喷雾干燥技术在益生菌微胶囊制品中的应用研究进展

陶萄，侯丹平，尹肖寒，丁壮*，张德蒙*，王正平

1. 聊城大学生物制药研究院（聊城 252059）；2. 青岛明月海藻集团有限公司海藻活性物质国家重点实验室（青岛 266400）

寄居在人体肠道内的益生菌能够调节机体胃肠道菌群、保持微生态平衡、提高食物消化率、制造营养物质，进而发挥增强营养、调节免疫、预防疾病等作用[1]。随着人们健康意识的日益提高，益生菌相关的功能性食品、药物受到了消费者的广泛关注和推崇。然而这些益生菌产品在生产、加工、贮藏以及进入消化道的过程中往往易受各种不利因素的影响，导致菌体大量死亡，极大地降低了益生菌的效价[2]。

利用微胶囊技术，将益生菌包埋在保护性壁材中，不仅可以增强菌体对各种不良环境的抵抗性，还能使微胶囊中的益生菌在肠道适宜条件下定向释放，显著提高菌体在肠道中的存活率，有利于益生菌发挥健康作用[3]。益生菌微胶囊化常用的方法是挤压法和乳化法，而近几年包括喷雾干燥、冷冻干燥、流化床等适合大规模生产的微胶囊制备技术得到了迅速发展[4-5]。其中，喷雾干燥微胶囊制备技术是将含有菌体的液态进料通过雾化器形成微小雾滴，喷射到加热的干燥气流中，微滴水分迅速蒸发，在很短的时间内被干燥成粉末微胶囊颗粒。与其他微胶囊制备技术相比，喷雾干燥具有能源成本低、制备效率高、可连续生产、易于产业化等优势。但是喷雾干燥过程将菌体置于高温、干燥的严苛环境下，并伴有较强的物理剪切作用，使得菌体遭受到严重损伤以致大量死亡，对该技术在益生菌微胶囊制备领域的应用提出了较高的技术要求[6]。综述了近年来喷雾干燥技术用于益生菌微胶囊制备过程中有关处方工艺条件的最新研究进展，为相关产品生产过程的优化研究提供参考。

1 处方因素对微胶囊质量的影响

1.1 益生菌株

目前市场上所供应益生菌产品中的菌株大部分为乳杆菌、乳球菌以及双歧杆菌等，这些益生菌菌株一般对热、干燥、氧以及酸环境等压力呈现出不同程度的敏感性[7]。但是，有些益生菌菌种、菌株对不利环境也展示出良好的耐受性。例如，相比乳杆菌属益生菌，嗜热链球菌和费氏丙酸杆菌在喷雾干燥过程中通常表现出更强的热耐受性[8-9]；而在乳杆菌属中，植物乳杆菌也被证明是抗逆性相对较强的菌种[10]。除种间差异外，同一物种内的不同菌株对不利环境所表现出的耐受性也存在明显差别。例如，副干酪乳杆菌嗜热株NFBC 338的耐热性明显优于其他副干酪乳杆菌，与嗜热链球菌相当[11]；而鼠李糖乳杆菌E88比其他同种菌株具有更好的耐热性，而菌株GG在耐酸和胆汁能力上有着更为突出的表现[12]。

对于同一菌株而言，处于生长稳定期的菌体在喷雾干燥过程中往往表现出更好的耐受性[13]。此外，在培养过程中将菌株暴露于热、盐、酸、氧、高渗等亚致死剂量的压力下还能够激活细胞应激反应，从而增强细胞适应和抵御不利环境的能力。Ananta等[14]发现鼠李糖乳杆菌GG经100 MPa高压下预处理后，能够显著增强菌株的热耐受性；Desmond等[15]发现经过盐溶液处理过的副干酪乳杆菌NFBC 338可以提高其在喷雾干燥后的存活率。

1.2 包埋材料

在益生菌微胶囊制备过程中，包埋材料对于益生菌的保护作用具有重要意义，也成为优化制备处方研究中最为关键的考察因素[16]。理想的微胶囊包埋壁材应具有方便易得、安全卫生、性质稳定以及生物相容性良好等特点。目前，应用于喷雾干燥法制备益生菌微胶囊的包埋材料主要包括碳水化合物及其衍生物类、蛋白质类和多种材料复配形成的复合壁材。

1.2.1 碳水化合物及其衍生物

碳水化合物类材料因其廉价易得、生物相容性高等优点，成为益生菌喷雾干燥过程中的最常用包埋材料。在干燥过程中，碳水化合物能够通过置换益生菌的细胞膜和蛋白质结构内的极性残基周围的水，从而起到稳定益生菌的作用[17]。因此，作为热干燥保护剂，碳水化合物类材料能够有效保持益生菌在喷雾干燥过程中的存活率。Perdana等[18]系统考察了海藻糖、乳糖、麦芽糖糊精、菊糖以及马铃薯淀粉等多种碳水化合物在喷雾干燥过程中对植物乳杆菌WCFS1的保护作用，发现具有较低分子量及较高玻璃化转变温度的碳水化合物对益生菌的热保护效果更为显著；这是因为低分子量碳水化合物可与细胞膜脂质层产生更为充分的相互作用，而具有高玻璃化转变温度的碳水化合物在干燥过程中更容易形成稳定的玻璃态保护层。Kingwatee等[19]在考察菊粉、糊精、阿拉伯糖对干酪乳杆菌01的热保护效果的研究中也得出同样的结论。

碳水化合物所形成的物理保护屏障还能够提高益生菌在贮藏过程中的生存能力。但与热保护效果不同，不同的碳水化合物在包埋保护效果上显示出较大差异。Ying等[20]和Agudelo等[21]研究表明，在微胶囊处方中加入葡萄糖、海藻糖、蔗糖等低分子糖能明显延长鼠李糖乳杆菌的贮藏周期；而Liao等[22]却发现麦芽糊精所制备的微胶囊在长期贮藏实验中对干酪乳杆菌LK-1并没有明显的保护作用。此外，碳水化合物的多孔特性使其不能有效地限制胃液的渗透。因此，传统的碳水化合物在消化道保护效果上并无优势[23-24]，甚至向包埋材料中添加菊粉等低聚糖，反而带来负面效果[25]。虽然碳水化合物类材料在对抗消化道环境方面普遍表现不佳，但是壳聚糖、卡拉胶、波斯胶等黏性多糖能够为敏感益生菌在模拟胃液环境下提供较好的保护效果[26-27]。

1.2.2 蛋白质类

脱脂乳粉、乳清蛋白等蛋白类材料具有营养价值高、成膜性质好、生物相容性好等特点，在益生菌微胶囊产品中具有很好的应用前景。脱脂乳粉是目前最常用的蛋白类包埋材料，其对于益生菌在干燥保护、消化道保护以及延长贮藏时效等方面都有不错的表现。Liao等[22]使用脱脂奶粉包埋干酪乳杆菌LK-1的干燥存活率为92.9%，远高于海藻糖、麦芽糊精（56.3%和34.6%）；Gul[28]报道利用脱脂奶粉制备的干酪乳杆菌Shirota微胶囊在24 ℃条件下贮藏60 d，菌活度依然能够保持90%以上。同样，乳清蛋白等蛋白质含量更高的包埋材料也展现了全面的保护作用。Doherty等[29]在鼠李糖乳杆菌GG的微胶囊包埋研究中发现，乳清蛋白能够加强菌株的耐热性，其中经水解处理的乳清蛋白效果最好；Kham等[30]研究发现乳清蛋白、脱脂奶粉在喷雾干燥过程中对植物乳杆菌A17菌体均具有很好的保护效果，而乳清蛋白在长期贮藏过程中对菌体的保护作用更为明显。此外，蛋白质类材料在抵抗消化液方面能够为益生菌提供较强的保护作用。Arslan等[31]在对比了6种不同材料的喷雾干燥包埋效果后发现，相较于碳水化合物类包材，乳清蛋白、明胶等蛋白类材料对益生酿酒酵母具有更好的消化道保护效果。虽然在对益生菌的保护效果来看，蛋白质材料的综合性能优于碳水化合物，但是蛋白质材料所制备的产品在粉末流动性、色泽、口感以及成本控制等方面也存在不足之处[6,23]。

1.2.3 复合包材

近些年，采用碳水化合物、蛋白类等材料复配的复合型包材正受到研究人员越来越多的关注。由于不同类型包埋材料的各自优势，复合型包材在功能上往往能够扬长避短，实现优势互补。Rajam等[32]在研究中发现低聚果糖与乳清蛋白形成的复合材料可显著提升植物乳杆菌MTCC 5422的喷雾干燥存活率，包封率可达98.63%；Ying等[33]使用乳清蛋白、低分子糖、玉米淀粉以及葵花油所组成的复合材料包埋鼠李糖乳杆菌GG，其微胶囊产品的耐湿热性比市售冻干产品有着显著提升；Bustamante等[34-35]证明向包埋材料中添加从亚麻籽中提取的多糖黏液和可溶性蛋白质能够增强基础包埋材料对多种益生菌的保护性能。此外，脂肪类材料也作为复配成分被用于益生菌微胶囊的制备，用以减少喷雾干燥过程对益生菌的损伤。Liu等[36]发现向包埋材料中添加低熔点脂肪，可以有效减少多种乳杆菌在喷雾干燥过程中所受损害，将细胞存活率从15%提升至63%；Eratte等[37]报道向包埋材料中添加ω-3脂肪酸能够显著改善干酪乳杆菌431在喷雾干燥后的存活率。

1.3 固体含量

包埋材料的用量是喷雾干燥生产应用中需要考量的重要因素。较高的固体含量能够提高粉末质量和包埋效果，并降低能耗，但过高的固体含量所带来的渗透压力则不利于干燥前益生菌的存活。Huang等[38]研究表明，将乳清蛋白的用量从5%增加到20%～30%，能够明显提高干酪乳杆菌BL 23和费氏丙酸杆菌ITG P20的干燥存活率，同时有助于在产品的长期贮藏；然而，当将乳清蛋白用量增加到40%时，过高的渗透压力引起的负面效应使得两种菌株的存活率又出现下降趋势。同样，使用阿拉伯胶的浓度从25%增加到40%，所得菌粉的活菌数量呈上升趋势；但超过40%则不利于微胶囊菌粉水分干燥和高活菌数量的保持[39]。一般情况下，干燥介质的固体含量应控制在20%～30%范围内。

2 工艺因素对微胶囊质量的影响

2.1 干燥温度

喷雾干燥系统的温度控制是制备活菌制剂过程中最为关键的工艺指标。在喷雾干燥过程中温度的变化主要分为两个阶段：一是恒定干燥速率阶段，该阶段液滴被热空气雾化，其液滴温度很快升到某一恒定值。但由于这一过程时间较短，益生菌受进口温度影响较小，热损伤并不严重；二是降速干燥阶段，随着自由水的蒸发，细胞中的结合水开始丧失，在此过程中许多亲水大分子物质或者膜脂质类物质的状态会发生改变。当水分减少到一定程度时会发生相变，导致细胞膜功能失调而加剧菌体的死亡。因此，出口温度被认为是影响喷雾干燥菌株活力的主要参数。通常情况下，出口温度越低，干燥后益生菌单位活力越高[40-41]。例如，Zhang等[41]研究唾液乳酸菌NRRL B-30514的喷雾干燥过程中发现，出口温度在70～100℃范围内每上升10 ℃将导致菌体的干燥存活率降低约1个数量级。然而，出口温度太低又会导致产品干燥不彻底，而较高的水活度和含水量不利于益生菌粉末在长期贮藏过程中活菌量的保持[42]。Zhang等[41]同样发现较低的出口温度虽然可以在干燥过程中保持较高生存率，但是相应的产品在贮藏过程中活菌量的下降也更为显著。

2.2 喷雾压力

一些研究发现喷雾干燥过程中选用较低的雾化气压可以提高益生菌的存活率。Riveros等[43]研究发现将双流体喷嘴压力从1.5 bar降低到1 bar，嗜酸乳杆菌单位活菌量可以增加两个数量级；Ghandi等[44]甚至认为雾化压力是造成益生菌存活率降低的主要原因，最多可导致93%的菌体致死。但是另一些研究则发现喷雾压力并不会对菌体产生明显的失活作用。例如，Fu等[45]发现经喷雾剪切后的乳酸乳球菌活力几乎没有减少；Seth等[46]研究发现在2～5 bar范围内，喷雾压力对于嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的活力没有显著影响。以上研究结果可能表明，喷雾压力的失活作用与益生菌自身的耐受性有关，即一定范围内的剪切作用会导致敏感菌株的部分失活，而对耐受性较好的菌株则无明显影响。

2.3 进料流速

进料流速的变化可以在一定程度上调节干燥体系温度，从而减少干燥过程中对菌体的损伤，提高益生菌干燥存活率。此外，进料流速能够影响雾化液滴大小，调整粉体的粒径，有利于改善菌粉流动性、溶解性等粉体特性。Anekella等[47]在对两种益生菌微胶囊制备工艺的优化研究中发现，增加进料速度能够降低出口温度，进而减少益生菌干燥过程中的活力损失；但同时又使得产品含水量上升以及产品收率下降。同样，郑巨等[48]在考察进料速度对荔枝酸奶粉乳酸菌存活率、水分含量、产率的影响中发现，随着进料速度增大，乳酸菌存活率迅速升高，在20.0 mL/min时可达到71.7%；但另一方面，增大进料速度使得粉体水分含量显著上升，而由于液滴未完全干燥而出现粘壁现象还导致产品收率持续下降。

3 结语与展望

在制备益生菌微胶囊过程中，喷雾干燥技术中的多项处方工艺因素对益生菌产品质量有着重要影响，对于这些因素优化显得尤为重要。处方方面：所选用菌株的抗逆性应该被充分考虑，而在培养过程中激发菌株的应激反应是提高菌株抗逆性的重要策略；选择合适的包埋材料是保持菌体活力的关键，近几年研究表明复合材料的应用表现出巨大的优势。工艺方面：干燥温度、喷雾压力、进料速率等多种因素共同影响着干燥体系中喷雾液滴的动态失水过程，其中干燥温度应作为主要工艺因素而被优先考察；同时，在优化工艺参数的过程中应综合考量活菌数、含水量、产率以及粉末性质等产品质量要求。此外，喷雾干燥技术中的各项因素之间通常表现出明显的交互作用，因此以正交试验、响应面优化为代表的多因素优化设计方法得到了广泛应用[39,47]。

目前喷雾干燥制备益生菌微胶囊的相关研究仍集中于实际效果的对比考察，更多关于干燥过程与机制的理论研究还有待深入开展。此外，大部分研究工作是在实验室规模的干燥设备上开展的，而小试、中试设备向工业生产设备的放大效果以及不同干燥设备对菌株存活率和产品质量的影响还需要更多的研究支持。