益生菌的生理功能及微胶囊化的必要性和方法

《广州食品工业科技》 第三届 “益生菌、益生元与健康”研讨会专刊 Vo1．20增刊(总s3) 文章篇号：1 007-2764(2004)增：]：U-0069-020 益生菌的生理功能及微胶囊化的必要性和方法 吴克刚 (汕头大学海洋生物研究所，汕头515063) 摘要：益生菌对人体具有重要的生理功能，越来越引起人们摄取的兴趣，但是由于益生菌对氧、酸极为敏感，使其储存稳定性很 差以及易受胃酸失活，功能活性丧失。为此，将益生茵微胶囊化十分必要。选择具有一定砷 的茵株和具有良好阻隔性能的壁材对微 胶囊化很重要。目前，益生菌的微胶囊化已发展了锐孔 一凝固浴，滴．化床包膜、熔化分散冷凝、乳化交联、相分离，喷雾干燥、吸附 等方法。 关键词：益生菌；生理功能；微胶囊化；壁材 Physiological action，Necessary to be Microencapsulate and Manufacture Methods of Probiotics W u Kegang (Marine Biology Institute，Shantou University,Shantou 5 1 5063) Abstract：Probiotics is attracting mole and mole consumers’interest due to its physiological action，but its activity and function ale easy toloseduringstorage andingastricjuiceowingtoitssusceptibilitytooxygenand acid．So，itisnecessaryforprobioticstobemicroencapsulate． It is very important for microencapsulation to select probiotics and encapsulants of good resistance．At present,probiotics may be microeneapsulated by microhole-solidifying，fluidized bed coating,melting-dispersion-condensation，emulsion polymerization，coacervation， spraydrying，sorpfion，and SOon． Keywords：Probiotics；Physiological action；Microencapsulation；Encapsulant 益生菌 (probiotics)，又称为益生素、促生素、活 性菌、微生态制剂，是指那些具有维持人体内菌群平 衡、并对人体健康产生有益作用的活菌制品或含有菌 体组分及代谢产物的死菌制品。目前应用于人类的益 生菌种类主要有乳杆菌、双歧杆菌、肠球菌、乳球菌、 枯草杆菌、大肠杆菌、蜡样芽抱杆菌、地衣芽抱杆菌、 嗜热链球菌、丁酸梭菌和酵母菌等，但传统上人们所 应用主要是双歧杆菌和乳杆菌两个属。商业生产与应 用，特别是食品中一般以嗜酸乳杆菌和双歧杆菌作为 益生菌较为普遍。嗜酸乳杆菌是使用最广泛、历史悠 久的一个菌种，它在防治成人病，增加免疫力，抗衰 老、降低胆固醇、抑制肿瘤等各方面的功能不亚于双 歧杆菌，而且培养也较双歧杆菌容易。 目前国外已有70多种益生菌的产品问世。日本健 康食品协会将含双歧杆菌的功能食品列为健康食品， 并指明双歧杆菌可用于产妇食品及幼儿特殊营养食品 中。在欧洲，双歧杆菌制品也己成为发酵乳制品中发 展最快的部分。我国从20世纪 90年代起开始将双歧 杆菌用于各种健康食品中，如三株口服液、昂立多邦 胶囊、双歧天宝口服液，甚至作为药物用于治疗肠道 疾病，如培菲康、丽珠肠乐。 1 益生菌的生理功能 1．1 防治各种胃病和肠道疾病 益生菌制剂对各种原因引起的急性和慢性肠炎、 腹泻、乳糖不耐症、过敏性肠综合症等具有良好的预 防和治疗效果。特别是对医源性感染疾病 (如抗生素 相关性腹泻、伪膜性肠炎)具有明显疗效。益生菌能 阻止幽门螺杆菌的定植，抑制其活性，从而减少幽门 螺杆菌引发的慢性胃炎、消化性溃疡、胃癌的发生。 1．2 增强免疫功能 益生菌可加强特异性和非特异性免疫反应，激活 巨噬细胞，增加细胞因子水平，提高杀死细胞的活力。 增加免疫球蛋白，特别是分泌性免疫球蛋白A的水平。 1．3 防治癌症 大多数人认为是由于益生菌及其产物能影响结肠 表皮细胞的动力学性质，减少癌细胞的增殖。同时， 还能促进机体吞噬细胞的活力，增强免疫功能，降解 维普资讯 http://www.cqvip.com 《广州食品工业科技》 第三届 “益生菌、益生元与健康”研讨会专刊 Voi．20增刊(总 83) 肠内亚硝胺等致癌物质，对癌细胞有一定的抑制作用。 为了提高微胶囊益生菌在体内到达肠道尽可能高 另外，通过抑制腐败菌的繁殖，可减少粪便中致癌物 的活菌数，选用一些耐性菌株是极为重要的。有研究 质的浓度，降低粪便中由腐败菌产生的致癌原合成酶， 发现[51，嗜酸乳杆菌和双歧杆菌对酸和胆汁的耐受力 如偶氯还原酶、葡萄糖醛酸菌、硝酸盐还原酶等活性。 不同，在9个双歧杆菌菌株中，长双歧杆菌和假长双 1．4 降低胆固醇 歧杆菌对酸的耐受性最好，长双歧杆菌、假长双歧杆 人体试验证实，食用乳杆菌和嗜热链球菌的酸奶， 菌和婴儿双歧杆菌对胆汁的耐受性最好，而婴儿双歧 可降低血液胆固醇含量的 5 ～lO ，可用于治疗和 杆菌在酸性条件下存活率非常低；嗜酸乳杆菌对酸有 缓解胆固醇血症。 ． 较强的耐受力。因此，根据对酸和胆汁的耐受能力来 1．5 防治高血压 选择合适的菌株，有助于提高益生菌的生存能力。益 瑞士乳杆菌、啤酒酵母的发酵奶制品中分离出两 生菌大多数属于厌氧菌，但也有许多研究发现，一些 种三肽，能降低高血压的发生及其症状。此外，干酪 天然的厌氧菌株经过人工驯化变种可成为耐氧菌株， 乳杆菌的细胞壁和细胞抽提物也有抗高血压的功能。 这些菌株从厌氧培养转向好氧培养时，仍然可以缓慢 1．6 排斥致病菌，维持肠道菌群平衡 生长，如果向基质中添加过氧化氢酶和抗氧化物质， 肠道上皮细胞能分泌某种物质 (可能是一种蛋白 生长情况会得到进一步改善。因此，选用这些菌株微 质或脂质磷壁酸)，有利于双歧杆菌和乳酸菌在肠粘膜 胶囊化，也有利于增加微胶囊益生菌的耐氧性。 上定植而形成菌膜屏障，产生定植阻抗效果，排斥有 3．2 壁材的选择 害菌种与肠壁接触，还产生有机酸或抗生物质抑制病 壁材的选择对益生菌的微胶囊化是十分关键的， 源菌繁殖。 通常需要考虑以下几个方面的因素： 1．7 营养功能 3．2．1 卫生安全性 益生菌能合成人体所需的 B族维生素和维生素 益生菌微胶囊若用于食品，壁材首先应该是对人 K，还能促进Ca吸收，还可以提高动物消化酶的活性。 体安全无毒副作用，是被允许用于食品的物料。 ，)7 瞄 性 2益生菌微胶囊化的必要性 ～壁藉 有良好的成膜性，这是微胶囊技术对壁 乳杆菌和双歧杆菌等益生菌多为厌氧菌或兼性厌 材的基本要求。微胶囊化益生菌时，就是靠壁材在益 氧菌，在生长过程中，不形成芽孢，抗性较差，大多 生菌菌体周围形成完整均一的膜来实现微胶囊包埋作 耐酸性较差、对氧极为敏感，活性保持较困难[i,21，使 用，若壁材成膜性差，则包埋效果就会下降。 得市售产品活菌数下降很快，产品的贮存稳定性极差， 3．2-3 阻隔性 保健功效损失快。另外，益生菌要对人体产生有益作 阻氧性：为了通过微胶囊膜使益生菌与外界氧隔 用，首先它必需通过胃环境以大量的存活菌到达肠道 绝，微胶囊化时应选用透氧性差的壁材，如采用熔点 并定殖于肠粘膜上【引。但由于胃酸的杀菌作用f4】，益生 低于体温的氢化油脂涂膜菌体，能阻止氧气等外界不 菌的活菌数在此过程中也会大幅度下降。据报导，口 利条件的破坏I6J。 服冻干菌粉，在胃中的存活率仅为百万分之一左右， 阻湿性：干燥菌粉保持最适的残留水分对菌体活 存活率极低。 性是十分重要的，微胶囊益生菌若在储存过程吸收外 为了避免外在环境对益生菌活性的影响，并确保 界水分，打破最适的残留水分，这将不利于活菌的保 其能抵抗胃酸顺利到达肠道并定殖，科学家们采用了 存。不仅如此，吸收水分也会大大降低微胶囊壁的阻 各种各样的措施，其中将益生菌进行微胶囊化被认为 氧性能，使外界氧通透性增强。 是最为有效、最有前景的一种方法。将益生菌微胶囊 阻热性：微囊化可将菌体包埋在一个封闭的微环 化的意义主要表现为：微胶囊膜能起到对光、热、氧、 境中，起到一定的热保护作用，因为微囊化增大了热 水分的阻隔作用；能赋予益生菌耐胃酸以及肠溶特性； 源与菌体间的传热距离，分散了一部分热量。因此， 能掩蔽其特有的令人不快的气味；还能使益生菌方便、 包被的膜越厚，采用壁材的传热性越差，其阻热效果 安全地在各种食品中应用。 就越好，热保护作用也越大，微胶囊益生菌的耐热性 械 杆 3 益生菌的微胶囊化 ～ 牲 3．1 菌种的选择 为了避免胃酸的杀菌作用，益生菌微胶囊应能耐 70 维普资讯 http://www.cqvip.com 《广州食品工业科技》 第三届 “益生菌、益生元与健康”研讨会专刊 Vo1．20增刊(总S3) 受胃酸，又能在肠道及时释放包埋的益生菌，这就要 熔点高于体温的油脂：(2)一定比例的明胶和果胶， 求采用的壁材在形成微胶囊壁后具有肠溶特性。食品 芯材和壁材分别进入一三层同心喷嘴的内、中、外层， 中可选用的肠溶材料有食用蛋白、海藻酸钠、虫胶和 然后同时滴入冷却油凝固成型，从而得到了内层为固 CMC-Na等，也有研究用熔点高于体温的氢化油脂作 态油脂，外层为明胶和果胶膜的双层包埋微胶囊⋯】。 壁材，能收到很好的肠溶性效果I6’7J。 在我国有关益生菌微胶囊化的研究起步较晚，主 3．2．5 生物相容性 要采用以海藻酸钙为壁材的单层包埋，由抗胃酸性不 对于益生菌的微胶囊化，还要求壁材与活菌具有 好，一些研究进一步采用聚-L．赖氨酸、壳聚糖对其进 很好的生物相容性，例如多糖或蛋白质具有较好的生 行表面交联覆膜，从而有效地提高了菌体的耐酸性能 物相容性。如乳酸菌与海藻酸钠溶液混合后，其存活 和贮存稳定性[12-15】。。 率都在9O％以上，说明两者之间具有很好的生物相容 3．3．2 流化床包膜法 性。 Kim等将菌体浓缩液或经冷冻干燥后的干菌粉通 3．3 微胶囊化方法 过挤压制成球状干颗粒，在流化床上用肠溶性材料(海 从2O世纪8O年代开始就有研究者进行双歧杆菌 藻酸钠等)喷雾涂膜，产品室温贮藏时涂膜的比未涂 微胶囊的探索，由于该技术具有很高的经济价值，多 膜的存活率高4O倍，在低 pH下贮藏时涂膜的存活率 数研究结果已申请了专利。目前，国内外已经发展了 也较高。杨汝德等将三种双歧杆菌、高效活菌保护剂 多种多样的微胶囊化技术应用于益生菌，主要包括： 和双歧促生因子一起作为核心物质，采用流化床包膜 3．3．1 锐孔一凝固浴法 法制备得到耐酸肠溶微囊益生菌。微囊在人工模拟胃 国外利用锐孔一凝固浴法微胶囊化益生菌，最早 液 (pH1．5～2．O)中处理2h，其中的双歧杆菌活菌数 主要是海藻酸钙的单层包埋，后来逐渐发展成为多层 仍保持在90％以上；在．人工肠液中处理 15min，微囊 包埋。早在1985年日本丸山哲彦等的专利中将双歧杆 全部崩解释放出活性菌；在37~C下保存3个月 (相当 菌菌液及淀粉等保护剂与海藻酸钠混合，通过喷嘴喷 于常温下一年)，其中的活菌数仍大于 lO 个／2。 入CaC12固化液中，干燥后再用融点高于体温的油脂喷 3．3-3 熔化分散冷凝法 涂于颗料表面，制得的产品室温保存6个月后存活率在 横田丰一等采用此法将双歧杆菌菌粉分散于融点 50％以上 】。由于只是海藻酸钙的单层包埋，因此抗胃 高于体温的硬化油中，搅拌均匀后喷雾，得粒径 4o~ 酸以及肠溶性有限。随后，在他们第二年申请的另一 60tun的微胶囊，产品在胃液 (pH3．O)中存活率达到 份专利中，将双歧杆菌菌粉与淀粉混合后悬浮于熔点 90％以上[161。在丸山哲彦和秋原义郎的专利中，他们 在30-45℃的硬化油中作为芯材，一定比例的明胶与果 以双歧杆菌冻干粉和棕榈油的混悬液为芯材，将其分 胶作为被膜液，用二重管喷嘴 (外管被膜液、内管芯 散于40℃的 10％明胶溶液中，然后迅速倒入5~C的色 材溶液)，滴入冷却油得软胶囊后，再浸渍于5％的Ca 拉油中，快速搅拌，冷却固化即可得到明胶凝胶包埋 盐中，进行肠溶性处理，取出后冷风干燥，产品室温 住的双歧杆菌，进一步甲醛固化、干燥，就得到干燥 下6个月后存活率也大于50％，并能通过肠溶性崩解实 的微胶囊【9'J 。 验 】。虽然，在这一专利中，硬化油与菌粉一道作为芯 3．3．4 乳化交联法 材通过内管被包埋，但由于成型前菌粉是均匀混悬在 唐宝英等人将双歧杆菌冻干粉与壳聚糖溶液混 熔化的硬化油中，在凝固后菌粉实际上被均匀固定在 匀，并悬浮于大豆色拉油中 (以Span85为乳化剂)， 硬化油形成微球内，因此硬化油实际上也起到了作为 乳化后加入对苯二甲酰氯交联反应，制备了双歧杆菌 壁材的作用。1988年，日本学者藤原正弘等的专利则 微胶囊I1引。曹永梅等则将浓缩菌液与海藻酸钠溶液混 将双歧杆菌的活菌液与添加了疏水性乳化剂的油脂混 合均匀后，加入植物油中，搅拌形成均匀混浊乳状液， 合形成包含活菌的W／O型乳状液，然后将制得的乳状 然后快速加入CaC12水溶液，直至w／O乳状液被破 液分散于多价金属盐溶液中，形成W／O／W型双重乳状 坏，形成海藻酸钙胶粒，实现微胶囊化。微胶囊化双 液，最后将其通过喷嘴逐滴滴入成膜剂中，制备得到 歧杆菌经胃液处理后存活率大于5O％，比未微胶囊化 具有两层包埋的微型胶囊，产品的pH4．O以下的溶液中 产品提高了四个数量级；微胶囊化后双歧杆菌的耐热 保存2l天，仍有1％以上双歧杆菌存活IJⅢ。欧洲1994年 性较强，在50~C时的存活率提高了三个数量级，而未 的一份专利中采用了三层挤压法，双歧杆菌菌粉悬浮 微胶囊化产品在55℃已无活菌存在，微胶囊化产品在 于室温下不流动的疏水物质中作为芯材，壁材为 (1) 60~C处理 3min仍有部分活菌，可见微胶囊壁材作为 71 维普资讯 http://www.cqvip.com 《广州食品工业科技》 第三届 “益生菌、益生元与健康”研讨会专刊 Voi．20增刊(总83) 一 种物理屏障，减缓了热传递过程【】 。 3．3．5 相分离法 Sheu等用油相分离法制备海藻酸钙微胶囊化乳 酸菌，使乳酸菌的防冻能力提高了20％~50％ 们。李 样明等用明胶和阿拉伯胶为壁材，采用水相分离法制 备益生菌微胶囊，提高了益生菌的贮存稳定性L2¨。在 余冬生等的研究中发现，与海藻酸钠微胶囊比较，水 相分离法制备得到的明胶一阿拉伯树胶微胶囊更适合 双歧杆菌微胶囊化，双歧杆菌存活数目较多L2引。 3．3．6 喷雾干燥法 喷雾干燥是食品工业应用最为悠久、最为广泛， 也是成本极为廉价的一种微胶囊方法。不少研究也尝 试了应用于益生菌的微胶囊化。丁一庆t 和曹永梅t 】 等人曾试图用喷雾干燥工艺制备活菌粉，但发现活菌 的存活率只有万分之几，远远达不到冷冻干燥的水平， 基本没有工业化的可能性。但在魏华等喷雾干燥微胶 囊化保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的研究中，喷雾干 燥的同时形成微胶囊有利于提高菌体在喷雾干燥过程 中的抗热性，从而提高活菌存活率，达到78％；而且 喷雾干燥的微胶囊产品活菌数随保藏时间下降的速度 缓慢，活菌保存期显著延长【 ’2刚。 3．3．7 吸附法 袁杰利等以淀粉和碳酸钙粉末吸附微囊化的双歧 杆菌在干燥过程中死亡率明显下降，在室温条件下保 存其存活率比未微囊化的有较大提高I2 。姚卫蓉等用 40％玉米多孔淀粉吸附活菌，喷雾干燥 (进风温度 170~C，出风温度 65"C)得到微胶囊，活菌体吸附进 入多孔淀粉的孔内得到外层多孔淀粉外壳的保护，使 得喷雾干燥时保护剂对存活率没有太大意义，而且． 在非严格厌氧条件下加速贮藏，被吸附微囊化菌体的 存活性能要优越于不用多孔淀粉吸附直接冷冻干燥的 活菌粉L28l。 参考文献 1 Shah NR Probiotic bacteria：selective．enumeration and survival in dairy foods．J．Dairy Sci．2000，83：894—907 2 Hoover 13(2 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