不同壁材对益生菌微胶囊性能的影响

(包头轻工职业技术学院,内蒙古包头014035）

不同壁材对益生菌微胶囊性能的影响

赵德胜

(包头轻工职业技术学院,内蒙古包头014035）

探讨了不同类型的包埋壁材对益生菌在生产加工、贮藏和人体内的耐受性以及对产品感官性能等方面的影响，并对益生菌微胶囊壁材将来的应用和发展趋势进行了展望。

益生菌；微胶囊壁材；耐受性

0 引言

世界卫生组织(WHO)和粮农组织(FAO)联合定义益生菌为“活的微生物，当摄入充足数量时，它会赋予宿主某种健康益处”[1]。大量的研究已经证实了益生菌对人体的健康作用[2-3]。益生菌要想发挥它们的健康作用必须满足：(1)在被人体摄入时必须保持一定活性；(2)必须要有足够数量的菌定植于肠道中[4-5]。研究发现利用微胶囊包埋技术可以提高益生菌在加工及贮藏期间的活性并能改善其在宿主体内的存活率[6]。因此微胶囊包埋效果在益生菌领域的应用越来越受到人们的关注。而微胶囊的包埋效果与其所使用的壁材有着密切的联系[7]，本文对目前益生菌微胶囊使用的不同类型壁材、其对益生菌体内外的耐受特性以及对产品感官性能的影响等进行陈述，并对其将来的发展趋势提出展望。

1 壁材的选择

壁材的不同将导致益生菌微胶囊对外界环境具有不同的抗性，进而影响到益生菌的活性。实际应用中许多材料可被用作包埋壁材，例如：凝胶多糖（淀粉、纤维素、海藻酸盐、果胶、卡拉胶、壳聚糖等）、蛋白质（大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、明胶、β-乳球蛋白等）、脂类和脂肪（植物油、石蜡等）都已被广泛研究[8-10]。筛选与菌株相适应的微胶囊壁材依赖于以下因素：所用壁材的物理化学性质、壁材之间及与其它物质间的分子作用、细菌形态、宿主肠道组织状态等。

最常用作乳杆菌、双歧杆菌微胶囊壁材的是海藻酸盐和壳聚糖这类离子多糖，海藻酸盐可以提高胃肠液中益生菌的存活率，例如海藻酸盐微胶囊可以将双歧杆菌属和乳杆菌属中的一些菌株的存活率增至80%～95%[2,11]，且以海藻酸盐为壁材的微胶囊化菌株已经应用在了冰淇淋、冷冻酸奶和蛋黄酱等食品的加工中[12-14]。从壁材结构上看，海藻酸盐可以与Ca2+产生一个强度较大的分子框架，进而保证较好的凝胶强度，其粘性附着力随海藻酸盐的浓度的增加而增加，显示出假塑性流体的性状[15]。需要注意的是磷酸盐、柠檬酸盐、螯合剂等可同Ca2+离子竞争，会弱化海藻酸凝胶的强度。同时，在Lawrie和Lucinda-Silva等的研究中海藻酸（阴离子）和壳聚糖（阳离子）所形成的多层膜结构或者微球形结构是一种高度稳定的聚电解质复合物体系，可以很好的抵抗胃肠道和恶劣条件[16-17]。这使得这两种壁材起到了协同保护益生菌的作用。另外也有研究表明通过双层结构的壳聚糖-羧甲基纤维素嗜酸乳杆菌微胶囊不但提高了菌株在模拟胃液和肠液中的存活率，还可以降低在冷冻和冷冻干燥中益生菌的活力损失[18]。

微生物高分子聚合物、蛋白质、多肽也可被用作为胃肠道靶向益生菌壁材。当用海藻酸钠和黄原胶结合包埋时可以提高嗜酸乳杆菌（LA14）和乳双歧杆菌（BI-07）在酸性条件下的存活率[19]；结冷胶和黄原胶以（0.75∶1）的比例包埋时可以提高植物乳杆菌和鼠李糖乳杆菌对模拟胆盐的耐受性[20]。Sun和Griffiths等通过利用0.75%的结冷胶和1%黄原胶对婴儿芽孢杆菌进行微胶囊包埋后，该菌可以在巴氏消毒酸奶中存活达5周[21]。同样地，在邹强等的研究中采用乳清蛋白包埋的双歧杆菌在粒径上同海藻酸钠制备的微胶囊相比要更小且包埋率较高；在耐受性方面乳清蛋白包埋的微胶囊要优于海藻酸钠包埋的，这是由于乳清蛋白分子具有许多碱性的氨基酸残基，所以在偏中性的环境中，乳清蛋白具有较高的缓冲能力，在双歧杆菌微胶囊内部，这些氨基酸残基能够中和渗透进来的H+，从而维持一个pH值偏中性的内部环境，保持双歧杆菌的活性[22]。

随着人们对各种材料特性的了解，越来越多的材料被用来作为壁材，益生元成分就是其中之一。它们可对益生菌优势的发挥起到辅助作用，通过选择性刺激肠道内益生菌生长来对宿主产生益生作用。菊粉、低聚果糖和抗性淀粉是在微胶囊包埋中较常见的三种益生元（prebiotic），它们可以与益生菌协同，进而作为某些益生菌的增殖因子，维持优势菌的地位。例如，当低聚果糖‘Raftilose®P95’以1.5%添加到酸奶中可以提高乳杆菌属和双歧杆菌属的活性，在4℃4周的贮藏期里可以提高约为1.42个对数值[23]。Fritzen-Freire等以不同比例的复原乳、菊粉、低聚果糖为壁材包埋益生菌，通过喷雾干燥法制备出微胶囊，显示出了对乳双歧杆菌（Bifidobacterium BB-12）在胃肠道或极端热处理状态下有较好的保护作用[24]。类似地，加入了抗性淀粉的海藻酸钠微胶囊可以提高嗜酸乳杆菌（L.acidophilus La-5）在伊朗白色盐制奶酪6个月成熟期内菌株的存活率[25]。

2 壁材对益生菌在不同条件下的影响

在实际应用中，益生菌在食物中生存能力是对微胶囊包埋效果进行评价的一项重要指标。Mosilhey[7]等研究了针对不同温度和不同壁材的组合对嗜酸乳杆菌（L.acidophilus La-5）微胶囊活性的影响。嗜酸乳杆菌的活力很大程度取决于使用的包埋壁材：在初始菌株浓度为108～109g-1时，微胶囊蛋白质-碳水化合物的形成（树胶-大豆蛋白、树胶-乳清蛋白）可以提高嗜酸乳杆菌在热处理60℃（104～106g-1）和63℃（104～105g-1）的活力；其中树胶-大豆蛋白是唯一当温度达到65℃（102g-1）仍有耐受能力的组合。在树胶阴离子和大豆蛋白或乳清蛋白阳离子聚凝的过程中，黏弹性与静电力的相互作用的数目有关，并最终形成树胶-蛋白复合物，增加了益生菌的耐热性。同样，Mosilhey研究中发现经树胶和乳清蛋白、树胶和大豆蛋白微胶囊化的嗜酸乳杆菌可以在5℃存活达15周，这可以使微胶囊可以在冷藏食品中发挥出理想的益生功效。但是当使用阿拉伯树胶或明胶作为壁材与蛋白或者豆乳结合时，冷藏条件下的益生菌存活能力可能发生较大损失[7]。

一般情况下，双歧杆菌由于自身特性会导致它们对于生存环境的要求比较高。通常在pH值低于5.0或者高于8.0的环境中双歧杆菌不能生长；在高于46℃或者低于20℃不能生长；双歧杆菌是革兰氏阳性厌氧菌，需要在厌氧的环境下生长，有氧的外界环境会抑制它们的生长。在KHALIL等[26]的研究中，通过使用海藻酸钙对两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）和婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）进行微胶囊包埋添加在蛋黄酱中，与未包埋的乳酸菌添加相比，包埋后的两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）和婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）可以分别存活12周和8周，而未包埋的仅仅能够存活2周，其原因是通过包埋后可以隔绝O2、酸性等不良环境，能在较长的贮藏期内保证益生菌的活性。同样在此研究中还发现经过包埋的益生菌添加在蛋黄酱中可以起到抑制酵母菌和霉菌的功效，抑制时间长达12周，而未经包埋的活菌在添加后6周便出现了腐败微生物。

研究发现经过微胶囊化的益生菌的活性与包埋壁材的层数有一定的关联[27]。对微胶囊进行双层包埋，可以防止益生菌在存储中与氧气的过多接触，并能提高其在低pH值和高温下的稳定性[28]。通常用来作为双层包埋的壁材有壳聚糖、多聚赖氨酸、海藻酸盐、直链淀粉、树胶和明胶等[29-32]。在李旭华等[29]研究使用壳聚糖、明胶为主要壁材，制备出了鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus LT22）双层微胶囊，微胶囊冻干后呈现近似球形的白色颗粒，鼠李糖乳杆菌LT22双层微胶囊具有较好的耐酸性和肠溶性，在70℃下处理1 h以内和100℃下处理30 s内，其活菌数量下降的较少，可以说明双层包埋的微胶囊具有较强的耐受短时高温的能力，且在活体试验中对小鼠无毒副作用，试验所研制的双层微胶囊大大提高了鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus LT22）对高温的抵抗力。在Altamirano-Fortoul等研究中，他们试图将益生菌应用于高温之下的食品中（其中包括巴氏消毒食品和焙烤食品），利用嗜酸乳杆菌和乳清蛋白、羧甲基纤维素（CMC）、果胶、菊粉、新鲜的龙舌兰糖浆通过喷雾干燥形成复合微胶囊，以1%～2%悬浮在淀粉溶液中，喷在冷面团上，面包在180℃下烘烤16 min，在焙烤之前，面包表皮上的嗜酸乳杆菌菌落数达108g-1，在焙烤后的24 h贮藏后降至106～107g-1[32]。通过以上实验，表明了化学性质不同的多层材料可以为益生菌微胶囊提供更好的耐热性能，同时还可以更好的应用在不同种类的食品加工中。

3 壁材对益生菌在人体中存活率和释放性的影响

由于益生菌本身抗性较差，在人体胃肠道的释放与繁殖有一定难度。因此要保证在益生菌到达肠道后能够继续繁殖对人体产生益生作用，需要益生菌在胃酸(pH值为2.0)消化过程中不受胃酸的影响并且到达肠道，否则由于人体胃肠蠕动和消化的生理规律，该菌体很可能在1.5 h之后离开小肠，进入大肠，则益生菌就起不到原有的作用。通过微胶囊包埋的目的是利用壁材抵抗益生菌在进入人体肠道之前对于氧气、温度、pH值等不良环境的抵抗能力，最终壁材在肠道中溶解并释放出益生菌，此时益生菌的活性可以保持在一个较高的水平上，可以抑制有害菌的繁殖，进而可以促进肠道运动、提高肠道机能，改善排便状况。人体内的益生菌以乳杆菌属、双歧杆菌属为代表，并己被证实在临床上能够治疗和预防人和动物的某些肠道疾病或者起保健作用。例如乳酸杆菌，对低聚寡糖发酵供给对动物机体有益的乳酸、丙酸和丁酸，降低肠道pH值，抑制病原菌的生长和促进胃肠道的蠕动[33-34]。

包埋壁材对益生菌在较低pH和胆盐中耐受性的影响已被广泛研究。Mokarram等研究了经海藻酸钠包裹的微胶囊层数对嗜酸乳杆菌（PTCC1643）和鼠李糖乳杆菌（PTCC1637）在胃液中存活率的影响，结果显示在模拟胃液pH值为1.5下保持2 h，双层海藻酸钠包裹的微胶囊具有更好地保护能力[35]。Mandal等发现L.casei（NCDC-298）微胶囊的活力随海藻酸盐浓度的增加而升高，甚至可以在pH值为1.5下存活长达3 h[36]。对胆盐的耐受性取决于壁材的选择，Murata等选取海藻酸钠与壳聚糖（Alginate-chitosan,AC）共同对益生菌进行包裹，发现添加壳聚糖可以增进菌株对胆盐的耐受性[37]。海藻酸钠-壳聚糖复合体在与胆盐作用时可在微胶囊表面形成一层不溶性的物质，因而限制了胆汁扩散到微胶囊的内部，从而防止胆汁与益生菌的直接作用，可以保持益生菌在肠道中的释放效率。其原因可能是海藻酸盐与壳聚糖一道，作为壁材对于保护益生菌活力方面具有一个较高水平的协同作用。在于炜婷等的研究中，海藻酸钠和壳聚糖（Alginate-chitosan,AC）微胶囊在模拟胃液中收缩，在模拟肠液中膨胀，膨胀度高达544.95%，且无破损，说明经过优化条件制备的微胶囊，可以使含有益生菌的AC微胶囊在胃、肠道中具有理想的活力而满足肠道生化微胶囊的功能要求[38]。

在李梅等的研究中，通过建立pH值应答机制将海藻酸钙和鱼精蛋白复合壁材包裹干酪乳杆菌（Lactobacillus casei CICC 23185）微胶囊。通过包裹后，在肠液中由于胰蛋白酶与鱼精蛋白的作用导致其在50 min内全部释放，同普通海藻酸钙包裹的微胶囊释放所耗时是它的7.6倍[39]。在Shi等的研究中，利用牛乳蛋白双层包埋保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus），在胃液中（pH值为2.0，2 h）活菌数目可达108g-1，同时其包埋成分中的牛乳蛋白是肠道定位释放的良性载体，可以更好的促进释放，全部释放用时45 min[40]。因而选择适合的壁材能够在很大程度上增加益生菌产品在贮藏和人体内对于环境的抗性，极大的增加了其实用价值。

4 壁材对食品感官性能的影响

好的益生菌微胶囊产品通常具备三个特征：(1)可以通过先进的包埋技术，使壁材以半渗透微球聚合物的形式对益生菌进行保护，将益生菌与不良的外部环境产生隔离；(2)能在内部维持其适合的微环境，保持菌株活力；(3)产品本身的感官特性不会因为益生菌以及包埋材料的存在而受到影响[41]。

考虑到产品的品质可能会受到益生菌代谢和包埋材料以及贮藏条件的影响，所以在市场销售之前需对产品的感官品质进行评价[42]。大量的研究表明适当的壁材不仅不会影响到产品的品质，有的还会提高产品的感官性能。研究表明微胶囊化益生菌的直径会直接影响到消费者对产品的认可度，当益生菌微胶囊直径小于20 μm时，对终产品的口感和质地的影响最小，而当微胶囊粒径在1～3 mm时，产品的质地和口感会受到不利影响，进而影响到消费者的选择[11,43-44]。Ross等通过利用低聚果糖和蛋白质对婴儿双歧杆菌进行包埋，结果显示微胶囊颗粒粒径保持在15～20 μm，应用在食品中可以对质地和口感起到有利作用[45]。通过海藻酸钙和抗性淀粉包埋的嗜酸乳杆菌和乳双歧杆菌微胶囊的酸奶口感上的平滑感会增强，同时微胶囊包埋有助于保证贮藏期内酸奶中益生菌的数量，在整个贮存期内酸奶的颜色质地口感均未产生任何异味[46]。在Zanjani等[47]的研究中，益生菌（Lactobacillus casei ATCC 39392）通过海藻酸钙和玉米淀粉包埋后可以应用于奶油蛋糕中，在4～25℃的贮藏期长达4周，同时奶油蛋糕质构也更加细腻。在Fahimdanesh等[48]的研究中，添加了由抗性淀粉包裹的两歧双歧杆菌微胶囊和干酪乳杆菌微胶囊的蛋黄酱，在贮藏的过程中能有效抗氧化，因而可以保证益生菌数量的同时还能更好地保持蛋黄酱原有的色泽。添加了由结冷胶和黄原胶包裹的乳双歧杆菌微胶囊可以改善发酵粥的风味；玉米淀粉-海藻酸盐微胶囊的加入可以增强果汁吞咽时顺滑的口感；以上都是添加益生菌修饰产品适口性的例子[49,50]。因而，不同壁材的益生菌微胶囊的添加对于一些食品来说，可以起到维持益生菌的活力，同时又可起到修饰食品的品质的功效。

5 展望

益生菌是一类有助于改善人体健康的活性微生物，这类微生物只有在肠道中粘附和定植后，才可能发挥益生作用。通过微胶囊包埋技术可以更好地发挥益生菌的健康作用，而益生菌的生存能力在很大程度上取决于壁材的类型、浓度、细菌类型及益生菌与宿主肠道粘膜之间的物理化学作用等，通过分子组学、蛋白质组学、代谢组学等新的方法将有助于我们更为详细地了解益生菌的生理特性，从而可以选择更多的与其特性相符的包埋材料和方法。

同时针对壁材而言，目前除海藻酸钠被广泛研究外，还应大力开发潜在的壁材，如益生元、抗性淀粉等，它们可以更好的与益生菌结合增强益生功效。微胶囊化包埋可以提高益生菌在肠道中的黏附功能，对在食品、医疗保健等领域内实际应用具有重要意义。

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Effects of wall material on characteritics of microencapsulated probiotics

ZHAO Desheng
(Bao Tou Light Industry Vocational Technical College,Baotou 014035,China)

This paper reviewed the effects of different types of microcapsule wall material on viability of probiotics during the production and processing,storage and the human body,and the influence of microcapsule wall material to the sensory of characteristics of probiotic foods was also been discussed.The application and development trend of probiotic microcapsule wall material in the future is prospected.

probiotics;microcapsule wall material;resistence

TQ920.1

B

1001-2230（2017）02-0029-04

2016-06-01

赵德胜(1969-)，男，讲师，从事应用微生物，生物制药工程，药物制剂等方面的研究。