬，對乳酸菌的保護效果存在個體差異性。此外相分離法制備乳酸菌微膠囊過程中易出現微膠囊聚集，增加加工時間及成本。而且制備過程中的溫度和pH值會影響微膠囊包埋效果，降低乳酸菌生存率，限制了相分離法的運用。

2.3 噴霧干燥法

噴霧干燥法是將芯材壁材分散均勻形成乳化液，通過霧化裝置霧化成微小液滴，進一步受熱干燥固化形成粉狀微膠囊[20]。噴霧干燥技術成熟，生產效率高，成品分散性好且適合連續生產。謝桂勉[21]將乳酸菌進行噴霧干燥，發現乳酸菌生存率僅為17.1%，表明高溫干燥會大幅度降低乳酸菌的活性，改善高溫制備條件是保證乳酸菌生存率的關鍵。吳德龍等[22]發現進風口溫度會影響乳酸菌活性，進風口溫度80 ℃以上時乳酸菌生存率會迅速下降。而郭云等[23]研究發現，出風口溫度對微膠囊的影響顯著大于進風口，當出風口溫度為85 ℃，菌體存活率僅為33.18%，降低進出風口溫度，能改善微膠囊性能，提高乳酸菌活性。此外，Wongsasulak等[24]發現木薯淀粉顆粒具有耐熱性能，其與蛋清蛋白形成的混合壁材可降低噴霧干燥對乳酸菌的損傷。噴霧干燥法生產效率高，但處理溫度普遍較高，用于規模化生產的噴霧干燥設備體積較大且價格昂貴。

2.4 高壓靜電噴霧干燥法

高壓靜電噴霧干燥法是用噴槍將芯材溶液在電場作用下進行噴射，通過調節電場強度，改變芯材與壁材的表面張力，從而形成霧狀液滴，最終在固化液作用下形成微膠囊[25]。此法無需使用有機溶劑，作用條件溫和，可調節微膠囊的粒徑大小，反應迅速，生產效率高[26]。Piyigraisrn等[27]運用高壓靜電噴霧干燥法快速制備的嗜酸乳桿菌微膠囊包埋率達到90%左右。此外，此法還可以與其他干燥技術結合，提高微膠囊性能。Yao等[28]運用高壓靜電噴霧干燥法與冷凍干燥法包埋的唾液乳桿菌具有較好的耐酸能力，與未經包埋的唾液乳桿菌相比，在模擬胃腸道試驗中活菌數提高了4個對數級。目前高壓靜電噴霧干燥法在中國運用仍較少。

2.5 銳孔法

銳孔法是將芯材與壁材制成混合溶液滴入硬化液中，通過調節針或噴嘴的規格和下落的距離制備不同大小和形狀的微膠囊。銳孔法操作簡單，作用條件溫和，包埋效率高，成本低，在乳酸菌包埋中被廣泛運用。銳孔法可與其他干燥方式結合使用提高微膠囊性能。Janja等[29]將銳孔法與冷凍干燥法結合降低了微膠囊的水分活度，使乳酸菌活菌數在2個月內維持在2×108CFU/g以上。然而，銳孔法生產效率低，難以形成規模化生產，且制備的微膠囊粒徑較大，一般在2 mm左右。Silva等[30]發現將銳孔法與流化床干燥法結合制得海藻酸鈉與蟲膠混合物包埋的副干酪乳桿菌BGP-1微膠囊，微膠囊粒徑為0.71～0.86 mm，可降低微膠囊的粒徑，并延長儲藏期。

2.6 其他微膠囊包埋方法

此外，還有許多研究者進行不同類型的微膠囊研究。李清等[31]使用微流體數字化噴射制備細胞微膠囊，研究表明通過驅動電壓和微噴嘴內徑控制細胞微膠囊的粒徑大小和分布，平均粒徑可小至28 μm[31]。此法以外部宏驅動器影響微流道內部流動，可實現流體的序列可控，形成一定程度的生產自動化處理。張玉東等[32]使用流體震動技術制備海藻酸鈣微膠囊，研究表明通過對流體施加一定壓力，使層流流體流速恒定，品質更穩定，其次在噴嘴部位施加一定的震動效果可使液滴之間分散效果更好。目前這些微囊化技術的研究尚未成熟，運用于乳酸菌包埋的研究仍未見報道。

3 乳酸菌微膠囊常用壁材的不足及改進方法

3.1 常用壁材

目前乳酸菌微膠囊的常用壁材有海藻酸鈉和蛋白類等。海藻酸是從不同種類的海藻中提取的由D-甘露糖醛酸和L-古洛糖醛酸作為結構單元組成的雜多糖[33]。海藻酸鈉分子鏈上有許多游離親水性基團(羥基和羧基)，Ca2+、Zn2+、Al3+等能占據海藻酸鈉中的親水空間，并與羧基官能團上的氧原子鰲合，形成三維網狀結構凝膠，將菌體包埋其中[34]。此過程反應速度快，反應條件溫和。盡管海藻酸鈉作為壁材被廣泛運用，但也有不足之處：① 海藻酸鈉微膠囊表面孔徑較大，易造成細胞流失，影響包埋率，同時不能有效控制胃酸進入，影響乳酸菌活性；② 在極低pH值下海藻酸鈉分子會被降解，凝膠解聚，保護效果下降；③ 螯合物與陰離子能使海藻酸鈉凝膠解聚，僅用海藻酸鈉包埋乳酸菌易出現突釋和早釋，這種情況在進入腸道的初期較易出現，進而使乳酸菌暴露在高膽鹽環境下，影響活性。

蛋白類壁材主要有乳清分離蛋白、大豆分離蛋白和明膠等。乳清分離蛋白親水親油，可以迅速在芯材物質表面進行分子重排，聚集形成致密均勻的蛋白質膜。乳清蛋白中的β-乳球蛋白在低pH值下能夠保持結構完整，使乳清蛋白微膠囊具有良好的耐酸性[35]。大豆分離蛋白中的蛋白分子具有較大數量的堿性氨基酸殘基，能夠中和入侵微膠囊H+，維持微膠囊內部pH值的中性環境，從而保護乳酸菌活性[36]。明膠是膠原蛋白部分水解的一種天然高分子產物，在低溫條件下能形成凝膠結構。當環境pH值低于明膠等電點時，明膠表面正電荷與負電荷能夠相互作用，使得微膠囊結構更緊實[37]。然而在實際運用中，蛋白類壁材還面臨著以下挑戰：① 僅用蛋白類作微膠囊壁材制備時間緩慢，包埋效率低；② 蛋白質易被胃蛋白酶酶解，使乳酸菌暴露在胃酸環境中，失去活性；③ 蛋白質分子中的疏水性基團易使微膠囊相互聚集。

3.2 改進微膠囊的方法

針對常用壁材的不足，國內外研究者認為可以從復配包埋、多層包埋和添加益生元3個方面強化微膠囊性能，提高乳酸菌在不利環境中的生存率。

3.2.1 復配包埋乳酸菌 選擇兩種或兩種以上的壁材進行復配，改變乳酸菌的包埋環境，增強微膠囊的緊實程度，往往能起到強化包埋效果的作用。復配可分兩種：① 改變壁材分子的化學結構以增強包埋效果。Liu等[38]用聚丙烯酸鈉接枝海藻酸鈉制備微膠囊，使微膠囊壁材中的羧基含量增加，結構更緊實，提高了壁材對胃酸的緩沖能力，保護了乳酸菌的活性。但此法可能會使壁材的原有功能發生改變，破壞微膠囊性能。② 不改變壁材的化學結構，兩種以上的壁材相互穿插纏繞形成更加緊密的凝膠結構。Huq等[39]發現利用復配包埋的海藻酸鈉—卵磷脂微膠囊顆粒密度和強度更高，提升了微膠囊的耐胃酸能力，增強了乳酸菌在腸道中的定植能力。此外，蛋白類壁材與海藻酸鈉復配包埋能制備出耐酸能力強的微膠囊。Laelorspoen等[40]研究發現在pH值1.2(含胃蛋白酶)的模擬胃環境中，海藻酸鈉—玉米醇溶蛋白復配壁材微膠囊比單一海藻酸鈉微膠囊乳酸菌存活率提高了5倍。豆類蛋白與海藻酸鈉也可形成致密的凝膠結構，Khan等[41]制備的豌豆蛋白—海藻酸鈉復配微膠囊提高雙歧桿菌在體外胃腸道試驗中的存活率。

3.2.2 多層包埋乳酸菌 多層包埋能夠根據壁材的不同性能形成多層級微膠囊結構，充分發揮壁材的優勢。Zaeim等[42]將殼聚糖與海藻酸鈉進行復配包埋和多層包埋，對比發現多層包埋可增大微膠囊表面積，提高乳酸菌包埋率和保護效果。Maria等[43]發現殼聚糖具有抑菌性，直接接觸會降低乳酸菌活性，運用多層包埋可將殼聚糖置于外層起抗菌效果，提高微膠囊性能。Piyigraisrn等[27]將蛋清蛋白和硬脂酸作為第一層殼層，用木薯淀粉顆粒作為第二層殼層，置于70～100 ℃下30 min后發現，嗜酸乳桿菌活性僅下降1個數量級，外層壁材起到了隔熱的效果。此外蛋清蛋白具有與乳清分離蛋白相似特性，作為壁材能起到中和胃酸，維持微膠囊內部pH值的效果。運用多層包埋，將耐酸隔熱的壁材置于外層，易于釋放的壁材置于里層，既能克服不利環境，又使乳酸菌在回腸部位準確釋放定植。

3.2.3 添加益生元 常見的益生元有低聚糖、菊糖和抗性淀粉等。陳合等[44]發現菊糖、低聚果糖、低聚異麥芽糖、低聚木糖和低聚半乳糖可促進乳酸菌生長，對乳酸菌起保護作用，其中菊糖和低聚果糖效果最佳。胡珊等[45]分別添加2%的葡萄糖、低聚半乳糖、低聚果糖和菊粉于培養基中培養副干酪乳桿菌R8，發現添加2%菊粉效果最佳，活菌數達1.7×109CFU/mL。然而，Cheow等[46]研究發現增加抗性淀粉會使微膠囊表面粗糙，使主要起耐酸作用的殼聚糖無法完整覆蓋在微膠囊表面，導致微膠囊的耐酸能力下降，儲藏性能降低和包埋率下降。因此，對于益生元是否能改善微膠囊的性能尚未定論。

4 結論與展望

隨著人們生活水平的提高，消費者對于乳酸菌的益生功效也越來越看重。乳酸菌微膠囊包埋日益成熟，有利于乳酸菌功能性食品的加工和應用，使乳酸菌定植于腸道，有效地提高人們的健康水平。因此，乳酸菌微膠囊包埋的研究不可或缺。乳酸菌微膠囊的研究仍存在如下問題：① 目前對于乳酸菌微膠囊包埋技術的研究大多集中于對單種菌株的包埋，但多種菌株共同包埋的研究卻較少涉及；② 近幾年，新型壁材和改性壁材的研究逐年增多，但這些壁材的安全性尚不明確，是否對乳酸菌的益生功能造成影響也尚不明確；③ 在乳酸菌微膠囊的生產過程中添加益生元是否能夠增強乳酸菌的活性目前尚不明確，益生元的添加是否會使微膠囊粒徑過大從而影響微膠囊包埋效果需進一步研究探索；④ 乳酸菌微膠囊的功能性研究較少，進行動物試驗的方法仍不明確。

乳酸菌微膠囊的研究已經越來越受到廣大科研工作者的重視，目前主要針對乳酸菌微膠囊的制備方法，對于乳酸菌微膠囊功效的研究仍然缺乏，應該加大這方面的研究力度。更加深入地探索乳酸菌微膠囊的保護機理，可為有效保護乳酸菌提供理論依據。還可以根據不同人群制備不同類型的乳酸菌微膠囊，開發具有特定功效的功能性食品，滿足人們的健康需要。同時，應考慮消費者對壁材的接受度，豐富乳酸菌微膠囊的產品種類。