益生菌微膠囊技術食品級壁材的研究進展

李永權，陳英威，曾祥彥，胡秦佳寶,2*

1.百色學院農(nóng)業(yè)與食品工程學院（百色 533000）；2.廣西芒果生物學重點實驗室（百色 533000）

益生菌是一種能夠改善人體腸道菌群平衡，對人體腸道消化及生殖系統(tǒng)等生理機能產(chǎn)生積極作用的微生物[1]。在人體中不僅能促進食物的消化，還能夠與腸道中的有害細菌進行氧氣競爭，抑制其過度增殖，維持腸道菌群的平衡，預防腸道菌群失調(diào)發(fā)生的功能紊亂。益生菌的生理功效對于人體健康有著積極影響，被廣泛應用于食品、藥品等領域中。然而，益生菌在加工、儲運和消化過程中容易受到環(huán)境因素的影響造成菌活力的下降或失活，使益生菌功效無法達到預期效果。研究證明，益生菌微膠囊化能對益生菌起到保護作用[2]，益生菌微膠囊進入人體后還能按照預先設定的特定條件，在最適時間、以最適速率在腸道中釋放，避免其在消化道中受到胃液、消化酶的侵蝕。對益生菌的生理功效、微膠囊包埋技術及益生菌微膠囊的包埋壁材進行綜述，以期為益生菌微膠囊包埋技術提供理論參考。

1 益生菌生理功效

益生菌是一類對宿主有益的微生物[3]，存在于人體腸道及生殖系統(tǒng)內(nèi)，其種類繁多，大部分多為革蘭陽性菌，主要包括乳酸桿菌、嗜熱鏈球菌、雙歧桿菌等。不同益生菌的功能也不同，依托于自身的功能特性，在人體內(nèi)可發(fā)揮著調(diào)節(jié)腸道菌群生態(tài)的平衡、調(diào)節(jié)免疫反應以及抑制致癌酶類活性等生理功效[4-5]。

1.1 調(diào)節(jié)腸道菌群，改善腸道環(huán)境

益生菌因其功能特性常用于治療和預防腸道類相關疾病。益生菌在腸道內(nèi)分泌有機酸、H2O2等抗菌物質(zhì)，殺死或抑制病原菌的生長繁殖。像乳酸桿菌等帶有厭氧、產(chǎn)酸的特性，能在腸道能利用營養(yǎng)物質(zhì)同時分泌有機酸，調(diào)節(jié)腸道內(nèi)的酸度，在生長繁殖的過程中使得腸道內(nèi)氧氣缺乏，改善腸道環(huán)境，使得不耐酸、需氧的病原菌無法定植和生長產(chǎn)生細菌毒素影響人體健康[6-7]；通過對腸道菌群失調(diào)的慢性阻塞性肺疾?。–OPD）伴腹瀉患者進行口服雙歧三聯(lián)活菌膠囊的觀察，得出通過補充外源性益生菌，可以改善腸道菌群紊亂程度、減少腸道細菌移位、降低和避免COPD患者腸道菌群失調(diào)性腹瀉情況的發(fā)生[8]。

1.2 抑制致癌因子，調(diào)節(jié)腸道的免疫反應

病原菌在腸道內(nèi)定植生長，大量繁殖引發(fā)腸道炎癥，較嚴重情況下會激活致癌因子引發(fā)癌變。益生菌在體內(nèi)可以與病原菌相互競爭營養(yǎng)物質(zhì)，抑制病原菌的生長，同時可提高機體的免疫反應，使致病菌產(chǎn)生的致癌物質(zhì)失活[9]。益生菌還能通過刺激和調(diào)節(jié)腸道的免疫反應，增強巨噬細胞的吞噬作用、促進IgA生成，防止病原體分泌的誘導物減少，進而降低其對宿主細胞的黏附能力，能有效阻止其在腸道內(nèi)的定植，增強腸道免疫屏障[10]。如果缺乏足夠的益生菌刺激免疫系統(tǒng)，會使免疫調(diào)節(jié)效果下降，從而引起一系列免疫疾病的發(fā)生，如炎癥性腸病、癌癥和自身免疫性疾病等，因此益生菌的免疫調(diào)節(jié)作用為治療免疫性疾病中提供新思路[11]。

2 益生菌微膠囊包埋技術

微膠囊是指一種具有聚合物外殼的微型容器或包裝物，其形狀多為接近球形或豆粒的無規(guī)則顆粒[12]。微膠囊技術原理就是利用特殊的技術包埋材料，使目標芯材（固體、液體、氣體）表面形成一層特殊的薄膜，一種直徑在1～5 000 μm范圍內(nèi)[2]（通常在5～400 μm）的具有半透性或密封囊膜的微型膠囊將其進行包裹，使之與外界環(huán)境隔絕起來，并在一定時間或者特點的環(huán)境條件下能夠把目標芯材釋放出來。隨著微膠囊技術的發(fā)展和完善，微膠囊技術在食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，用于保護目標芯材在生產(chǎn)加工或者貯藏運輸過程中因為外界環(huán)境如溫度、pH、氧氣等因素改變而發(fā)生氧化變質(zhì)及成分揮發(fā)流失等問題，微膠囊可有效隔絕各組分避免之間相互接觸而發(fā)生反應，還可以控制成分在特定時間與環(huán)境中的釋放作用[13]。

工業(yè)上制備微膠囊的方法有多種，根據(jù)微膠囊的材料性質(zhì)、制備原理大致可分為物理法、物理化學法、化學法3類[14]。益生菌在加工過程中要保持快速、溫和等條件，不會造成益生菌的損傷，但由于不同的方法操作工序差別也較大，控制條件也不同，有些方法并不適用于益生菌。在益生菌商品工業(yè)化中常用的微膠囊包埋技術有擠壓法、乳化法、交聯(lián)法、噴霧干燥法、相分離凝聚法等，如表1所示[15]。

表1 益生菌微膠囊包埋技術及適配食品級壁材

3 益生菌微膠囊食品級壁材

制備益生菌微膠囊壁材的原料廣泛、種類多樣。壁材的不同將導致益生菌微膠囊對外界環(huán)境因素具有不同抗性，進而影響到益生菌的活性。為保證益生菌能夠發(fā)揮功效，需維持益生菌在其儲存期間及到達作用部位前的有效活力。因此，根據(jù)不同的微膠囊化方法、待包埋的芯材及包埋目的選擇合適的壁材至關重要。適合的壁材不僅可以降低加工過程對益生菌活性的損害，還可以提高益生菌微膠囊的儲存穩(wěn)定性，延長保質(zhì)期，降低商品損失。選用食品級壁材制備益生菌微膠囊，無毒、安全并對人體的身體健康影響較小。制備成本較低、易成膜、穩(wěn)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、蛋白質(zhì)和脂類為主，碳水化合物及其衍生物類包括海藻酸鹽、殼聚糖、菊粉、膳食纖維、抗性淀粉等；蛋白質(zhì)類包括乳清蛋白、酪蛋白、大豆分離蛋白、明膠等；脂類包括植物精油、乳脂等。

3.1 碳水化合物及其衍生物

3.1.1 海藻酸鹽

海藻酸鹽（alginate）是從褐藻類的海帶中提取的產(chǎn)物。由于其分子鏈中的α-L-古洛糖醛酸（G單元）中的羧基能與二價陽離子進行離子交換反應，形成水凝膠，并擁有良好的的熱穩(wěn)定性，能成為熱不可逆凝膠[36]。研究表明海藻酸鹽具有原料廣泛可再生、成本低廉、安全無毒、生物相容性高、耐消化、溶解性能好、可良好控制釋放等特點，因而用于包埋制備益生菌微膠囊，微膠囊內(nèi)的活菌數(shù)能保持穩(wěn)定，顯著提高益生菌的包埋率[37]，是最廣泛用于包埋益生菌的壁材[38]。微膠囊技術可以顯著提高益生菌在酸奶、冰淇淋等食品中的存活率，KrasaekoopT等[39]以雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌海藻酸鈉與1%抗性淀粉進行乳化后添加入酸奶中，在貯藏49 d后與游離的益生菌相比，雙歧桿菌提高1個對數(shù)值，嗜酸乳桿菌提高2個對數(shù)值，提高益生菌在酸奶中的存活率。嗜酸乳桿菌（LA-5）和干酪乳桿菌（NCDC-298）通過擠壓法與海藻酸鈣和乳清蛋白制成微膠囊應用在冰淇淋中[40]，在相同的儲存期間益生菌存活率提高30%，并且通過對益生菌冰淇淋樣品的顏色、質(zhì)地和口味等感官分析表明，在冰淇淋中添加游離的和包封的益生菌沒有對冰淇淋感官特性產(chǎn)生影響。

然而海藻酸鹽作為微膠囊壁材也存在一些不足之處，即單一使用海藻酸鹽作為壁材其形成孔徑較大、對酸性環(huán)境敏感、囊壁穩(wěn)定性差，容易造成水分的過度丟失，使得干燥后凝膠的硬度變大，容易對菌群進行擠壓，從而導致菌群存活率降低。研究證明，上述問題可通過結構修飾解決。改變分子結構使其緊密度提高、孔徑縮小，從而強化包埋效果[41]。鄧玉娣等[42]從香蕉皮中提取非水溶性膳食纖維，添加海藻酸鈉、卡拉膠進行復合調(diào)配作為微膠囊包埋壁材，以低聚果糖作為保護劑，對雙歧桿菌進行包埋制備新型雙歧桿菌微膠囊，結果表明微膠囊對雙歧桿菌的包埋產(chǎn)率和存活率的提高起顯著作用，制備的微膠囊在模擬胃液、高膽汁鹽溶液中均具有較好的耐受性。

3.1.2 殼聚糖

殼聚糖（chitosan）又稱脫乙酰甲殼素，是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)（chitin）經(jīng)過脫乙酰作用得到的，是一種天然的陽離子聚合物[43]。殼聚糖因其安全無毒、抗菌、吸附強、抗氧化、保濕、生物降解等優(yōu)點，被廣泛應用于醫(yī)藥、食品、環(huán)保、化妝品等領域，在傷口修復、食品保鮮、污水凈化、皮膚護理等方面發(fā)揮著重要作用[44]。殼聚糖還能夠加強海藻酸鈉的凝膠結構，原因是殼聚糖分子上有大量帶正電荷的伯氨基，可與海藻酸鈉分子上帶負電荷的羧基在靜電力作用下通過正負電荷相互吸引形成一種不溶于水的聚電解質(zhì)膜，從而固化凝膠結構[45]。有研究[46]對包裹兩歧桿菌的海藻酸鈉微膠囊進行二次包衣，在胃液、腸液模擬實驗中發(fā)現(xiàn)使用殼聚糖進行二次包裹增加對海藻酸鈉微膠囊的密封性，保護微膠囊避免受到消化液的滲入，提高菌種存活率。研究表明[47]殼聚糖脫乙酰度、相對分子質(zhì)量及殼聚糖溶液pH對于微膠囊的性能有著重要影響，影響殼聚糖的生物可降解性、溶解度及成膜性。Argin[48]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖溶液pH及濃度的改變會影響到微膠囊的結構發(fā)生變化，性能也隨之改變，利用黃原膠和殼聚糖聚電解質(zhì)復合物凝膠開發(fā)一種新型微膠囊系統(tǒng)，以保護益生菌細胞免受不利環(huán)境條件的影響，并提高其回收率。宋雅娟[49]使用擠壓法將嗜酸乳桿菌包埋在黃原膠和殼聚糖復合微膠囊中，經(jīng)發(fā)現(xiàn)嗜酸乳桿菌微膠囊的活菌數(shù)和包埋產(chǎn)率影響因素為pH、殼聚糖濃度及黃原膠濃度，得出嗜酸乳桿菌微膠囊制備最佳工藝，在殼聚糖濃度0.68%、黃原膠濃度0.76%、pH 5.5條件下，菌體包埋產(chǎn)率可達86%，濕膠囊中活菌數(shù)可達1.31×1010CFU/g，對益生菌進行有效包埋及提高耐儲藏性。

3.1.3 膳食纖維

膳食纖維大致可分為水溶性膳食纖維和非水溶性膳食纖維，不易被人體消化吸收，其主要為膠類物質(zhì)如黃原膠、抗性寡糖和羥甲基纖維素等[50]。黃原膠是由一種由假黃單胞菌屬發(fā)酵產(chǎn)生的高分子多糖，也是一種水溶性的膳食纖維。其黏度大，乳化性能良好，對熱和酸堿的耐受程度高，具有良好的穩(wěn)定性，可與大多數(shù)壁材復合，使壁材結構缺陷降低，使致密性得到提高，形成穩(wěn)定的微膠囊結構，所得的微膠囊產(chǎn)品各項性能顯著[49]。王遠一飛等[51]采用乳化法將1%的黃原膠和0.8%的殼聚糖的壁材包埋鼠李糖乳桿菌制備微膠囊，置于模擬胃液、膽液2 h，其活菌數(shù)量分別為3.56 lg CFU/mL和3.4 lg CFU/mL，對益生菌保護效果增強。研究表明水溶性膳食纖維中的果膠、卡拉膠等多糖其水溶液呈陰離子性，在酸性條件下可以與明膠發(fā)生交聯(lián)凝聚現(xiàn)象，該凝膠不易被消化液破壞，而外層非水溶性膳食纖維則充當外殼的保護框架[50]，使膠囊不易破碎。Oroian[52]研究發(fā)現(xiàn)以海藻酸鈉微膠囊包埋干酪乳桿菌、植物乳桿菌以及鼠李糖乳桿菌，添加菊粉/低聚果糖/淀粉使微膠囊擁有較好的儲存穩(wěn)定性，在加工、儲存和模擬胃腸條件下具有不同存活率，包封率非常高（87.00%～88.19%）。在模擬胃腸條件下益生菌總數(shù)在7.98～8.22 lg CFU/g，對于模擬胃腸液和模擬胃腸道耐受性強，制備的微膠囊為其提供較強的生存力。

膳食纖維具有不易被人體消化吸收的特性，能被腸道有益菌發(fā)酵利用，可以實現(xiàn)其在腸道中控制釋放定植于腸道黏膜以發(fā)揮作用[53]。膳食纖維具有高持水力和高膨脹力，水溶性膳食纖維吸水后因其三維的網(wǎng)狀結構會高度膨脹，為益生菌提供一個良好的內(nèi)部環(huán)境，所形成的膠體具有良好的凝膠性和黏度可以很好地粘附益生菌?？梢燥@著提高益生菌在貯藏期間和模擬胃腸道條件的穩(wěn)定性和存活率。但是，在實際應用中還存在許多不足，如單一使用膳食纖維包埋效率較低，所形成的微膠囊表面孔徑較大、表面粗糙有裂縫，不能有效阻止胃液的滲透侵蝕，穩(wěn)定性較差。

3.2 蛋白質(zhì)

以海藻酸鈉作為壁材的微膠囊，因其膠體多孔的網(wǎng)狀凝膠結構不能有效阻止小分子有害物質(zhì)的滲入微膠囊內(nèi)部，使得對益生菌的保護有局限性[54]。蛋白質(zhì)形成的凝膠膠體強度高、致密性好，可控的通透性可以有效阻止小分子有害物質(zhì)的進入，具有良好的成膜性、乳化性、溶解性等特點[55]，這些優(yōu)良的理化性質(zhì)非常適用于益生菌微膠囊的壁材。蛋白質(zhì)能被胃蛋白酶分解、pH變化易導致蛋白質(zhì)變性等因素會導致益生菌的包埋率下降[56]，所以不能單獨作為微膠囊的壁材，通常與其他材料復配使用。周莉等[57]將兩歧桿菌包埋在3%海藻酸鈉和10%乳清蛋白中，添加2%氯化鈣制成微膠囊能夠高效地包埋益生菌，在此條件下包埋率達78.0%±2.0%。兩歧桿菌經(jīng)微膠囊包埋后與外界環(huán)境隔離，增強對不良環(huán)境的抵抗力，其貯藏穩(wěn)定性顯著提高，在模擬胃液條件下具有良好的耐酸性，能有效解決益生菌不耐胃酸與不易保存的問題。Mudgil等[58]以駱駝乳蛋白和小麥淀粉為壁材進行益生菌微膠囊化。結果顯示，經(jīng)包埋后載有益生菌的微粒的細菌死亡周期顯著減少，駱駝乳和小麥淀粉微膠囊的細胞死亡周期水平分別達到0.90 lg CFU/g和1.49 lg CFU/g，而無微膠囊包埋的細菌死亡周期為12.33 lg CFU/g，駱駝乳蛋白包裹的微膠囊能較好維持益生菌穩(wěn)定性。人工胃液處理后，駱駝乳蛋白包裹的益生菌活力顯示出比小麥淀粉包裹的益生菌細胞高27.9%。表明駱駝乳酪形成的蛋白凝膠，可保護益生菌免受人工胃液的酸性環(huán)境的侵蝕，為其提供更好的保護作用。

3.3 脂質(zhì)

油脂的熔點低，以脂質(zhì)為壁材對益生菌進行包裹形成的微膠囊在人體胃腸道或儲存運輸過程中，當溫度高于其熔點會過早融化釋放出益生菌，導致益生菌微膠囊的儲存穩(wěn)定以及控制釋放效果下降，從而降低對益生菌的保護作用[59]。Lahtinen等[60]發(fā)現(xiàn)，將兩歧桿菌包埋于可可脂后添加至發(fā)酵或未發(fā)酵的燕麥飲品中，通過熒光顯微鏡來測定細胞的生存力，活細胞的顯微鏡計數(shù)沒有顯著變化，細菌存活力低。脂類對于益生菌的保護作用較小，應于其他壁材結合互補提高對益生菌的保護作用。

4 展望

微膠囊技術不僅可以維持益生菌在貯藏環(huán)境中的穩(wěn)定和抵抗模擬胃腸液的侵蝕，提高存活率，還可以使益生菌順利抵達腸道并成功定植于腸道中得以發(fā)揮功效，在食品、醫(yī)療保健領域具有較大的應用空間。但在國內(nèi)有關益生菌微囊技術在工業(yè)生產(chǎn)中應用仍不成熟，如對所使用的壁材而言主要以殼聚糖、海藻酸鹽等居多，今后應大力開發(fā)綠色安全的壁材，利用農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料研究出優(yōu)良的壁材運用于微膠囊技術中，提升產(chǎn)品性能。針對包埋效率低，不能抵擋熱和酸的影響造成益生菌失活程度增加，益生菌功效下降，目前應根據(jù)壁材的特性，選擇多種壁材探索出合適的比例進行復合調(diào)配，再經(jīng)多次包埋使得微膠囊表面能夠抵抗消化液的侵蝕。此外，需探索或改善微膠囊產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝解決微膠囊制備點實際生產(chǎn)中的難點，降低生產(chǎn)成本，讓更多益生菌微膠囊技術成果轉化為生產(chǎn)力，在食品工業(yè)中發(fā)揮更大作用。

5 結語

微膠囊技術在益生菌制品的應用上具有較強的實用性，益生菌因其對環(huán)境因素的高敏性易失活，通過微膠囊技術的包裹形成一層保護膜，提高了對不良環(huán)境的抵抗維持益生菌的穩(wěn)定，還能實現(xiàn)在腸胃中的定點釋放，發(fā)揮益生菌功效。隨著對微膠囊技術的研究創(chuàng)新，應開發(fā)出新型的包埋壁材，對包埋工藝進行改良，進一步開出種類多樣的益生菌微膠囊制品，為益生菌的應用開發(fā)新途徑。