乳酸菌作為發(fā)酵劑在食品中的應(yīng)用研究進(jìn)展

陸曉雨 周慧麗

（河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南洛陽 471000）

傳統(tǒng)發(fā)酵食品歷史悠久，且種類繁多，是人類飲食的重要組成部分。隨著科技的發(fā)展，新的發(fā)酵方法已得到擴(kuò)展和豐富，并不斷提升了發(fā)酵食品的安全性。傳統(tǒng)上，許多發(fā)酵食品是在自然發(fā)酵下生產(chǎn)的，直接添加主要微生物菌種可縮短發(fā)酵時間，防止發(fā)酵失敗并最終使產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。發(fā)酵食品的質(zhì)量取決于原料質(zhì)量和微生物多樣性。在過去的20年中，對發(fā)酵食品的科學(xué)干預(yù)揭示了天然微生物區(qū)系或發(fā)酵菌存在刺激益生菌功能，微量營養(yǎng)素的生物利用度，抗氧化劑和抗微生物化合物的產(chǎn)生，以及發(fā)酵過程中的其他功能成分。通過研究逐漸使消費(fèi)者意識到，食用發(fā)酵食品可促進(jìn)健康并預(yù)防某些疾病。乳酸菌是大多數(shù)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中常用的菌種之一，目前正在研發(fā)對食品安全具有重要工業(yè)意義的乳酸菌新型功能發(fā)酵劑。發(fā)酵食品中發(fā)酵劑活性及穩(wěn)定性的保持仍然是工業(yè)生產(chǎn)中的巨大挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的培養(yǎng)相比，使用封裝的發(fā)酵劑進(jìn)行發(fā)酵具有許多優(yōu)勢，如發(fā)酵速度快，細(xì)胞密度高，細(xì)胞對高溫和有毒培養(yǎng)基的耐受性強(qiáng)，并且可以對有毒疏水性物質(zhì)選擇性去除。本文主要對乳酸菌發(fā)酵劑的封裝技術(shù)、封裝材料及其在發(fā)酵食品中的應(yīng)用進(jìn)行概述。

1 乳酸菌發(fā)酵劑的介紹

乳酸菌是屬于雙歧桿菌屬、腸球菌屬、乳桿菌屬等的廣泛細(xì)菌。在傳統(tǒng)的發(fā)酵食品中，發(fā)酵主要由天然乳酸菌通過發(fā)酵原料完成。在原料中選擇性添加發(fā)酵劑可控制整個發(fā)酵過程，可降低發(fā)酵失敗率和縮短發(fā)酵時間，同時提高最終產(chǎn)品的價(jià)值。乳酸菌的幾種功能特性已被廣泛報(bào)道，如四核球菌、葡萄球菌和魏斯氏菌屬具有抗氧化活性及降解短乳桿菌等功能特性，這些特性在選擇用于生產(chǎn)功能性食品的發(fā)酵劑中起主要作用。

2 乳酸菌發(fā)酵劑封裝技術(shù)

目前，常用的將活性物質(zhì)封裝到載體材料中的方法有：噴霧干燥、擠出包衣、冷凍干燥、共結(jié)晶、熱凝膠化等。核心和載體包衣材料的物理和化學(xué)特性等因素，及其在食品基質(zhì)中的應(yīng)用影響封裝工藝技術(shù)的選擇。其中，擠壓法、乳液法和噴霧干燥法可有效地用于乳酸菌的封裝。

2.1 擠壓法

擠壓法是使用簡單且低成本的材料，將細(xì)胞固定在水狀膠體膠囊中。該方法可將對微生物細(xì)胞的傷害降至最低，同時使其保持較高的生存活力。該技術(shù)是將水膠體溶液與微生物混合，混合物通過擠出機(jī)（注射器） 以液滴形式滴入到由多價(jià)陽離子組成的硬化溶液（氯化鈣） 中。滴下后，細(xì)胞立即被聚合物包裹，形成與鈣離子交聯(lián)的三維晶格。此方法的主要影響因素有注射器和硬化溶液之間的距離、聚合物類型、黏度、擠出機(jī)孔直徑和溶液濃度。通常選擇藻酸鹽和氯化鈣濃度分別為0.5%～4%和0.05 mol/L～1.5 mol/L，珠粒直徑范圍為2 mm～3 mm。有研究表明，通過離子凝膠化和靜電擠壓封裝的益生菌嗜酸乳桿菌在冷藏條件下顯示出更高的存活率。

2.2 乳液法

乳液法是使用水膠體（藻酸鹽、角叉菜膠和果膠） 作為細(xì)胞壁材料封裝活細(xì)胞的一種方法，通常經(jīng)膜過濾后再對其進(jìn)行回收。微珠直徑受到水解膠體溶液濃度和黏度及其攪拌速度的影響。與擠壓法相比，乳液法具有易擴(kuò)大規(guī)模、細(xì)菌存活率高和膠囊直徑小的優(yōu)點(diǎn)。牛奶蛋白質(zhì)和糖醇（酪蛋白酸鈉、脫脂牛奶、乳清蛋白濃縮物、大豆蛋白與甘油、甘露醇或麥芽糖糊精的結(jié)合物） 作為乳酸介質(zhì)，在冷凍干燥后可抵抗人體內(nèi)消化系統(tǒng)的酸和膽汁環(huán)境，從而為長雙歧桿菌提供更好的保護(hù)。

2.3 噴霧干燥

噴霧干燥是一種最常用的封裝技術(shù)，用于小于40 μm 粒徑的產(chǎn)品。噴霧干燥最常用的包封劑是多糖（麥芽糖糊精、淀粉、阿拉伯樹膠和玉米糖漿），脂質(zhì)（甘油單酸酯、甘油二酸酯和硬脂酸） 和蛋白質(zhì)（酪蛋白、明膠、大豆、小麥和牛奶漿）。噴霧干燥過程中將均質(zhì)化的載體材料霧化成小液珠，經(jīng)干燥加工后形成干粉狀膠囊，其主要受產(chǎn)品進(jìn)料量、氣體流量和干燥溫度的影響。噴霧干燥具有快速、成本低和重現(xiàn)性高的優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。噴霧干燥的主要缺點(diǎn)是工藝過程中使用高溫，易導(dǎo)致細(xì)菌活性降低。在食品應(yīng)用中，微生物發(fā)酵劑通常以噴霧粉劑或凍干粉劑的形式使用。噴霧干燥法在副干酪乳桿菌、反芻雙歧桿菌和鼠李糖乳桿菌發(fā)酵劑中得到應(yīng)用。

3 乳酸菌發(fā)酵劑封裝材料

目前，有關(guān)混合發(fā)酵劑的涂層材料仍在不斷研發(fā)中。pH 值、溫度、酶活性、滲透力等因素的變化可以刺激涂層材料成分的快速釋放。因此可以根據(jù)食物成分控制聚合物基質(zhì)內(nèi)包封的活性劑的釋放。

3.1 淀粉及淀粉衍生物

淀粉由α-D-葡萄糖單元組成，通過α-1，4和α-1，6 糖苷鍵連接，由2 個不同的多糖分子組成，一個是線性直鏈淀粉，另一個是高支鏈淀粉。藻酸鹽淀粉凝膠珠通過在其中心形成缺氧條件，防止氧在凝膠上擴(kuò)散，從而防止嗜酸乳桿菌和乳酸桿菌的細(xì)胞死亡。與沒有淀粉的包封相比，添加玉米淀粉可以提高細(xì)菌的存活率。有研究表明，與純天然淀粉（玉米、馬鈴薯和木薯） 和純支鏈淀粉系統(tǒng)共生的乳酸桿菌（羅伊氏乳桿菌、嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌），即使在20 個月的儲存條件下，支鏈淀粉和支鏈淀粉/馬鈴薯淀粉膜的活力為70%～80%。在嗜酸乳桿菌的藻酸鹽微珠中添加玉米淀粉和脫乙酰殼多糖，為凍干微粒的儲存過程中提供了更好的保護(hù)。當(dāng)使用淀粉基底材料進(jìn)行封裝時，可提高封裝產(chǎn)量，也可進(jìn)一步確保在食品加工和系統(tǒng)消化過程中，活菌數(shù)量保持在最低劑量以上。

3.2 藻酸鹽

藻酸鹽是一種廣泛用于微生物細(xì)胞封裝的生物聚合物，其衍生自褐藻（海帶），主要由β-D 甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸組成。藻酸鹽的膠凝作用是通過使Ca2+膠凝離子與藻酸鹽發(fā)生交聯(lián)而實(shí)現(xiàn)的。藻酸鹽以其簡單、生物相容性好、成本低、無毒、易于形成凝膠基質(zhì)等特點(diǎn)而被廣泛使用，該方法難以按比例放大，并且多孔微粒是保護(hù)細(xì)胞不受其環(huán)境影響的主要缺點(diǎn)，通過將藻酸鹽與其他聚合物結(jié)合或?qū)⒛z囊與其他化合物包衣，或使用不同添加劑對藻酸鹽進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾可能會不堪重負(fù)。藻酸鹽凝膠基質(zhì)將細(xì)菌細(xì)胞包裹起來，產(chǎn)生直徑在1 μm～3 μm 范圍內(nèi)且表面孔徑可達(dá)7 nm 的珠子。與游離細(xì)胞相比，使用藻酸鹽封裝的細(xì)菌在脫脂牛奶中的存活率提高了一個對數(shù)。即使在深冷凍過程之后，使用藻酸鹽和甘油共混物進(jìn)行封裝也可以顯著提高乳酸菌的活力。

3.3 結(jié)冷膠和黃原膠

結(jié)冷膠是來自假單胞菌的細(xì)菌多糖，由葡萄糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖和鼠李糖的重復(fù)單元組成。冷卻后，吉蘭糖膠產(chǎn)生熱可逆的凝膠，膠凝溫度取決于溶液中的聚合物濃度、離子強(qiáng)度和陽離子類型。黃原膠是由油菜黃單胞菌產(chǎn)生的另一種細(xì)菌多糖，其構(gòu)成五糖（葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸的摩爾比為2∶2∶1） 的重復(fù)單元。該聚合物在冷水中迅速水合，不會因適當(dāng)分散在溶劑中而形成團(tuán)塊。黃原膠溶液由于其半剛性構(gòu)型和較高的黏度而表現(xiàn)出非常明顯的假塑性行為，從而通過氫鍵和聚合物鏈纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)。其主要的缺點(diǎn)是凝膠凝結(jié)溫度高，從而損害益生菌細(xì)胞。

4 展 望

到目前為止，市場上還沒有在高溫下穩(wěn)定的乳酸菌產(chǎn)品。在熱處理過程中增加乳酸菌的生存能力仍是目前面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了食品工業(yè)的利益，需要進(jìn)一步開發(fā)熱穩(wěn)定的起子培養(yǎng)物和可以作為“隔熱材料”的封裝系統(tǒng)。盡管現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的乳酸菌發(fā)酵劑封裝技術(shù)效果較好，但在大規(guī)模生產(chǎn)食品級微囊化微生物方面仍然存在一些挑戰(zhàn)，還需進(jìn)一步加大研究力度，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。