膳食纖維微膠囊在益生菌包埋中的應用研究進展

張入玉,易英如,趙吉春,明建,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)

益生菌是指當給予足夠數(shù)量時,能夠為宿主帶來健康益處的活的微生物[1],主要包括乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、兼性厭氧球菌(包括腸球菌、乳球菌、鏈球菌等)和一些芽孢桿菌屬、酵母等[2]。當足夠數(shù)量的益生菌通過人體上消化道并在大腸內(nèi)定植后,會產(chǎn)生諸多有益影響,如調(diào)節(jié)腸道菌群平衡、增強機體免疫,降低糖尿病、心血管疾病、胃腸道疾病和各類癌癥的罹患風險[3]。然而,在加工、儲存和人體消化過程中,益生菌容易受到O2、pH值、溫度、水分、胃酸和膽汁鹽等因素影響,導致存活率和活力降低。為了避免益生菌到達腸道的數(shù)量低于發(fā)揮益生功能的最低活菌數(shù)標準(每g/mL益生菌產(chǎn)品中最低益生菌數(shù)≥107CFU)[4],可通過微膠囊化技術(shù)將益生菌包埋在合適的壁材中,提高其對惡劣環(huán)境的抵抗及在腸道中的存活和定植。

微膠囊化是將目標物質(zhì)包埋在由天然或人工合成的高分子成膜材料中,形成具有半透性或密封性聚合物壁殼的微小粒子,其中被包裹的物質(zhì)稱為芯材,包裹芯材的物質(zhì)稱為壁材、涂層、膜、殼或基質(zhì)[5]。多糖類和蛋白質(zhì)類是食品工業(yè)中最常用的微膠囊壁材,膳食纖維(dietary fiber, DF)作為多糖類的一種,來源豐富、價格低廉、性質(zhì)穩(wěn)定、安全無毒。DF具有一定的溶解性、乳化性和膠凝性,在微膠囊化過程中可形成穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),芯材與壁材緊密結(jié)合,使其在胃液低pH值下收縮或保持穩(wěn)定;或形成穩(wěn)定玻璃態(tài)基質(zhì)或保護膜,以包埋芯材形成膠囊保護屏障,以阻擋胃液侵蝕、減少芯材在O2和高溫等不利環(huán)境中的損害。本文就膳食纖維壁材的來源、特性和微膠囊制備方法,以及膳食纖維微膠囊對益生菌穩(wěn)定性和遞送方面影響的最新研究進行綜述,并對膳食纖維基微膠囊的未來發(fā)展進行了展望。

1 膳食纖維壁材的來源和特性

中國營養(yǎng)學會將DF定義為天然存在于植物來源的食物中,通過物理、酶或化學方法從植物中提取或合成獲得的聚合度≥3的、可食用的、不能被人體小腸消化吸收的、對人體有健康意義的碳水化合物聚合物,分為可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)和不可溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber, IDF)[6]。

1.1 膳食纖維壁材的來源

DF廣泛來源于水果、蔬菜、谷物類等植物性原料和微生物、蝦蟹外殼[2](表1)。目前,部分農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物用作飼料或者肥料,但剩下大部分作為廢棄物處理,造成資源浪費。從這些廢料或副產(chǎn)品中提取DF并作為包埋壁材加以利用,符合當今綠色、可持續(xù)發(fā)展的要求,同時也符合“清潔標簽”食品[7]的發(fā)展趨勢。

表1 膳食纖維的來源、特性、應用優(yōu)點和限制

1.2 膳食纖維壁材的特性

壁材的物理化學性質(zhì)對于微膠囊的包封效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要[8]。理想的微膠囊壁材應對生物安全無毒,具有生物相容性和生物降解性;良好的成膜性能、溶解性、乳化性和一定的機械強度;性質(zhì)穩(wěn)定,加工和長期儲存過程中不與芯材和周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應;來源豐富,價格低廉[9]。表1列舉了部分DF的來源、作為壁材的特性及其應用優(yōu)點和限制。

1.2.1 溶解性和乳化性

在食品工業(yè)中,大多數(shù)微膠囊制備時需要先將壁材與芯材混合形成溶液、懸浮液或乳液體系,然后分散形成液滴,通過冷凍、加熱、固化等方法形成微膠囊。DF的溶解性和乳化性使其可以溶解在水或其他溶劑中并具有分散和乳化其他成分以形成穩(wěn)定溶液或乳狀液的能力[9]。DF的溶解性與其組成和結(jié)構(gòu)有關(guān),SDF因其主鏈和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)不規(guī)則使得其溶解性較好并具有良好的黏性和膠凝性,在微膠囊中應用更為廣泛。果膠作為常用的壁材,具有良好的溶解性和乳化性,質(zhì)量分數(shù)2%果膠就具有與質(zhì)量分數(shù)15%阿拉伯膠相似的乳液穩(wěn)定性,使得其能較好地包圍芯材,制得的微膠囊產(chǎn)品性質(zhì)均一穩(wěn)定[8]。

1.2.2 膠凝性

DF的膠凝性是指其聚合物單元結(jié)合形成具有牢固三維結(jié)構(gòu)的凝膠網(wǎng)絡。所形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能夠很好地將芯材捕獲到凝膠基質(zhì)中,從而保護芯材免受胃酸環(huán)境和O2的影響,并在腸道中逐漸溶解實現(xiàn)控制釋放。此外,凝膠結(jié)構(gòu)越密實,對芯材的保護作用越強。海藻酸鹽和果膠具有良好的膠凝性,它們與鈣離子交聯(lián)或與陽離子明膠之間的靜電相互作用可以得到更致密的結(jié)構(gòu),使益生菌能夠抵抗酶和酸性水解[17]。另外,具有膠凝特性的DF還可以穩(wěn)定乳液以防止絮凝和聚結(jié),DF的組成、結(jié)構(gòu)會影響凝膠的強度、致密性和彈性,從而影響微膠囊的封裝效率、穩(wěn)定性以及芯材在胃腸道中的釋放[18]。

1.2.3 持水能力和持油能力

DF還具有保持油脂的能力,通過吸附油脂減少界面張力,從而穩(wěn)定乳液,實現(xiàn)對疏水性芯材的包埋[19]。不僅如此,DF的高持水能力可控制微膠囊在冷凍干燥過程中的水分遷移和冰晶形成,從而提高穩(wěn)定性。波斯膠、海藻酸鈉等具有較好的持水能力,能防止微膠囊過度干燥對菌體造成嚴重的干燥損傷[20]。但過高的持水能力會增加微膠囊水分含量,從而影響其保質(zhì)期,在制備過程中,需要調(diào)節(jié)芯材與壁材的配比、優(yōu)化制備參數(shù)以控制水分含量。

1.2.4 其他特性

具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的DF(如菊粉、海藻糖和果膠等)在熱干燥過程中更容易形成穩(wěn)定的玻璃態(tài)保護層,為益生菌提供半透性的物理保護屏障,減少微膠囊在儲存過程中的吸濕性和氧化速率,提高益生菌的生存能力和儲存穩(wěn)定性[21]。果膠和殼聚糖還具有抗氧化特性,能提高微膠囊的穩(wěn)定性,減少益生菌膜脂質(zhì)的氧化損傷,維持菌體活力。同時,部分DF作為益生元能促進有益菌生長繁殖,提高菌株活力。除此之外,DF壁材還能為微膠囊產(chǎn)品提供額外健康益處,包括吸附螯合膽固醇、膽汁酸以及腸道內(nèi)的有毒物質(zhì),對于緩解便秘、降血糖、預防肥胖、心血管疾病和增強免疫系統(tǒng)防御具有積極作用[22]。

2 膳食纖維基微膠囊的制備方法

膳食纖維微膠囊化包埋益生菌的常用方法包括擠壓、噴霧干燥、冷凍干燥和凝聚法等[27]。近些年出現(xiàn)一些新型制備方法,如電噴霧、靜電紡絲技術(shù)以及細菌介導的生物界面原位封裝。微膠囊結(jié)構(gòu)主要有核殼型(單核和多核)、多層型、基質(zhì)型和不規(guī)則型,它們的制備方法和類型如圖1所示。

a-擠壓法[23];b-噴霧干燥法[24];c-靜電紡絲和電噴霧法[23, 25];d-細菌介導的生物界面原位組裝技術(shù)[26];e-不同類型的益生菌微膠囊[2]

擠壓法具有包埋率高、條件溫和,但是顆粒尺寸較大且形成速度慢,難以大規(guī)模應用。

噴霧干燥法是食品工業(yè)微膠囊化最廣泛使用的方法之一,具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品干燥、穩(wěn)定等優(yōu)點,但高入口溫度和瞬間脫水會對菌體造成嚴重的熱損傷導致其活力降低或死亡,通過添加抗性淀粉、菊粉等SDF,可提高對菌體的熱保護[5]。

電噴霧和靜電紡絲技術(shù)是電流體動力學中封裝益生菌的可行方法,通過在噴嘴與收集器之間施加高壓電場,然后將益生菌分散液霧化成細小液滴或?qū)⒁嫔旱卫煨纬杉毨w維以微射流沉積到帶電收集器上,從而分別形成顆?；蚶w維[23]。此過程利用電場快速干燥分散液,沒有施加高溫,從而具有較高的存活率[28]。最近一項研究使用靜電紡絲技術(shù)在阿拉伯膠-普魯蘭多糖混合納米纖維中包封乳酸菌,與冷凍干燥法(80.92%～89.84%)相比,靜電紡絲納米纖維顯示出更好的益生菌存活率(85.38%～97.83%),并且在4 ℃下儲存28 d仍然保持較高活力,表明靜電紡絲技術(shù)在益生菌包封中具有巨大應用潛力[29]。

細菌介導的生物界面原位封裝技術(shù),是在溫和堿性條件下,使用天然酚類前體物質(zhì)(如多巴胺、咖啡酸等)在單個細菌上氧化聚合從而形成保護的納米涂層,益生菌細胞釋放的Mn2+(作為益生菌的一種必需營養(yǎng)素儲存)作為這個過程的催化劑以激活酚類氧化并誘導其在菌體表面聚合[26]。該技術(shù)對益生菌具有較好的保護作用,并提高其在胃環(huán)境中的存活率、定植能力和抗氧化性能,而無需任何額外的化學修飾步驟。

3 膳食纖維基壁材在微膠囊化包埋益生菌中的應用

益生菌主要在腸道發(fā)揮健康效應,而膳食纖維具有不易被人體消化吸收,能被腸道有益菌發(fā)酵利用等特點,因而在益生菌包埋、穩(wěn)定化、遞送等方面有很大的應用前景。表2列舉了部分膳食纖維基壁材在益生菌微膠囊化方面的研究。

表2 膳食纖維基壁材在微膠囊化包埋益生菌中的應用

3.1 提高益生菌的穩(wěn)定性

益生菌在加工、儲存以及添加到食品基質(zhì)后往往會受到溫度、酸堿、氧氣、水分等因素影響,導致其生存能力下降。為了使足夠數(shù)量的益生菌能順利到達宿主結(jié)腸部位發(fā)揮益生功能,需要提高其在不利環(huán)境條件下的穩(wěn)定性以保持在最終產(chǎn)品中有較高的存活率和活力。

VANDEN BRABER等[24]發(fā)現(xiàn)水溶性殼聚糖在噴霧干燥過程中可以在顆粒表面形成凝膠或致密的涂層,使得微膠囊對O2和水蒸氣的滲透性降低,提高了酵母在儲存期間(8 ℃或25 ℃,90 d)的穩(wěn)定性。同時,在6 h的模擬胃腸道條件下微膠囊酵母表現(xiàn)出比游離酵母更好的耐受性,表明水溶性殼聚糖可以很好地保護益生菌在儲存過程中的活力和穩(wěn)定性。單一DF壁材不能滿足微膠囊所需的全部良好特性,與其他多糖類或蛋白類壁材復配可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補,提高DF的適用性和封裝能力。MOAYYEDI等[20]研究發(fā)現(xiàn),在乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)微膠囊化包埋鼠李糖乳桿菌的過程中,WPI對益生菌具有一定保護作用,但效果不佳(在40 g/L NaCl溶液中死亡率為53.3%)。加入菊粉和波斯膠后,增強了WPI在噴霧干燥和冷凍干燥過程中對益生菌的保護作用,從而顯著提高其在NaCl、青霉素、膽汁鹽、溶菌酶溶液中的存活率,這是因為高分子質(zhì)量波斯膠吸附在微生物表面形成黏性層,保護益生菌免受惡劣條件的損傷;同時,在儲存期間(25 ℃,24周)表現(xiàn)出更高的存活率,這是由于波斯膠的水分保持能力防止了微膠囊在儲存期間過度干燥,從而具有更好的儲存穩(wěn)定性。也有研究表明,將海藻酸鹽與殼聚糖結(jié)合能形成強電解質(zhì)絡合物,提高微膠囊在低pH環(huán)境下的穩(wěn)定性,增強對益生菌的保護作用[28]。除此之外,在用海藻酸鹽包埋益生菌后再用殼聚糖進行第二層包埋,能彌補海藻酸鹽微膠囊表面多孔的缺陷,減少水擴散到微膠囊中,從而提高益生菌的穩(wěn)定性[34]。

在長時間的干燥儲存過程中,益生菌活力的下降大多是由于細胞膜受到活性氧的攻擊導致菌體損傷,水分活度和儲存溫度是影響益生菌微膠囊儲存穩(wěn)定性的重要因素[20]。因此在選擇壁材時要考慮微膠囊形成后對氧氣和水蒸氣的滲透性,降低水分子在顆粒中的流動性,同時也要避免過度干燥,并在適宜的溫度下儲存。

3.2 實現(xiàn)益生菌的控制釋放

芯材的釋放特性在很大程度上取決于微膠囊壁材的物理化學性質(zhì)。微膠囊在特定環(huán)境因子刺激下響應或不響應,從而控制芯材的釋放與滯留,釋放機制大多是pH敏感型釋放(基于人體消化道不同部位的pH值存在明顯差異)和菌群/酶觸發(fā)型釋放(基于腸道菌群對多糖的發(fā)酵降解作用)[42]。

VAZIRI等[17]用海藻酸鹽復配果膠、明膠制備pH敏感型植物乳桿菌微膠囊,海藻酸鹽和果膠的羧基與Ca2+形成離子交聯(lián)并與明膠的氨基形成靜電相互作用以形成致密的基質(zhì)將益生菌完全包埋,微膠囊在模擬胃液中保持穩(wěn)定而在模擬腸液中溶脹解聚,從而實現(xiàn)益生菌在腸液中的延遲釋放。姚澤晨[32]將阿拉伯木聚糖、阿拉伯木寡糖和海藻酸鈉復配作為壁材包埋植物乳桿菌,包埋效率為81.27%。模擬胃腸道試驗發(fā)現(xiàn),絕大部分微膠囊在模擬胃液中保持正常形態(tài)而不崩解破碎,使得益生菌可以抵抗胃液的侵蝕;同時,微膠囊具有良好的腸溶性,能在模擬腸液(pH 7.4)中充分釋放,從而促進腸道健康。益生菌在結(jié)腸中的靶向釋放對發(fā)揮其益生功效具有重要意義,選擇合適的壁材組合才能更有效地保護益生菌,使其順利到達結(jié)腸并發(fā)揮功能。

3.3 促進益生菌的功能特性

微膠囊化提高益生菌對胃液的耐受性,實現(xiàn)在腸道的控制釋放,最終促進益生菌在宿主體內(nèi)發(fā)揮健康效應。DF微膠囊不僅促進益生菌生長和在腸道定植的能力,同時有助于改善腸道菌群平衡和腸道屏障的完整性,發(fā)揮抗氧化、抗炎和預防肥胖等作用[43]。

姚澤晨[32]通過銳孔法制得海藻酸鈣-阿拉伯木聚糖凝膠球體,經(jīng)真空冷凍干燥得到微膠囊粉末顆粒。動物試驗發(fā)現(xiàn)載菌微膠囊和空殼微膠囊均能明顯減輕小鼠肥胖癥狀,改善機體脂代謝異常狀態(tài),并在一定程度上改善由高脂飲食引起的腸道菌群紊亂。試驗表明這種DF微膠囊在調(diào)節(jié)腸道菌群和延緩肥胖方面具有重要作用;同時,作為益生菌包埋壁材能被菌群發(fā)酵利用,促進短鏈脂肪酸生成。CHANG等[44]也發(fā)現(xiàn),含有藻酸鹽低聚糖或低聚殼聚糖的海藻酸鹽微膠囊不僅能作為益生元促進小鼠腸道中有益菌生長,還能降低腸球菌和埃希氏菌等致病菌數(shù)量,從而促進腸道微生態(tài)平衡。一項體外抗炎研究表明,與游離益生菌相比,海藻酸鈉-殼聚糖和普魯蘭多糖復配壁材包埋的益生菌混合物微膠囊在經(jīng)過模擬胃腸道條件處理后,將其溶解制得的益生菌懸浮液能更好地提高炎癥狀態(tài)下HT-29細胞活力和抗氧化能力,以及下調(diào)促炎細胞因子TNF-α和上調(diào)抗炎癥細胞因子IL-4和IL-10發(fā)揮抗炎作用[39]。表明該DF微膠囊能有效保護益生菌并促進其發(fā)揮抗炎特性。PARK等[38]使用改性纖維素(乙酸琥珀酸羥丙基甲基纖維素)包埋嗜酸乳桿菌和動物雙歧桿菌,小鼠體內(nèi)黏膜黏附試驗表明,黏附性物質(zhì)作為微膠囊壁材能促進菌群定植于小腸和大腸黏膜,并增強腸道的屏障功能,抑制腸道黏液中內(nèi)毒素(能刺激機體發(fā)生炎癥反應)的滲透。ANSELMO等[45]通過豬腸模型研究發(fā)現(xiàn),殼聚糖-海藻酸鈉逐層封裝益生菌能促進其在短時間內(nèi)黏附在腸道表面。DF的益生元特性和健康作用,以及海藻酸鹽、殼聚糖、果膠等親水膠體物質(zhì)的生物黏附性,可促進微膠囊中益生菌的生長、定植,從而更好地發(fā)揮益生功能、阻止病原體的黏附或抵御有害物質(zhì)[27]。

4 總結(jié)與展望

膳食纖維基微膠囊不僅可以提高益生菌在模擬胃腸道條件和食品基質(zhì)中的穩(wěn)定性和存活率,還可以實現(xiàn)其在腸道中控制釋放,并成功定植于腸道黏膜以發(fā)揮健康功能,在食品、藥品領(lǐng)域具有較大的發(fā)展前景。但是,在實際應用中還存在許多不足,如包埋效率較低;所形成的微膠囊表面孔徑較大、有裂縫,不能較好地抵抗胃液的侵蝕,在食品中穩(wěn)定性較差;微膠囊顆粒尺寸較大,影響產(chǎn)品的感官等。在未來的研究中,可持續(xù)關(guān)注從農(nóng)業(yè)廢料和副產(chǎn)品中獲得新型性能優(yōu)異的綠色壁材;針對不同應用領(lǐng)域?qū)Ρ诓母男?、選擇多種壁材復配使用或進行多層包埋以獲得更好的包埋效果;探索或改良出一種既經(jīng)濟又適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的益生菌微膠囊制備方法。此外,關(guān)于膳食纖維基益生菌微膠囊的消化特性研究,大部分是在體外模擬胃腸道條件下進行的,考慮到動物胃腸道環(huán)境的復雜性,為了更好地反映微膠囊對益生菌在消化道的保護效果和控制釋放效應,還需要開展動物試驗進行驗證。目前,關(guān)于膳食纖維基益生菌微膠囊在人體或動物中的功能研究還相對較少,若將益生菌添加到功能食品中,應開展系統(tǒng)的從微膠囊化、加入食品中的穩(wěn)定性和安全性、對食品的感官特性、在體內(nèi)的消化特性到最終在目標部位的活性和功效研究,以提高益生菌的有效利用。