包埋方式對益生菌功能性食品的影響

徐立偉 解夢汐 郭應許 于淼

摘要：益生菌微膠囊食品往往根據芯材和壁材特性來選擇合適的包埋方法。超聲方式可能會對蛋白質壁材改性進而產生一定影響；均質處理可對溶液進行乳化并使多糖壁材原料產生交聯反應；等電沉積法可能更適合耐酸性的益生菌；Pickerling 乳化法可獲得更小粒徑和更高包埋率，但不能保證大量益生菌進入靶向器官并在附著位點上繁殖發酵；銳孔固浴法較適合益生菌包埋但在形態上會對質地比較細膩的食品外觀產生一定影響；流化床、乳液靜電紡絲展現出它們在益生菌包埋上的優勢，但成本過高難以大批量生產。

關鍵詞：益生菌；功能性食品；包埋；屬性；影響

中圖分類號：TS201.3? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2023）06-0067-04

益生菌在調節腸道菌群和改善腸道健康方面有著巨大的潛力。適量攝取益生菌可通過與病原體或有害菌競爭腸道附著點位和營養物質來抑制病原體與有害菌的生長及繁殖[1]。傳統的益生菌食品主要有酸奶和冰淇淋。人們直接攝取微生物時，常因消化系統中含有大量對益生菌不利的因素，而使益生菌難以充分發揮其作用。包埋技術可以很好地解決這一問題，能使益生菌微膠囊化并具有活性地到達作用點。研究表明，不同的包埋方式對腸道菌落調控影響不盡相同，優秀的包埋方式可往靶向作用器官輸送更多的益生菌，從而使整個遞送系統發揮更好作用。

1 包埋技術在益生菌食品中的應用

包埋是通過壁材將芯材進行包裹，保護芯材免受于外界不利因素所造成的活性成分喪失，并對芯材進行充分利用的一項高新環保技術。包埋技術讓很多生物活性成分更容易保存與開發，同時也直接提高了生物活性成分的生物利用率。在益生菌研究中，包埋技術扮演著重要角色。由于益生菌進入人體后，消化系統中的惡劣條件限制了益生菌的活性，使益生菌不能活力滿滿地到達腸道進行定殖發酵或者沒有足夠數量的益生菌到達腸道目標中的靶附位點，從而無法使益生菌在人體內部最大程度地發揮作用。而包埋技術塑造出的微膠囊顆粒在人體腸胃系統短時間內不能被完全消化吸收，這使微膠囊遞送體系在腸道中緩慢潰散，從而達到在體內緩慢釋放的效果，進而使足夠數量的益生菌到達腸道目標位置進行附著并繁殖發酵。

2 益生菌屬性對包埋體系構造的影響

益生菌是活的微生物，當宿主攝入一定數量時會對人體產生一定的健康益處。益生菌作為芯材被包埋后加到食品當中，會使食品性質得到一定的提升，因為包埋的主要優點是可作為一種靶向運載體系，將具有生物活性成分且受到外界影響的物質相對安全地運輸到益生菌能最大程度發揮作用的目的地。益生菌的目的地并不唯一，已有研究將益生菌在腸道定殖發酵的位置分為小腸類、盲腸類、十二指腸類、結腸類等。針對益生菌的不同屬性，對壁材的選擇也有一定差別。根據益生菌發揮作用的位置不同，對壁材分子量的選擇就會有一定差異。高分子量的外殼材料具有較好的抗GIT（胃腸道惡劣環境）優勢，低聚合度的多糖具有更好的增益效果，因此，選擇多糖及膳食纖維作為包埋壁材具有較大優勢，比如以菊芋菊糖為壁材進行包埋植物乳桿菌時，選擇使用10%分子量的菊芋菊糖和80%分子量的天然菊糖進行包埋，對比后發現天然菊糖的包埋率相對較高，但10%分子量的菊糖包埋的微膠囊釋放了更多的短鏈脂肪酸。

3 益生菌包埋方式的選擇

3.1 物理法

3.1.1 超聲 超聲是一項可持續技術，主要通過≥ 20 kHz 的聲波來發揮作用，可分為低強度超聲（高頻100 kHz～1 MHz）和高強度超聲（低頻20～100 kHz）。在微膠囊制備方面，以植物蛋白原料為壁材時一般采用低頻超聲，功率在100～1 000 W/cm2。低頻超聲對植物蛋白而言，因其強大的剪切力、機械力以及硫基的暴露而改變了蛋白質的結構性質，進而影響蛋白質的技術功能性質。

3.1.2 均質 均質是指物料在均質閥或均質刀頭中發生細化和均勻混合的加工過程。均質機在高壓下產生強烈的剪切、撞擊、空穴以及湍流渦旋效應，從而使液態物料或者以液體為載體的固體顆粒達到超微細化的效果，進而增強食品的穩定性，具有乳化、均質效果，可改善食物外觀。均質工藝方法很多，常用的方法包括超聲波均質、高剪切均質、高壓均質等。實際應用中，以高壓均質最為常見。均質是包埋過程中干燥前處理的重要組成部分。

在包埋技術研究中，均質占據很大一部分。均質的性能和作用可在很大程度上滿足包埋過程中壁材封閉的需要。均質的超微細化可使多種高分子聚合物質長鏈斷裂，從而盡可能減少聚集形態在溶液中的出現。聚合物的展開同樣暴露出各種官能團，在溶液中經疏水作用和水合作用，均有可能促進壁材對益生菌完成封閉。在 10 000 r/min均質速率下使用β-環糊精和結冷膠對地衣芽孢桿菌進行包埋研究，通過傅里葉紅外光譜結果可看出結冷膠 O-H基、C-H 基和C=O基都發生了伸縮震動，這說明均質可能使壁材樣品在微膠囊制備中暴露出更多的官能團。

均質不僅能對糖類物質進行一定的改性，對蛋白質類物質同樣具備改性作用，比如在對花生蛋白進行處理時，其明顯改變了疏水基團之間的作用力，并結合出更多的氫鍵。這為包埋開拓了新思路，使包埋壁材不再局限于多糖類材料，蛋白與多糖之間的結合也可實現包埋。

3.1.3 固定化 固定化微生物技術是將微生物高密度集中固定在所選證的載體上，在生物活性適宜的保存條件下使微生物快速、大量增殖的生物技術[2]，具有效率高、穩定性強、能純化和保持高效菌種的特性，且與傳統發酵技術相比，可避免出現生物細胞太小、難與水溶液分離、存在二次污染的問題[3]。因此，固定化微生物技術在食品工業領域具有廣闊的應用前景。

固定化是通過將益生菌放入狹小且安全的場所中來保證其自身活性盡可能不受損耗，其最初主要用于環境材料方面，即利用重復發酵機制就可降低治污成本。在食品領域主要用于發酵，同樣也是利用其可以重復利用的特點。固定化載體不同于其他包埋方式，其他包埋方式傾向于靶向運載體系或緩釋體系，而固定化載體的作用方式雖與緩釋體系有著逐漸緩釋的相同特點，但固定化緩釋作用于食品發酵加工過程，而其他包埋方式大多用于防護、作用于生物體消化過程中。雖然細胞固定化技術也可對細胞起到保護作用，但固定化保護更多用在發酵過程中，且固定化技術能夠在發酵過程中盡量避免傳代的變異。

在利用海藻酸鈉珠將釀酒酵母固定并從油棕空果束發酵產生乙醇的相關研究過程中，在30 ℃、pH 5和0.75 g固定化酵母細胞發酵48 h的條件下，固定化的酵母細胞發酵可獲得最大乙醇濃度。但相同條件下用自由細胞系統發酵乙醇的產率則較低，且采用固定化細胞珠進行二次循環發酵后，乙醇濃度最高為88.125 g/L，產率為1.84 g/L˙h[4]。在固定化發酵啤酒的加工過程中，96 h即可完成發酵，比游離細胞提前完成發酵約24 h，且對其代謝產物及高級醇對比發現，兩種發酵方式并未發現明顯變化[5]。

3.2 物理化學法

3.2.1 等電沉積 等電沉積法也稱為相分離法，是將芯材均勻乳化或混懸在壁材溶液中，再加入另一種物質或溶劑，使壁材的溶解度降低，之后從混合溶液中凝聚出來并包圍在微細化芯材周圍而形成的微膠囊技術方法。在這種包埋方式下，蛋白質扮演著重要角色。在等電點時，蛋白質兩性分子以離子形式存在，其分子靜電荷是零（正負電荷數相等），即沒有相同電荷相互排斥，故蛋白質分子間的相互作用力減弱，顆粒極易發生碰撞，致使溶解度降低，產生沉淀。在包埋方式上，明膠和阿拉伯膠占據相當大的比重，因為pH值對明膠有較大影響，對阿拉伯膠則幾乎沒有什么影響，且明膠在pH值＜4.8時有著大量的陰離子基團，而阿拉伯膠仍帶有陽離子基團，兩者之間相互作用，最終導致凝聚相的形成。明膠與阿拉伯膠對油脂成分具有一定的親和力。在對姜黃素進行包埋研究時發現，其包埋率在89.74%～98.7%之間，粒徑在57～85 μm之間，達到了非常理想的效果；在阿拉伯膠和果膠包埋蘿卜硫素的研究中，也獲得超過80%的包埋率。

等電沉積技術對益生菌包埋的貢獻可能體現在對pH值有著一定的要求，如干酪乳桿菌、凝結芽孢桿菌等耐酸性微生物就是等電沉積技術包埋的優質選擇。在從鴨腳中提取明膠并與糊精、聚葡萄糖、西米淀粉包埋制造成可食性薄膜的研究過程中，其顯著提升了干酪乳桿菌的活性（25%、36%、25%）[5]。阿拉伯膠和明膠組合在多層包埋上為科學家們提供了一定的選擇。pH=4時對植物乳桿菌進行雙重包埋，包埋率達到97.78 % ，粒徑控制在105.66 ± 3.24? μm ，并在體外消化模擬過程中包埋衛生物活力仍能保留80%。

3.2.2 Pickerling 乳化 Pickerling 乳化法屬于相分離法的一種，是用固體納米粒子來代替傳統乳化劑的一種新型乳液聚合方式，近年來在國內外研究者中引起一陣熱度。Pickerling 乳液聚合法制備相變微膠囊材料具有以下優點：一是Pickerling粒子能夠成殼，不僅使微膠囊獲得均一完整的球形結構，還有包埋率高、熱傳導速率快的特點，可有效提高能源利用效率，使相變微膠囊材料的價值得到很大提升。二是Pickerling 粒子的高附著性能可減少乳液液滴聚集的可能性、增強乳液穩定性。三是不添加表面活性劑可避免環境污染，綠色環保。

Pickerling乳化在包埋方面有著獨特優勢，相較于其他方法制成的微膠囊，其粒徑相對較小，這是因為該方法減少了乳液液滴的聚合程度，增大了芯材與壁材的接觸面積，易產生更多微膠囊。但膠囊壁材厚度會受到一定影響，從而得到壁材相對較薄的微膠囊，并使粒徑相對較小。Pickerling乳化法對包埋風味活性、親油性、親水性等物質可能表現得更加適合，比如在使用環糊精包埋肉桂醛的研究中，肉桂醛包封率達91.7%，粒徑可小到5 μm，但在體外消化模擬當中表現并不優異，2 h后幾乎全部釋放[6]。利用馬鈴薯蛋白乳化包埋姜黃素的研究中，包埋率達78.7% ，粒徑達10 μm左右[7]。通過細菌纖維素Pickerling乳化后對維生素E進行包埋時，粒徑只有18 μm左右，乳液對維生素E的包埋效率也有75%[8]。

可見，這種方法對載運益生菌而言并不合適，因為益生菌需要到目標器官定殖才能發揮其功效，且益生菌的靶向器官（結腸或盲腸）對人體消化系統而言相對較遠，需要更好的抗性，而大部分Pickerling乳化法制備的微膠囊壁相對較薄，并不適合此類運載。因此，關于Pickerling 乳化法包埋益生菌的研究很少。

3.2.3 銳孔固浴法 銳孔固浴法也叫注射器固浴法、擠壓法，其基本原理為芯材和壁材溶液借助外力作用，或通過注射器成型，或在凝固浴中與 CaCl2 等無機鹽或醛類物質進行交聯反應，或與帶相反電荷的聚合物發生凝聚反應，或通過熱改性使壁材凝聚沉淀成膜將芯材包埋，最終形成微膠囊。其中，針對Ca2+ 的研究更加豐富，原因可能是Ca2+自身化合價較高，其屏蔽蛋白質分子間靜電力的作用較大。此外，Ca2+可在帶負電荷的蛋白質分子之間形成鹽橋，最終導致Ca2+凝膠能力強于類型鹽離子的凝膠能力[9]。該方法制作的微膠囊粒徑相對較大，甚至可達毫米計數。膠囊外殼相對較厚，因此在消化過程中會具備較大優勢，比如在使用豌豆分離蛋白和海藻酸鈉對羅伊氏乳桿菌行進封裝包埋時，雖然微膠囊肉眼可見，但在體外消化模擬過程中，消化5 h后的益生菌比未包埋的益生菌顯著增加3 log CFU/g，且擠壓制備的過程還可促進微膠囊壁材之間的交聯。在通過溶膠-凝膠轉換交聯方法來制備微膠囊的過程中，纖維素在 Ca2+ 的致孔作用下，纖維素互聯網結構轉換為蜂窩結構，這提升了植物乳桿菌的容納能力，并在6 h消化后達到 5.80×108 CFU/mL 的釋放當量，且銳孔固浴法制成的微膠囊因外殼較厚而使其在儲藏時獲得了更好的穩定性。在海藻酸鈉-刺槐豆膠-胡蘆芭基質對乳酸菌的包埋研究中，4 種乳酸菌包埋后在胃腸消化模擬當中仍能存活85%以上的益生菌，儲藏期間仍能具備良好的活性。

3.3 新型微膠囊包埋方式

3.3.1 自動噴泡封裝 自動噴泡封裝也稱流化床包埋、空氣懸浮包埋、噴霧包埋等。其基本原理是使用流化床，再通過熱氣流使芯材粉末懸浮或有規則地快速運轉，然后把壁材溶液霧化形成包衣區，當芯材顆粒運動到包衣區時，芯材粉末表面反復被涂層和干燥，從而進一步達到微膠囊化的目的。其過程包括成膜霧化成微滴、微滴附著芯材表面、微滴鋪展、微滴間融合、蒸發干燥、成膜熱愈合。只要縮小益生菌暴露在熱空氣和濕氣中的時間間距，此種包埋方式對水分敏感的益生菌粉末就是有利的。由于流化床中芯材與壁材具有較強不斷接觸的特點，可更方便地制成表面光滑及多層壁材的微膠囊，比如在使用熱熔流化床對嗜酸乳桿菌進行包埋的研究中所制成的微膠囊表面較為光滑，粒徑在200～300 μm之間，在消化模擬當中也展現出自身優勢，且流化床制備微膠囊的干燥方式也使微膠囊儲藏穩定性有部分提升。在流化床制備益生菌微膠囊時，益生菌損耗0.8 log CFU/g，但在使用冷凍干燥時卻消耗了1.3 log CFU/g，在不同水分活度儲藏45 d的情況下，流化床制備出的微膠囊仍能保持8 log CFU/g以上。

3.3.2 乳液靜電紡絲 乳液靜電紡絲作為一種新興的靜電紡絲技術，已被用于從油包水（W/O） 或水包油（O/W） 乳液中制造核殼結構的微纖維和納米纖維。在靜電紡絲過程中，不同相之間的粘度差異可引起乳液液滴的向內運動，乳液液滴在高壓電場下會被拉伸到核殼纖維中。除了各種結構優點如定制形態、高孔隙率和高表面積與體積比之外，乳液基電紡纖維還具有核-殼結構，該結構允許使用固化聚合物來作為屏障在核部分中封裝生物活性化合物。因此，基于乳液的電紡纖維可在不損害其生物活性的情況下來實現對生物活性化合物的保護和控制釋放。通過使用食品級聚合物和生物聚合物可以實現大規模生產、有效封裝和增強細胞穩定性，一些研究已經使用靜電紡絲技術來封裝益生菌，例如López-Rubio等使用基于蛋白質的基質（濃縮乳清蛋白）和基于碳水化合物的基質，通過靜電紡絲封裝動物雙歧桿菌亞種乳酸 Bb12，發現基于濃縮乳清蛋白的亞微膠囊和微膠囊在細胞活力方面得到了更大的改善[10]；Fung等以支鏈淀粉為基礎結構，使用來自農業廢棄物streamsokara（大豆固體廢棄物）、油棕樹干（OPT）和油棕葉（OPF）的可溶性膳食纖維 （SDF） ，通過靜電紡絲法包埋嗜酸乳桿菌FTDC 8933，發現靜電紡絲后益生菌存活率高達78.6%～90％，且在冷藏溫度下儲存21 d期間仍能保持活力[11]。盡管近年來靜電紡絲的應用數量及其在食品系統（實驗室規模）中的潛力得到認可，但該技術作為配送工具在食品行業工業化規模應用中仍然有限。納米纖維的潛力尚未在食品工業中廣泛應用可歸因于對合成聚合物（在食品應用中不可接受）而不是食品級生物聚合物的研究盛行。因此，探索使用靜電紡絲封裝益生菌的新型食品級壁材可能成為所有食品研究人員的潛在領域。

3.4 干燥方法

微膠囊往往以固體粉末形式呈現，而從乳液到粉末形態需要一定的干燥技術。干燥方式對益生菌活性具有一定影響，主要分為噴霧干燥、流化床干燥和冷凍干燥。

噴霧干燥常用于制備益生菌微膠囊粉末。技術內容包括：將含有益生菌的液體霧化成微小液滴，并在加熱室中暴露于熱氣體中，再通過傳熱和傳質過程將其干燥。在這個過程中，會出現高溫、大滲透壓差、脫水和氧化應激，這會對益生菌膜成分（脂肪酸、蛋白質）和細胞內物質（核糖體、DNA和RNA）造成損害，導致許多益生菌在這個過程中被破壞。此外，益生菌用以粘附表面的菌毛受損后會降低其在腸道中的定殖能力。熱風溫度中的進風及出風溫度會嚴重影響整個包埋過程，對易氧化、易熱降解、易熱失活的微生物芯材而言，操作過程中一旦溫度過高就可能破壞芯材，這與微膠囊保護及靶向運輸益生菌的目標背道而馳。

流化床干燥時，含有益生菌的液滴懸浮在熱空氣中，因此益生菌也會遇到高溫，這會破壞它們的細胞結構，導致其生存能力顯著下降。如果能夠控制微生物暴露在熱空氣中的時間，則會取得不錯的效果。對比之下，熱熔可能是流化床包埋益生菌的不錯方法。

冷凍干燥對微生物而言是一個相對溫和的過程，因為其不涉及到高溫利用。然而，在這一過程中，益生菌必須首先在低溫冰箱中預冷，這就可能會降低益生菌的生存能力。在形成冰晶的過程中，細胞失去結合的水，導致細胞膜和細胞器被破壞，同時，較大的滲透壓和較低的溫度環境會使益生菌失活。高能耗和長處理時間意味著冷凍干燥成本通常是噴霧干燥的35～50倍，這限制了其商業應用。

4 結語

包埋微膠囊化無疑在推動食品行業的發展，一個精致的益生菌微膠囊食品往往要根據芯材和壁材的特性來選擇合適的包埋方法。超聲方式可能會對蛋白質壁材改性進而產生一定影響；均質處理可對溶液進行乳化，并使多糖壁材原料產生交聯反應；等電沉積法可能更適合耐酸性的益生菌；雖然Pickerling 乳化法可以獲得更小的粒徑和更高的包埋率，但不能保證大量益生菌進入靶向器官并在附著位點上繁殖發酵；銳孔固浴法比較適合益生菌的包埋，但在形態上可能會對質地比較細膩的食品外觀產生一定影響（如花生醬）；而流化床、乳液靜電紡絲展現出它們在益生菌包埋上的優勢，但成本過高難以大批量生產。因此，根據壁材和芯材特性以及食品基質來選擇合適的包埋方式是明智之舉。

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Effect of Embedding Method on Functional Food with Probiotics

XU Liwei1， XIE Mengxi1， GUO Yingxu2， YU Miao1*

（1.Institute of Food and Processing， Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang 110161， China；2.Light Industry College of Liaoning University， Shenyang 110034， China）

Abstract：? The suitable embedding method of probiotic microencapsulated food is often selected according to the characteristics of core material and wall material. The ultrasonic mode may have some influence on the modification of protein wall material; Homogenization treatment can emulsify the solution and produce cross-linking reaction of polysaccharide wall material； Isoelectric deposition may be more suitable for acid-resistant probiotics; Pickerling emulsification method can obtain smaller particle size and higher embedding rate， but it cannot guarantee that a large number of probiotics enter the targeted organ and multiply and ferment at the attachment site; Perforated solid bath method is more suitable for probiotics embedding， but it will have a certain effect on the appearance of delicate food; Fluidized bed and emulsion electrospinning show their advantages in the embedding of probiotics， but the cost is too high to mass production.

Key words：? probiotics; functional food; embedding; property; effect

收稿日期：2023-10-08

基金項目：2021年遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關項目（2021JH1/10400038）；2021年遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關項目（2021JH1/10400034）

作者簡介：徐立偉（1980—），男，碩士，助理研究員，從事食品生物技術方向的研究工作。

通信作者：于 淼（1981—），女，博士，研究員，從事食品功能因子方向的研究工作。