益生菌制劑加工技術(shù)的研究概況

胡珊，胡事君，吳清平，羅華建，梁衛(wèi)驅(qū)，羅詩(shī)，陳仕麗

（1.東莞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心，廣東 東莞 523086；2.廣東省微生物研究所 廣東省菌種保藏與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070）

益生菌制劑加工技術(shù)的研究概況

胡珊1，胡事君1，吳清平2，羅華建1，梁衛(wèi)驅(qū)1，羅詩(shī)1，陳仕麗1

（1.東莞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心，廣東 東莞 523086；2.廣東省微生物研究所 廣東省菌種保藏與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070）

對(duì)目前益生菌制劑的加工技術(shù)，包括：噴霧干燥技術(shù)、冷凍干燥技術(shù)、包埋技術(shù)的研究概況進(jìn)行了綜述。噴霧干燥技術(shù)中優(yōu)化工藝參數(shù)、熱應(yīng)激蛋白、細(xì)胞損傷位置和機(jī)理研究，提高益生菌制品的質(zhì)量；冷凍干燥技術(shù)中保護(hù)劑、冷應(yīng)激蛋白對(duì)益生菌保護(hù)作用研究；包埋技術(shù)中重點(diǎn)介紹了微膠囊包埋技術(shù)的包囊材料、包埋方法的研究對(duì)益生菌制劑的改良。

益生菌制品；噴霧干燥；冷凍干燥；微膠囊包埋

0 引 言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)身體健康的關(guān)注度日趨升高。益生菌具有包括改善消化系統(tǒng)功能、增強(qiáng)免疫、降低血脂血壓、抑制有害微生物、恢復(fù)肝功能、甚至抗惡性腫瘤等多種益生功能，其制劑倍受青睞。益生菌制劑中益生菌要能耐胃酸膽汁，活菌到達(dá)腸道并定于腸黏膜上才能對(duì)人體產(chǎn)生有益作用。為了保障益生菌制劑的保健作用，學(xué)者對(duì)噴霧干燥、冷凍干燥和包埋等益生菌制劑的的加工技術(shù)進(jìn)行了大量研究。本文將益生菌制劑加工技術(shù)的研究概況進(jìn)行歸納分析，以期為進(jìn)一步研究提供參考。

1 噴霧干燥技術(shù)

噴霧干燥是食品工業(yè)應(yīng)用悠久、廣泛，是成本極為廉價(jià)的一種固定化方法，方法是以單一工序?qū)⑷芤?、乳液、懸浮液或漿狀物加工成粉狀干燥制品。將被干燥的液體經(jīng)霧化器作用，噴成非常細(xì)微的霧滴，并依靠干燥介質(zhì)（熱空氣、冷空氣、煙道氣或惰性氣體）與霧滴均勻混合，進(jìn)行熱交換和質(zhì)交換，使得溶劑氣化或使得熔融物固化。

對(duì)噴霧干燥法造成的細(xì)胞損傷位置和機(jī)理的研究，有助于優(yōu)化噴霧干燥技術(shù)在益生菌制劑生產(chǎn)中的應(yīng)用[3]。噴霧干燥過(guò)程中細(xì)胞損傷主要由于是高溫和干燥脫水。細(xì)胞失水可能引起細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能完整性的不可逆變化，這些基本的功能和結(jié)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞存活和保持功能性至關(guān)重要。噴霧干燥溫度對(duì)微生物的致死作用主要是由于蛋白質(zhì)、核酸與酶系統(tǒng)等重要生物高分子的氫鍵受到破壞，導(dǎo)致菌體蛋白質(zhì)凝固變性，核酸發(fā)生降解變性失活，從而破壞細(xì)胞的組成；熱溶解細(xì)胞膜上類脂質(zhì)成分形成極小的孔，使細(xì)胞內(nèi)容物泄漏，從而導(dǎo)致死亡。在噴霧干燥對(duì)保加利亞乳桿菌細(xì)胞膜的影響研究中發(fā)現(xiàn)，噴霧干燥后受損傷細(xì)胞內(nèi)一些細(xì)胞質(zhì)（蛋白質(zhì)、核酸、鉀離子）部分流失。

近年來(lái)，噴霧干燥技術(shù)研究主要聚焦在工藝參數(shù)的優(yōu)化，如適合培養(yǎng)基的選擇，不同保護(hù)劑的添加，不同出口溫度的存活率等。Ananta[2]等人評(píng)價(jià)了以脫脂乳為保護(hù)劑的益生菌Lactobacillus rhamnosusGG （標(biāo)準(zhǔn)株53103）噴霧干燥的可應(yīng)用性。在不同出口溫度（70～100℃）條件下進(jìn)行噴霧干燥，當(dāng)出口溫度為80℃時(shí)，以脫脂乳為載體噴霧獲得60%的存活率。共聚焦掃描激光顯微鏡光學(xué)切面技術(shù)也揭示了奶粉可以保護(hù)噴霧過(guò)程中的益生菌。此外，以益生元（低聚果糖和聚葡萄糖）為載體代替部分脫脂乳也獲得高的存活率。陸英等[3]研究表明出風(fēng)溫度越低，存活率越高，但水分含量也越大。出風(fēng)溫度為70℃時(shí)，水分達(dá)到5.14%，菌體存活率在2.02%；80℃時(shí)，水分達(dá)到4.11%，存活率則下降到1.54%?？紤]到貯藏性，3%以上的水分含量偏高，易帶來(lái)存活菌數(shù)快速下降的問(wèn)題，因此應(yīng)平衡產(chǎn)物水分與菌體存活率來(lái)選擇出風(fēng)溫度。

在噴霧干燥技術(shù)中，應(yīng)用熱休克生理調(diào)節(jié)可能增加益生菌存活率，并能增強(qiáng)其適應(yīng)能力。陸英等[2]對(duì)酪乳桿菌（Lactobacillus caseiBD-II）的抗熱性以及不同熱激條件對(duì)抗熱性的影響進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了最適熱激條件：菌齡7 h的細(xì)胞在熱激溫度50℃下處理45 min。在此條件下存活率為0.146%，較未處理細(xì)胞提高2.11倍。通過(guò)對(duì)加熱誘導(dǎo)不同階段的保加利亞乳桿菌的耐熱性的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞熱休克反應(yīng)受菌齡和加熱過(guò)程的影響，加熱能誘導(dǎo)指數(shù)期細(xì)胞的耐熱性，然而對(duì)穩(wěn)定期沒(méi)有影響。穩(wěn)定期的細(xì)胞相對(duì)于指數(shù)期有更好的耐熱性，熱休克反應(yīng)雖然增加了指數(shù)期細(xì)胞耐熱性，但細(xì)菌存活率還是比穩(wěn)定期低。

噴霧干燥技術(shù)由于其設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易于推廣、有利于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而在益生菌制品生產(chǎn)中大量應(yīng)用。對(duì)益生菌耐熱性、存活率、儲(chǔ)存期穩(wěn)定性、細(xì)胞損傷位置和機(jī)理的研究將有助于最佳的益生菌制品。

2 冷凍干燥技術(shù)

冷凍干燥技術(shù)將濕物料或溶液在較低的溫度（－10～－50 ℃）下凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空（1.3～13 Pa）下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，最終使物料脫水的干燥技術(shù)。物料的干燥在凍結(jié)狀態(tài)下完成，與其他干燥方法相比，物料的物理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)變化極小，其組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)被較好地保存，并具有優(yōu)異的復(fù)水性，可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)干燥前的狀態(tài)。由于干燥過(guò)程是在很低的溫度下進(jìn)行，而且基本隔絕了空氣，因此有效地抑制了熱敏性物質(zhì)發(fā)生生物、化學(xué)或物理變化，并較好地保存了原料中的活性物質(zhì)。因此，冷凍干燥技術(shù)是目前最好的保藏菌種方法之一，廣泛用于益生菌制劑凍干粉和益生菌保藏菌種等方面。

益生菌冷凍干燥技術(shù)凍干是冷凍和干燥技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，細(xì)胞在凍干過(guò)程中要經(jīng)受冷凍和干燥兩種激烈因素的作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜物理?xiàng)l件或敏感蛋白結(jié)構(gòu)的變化，使細(xì)胞活力下降[4]。微生物冷凍干燥期間細(xì)胞內(nèi)外的水分凍結(jié)成冰，冰晶生長(zhǎng)產(chǎn)生的機(jī)械力量會(huì)引起細(xì)胞機(jī)械損傷[4]。同時(shí)凍干引起溶質(zhì)效應(yīng)會(huì)使細(xì)胞水分溢出，具有生物活性的酶蛋白和抑制因子變性失活，細(xì)胞膜發(fā)生膜滲透性增加,使胞內(nèi)的物質(zhì)與胞外水溶性物質(zhì)無(wú)控制地進(jìn)行雙向交換,從而造成細(xì)胞的代謝損傷[5]。凍干會(huì)使細(xì)胞膜上的脂肪酸發(fā)生變化,使細(xì)胞膜的完整性會(huì)受到破壞,微生物細(xì)胞因此出現(xiàn)損傷[6]。

許多研究發(fā)現(xiàn)在乳酸菌凍干前加入適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)能起到保護(hù)作用，凍干保護(hù)劑如甘油、聚乙二醇、氨基酸、糖類保護(hù)劑，不僅影響乳酸菌在凍干過(guò)程中的細(xì)胞存活率，還影響保藏期間的細(xì)胞穩(wěn)定性[8]。對(duì)于絕大多數(shù)細(xì)菌冷凍干燥成功的關(guān)鍵在于有效保護(hù)劑的使用，保護(hù)劑可以改變生物樣品冷凍干燥時(shí)的物理、化學(xué)環(huán)境，減輕或防止冷凍干燥或復(fù)水對(duì)細(xì)胞的損害，盡可能保持原有的各種生理生化特性和生物活性[9]。糖類保護(hù)劑如單糖、雙糖、多糖等對(duì)微生物細(xì)胞的凍干脫水具有顯著的保護(hù)作用。糖類保護(hù)劑中二糖的保護(hù)作用是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[10]。嚴(yán)佩峰[11]研究發(fā)現(xiàn)嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌凍干保護(hù)劑的最優(yōu)配方為：脫脂乳10%、維生素C0.5%、谷氨酸鈉0.5%、明膠1.5%。且在冷凍干燥過(guò)程中保護(hù)作用越好的凍干保護(hù)劑，其在保藏過(guò)程中的保護(hù)作用也越明顯。在所選的6種凍干保護(hù)劑中，甘油的凍干保護(hù)效果最好，其次是麥芽糊精、蔗糖、維生素C、乳糖、谷氨酸鈉。復(fù)合凍干保護(hù)劑對(duì)嗜酸乳桿菌凍干保護(hù)效果顯著，最佳凍干保護(hù)劑組合為5%甘油、2%麥芽糊精、2.5%蔗糖。

由于溫度的突然降低，微生物自身要經(jīng)受一系列物理和化學(xué)變化，包括一系列蛋白的合成，稱為冷應(yīng)激蛋白。冷應(yīng)激蛋白的存在使菌體的耐冷能力增強(qiáng)，這種過(guò)程可看成是微生物在低溫條件下保護(hù)自己的一種機(jī)制。研究將乳桿菌經(jīng)冷應(yīng)激（10℃，5 h）處理后，菌體內(nèi)出現(xiàn)一種分子量約6.3 ku的蛋白，而未經(jīng)處理的乳桿菌不含這種蛋白，冷凍后的兩種乳桿菌的存活率分別是83%和34%。許多研究者已經(jīng)證明經(jīng)過(guò)冷應(yīng)激處理的菌體，凍干后的存活率明顯的提高，但隨著凍干后長(zhǎng)時(shí)間的貯存，冷應(yīng)激蛋白的作用會(huì)明顯下降。李春[3]等以糞腸球菌為試驗(yàn)菌株，在遲緩期、對(duì)數(shù)期中期和末期3個(gè)階段取樣進(jìn)行休克處理，未處理樣為對(duì)照。結(jié)果表明：在對(duì)數(shù)期中期2 h冷休克處理的樣品產(chǎn)生的休克蛋白高于4、8、24樣品；10℃處理樣品休克蛋白產(chǎn)生量高于20℃處理樣品；對(duì)數(shù)期中期樣品休克蛋白高于遲緩期樣品。經(jīng)一個(gè)月貯藏試驗(yàn)，10℃處理樣品存活效果強(qiáng)于20℃和4℃；對(duì)數(shù)期中期取樣（10℃，8 h）休克處理效果最好。

與氣流干燥、噴霧干燥等其他干燥技術(shù)相比，真空冷凍干燥設(shè)備投資大，能源消耗及益生菌生產(chǎn)成本較高，因此該技術(shù)多運(yùn)用于益生菌的保藏菌種和制作凍干粉。

3 包埋技術(shù)

包埋技術(shù)即給益生菌包裹在“保護(hù)衣”以抵御外界環(huán)境的侵害。益生菌的包埋技術(shù)包括以下兩種：巨包埋技術(shù)、微膠囊包埋技術(shù)。巨包埋技術(shù)一般是利用硬膠囊包裹，將益生菌填裝于空心硬質(zhì)膠囊中或密封于彈性軟質(zhì)膠囊中而制成的固體制劑，空心硬質(zhì)膠囊殼材料（即囊材）主要是明膠、甘油、水以及其它的藥用材料。其能保護(hù)益生菌通過(guò)胃部，但是不易溶解，而且應(yīng)用范圍窄，只能用在膠囊型商品上，同時(shí)不耐久存。

微膠囊包埋技術(shù)作為保護(hù)益生菌免受外界環(huán)境侵害的最有效方法，已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。所謂微膠囊技術(shù)就是利用天然的或者合成的高分子包囊材料，將固體的、液體的、甚至是氣體的微小囊核物質(zhì)包覆形成直徑在1～5 000 μm范圍內(nèi) （通常是在5～400 μm之間)的一種具有半透性或密封囊膜的微型膠囊技術(shù)。

益生菌制劑作為功能性食品，其包囊材料除要符合食品衛(wèi)生法的有關(guān)要求，做到無(wú)毒無(wú)臭，同時(shí)包囊材料的選擇對(duì)制劑產(chǎn)生改良作用。除傳統(tǒng)的高分子聚合物如海藻酸鈉、明膠、殼聚糖等[12]，利用淀粉較大的吸附能力和多孔淀粉的類似馬蜂窩的獨(dú)特中空結(jié)構(gòu)將益生菌吸附包埋其中，從而起到減少細(xì)胞釋放的作用。劉萍[13]運(yùn)用微孔淀粉吸附乳酸菌，以海藻酸鈉做壁材，CaCl2做固化液，用擠壓法制備乳酸菌微囊。研究結(jié)果表明通過(guò)此方法制備的微膠囊不僅具有良好的耐酸性和腸溶性而且比單一用海藻酸鈉作壁材時(shí)的活菌含量高，干燥后的微膠囊在室溫條件下存儲(chǔ)半個(gè)月后，每克樣品的活菌量仍然達(dá)到105基數(shù)，具備了良好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。姚衛(wèi)蓉[14]等研究發(fā)現(xiàn)多孔淀粉吸附活菌制備活菌粉，在非嚴(yán)格厭氧條件下加速儲(chǔ)藏，菌體的存活性能要優(yōu)越于不用多孔淀粉吸附直接冷凍干燥的活菌粉的。此外，明膠甲醛、蟲(chóng)膠、羧甲基纖維素鈉和苯二甲酸醋酸纖維素等腸溶性包囊材料的篩選有利于防止胃液的破壞，從而使盡可能多的菌體到達(dá)腸道。研究采用蟲(chóng)膠-乙醇作為結(jié)合劑和涂膜劑制得含雙歧桿菌的腸溶性顆粒。曹永梅等[15]將雙歧桿菌粉與低聚糖及淀粉一起分散于熔化的氫化油脂中 (熔點(diǎn)在35℃左右)作為心材,明膠/果膠溶液作為壁材，制備腸溶性微膠囊制劑。

除了對(duì)益生菌包囊材料的研究，學(xué)者微膠囊的包埋形式進(jìn)行了有益研究，研制出雙層包埋技術(shù)、多層包埋技術(shù)，以利于益生菌在腸道內(nèi)更好地靶標(biāo)定殖。雙層包埋技術(shù)是在乳酸菌表面包覆蛋白質(zhì)，然后再包一層特殊膠體。利用這種特殊包埋技術(shù)，最外層的膠體在強(qiáng)酸性的胃酸中凝結(jié)，保護(hù)乳酸菌。當(dāng)益生菌進(jìn)入有較高pH值的十二指腸時(shí)，膠體自然分解溶化，釋放益生菌，然后第二層的蛋白質(zhì)就會(huì)促進(jìn)益生菌與腸壁纖毛附著，同時(shí)提供益生菌繁殖所需營(yíng)養(yǎng)。不僅可有效延長(zhǎng)益生菌在產(chǎn)品保存期的活性，也保護(hù)益生菌不受胃酸的侵蝕而安全到達(dá)小腸、大腸后定殖產(chǎn)生功效。William[16]等研究發(fā)現(xiàn)雙層包埋益生菌具有耐久存、耐酸和優(yōu)越的熱穩(wěn)定性。王荻[17]等發(fā)明了以海藻酸鈉、氯化鈣和殼聚糖為微膠囊包被材料，以乳酸菌或雙歧桿菌為囊芯物，利用海藻酸鈉與氯化鈣發(fā)生離子交換形成海藻酸鈣包被，再利用海藻酸鈣與殼聚糖等電點(diǎn)不同使殼聚糖在海藻酸鈣表面形成二次包被，低溫冷凍干燥后制成多層包被益生菌微膠囊，以達(dá)到長(zhǎng)期保存并能在腸道定位釋放的效果。陳健凱[18]等采用雙層包埋方法，以牛奶蛋白為內(nèi)層包埋劑，K-卡拉膠和刺槐豆膠為外層包埋劑，對(duì)嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌進(jìn)行雙層包埋。結(jié)果表明，雙層包埋乳酸菌在上述試驗(yàn)條件中比未包埋乳酸菌保持更高的存活率，顯示出用這種雙層材料包埋的乳酸菌具有穩(wěn)定的生物活性，耐久存，耐胃酸，耐60℃高溫，適于在酸奶中應(yīng)用。戚薇等[19]采用雙層包埋法對(duì)益生菌進(jìn)行了微膠囊化。他們先以明膠、黃原膠、果膠等為復(fù)合膠體，包裹菌體形成耐酸的保護(hù)層，再用殼聚糖/海藻酸鈉符合體系通過(guò)表面交聯(lián)形成耐酸性能更好的雙層微膠囊。結(jié)果表明在使用明膠和黃原膠雙層包埋的微膠囊，常溫儲(chǔ)存半個(gè)月后，活菌數(shù)仍然高達(dá)2.3×1010cfu/g。

在囊化的益生菌培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)遇到膠粒的穩(wěn)定性問(wèn)題使得細(xì)胞從膠粒中釋放出來(lái)，從而引起下批發(fā)酵時(shí)初始細(xì)胞數(shù)的下降。因此，改善膠粒穩(wěn)定性的問(wèn)題成為微膠囊包埋技術(shù)的關(guān)鍵。研究者在此方面做了許多研究。用陽(yáng)離子聚合物進(jìn)行交聯(lián)。海藻酸鈉的膠粒通過(guò)與陽(yáng)離子聚合物交聯(lián)，使海藻酸鈉變得穩(wěn)定。這些陽(yáng)離子聚合物在膠粒周圍形成膜，用戊二醛噴灑膠粒一直被認(rèn)為是減少細(xì)胞釋放的穩(wěn)定技術(shù)。研究者采用4%的殼聚糖和1,6－二異氰酸酯或戊二醛交聯(lián)形成的膜，獲得了強(qiáng)度較大的微膠囊，這種雙功能劑和殼聚糖的反應(yīng)形成了連接殼聚糖分子的橋，橋的長(zhǎng)度取決于交聯(lián)劑的類型。用高濃度的明膠和2,4-二異氰酸甲苯交聯(lián)，去包囊乳酸乳球菌乳脂亞種取得了同樣的結(jié)果[20]。用殼聚糖、聚賴氨酸等聚合物涂膜。有報(bào)道用殼聚糖在海藻酸鈉膠粒表面裹膜，發(fā)現(xiàn)將海藻酸鈉膠粒懸浮在低分子量的殼聚糖溶液中形成膜后，細(xì)胞釋放可以減少40%。還發(fā)現(xiàn)低分子量的殼聚糖比高分子量的更易滲透到海藻膠基質(zhì)中，形成更加緊密的膜。研究用聚賴氨酸對(duì)膠粒進(jìn)行包膜的實(shí)驗(yàn)，聚賴氨酸有較好的生物相容性，可以應(yīng)用于食品工業(yè)，如酸奶的生產(chǎn)。但研究指出，用單層的聚賴氨酸涂膜海藻酸鈉膠粒時(shí)減少細(xì)胞釋放的作用不明顯，但用聚賴氨酸雙層涂膜時(shí)可以減少近50%的細(xì)胞釋放[21]。

4 討 論

益生菌制劑加工技術(shù)對(duì)提高益生菌制劑質(zhì)量有至關(guān)重要的作用，深刻影響著益生菌制品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)化和技術(shù)間的聯(lián)合運(yùn)用有利于改良益生菌制劑的加工技術(shù)。如將微膠囊技術(shù)與噴霧干燥、冷凍干燥技術(shù)聯(lián)合使用的研究，微膠囊化益生菌能提高對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)干燥和冷凍環(huán)境的耐受性，益生菌微膠囊化后進(jìn)行噴霧干燥，冷凍干燥能提高活菌數(shù)；優(yōu)良壁材的篩選研究，如與益生菌有更好相容性的壁材、包囊材料之間復(fù)配研究，或通過(guò)化學(xué)修飾等功能性改造，以更好創(chuàng)造益生菌保持活力的微環(huán)境等；包囊的益生菌作為發(fā)酵劑以優(yōu)化發(fā)酵和生產(chǎn)液體制劑工藝等方面都值得進(jìn)一步研究探索。

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Survey and outlook of the processing technology of probiotics

HU Shan1，HU Shi-jun1，WU Qing-ping2，LUO Hua-jian1LIANG Wei-qu1，LUO Shi1，CHEN Shi-li1
（1.Dongguan Agricultural Research Center,Dongguan 523086，China；2.Guangdong Institute of Microbiology,Guangzhou 510070，China）

The processing technology of probiotics is the keyword of improving the product and enhancing the health function.This paper is a survey and outlook of the processing technology of Probiotics,including spray-drying,freeze-drying,embedding.In spray-drying,it would be improved the probiotics to optimize the craft of parameters,study the heat shock protein and the cellular injuries site and mechanism.The freeze-drying focus the research on cryoprotectant and cool shock protein.The microencapsulation research include improving embedded material,double-coated technology

probiotics；spray-drying；freeze-drying；microencapsulation

Q93-33

B

1001-2230（2010）03-0047-04

2009-11-02

粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目招標(biāo)東莞專項(xiàng)(2007168603)。

胡珊（1981-），女，碩士，從事微生物方面的研究。

梁衛(wèi)驅(qū)