乳酸菌微膠囊包埋技術(shù)與常用壁材的研究進(jìn)展

劉仁杰 - 李 哲 毛思凝 - 梁 珊ANG 趙 悅 王玉華 -

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

乳酸菌是對(duì)從發(fā)酵性碳水化合物中產(chǎn)生的大量乳酸的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的通稱[1]。乳酸菌隸屬于乳酸菌科，形態(tài)差異大，有長(zhǎng)桿、短桿或圓形[2]。一些乳酸菌是人和動(dòng)物胃腸道和雌性生殖道的共生菌，可以改善人和動(dòng)物的健康狀況[3]，乳酸菌的益生功能在醫(yī)藥、食品和飼料等領(lǐng)域研究廣泛。乳酸菌對(duì)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(zhǎng)和定植，產(chǎn)生抗菌性代謝產(chǎn)物[4]。部分乳酸菌還能激活特異性和非特異性免疫細(xì)胞，提高機(jī)體的免疫功能[5]。乳酸菌細(xì)胞壁具有與變異原性物質(zhì)結(jié)合的能力，使變異原不能活化，從而減弱或消除變異原物質(zhì)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(shù)>106CFU/mL時(shí)才能發(fā)揮益生作用[7]。然而絕大多數(shù)乳酸菌對(duì)不良環(huán)境抵抗力差，加工過(guò)程中易受溫度、氧氣、溶劑和機(jī)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(shù)大量降低，最終無(wú)法發(fā)揮益生功效。乳酸菌微膠囊包埋技術(shù)是一種乳酸菌的保護(hù)措施，可以增強(qiáng)菌體對(duì)外界不良環(huán)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(fā)揮乳酸菌益生功能[8-11]。文章就乳酸菌微膠囊包埋技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)常用壁材的包埋方法進(jìn)行綜述，以期為乳酸菌微膠囊的研究和應(yīng)用提供理論參考和技術(shù)支撐。

1 包埋技術(shù)概述

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

微膠囊包埋技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，1936年大西洋海岸漁業(yè)公司首次在液體石蠟中制備了魚(yú)肝油明膠微膠囊并申請(qǐng)專利。1957年穆?tīng)柶髽I(yè)公司申請(qǐng)了噴霧干燥制備微膠囊的專利，促進(jìn)了微膠囊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1958年，各國(guó)申請(qǐng)了20多項(xiàng)關(guān)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(shù)的發(fā)明使微膠囊產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。70年代后，微膠囊技術(shù)的成熟擴(kuò)展了微膠囊的應(yīng)用范圍，進(jìn)入醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品等行業(yè)[15]。

2 微膠囊包埋方法對(duì)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(jìn)行不可逆的聚合反應(yīng)，并在溶液界面處析出不溶性聚合產(chǎn)物[16]。界面聚合法的工藝成熟，反應(yīng)條件溫和，設(shè)備比較簡(jiǎn)單，反應(yīng)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(yè)產(chǎn)品。但界面聚合的交聯(lián)劑普遍存在毒性，影響乳酸菌的生存率，同時(shí)對(duì)人體有潛在危害，故難以廣泛運(yùn)用[17]。此外，后續(xù)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(guò)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(jù)分散介質(zhì)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(jiǎn)單，材料來(lái)源廣，在食品、藥品中運(yùn)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(dá)到99.52%，與未經(jīng)包埋的乳酸菌相比耐酸性顯著增強(qiáng)，然而微膠囊粒徑分布較寬，對(duì)乳酸菌的保護(hù)效果存在個(gè)體差異性。此外相分離法制備乳酸菌微膠囊過(guò)程中易出現(xiàn)微膠囊聚集，增加加工時(shí)間及成本。而且制備過(guò)程中的溫度和pH值會(huì)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(yùn)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(guò)霧化裝置霧化成微小液滴，進(jìn)一步受熱干燥固化形成粉狀微膠囊[20]。噴霧干燥技術(shù)成熟，生產(chǎn)效率高，成品分散性好且適合連續(xù)生產(chǎn)。謝桂勉[21]將乳酸菌進(jìn)行噴霧干燥，發(fā)現(xiàn)乳酸菌生存率僅為17.1%，表明高溫干燥會(huì)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(guān)鍵。吳德龍等[22]發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口溫度會(huì)影響乳酸菌活性，進(jìn)風(fēng)口溫度80 ℃以上時(shí)乳酸菌生存率會(huì)迅速下降。而郭云等[23]研究發(fā)現(xiàn)，出風(fēng)口溫度對(duì)微膠囊的影響顯著大于進(jìn)風(fēng)口，當(dāng)出風(fēng)口溫度為85 ℃，菌體存活率僅為33.18%，降低進(jìn)出風(fēng)口溫度，能改善微膠囊性能，提高乳酸菌活性。此外，Wongsasulak等[24]發(fā)現(xiàn)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(duì)乳酸菌的損傷。噴霧干燥法生產(chǎn)效率高，但處理溫度普遍較高，用于規(guī)?；a(chǎn)的噴霧干燥設(shè)備體積較大且價(jià)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(chǎng)作用下進(jìn)行噴射，通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)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(wú)需使用有機(jī)溶劑，作用條件溫和，可調(diào)節(jié)微膠囊的粒徑大小，反應(yīng)迅速，生產(chǎn)效率高[26]。Piyigraisrn等[27]運(yùn)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(dá)到90%左右。此外，此法還可以與其他干燥技術(shù)結(jié)合，提高微膠囊性能。Yao等[28]運(yùn)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(jīng)包埋的唾液乳桿菌相比，在模擬胃腸道試驗(yàn)中活菌數(shù)提高了4個(gè)對(duì)數(shù)級(jí)。目前高壓靜電噴霧干燥法在中國(guó)運(yùn)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(guò)調(diào)節(jié)針或噴嘴的規(guī)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(jiǎn)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(yùn)用。銳孔法可與其他干燥方式結(jié)合使用提高微膠囊性能。Janja等[29]將銳孔法與冷凍干燥法結(jié)合降低了微膠囊的水分活度，使乳酸菌活菌數(shù)在2個(gè)月內(nèi)維持在2×108CFU/g以上。然而，銳孔法生產(chǎn)效率低，難以形成規(guī)?；a(chǎn)，且制備的微膠囊粒徑較大，一般在2 mm左右。Silva等[30]發(fā)現(xiàn)將銳孔法與流化床干燥法結(jié)合制得海藻酸鈉與蟲(chóng)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(zhǎng)儲(chǔ)藏期。

2.6 其他微膠囊包埋方法

此外，還有許多研究者進(jìn)行不同類型的微膠囊研究。李清等[31]使用微流體數(shù)字化噴射制備細(xì)胞微膠囊，研究表明通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓和微噴嘴內(nèi)徑控制細(xì)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(qū)動(dòng)器影響微流道內(nèi)部流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)流體的序列可控，形成一定程度的生產(chǎn)自動(dòng)化處理。張玉東等[32]使用流體震動(dòng)技術(shù)制備海藻酸鈣微膠囊，研究表明通過(guò)對(duì)流體施加一定壓力，使層流流體流速恒定，品質(zhì)更穩(wěn)定，其次在噴嘴部位施加一定的震動(dòng)效果可使液滴之間分散效果更好。目前這些微囊化技術(shù)的研究尚未成熟，運(yùn)用于乳酸菌包埋的研究仍未見(jiàn)報(bào)道。

3 乳酸菌微膠囊常用壁材的不足及改進(jìn)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(jié)構(gòu)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(tuán)(羥基和羧基)，Ca2+、Zn2+、Al3+等能占據(jù)海藻酸鈉中的親水空間，并與羧基官能團(tuán)上的氧原子鰲合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠，將菌體包埋其中[34]。此過(guò)程反應(yīng)速度快，反應(yīng)條件溫和。盡管海藻酸鈉作為壁材被廣泛運(yùn)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(xì)胞流失，影響包埋率，同時(shí)不能有效控制胃酸進(jìn)入，影響乳酸菌活性；② 在極低pH值下海藻酸鈉分子會(huì)被降解，凝膠解聚，保護(hù)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(xiàn)突釋和早釋，這種情況在進(jìn)入腸道的初期較易出現(xiàn)，進(jìn)而使乳酸菌暴露在高膽鹽環(huán)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(zhì)表面進(jìn)行分子重排，聚集形成致密均勻的蛋白質(zhì)膜。乳清蛋白中的β-乳球蛋白在低pH值下能夠保持結(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)部pH值的中性環(huán)境，從而保護(hù)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(chǎn)物，在低溫條件下能形成凝膠結(jié)構(gòu)。當(dāng)環(huán)境pH值低于明膠等電點(diǎn)時(shí)，明膠表面正電荷與負(fù)電荷能夠相互作用，使得微膠囊結(jié)構(gòu)更緊實(shí)[37]。然而在實(shí)際運(yùn)用中，蛋白類壁材還面臨著以下挑戰(zhàn)：① 僅用蛋白類作微膠囊壁材制備時(shí)間緩慢，包埋效率低；② 蛋白質(zhì)易被胃蛋白酶酶解，使乳酸菌暴露在胃酸環(huán)境中，失去活性；③ 蛋白質(zhì)分子中的疏水性基團(tuán)易使微膠囊相互聚集。

3.2 改進(jìn)微膠囊的方法

針對(duì)常用壁材的不足，國(guó)內(nèi)外研究者認(rèn)為可以從復(fù)配包埋、多層包埋和添加益生元3個(gè)方面強(qiáng)化微膠囊性能，提高乳酸菌在不利環(huán)境中的生存率。

3.2.1 復(fù)配包埋乳酸菌 選擇兩種或兩種以上的壁材進(jìn)行復(fù)配，改變?nèi)樗峋陌癍h(huán)境，增強(qiáng)微膠囊的緊實(shí)程度，往往能起到強(qiáng)化包埋效果的作用。復(fù)配可分兩種：① 改變壁材分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)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(jié)構(gòu)更緊實(shí)，提高了壁材對(duì)胃酸的緩沖能力，保護(hù)了乳酸菌的活性。但此法可能會(huì)使壁材的原有功能發(fā)生改變，破壞微膠囊性能。② 不改變壁材的化學(xué)結(jié)構(gòu)，兩種以上的壁材相互穿插纏繞形成更加緊密的凝膠結(jié)構(gòu)。Huq等[39]發(fā)現(xiàn)利用復(fù)配包埋的海藻酸鈉—卵磷脂微膠囊顆粒密度和強(qiáng)度更高，提升了微膠囊的耐胃酸能力，增強(qiáng)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(fù)配包埋能制備出耐酸能力強(qiáng)的微膠囊。Laelorspoen等[40]研究發(fā)現(xiàn)在pH值1.2(含胃蛋白酶)的模擬胃環(huán)境中，海藻酸鈉—玉米醇溶蛋白復(fù)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(jié)構(gòu)，Khan等[41]制備的豌豆蛋白—海藻酸鈉復(fù)配微膠囊提高雙歧桿菌在體外胃腸道試驗(yàn)中的存活率。

3.2.2 多層包埋乳酸菌 多層包埋能夠根據(jù)壁材的不同性能形成多層級(jí)微膠囊結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮壁材的優(yōu)勢(shì)。Zaeim等[42]將殼聚糖與海藻酸鈉進(jìn)行復(fù)配包埋和多層包埋，對(duì)比發(fā)現(xiàn)多層包埋可增大微膠囊表面積，提高乳酸菌包埋率和保護(hù)效果。Maria等[43]發(fā)現(xiàn)殼聚糖具有抑菌性，直接接觸會(huì)降低乳酸菌活性，運(yùn)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(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌活性僅下降1個(gè)數(shù)量級(jí)，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(nèi)部pH值的效果。運(yùn)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(huán)境，又使乳酸菌在回腸部位準(zhǔn)確釋放定植。

3.2.3 添加益生元 常見(jiàn)的益生元有低聚糖、菊糖和抗性淀粉等。陳合等[44]發(fā)現(xiàn)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(jìn)乳酸菌生長(zhǎng)，對(duì)乳酸菌起保護(hù)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(yǎng)基中培養(yǎng)副干酪乳桿菌R8，發(fā)現(xiàn)添加2%菊粉效果最佳，活菌數(shù)達(dá)1.7×109CFU/mL。然而，Cheow等[46]研究發(fā)現(xiàn)增加抗性淀粉會(huì)使微膠囊表面粗糙，使主要起耐酸作用的殼聚糖無(wú)法完整覆蓋在微膠囊表面，導(dǎo)致微膠囊的耐酸能力下降，儲(chǔ)藏性能降低和包埋率下降。因此，對(duì)于益生元是否能改善微膠囊的性能尚未定論。

4 結(jié)論與展望

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)于乳酸菌的益生功效也越來(lái)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(yīng)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(wèn)題：① 目前對(duì)于乳酸菌微膠囊包埋技術(shù)的研究大多集中于對(duì)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(duì)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(chǎn)過(guò)程中添加益生元是否能夠增強(qiáng)乳酸菌的活性目前尚不明確，益生元的添加是否會(huì)使微膠囊粒徑過(guò)大從而影響微膠囊包埋效果需進(jìn)一步研究探索；④ 乳酸菌微膠囊的功能性研究較少，進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)的方法仍不明確。

乳酸菌微膠囊的研究已經(jīng)越來(lái)越受到廣大科研工作者的重視，目前主要針對(duì)乳酸菌微膠囊的制備方法，對(duì)于乳酸菌微膠囊功效的研究仍然缺乏，應(yīng)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(hù)機(jī)理，可為有效保護(hù)乳酸菌提供理論依據(jù)。還可以根據(jù)不同人群制備不同類型的乳酸菌微膠囊，開(kāi)發(fā)具有特定功效的功能性食品，滿足人們的健康需要。同時(shí)，應(yīng)考慮消費(fèi)者對(duì)壁材的接受度，豐富乳酸菌微膠囊的產(chǎn)品種類。