乳酸菌微胶囊化包被技术研究进展

吴家泉,邓桂芳,崔东良,刘爱君,卢彦珍

(北京好实沃生物技术有限公司 北京 100080)


摘要:本文主要介绍了乳酸菌的几种微胶囊化技术,简述了乳酸菌微胶囊化的意义,以其加深对乳酸菌微胶囊化技术的认识,并展望了其发展前景。

关键词:乳酸菌、微胶囊技术、微生态制剂

随着绿色养殖的大力发展,微生态制剂在饲料和畜禽养殖业中得到广泛应用,其中,乳酸菌类微生态制剂是饲用微生态制剂中应用最广泛的一种。当乳酸菌在肠道中达到一定数量,即最低活菌浓度为106~107CFU/ml(Kurmann JA等,1991;绝大多数Guarner F等,1998][1],它能够改善肠道微生态环境、抑制病原菌,维持肠道健康、增强机体免疫力等。但是乳酸菌绝大多数是厌氧菌或兼性厌氧的化能营养菌,生长营养条件要求高,不形成芽孢,对外抵抗力差,不耐胃酸和胆盐,并且在颗粒饲料加工中无法耐受制粒时的高温、压力和摩擦,致使活性大大降低甚至死亡,严重影响了活菌制剂的效价。为此,乳酸菌采用了微胶囊化包被技术,并在抵抗不利的环境影响方面取得了较好的效果。


1.微胶囊技术的定义


微胶囊(Microencapsulation)是微量物质包裹在聚合物薄膜中的技术,是用特殊手段将需要包被的物质包裹在微小封闭的胶囊内。微胶囊的直径一般为 1~500μm,壁的厚度为 0.5~150μm,目前已开发了粒径在 1μm 以下的超微胶囊。被包被的物质称为芯材,包埋物质称为壁材或囊材。通过微胶囊技术,芯材物质与外界环境相隔离,可以免受环境的影响,从而保持稳定,在适当条件下,通过某些外部刺激或缓释作用,被包被物质又可以释放出来[2]。由于微胶囊技术可以保持物质的生理活性,使许多传统工艺过程得到简化,所以近些年来,微胶囊技术发展快速,并在医药、食品、农药、印染、饲料等行业得到了广泛应用。


2.微胶囊技术的发展简史


微胶囊化始于本世纪30年代,但发展非常迅速。第一个微胶囊产品是1936年大西洋海岸渔业公司提出的一项专利,是一种在液体石蜡中制备的鱼肝油明胶微胶囊。1949年,威斯康星大学的D.E.Wurster教授发明了微胶囊的空气悬浮法,改进了药物的总包衣过程。1954年美国NCR(National Cash Reqister)公司的B.K.Green成功的将微胶囊技术应用于无碳复写纸的生产,从而开始了微胶囊技术的工业化。20世纪50年代末到60年代,人们开始研究把合成高分子的聚合方法应用于微胶囊制备,70年代以后,微胶囊技术的工艺日益成熟,应用范围也逐渐扩大,已从最初的药物覆盖和无碳复写纸扩展到食品、农药、肥料、饲料等各个行业[3]


3.乳酸菌微胶囊化包被的意义


乳酸菌是动物肠道中的常住菌,主要为乳杆菌和肠球菌[4],具有调节肠道微生态平衡,抑制病原微生物,增强机体免疫力的作用等,因此常作为微生态制剂应用于畜牧业生产中。有报道认为乳酸菌在肠道中真正发生益生作用的数量在106~107CFU/ml以上[1],但是乳酸菌微生态制剂在运输、储存和应用过程中,需要经受一系列不良环境(如有氧状态、高温、挤压、低pH值、高胆盐等)的影响,才能到达肠道内定植,在这个过程中,由于乳酸菌抗逆性差,到达肠道的活菌数大量减少,从而限制了乳酸菌生理作用的发挥,严重影响了乳酸菌微生态制剂的效价。

为了避免外在环境对乳酸菌活性的影响,并确保其耐受制粒高温、挤压、耐胃酸、耐胆盐而顺利到达肠道定植。研究者们采用微胶囊技术对乳酸菌进行包埋,发现能明显增强菌体对外界环境因素的抵抗能力,显著提高菌体到达肠道后的存活率,解决了长久以来一直无法突破的乳酸菌不易保存、不耐高温、不耐胃酸的问题[5]


4. 乳酸菌微胶囊化包被的研究


自上世纪80年代开始就有研究者进行乳酸菌微胶囊化的探索,由于该技术具有较高的经济价值,一些研究结果已申请了专利,上世纪80年代中期起日本在该方面的专利就不断推出,以下是目前国内外主要采用的乳酸菌微胶囊化技术:


4.1 相分离法

相分离法又称凝聚法,是将芯材料乳化或分散在溶有壁材的连续相中,然后

采用某种方法使壁材溶解度降低而从连续相中分离出来,形成粘稠的液相,包埋在芯材物上形成微胶囊。根据包囊材料在水中溶解度的不同,可以将相分离法分为水相相分离法和油相相分离法。Sheu等(1993)用油相分离法制得的乳酸菌微胶囊,使乳酸菌的防冻能力提高了20-50%[6]。相分离技术制备微胶囊最常用的聚合物材料有明胶、琼脂、阿拉伯胶和乙基纤维素等。张篪(1995),采用海藻酸钠与明胶作为固定化双歧杆菌的壁材,制得的双歧杆菌胶囊贮存稳定性增加[7]

以海藻酸钠作为材料的固定化细胞在生物技术中应用较多。最近研究表明用藻酸盐细胞固定化技术制备的双歧杆菌微胶囊的存活可能与胶的浓度和颗粒的大小有关[8]

相分离法操作复杂,在大规模工业化生产中存在较大困难,特别是制备油包水型的微胶囊尚存在许多工艺上的困难,且难以获得干燥的粉末产品。


4.2 界面聚合法

界面聚合法是将芯材物乳化或分散在一个有壁材的连续相中,然后在芯材物的表面通过单体聚合反应而形成微胶囊。参加聚合反应的单体,一种是水溶性的,另一种是油溶性的,它们分别位于囊芯液滴的内部和外部,并在囊芯液滴的表面上反应形成聚合物薄膜。利用界面聚合法可以使疏水性材料的溶液或分散液微胶囊化,也可以使亲水性材料的水溶液或分散液微胶囊化。使用该方法制备出的微囊化乳酸菌产品用于乳酸发酵后,活菌含量会随发酵时间的延长而恢复。之后又有人将此方法进行了改进,称为复乳状液法,将含乳酸菌的活菌液与添加了聚甘油脂肪酸酯的氢化油脂混合形成W/O 型乳状液,制得的乳状液再分散于添加有增稠稳定剂黄原胶的乳酸钙溶液中,最终形成W/O/W型双重乳状液,制得内部流动的微胶囊化产品。蒋爱民等采用复乳法制备嗜酸乳杆菌微胶囊,通过包埋可以显著提高益生菌的存活率,延长其存活期,产品具有较好的耐酸性和肠溶性[9]

界面聚合法中尽管微胶囊的强度与制作过程中使用的交联剂浓度成正比,但是所用的交联剂都有一定的毒性,会对乳酸菌的活性造成损害,而且部分的交联剂很难得到广泛的认可。复乳状液法操作复杂,且在形成双重乳状液过程中外水相与内水相极易混溶,产品得率低。


4.3 挤压法

挤压法是最传统、最普通的用亲水性胶体制备微胶囊的方法,其基本原理是将益生菌与亲水性胶体混合,通过针或喷嘴挤出细胞悬液,逐滴滴入硬化液中,胶粒的大小和形状取决于针的直径和落下的距离。最早用海藻酸钠固定化的乳酸菌产品不耐胃酸。后来对该法进行了改进,将乳酸菌菌液与海藻酸钠在固化液中固化制得的胶粒,干燥后用融点高于体温的油脂喷涂于颗粒表面,制得的产品耐酸性有很大提高,但同样由于油脂温度过高,导致菌体死亡率高。近年部分研究者将乳酸菌菌液与海藻酸钠在固化液中固化制得的胶粒加入聚赖氨酸或壳聚糖与海藻酸钠络合成膜,采用该方法制得的海藻酸钠聚赖氨酸(或壳聚糖)复合膜结构微胶囊耐酸性较好,在模拟胃液中存放90min,与未包埋的乳酸菌相比,提高了四个数量级,而且这种微胶囊在模拟肠液中溶解性较好[10]

挤压法使用的材料中以海藻酸钠作为壁材的固定化应用最多,除海藻酸钠外,较常用的还有明胶、卡拉胶、果胶以及邻苯二甲酸醋酸纤维素和石蜡油,一种或两种材料联用。采用海藻酸钠与明胶作为固定化乳酸菌的壁材,所制得的产品活菌回收率远高于以卡拉胶和明胶为壁材制得的产品,而以后者为壁材制得的产品活菌回收率又高于以邻苯二甲酸醋酸纤维素和石蜡油为壁材制得的微胶囊。 

挤压法操作简单、成本低、能保持较高的菌体密度和活性,但难获得干燥的粉末产品。


4.4 喷雾干燥法

喷雾干燥是以单一工序将溶液、乳液、悬浮液或浆状液加工成粉状干燥制品的一种干燥方法。其原理是将被干燥的液体通过雾化器的作用,喷成非常细微的雾滴并依靠干燥介质与雾滴的均匀混合,进行热交换和质交换,使得溶剂汽化或溶融物固化。喷雾干燥法最适用于亲油性液体物料的微胶囊化,芯材的憎水性越强,包埋效果越好。目前用于喷雾干燥的材料主要有液体石蜡和醋酸纤维素,以及柠檬油和羟基化糊精,以后者更为常见,主要是因为使用该材料的干燥温度仅为3865℃,比前者的干燥温度130℃低得多,提高了乳酸菌的存活率。喷雾干燥法随着排风温度上升,微囊化颗粒温度也上升,存活率下降,70~73℃是菌体喷雾干燥的敏感点,而通过使用好的保护剂配方可以使包被乳酸菌敏感温度点上移[11]

喷雾干燥法的主要优点是干燥速率高、时间短;物料温度较低,适用于热敏性物质的干燥;产品纯度高,具有良好的分散性和溶解性;生产过程简单,适用于连续化生产。缺点是单位产品的耗热量大,设备热效率低,介质消耗量大;另外,干燥器的体积较大,基建费用高。


5.发展前景和展望


随着科学技术的发展,微胶囊技术也日益成熟,并广泛应用于各个行业。乳酸菌通过选择合适的壁材和工艺,已解决了其贮存运输稳定性差、耐温、耐酸及耐胆盐差的问题。微胶囊包被技术为乳酸菌等低抗逆性微生物制剂提供了一条有效的工业化途径。目前市面上出现的微生态微胶囊化产品不多,与日本、美国相比,我国的乳酸菌微胶囊化包被产品具有巨大的市场潜力。但是由于微胶囊处理过程中细胞对处理条件的耐受力差,细胞极易破坏,造成乳酸菌产品活菌得率较低,故微胶囊技术的改进和适用的工业化生产方法有待于进一步突破。

目前,在微胶囊领域,有一个重要的发展趋势是纳米技术在该领域的应用。将纳米技术和微胶囊技术相结合制成纳米微胶囊组合物,可大大改善物质的理化性质,这是以后乳酸菌微胶囊产品的一个新的发展方向。


参考文献:

[1]刘丽英,张日俊. 乳酸菌的微胶囊化包被研究[J].饲料工业,2003,24(6):16-18

[2]秦立虎.技术及其在乳品加工业中的应用[J].四川食品工业科技,1996,1:27-29

[3]刘丽英,张日俊.乳酸菌类微生态制剂及其微囊化的研究进展[J].中国畜牧杂志,2004,404:40-41

[4]张刚.乳酸细菌-基础、技术和应用[M].北京:化学工业出版社,2007:14.

[5]郑秋红,尹清强等. 包埋乳酸菌的研制及生物学特性分析[J].饲料添加剂,2007,3:11-13

[6]Sheu T Y,et al. Microentrapment of Lactobacilli in calcium alginate Gels[J]. J Food Sci, 1993,543:557.

[7]张篪. 双歧杆菌微胶囊及其制造方法[P].C. 1995N-1113515A..

[8]Lee K Y,HEO T R. Survival bifidobacterium longum immobilized in calcium alginate beads in simulated gastric juice and bile aolution Appl[J]. Envion Microbiol, 2000, 662: 869-873.

[9]蒋爱民、阳晖等肠溶性嗜酸乳杆菌微胶囊工艺研究[J]. 中国食品学报,2006, 61:253-257.

[10] 于炜婷,雄鹰,刘袖洞.海藻酸钠壳聚糖微胶囊做为肠道内生化微反应器的研究[J]. 高等学校化学学报,2004257):1381- 1383.

[11]魏华,李雁群,付金衡等乳酸菌微胶囊化的初步研究[ J] . 中国乳品工业1998, 26 6: 13- 16.


2018年6月8日 14:51
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