益生菌微胶囊技术食品级壁材的研究进展

李永权，陈英威，曾祥彦，胡秦佳宝,2*

1.百色学院农业与食品工程学院（百色 533000）；2.广西芒果生物学重点实验室（百色 533000）

益生菌是一种能够改善人体肠道菌群平衡，对人体肠道消化及生殖系统等生理机能产生积极作用的微生物[1]。在人体中不仅能促进食物的消化，还能够与肠道中的有害细菌进行氧气竞争，抑制其过度增殖，维持肠道菌群的平衡，预防肠道菌群失调发生的功能紊乱。益生菌的生理功效对于人体健康有着积极影响，被广泛应用于食品、药品等领域中。然而，益生菌在加工、储运和消化过程中容易受到环境因素的影响造成菌活力的下降或失活，使益生菌功效无法达到预期效果。研究证明，益生菌微胶囊化能对益生菌起到保护作用[2]，益生菌微胶囊进入人体后还能按照预先设定的特定条件，在最适时间、以最适速率在肠道中释放，避免其在消化道中受到胃液、消化酶的侵蚀。对益生菌的生理功效、微胶囊包埋技术及益生菌微胶囊的包埋壁材进行综述，以期为益生菌微胶囊包埋技术提供理论参考。

1 益生菌生理功效

益生菌是一类对宿主有益的微生物[3]，存在于人体肠道及生殖系统内，其种类繁多，大部分多为革兰阳性菌，主要包括乳酸杆菌、嗜热链球菌、双歧杆菌等。不同益生菌的功能也不同，依托于自身的功能特性，在人体内可发挥着调节肠道菌群生态的平衡、调节免疫反应以及抑制致癌酶类活性等生理功效[4-5]。

1.1 调节肠道菌群，改善肠道环境

益生菌因其功能特性常用于治疗和预防肠道类相关疾病。益生菌在肠道内分泌有机酸、H2O2等抗菌物质，杀死或抑制病原菌的生长繁殖。像乳酸杆菌等带有厌氧、产酸的特性，能在肠道能利用营养物质同时分泌有机酸，调节肠道内的酸度，在生长繁殖的过程中使得肠道内氧气缺乏，改善肠道环境，使得不耐酸、需氧的病原菌无法定植和生长产生细菌毒素影响人体健康[6-7]；通过对肠道菌群失调的慢性阻塞性肺疾病（COPD）伴腹泻患者进行口服双歧三联活菌胶囊的观察，得出通过补充外源性益生菌，可以改善肠道菌群紊乱程度、减少肠道细菌移位、降低和避免COPD患者肠道菌群失调性腹泻情况的发生[8]。

1.2 抑制致癌因子，调节肠道的免疫反应

病原菌在肠道内定植生长，大量繁殖引发肠道炎症，较严重情况下会激活致癌因子引发癌变。益生菌在体内可以与病原菌相互竞争营养物质，抑制病原菌的生长，同时可提高机体的免疫反应，使致病菌产生的致癌物质失活[9]。益生菌还能通过刺激和调节肠道的免疫反应，增强巨噬细胞的吞噬作用、促进IgA生成，防止病原体分泌的诱导物减少，进而降低其对宿主细胞的黏附能力，能有效阻止其在肠道内的定植，增强肠道免疫屏障[10]。如果缺乏足够的益生菌刺激免疫系统，会使免疫调节效果下降，从而引起一系列免疫疾病的发生，如炎症性肠病、癌症和自身免疫性疾病等，因此益生菌的免疫调节作用为治疗免疫性疾病中提供新思路[11]。

2 益生菌微胶囊包埋技术

微胶囊是指一种具有聚合物外壳的微型容器或包装物，其形状多为接近球形或豆粒的无规则颗粒[12]。微胶囊技术原理就是利用特殊的技术包埋材料，使目标芯材（固体、液体、气体）表面形成一层特殊的薄膜，一种直径在1～5 000 μm范围内[2]（通常在5～400 μm）的具有半透性或密封囊膜的微型胶囊将其进行包裹，使之与外界环境隔绝起来，并在一定时间或者特点的环境条件下能够把目标芯材释放出来。随着微胶囊技术的发展和完善，微胶囊技术在食品、医药等工业生产中被广泛使用，用于保护目标芯材在生产加工或者贮藏运输过程中因为外界环境如温度、pH、氧气等因素改变而发生氧化变质及成分挥发流失等问题，微胶囊可有效隔绝各组分避免之间相互接触而发生反应，还可以控制成分在特定时间与环境中的释放作用[13]。

工业上制备微胶囊的方法有多种，根据微胶囊的材料性质、制备原理大致可分为物理法、物理化学法、化学法3类[14]。益生菌在加工过程中要保持快速、温和等条件，不会造成益生菌的损伤，但由于不同的方法操作工序差别也较大，控制条件也不同，有些方法并不适用于益生菌。在益生菌商品工业化中常用的微胶囊包埋技术有挤压法、乳化法、交联法、喷雾干燥法、相分离凝聚法等，如表1所示[15]。

表1 益生菌微胶囊包埋技术及适配食品级壁材

3 益生菌微胶囊食品级壁材

制备益生菌微胶囊壁材的原料广泛、种类多样。壁材的不同将导致益生菌微胶囊对外界环境因素具有不同抗性，进而影响到益生菌的活性。为保证益生菌能够发挥功效，需维持益生菌在其储存期间及到达作用部位前的有效活力。因此，根据不同的微胶囊化方法、待包埋的芯材及包埋目的选择合适的壁材至关重要。适合的壁材不仅可以降低加工过程对益生菌活性的损害，还可以提高益生菌微胶囊的储存稳定性，延长保质期，降低商品损失。选用食品级壁材制备益生菌微胶囊，无毒、安全并对人体的身体健康影响较小。制备成本较低、易成膜、稳定性好并具有良好的生物相容性[35]。用于包埋益生菌的壁材主要以碳水化合物、蛋白质和脂类为主，碳水化合物及其衍生物类包括海藻酸盐、壳聚糖、菊粉、膳食纤维、抗性淀粉等；蛋白质类包括乳清蛋白、酪蛋白、大豆分离蛋白、明胶等；脂类包括植物精油、乳脂等。

3.1 碳水化合物及其衍生物

3.1.1 海藻酸盐

海藻酸盐（alginate）是从褐藻类的海带中提取的产物。由于其分子链中的α-L-古洛糖醛酸（G单元）中的羧基能与二价阳离子进行离子交换反应，形成水凝胶，并拥有良好的的热稳定性，能成为热不可逆凝胶[36]。研究表明海藻酸盐具有原料广泛可再生、成本低廉、安全无毒、生物相容性高、耐消化、溶解性能好、可良好控制释放等特点，因而用于包埋制备益生菌微胶囊，微胶囊内的活菌数能保持稳定，显著提高益生菌的包埋率[37]，是最广泛用于包埋益生菌的壁材[38]。微胶囊技术可以显著提高益生菌在酸奶、冰淇淋等食品中的存活率，KrasaekoopT等[39]以双歧杆菌和嗜酸乳杆菌海藻酸钠与1%抗性淀粉进行乳化后添加入酸奶中，在贮藏49 d后与游离的益生菌相比，双歧杆菌提高1个对数值，嗜酸乳杆菌提高2个对数值，提高益生菌在酸奶中的存活率。嗜酸乳杆菌（LA-5）和干酪乳杆菌（NCDC-298）通过挤压法与海藻酸钙和乳清蛋白制成微胶囊应用在冰淇淋中[40]，在相同的储存期间益生菌存活率提高30%，并且通过对益生菌冰淇淋样品的颜色、质地和口味等感官分析表明，在冰淇淋中添加游离的和包封的益生菌没有对冰淇淋感官特性产生影响。

然而海藻酸盐作为微胶囊壁材也存在一些不足之处，即单一使用海藻酸盐作为壁材其形成孔径较大、对酸性环境敏感、囊壁稳定性差，容易造成水分的过度丢失，使得干燥后凝胶的硬度变大，容易对菌群进行挤压，从而导致菌群存活率降低。研究证明，上述问题可通过结构修饰解决。改变分子结构使其紧密度提高、孔径缩小，从而强化包埋效果[41]。邓玉娣等[42]从香蕉皮中提取非水溶性膳食纤维，添加海藻酸钠、卡拉胶进行复合调配作为微胶囊包埋壁材，以低聚果糖作为保护剂，对双歧杆菌进行包埋制备新型双歧杆菌微胶囊，结果表明微胶囊对双歧杆菌的包埋产率和存活率的提高起显著作用，制备的微胶囊在模拟胃液、高胆汁盐溶液中均具有较好的耐受性。

3.1.2 壳聚糖

壳聚糖（chitosan）又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质（chitin）经过脱乙酰作用得到的，是一种天然的阳离子聚合物[43]。壳聚糖因其安全无毒、抗菌、吸附强、抗氧化、保湿、生物降解等优点，被广泛应用于医药、食品、环保、化妆品等领域，在伤口修复、食品保鲜、污水净化、皮肤护理等方面发挥着重要作用[44]。壳聚糖还能够加强海藻酸钠的凝胶结构，原因是壳聚糖分子上有大量带正电荷的伯氨基，可与海藻酸钠分子上带负电荷的羧基在静电力作用下通过正负电荷相互吸引形成一种不溶于水的聚电解质膜，从而固化凝胶结构[45]。有研究[46]对包裹两歧杆菌的海藻酸钠微胶囊进行二次包衣，在胃液、肠液模拟实验中发现使用壳聚糖进行二次包裹增加对海藻酸钠微胶囊的密封性，保护微胶囊避免受到消化液的渗入，提高菌种存活率。研究表明[47]壳聚糖脱乙酰度、相对分子质量及壳聚糖溶液pH对于微胶囊的性能有着重要影响，影响壳聚糖的生物可降解性、溶解度及成膜性。Argin[48]研究发现壳聚糖溶液pH及浓度的改变会影响到微胶囊的结构发生变化，性能也随之改变，利用黄原胶和壳聚糖聚电解质复合物凝胶开发一种新型微胶囊系统，以保护益生菌细胞免受不利环境条件的影响，并提高其回收率。宋雅娟[49]使用挤压法将嗜酸乳杆菌包埋在黄原胶和壳聚糖复合微胶囊中，经发现嗜酸乳杆菌微胶囊的活菌数和包埋产率影响因素为pH、壳聚糖浓度及黄原胶浓度，得出嗜酸乳杆菌微胶囊制备最佳工艺，在壳聚糖浓度0.68%、黄原胶浓度0.76%、pH 5.5条件下，菌体包埋产率可达86%，湿胶囊中活菌数可达1.31×1010CFU/g，对益生菌进行有效包埋及提高耐储藏性。

3.1.3 膳食纤维

膳食纤维大致可分为水溶性膳食纤维和非水溶性膳食纤维，不易被人体消化吸收，其主要为胶类物质如黄原胶、抗性寡糖和羟甲基纤维素等[50]。黄原胶是由一种由假黄单胞菌属发酵产生的高分子多糖，也是一种水溶性的膳食纤维。其黏度大，乳化性能良好，对热和酸碱的耐受程度高，具有良好的稳定性，可与大多数壁材复合，使壁材结构缺陷降低，使致密性得到提高，形成稳定的微胶囊结构，所得的微胶囊产品各项性能显著[49]。王远一飞等[51]采用乳化法将1%的黄原胶和0.8%的壳聚糖的壁材包埋鼠李糖乳杆菌制备微胶囊，置于模拟胃液、胆液2 h，其活菌数量分别为3.56 lg CFU/mL和3.4 lg CFU/mL，对益生菌保护效果增强。研究表明水溶性膳食纤维中的果胶、卡拉胶等多糖其水溶液呈阴离子性，在酸性条件下可以与明胶发生交联凝聚现象，该凝胶不易被消化液破坏，而外层非水溶性膳食纤维则充当外壳的保护框架[50]，使胶囊不易破碎。Oroian[52]研究发现以海藻酸钠微胶囊包埋干酪乳杆菌、植物乳杆菌以及鼠李糖乳杆菌，添加菊粉/低聚果糖/淀粉使微胶囊拥有较好的储存稳定性，在加工、储存和模拟胃肠条件下具有不同存活率，包封率非常高（87.00%～88.19%）。在模拟胃肠条件下益生菌总数在7.98～8.22 lg CFU/g，对于模拟胃肠液和模拟胃肠道耐受性强，制备的微胶囊为其提供较强的生存力。

膳食纤维具有不易被人体消化吸收的特性，能被肠道有益菌发酵利用，可以实现其在肠道中控制释放定植于肠道黏膜以发挥作用[53]。膳食纤维具有高持水力和高膨胀力，水溶性膳食纤维吸水后因其三维的网状结构会高度膨胀，为益生菌提供一个良好的内部环境，所形成的胶体具有良好的凝胶性和黏度可以很好地粘附益生菌。可以显著提高益生菌在贮藏期间和模拟胃肠道条件的稳定性和存活率。但是，在实际应用中还存在许多不足，如单一使用膳食纤维包埋效率较低，所形成的微胶囊表面孔径较大、表面粗糙有裂缝，不能有效阻止胃液的渗透侵蚀，稳定性较差。

3.2 蛋白质

以海藻酸钠作为壁材的微胶囊，因其胶体多孔的网状凝胶结构不能有效阻止小分子有害物质的渗入微胶囊内部，使得对益生菌的保护有局限性[54]。蛋白质形成的凝胶胶体强度高、致密性好，可控的通透性可以有效阻止小分子有害物质的进入，具有良好的成膜性、乳化性、溶解性等特点[55]，这些优良的理化性质非常适用于益生菌微胶囊的壁材。蛋白质能被胃蛋白酶分解、pH变化易导致蛋白质变性等因素会导致益生菌的包埋率下降[56]，所以不能单独作为微胶囊的壁材，通常与其他材料复配使用。周莉等[57]将两歧杆菌包埋在3%海藻酸钠和10%乳清蛋白中，添加2%氯化钙制成微胶囊能够高效地包埋益生菌，在此条件下包埋率达78.0%±2.0%。两歧杆菌经微胶囊包埋后与外界环境隔离，增强对不良环境的抵抗力，其贮藏稳定性显著提高，在模拟胃液条件下具有良好的耐酸性，能有效解决益生菌不耐胃酸与不易保存的问题。Mudgil等[58]以骆驼乳蛋白和小麦淀粉为壁材进行益生菌微胶囊化。结果显示，经包埋后载有益生菌的微粒的细菌死亡周期显著减少，骆驼乳和小麦淀粉微胶囊的细胞死亡周期水平分别达到0.90 lg CFU/g和1.49 lg CFU/g，而无微胶囊包埋的细菌死亡周期为12.33 lg CFU/g，骆驼乳蛋白包裹的微胶囊能较好维持益生菌稳定性。人工胃液处理后，骆驼乳蛋白包裹的益生菌活力显示出比小麦淀粉包裹的益生菌细胞高27.9%。表明骆驼乳酪形成的蛋白凝胶，可保护益生菌免受人工胃液的酸性环境的侵蚀，为其提供更好的保护作用。

3.3 脂质

油脂的熔点低，以脂质为壁材对益生菌进行包裹形成的微胶囊在人体胃肠道或储存运输过程中，当温度高于其熔点会过早融化释放出益生菌，导致益生菌微胶囊的储存稳定以及控制释放效果下降，从而降低对益生菌的保护作用[59]。Lahtinen等[60]发现，将两歧杆菌包埋于可可脂后添加至发酵或未发酵的燕麦饮品中，通过荧光显微镜来测定细胞的生存力，活细胞的显微镜计数没有显著变化，细菌存活力低。脂类对于益生菌的保护作用较小，应于其他壁材结合互补提高对益生菌的保护作用。

4 展望

微胶囊技术不仅可以维持益生菌在贮藏环境中的稳定和抵抗模拟胃肠液的侵蚀，提高存活率，还可以使益生菌顺利抵达肠道并成功定植于肠道中得以发挥功效，在食品、医疗保健领域具有较大的应用空间。但在国内有关益生菌微囊技术在工业生产中应用仍不成熟，如对所使用的壁材而言主要以壳聚糖、海藻酸盐等居多，今后应大力开发绿色安全的壁材，利用农副产品生产过程中产生的废料研究出优良的壁材运用于微胶囊技术中，提升产品性能。针对包埋效率低，不能抵挡热和酸的影响造成益生菌失活程度增加，益生菌功效下降，目前应根据壁材的特性，选择多种壁材探索出合适的比例进行复合调配，再经多次包埋使得微胶囊表面能够抵抗消化液的侵蚀。此外，需探索或改善微胶囊产品的生产工艺解决微胶囊制备点实际生产中的难点，降低生产成本，让更多益生菌微胶囊技术成果转化为生产力，在食品工业中发挥更大作用。

5 结语

微胶囊技术在益生菌制品的应用上具有较强的实用性，益生菌因其对环境因素的高敏性易失活，通过微胶囊技术的包裹形成一层保护膜，提高了对不良环境的抵抗维持益生菌的稳定，还能实现在肠胃中的定点释放，发挥益生菌功效。随着对微胶囊技术的研究创新，应开发出新型的包埋壁材，对包埋工艺进行改良，进一步开出种类多样的益生菌微胶囊制品，为益生菌的应用开发新途径。