乳酸菌微膠囊化包被技術(shù)研究進(jìn)展

long2013

乳酸菌微膠囊化包被技術(shù)研究進(jìn)展

吳家泉，鄧桂芳，崔東良，劉愛君，盧彥珍

（北京好實(shí)沃生物技術(shù)有限公司 北京 100080）

摘要：本文主要介紹了乳酸菌的幾種微膠囊化技術(shù)，簡(jiǎn)述了乳酸菌微膠囊化的意義，以其加深對(duì)乳酸菌微膠囊化技術(shù)的認(rèn)識(shí)，并展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：乳酸菌、微膠囊技術(shù)、微生態(tài)制劑

Advances in Lactobacillus Microencapsulation

Wu Jiaquan, Deng Guifang, Cui Dongliang, Liu Aijun, Lu Yanzhen

（Heswof Biotechnology Co., LTD. Beijing 100080）

Abstract: This paper describesseveral microencapsulation technology of Lactobacillus andthe meaning of Lactobacillus microencapsulation soas to further promote acquaintance to this technology , and viewed its prospect.

Key words:; Microencapsulation; Microecological preparation

隨著綠色養(yǎng)殖的大力發(fā)展，微生態(tài)制劑在飼料和畜禽養(yǎng)殖業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其中，乳酸菌類微生態(tài)制劑是飼用微生態(tài)制劑中應(yīng)用最廣泛的一種。當(dāng)乳酸菌在腸道中達(dá)到一定數(shù)量，即最低活菌濃度為106~107CFU/ml（Kurmann JA等，1991；絕大多數(shù)Guarner F等，1998）]時(shí)[1]，它能夠改善腸道微生態(tài)環(huán)境、抑制病原菌，維持腸道健康、增強(qiáng)機(jī)體免疫力等。但是乳酸菌絕大多數(shù)是厭氧菌或兼性厭氧的化能營(yíng)養(yǎng)菌，生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)條件要求高，不形成芽孢，對(duì)外抵抗力差，不耐胃酸和膽鹽，并且在顆粒飼料加工中無法耐受制粒時(shí)的高溫、壓力和摩擦，致使活性大大降低甚至死亡，嚴(yán)重影響了活菌制劑的效價(jià)。為此，乳酸菌采用了微膠囊化包被技術(shù)，并在抵抗不利的環(huán)境影響方面取得了較好的效果。

1. 微膠囊技術(shù)的定義

微膠囊(Microencapsulation)是微量物質(zhì)包裹在聚合物薄膜中的技術(shù)，是用特殊手段將需要包被的物質(zhì)包裹在微小封閉的膠囊內(nèi)。微膠囊的直徑一般為 1~500μm，壁的厚度為 0.5~150μm，目前已開發(fā)了粒徑在 1μm 以下的超微膠囊。被包被的物質(zhì)稱為芯材，包埋物質(zhì)稱為壁材或囊材。通過微膠囊技術(shù)，芯材物質(zhì)與外界環(huán)境相隔離，可以免受環(huán)境的影響，從而保持穩(wěn)定，在適當(dāng)條件下，通過某些外部刺激或緩釋作用，被包被物質(zhì)又可以釋放出來[2]。由于微膠囊技術(shù)可以保持物質(zhì)的生理活性，使許多傳統(tǒng)工藝過程得到簡(jiǎn)化，所以近些年來，微膠囊技術(shù)發(fā)展快速，并在醫(yī)藥、食品、農(nóng)藥、印染、飼料等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

2. 微膠囊技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史

微膠囊化始于本世紀(jì)30年代，但發(fā)展非常迅速。第一個(gè)微膠囊產(chǎn)品是1936年大西洋海岸漁業(yè)公司提出的一項(xiàng)專利，是一種在液體石蠟中制備的魚肝油明膠微膠囊。1949年，威斯康星大學(xué)的D.E.Wurster教授發(fā)明了微膠囊的空氣懸浮法，改進(jìn)了藥物的總包衣過程。1954年美國(guó)NCR（National Cash Reqister）公司的B.K.Green成功的將微膠囊技術(shù)應(yīng)用于無碳復(fù)寫紙的生產(chǎn)，從而開始了微膠囊技術(shù)的工業(yè)化。20世紀(jì)50年代末到60年代，人們開始研究把合成高分子的聚合方法應(yīng)用于微膠囊制備，70年代以后，微膠囊技術(shù)的工藝日益成熟，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，已從最初的藥物覆蓋和無碳復(fù)寫紙擴(kuò)展到食品、農(nóng)藥、肥料、飼料等各個(gè)行業(yè)[3]。

3. 乳酸菌微膠囊化包被的意義

    乳酸菌是動(dòng)物腸道中的常住菌，主要為乳桿菌和腸球菌[4]，具有調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)平衡，抑制病原微生物，增強(qiáng)機(jī)體免疫力的作用等，因此常作為微生態(tài)制劑應(yīng)用于畜牧業(yè)生產(chǎn)中。有報(bào)道認(rèn)為乳酸菌在腸道中真正發(fā)生益生作用的數(shù)量在106~107CFU/ml以上[1]，但是乳酸菌微生態(tài)制劑在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和應(yīng)用過程中，需要經(jīng)受一系列不良環(huán)境（如有氧狀態(tài)、高溫、擠壓、低pH值、高膽鹽等）的影響，才能到達(dá)腸道內(nèi)定植，在這個(gè)過程中，由于乳酸菌抗逆性差，到達(dá)腸道的活菌數(shù)大量減少，從而限制了乳酸菌生理作用的發(fā)揮，嚴(yán)重影響了乳酸菌微生態(tài)制劑的效價(jià)。

為了避免外在環(huán)境對(duì)乳酸菌活性的影響，并確保其耐受制粒高溫、擠壓、耐胃酸、耐膽鹽而順利到達(dá)腸道定植。研究者們采用微膠囊技術(shù)對(duì)乳酸菌進(jìn)行包埋，發(fā)現(xiàn)能明顯增強(qiáng)菌體對(duì)外界環(huán)境因素的抵抗能力，顯著提高菌體到達(dá)腸道后的存活率，解決了長(zhǎng)久以來一直無法突破的乳酸菌不易保存、不耐高溫、不耐胃酸的問題[5]。

4. 乳酸菌微膠囊化包被的研究

自上世紀(jì)80年代開始就有研究者進(jìn)行乳酸菌微膠囊化的探索，由于該技術(shù)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一些研究結(jié)果已申請(qǐng)了專利，上世紀(jì)80年代中期起日本在該方面的專利就不斷推出，以下是目前國(guó)內(nèi)外主要采用的乳酸菌微膠囊化技術(shù)：

4.1 相分離法

相分離法又稱凝聚法，是將芯材料乳化或分散在溶有壁材的連續(xù)相中，然后

采用某種方法使壁材溶解度降低而從連續(xù)相中分離出來，形成粘稠的液相，包埋在芯材物上形成微膠囊。根據(jù)包囊材料在水中溶解度的不同，可以將相分離法分為水相相分離法和油相相分離法。Sheu等（1993）用油相分離法制得的乳酸菌微膠囊，使乳酸菌的防凍能力提高了20-50%[6]。相分離技術(shù)制備微膠囊最常用的聚合物材料有明膠、瓊脂、阿拉伯膠和乙基纖維素等。張?bào)?1995)，采用海藻酸鈉與明膠作為固定化雙歧桿菌的壁材，制得的雙歧桿菌膠囊貯存穩(wěn)定性增加[7]。

以海藻酸鈉作為材料的固定化細(xì)胞在生物技術(shù)中應(yīng)用較多。最近研究表明用藻酸鹽細(xì)胞固定化技術(shù)制備的雙歧桿菌微膠囊的存活可能與膠的濃度和顆粒的大小有關(guān)[8]。

相分離法操作復(fù)雜，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中存在較大困難，特別是制備油包水型的微膠囊尚存在許多工藝上的困難，且難以獲得干燥的粉末產(chǎn)品。

4.2 界面聚合法

界面聚合法是將芯材物乳化或分散在一個(gè)有壁材的連續(xù)相中，然后在芯材物的表面通過單體聚合反應(yīng)而形成微膠囊。參加聚合反應(yīng)的單體，一種是水溶性的，另一種是油溶性的，它們分別位于囊芯液滴的內(nèi)部和外部，并在囊芯液滴的表面上反應(yīng)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膠囊化，也可以使親水性材料的水溶液或分散液微膠囊化。使用該方法制備出的微囊化乳酸菌產(chǎn)品用于乳酸發(fā)酵后，活菌含量會(huì)隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)而恢復(fù)。之后又有人將此方法進(jìn)行了改進(jìn)，稱為復(fù)乳狀液法，將含乳酸菌的活菌液與添加了聚甘油脂肪酸酯的氫化油脂混合形成W/O 型乳狀液，制得的乳狀液再分散于添加有增稠穩(wěn)定劑黃原膠的乳酸鈣溶液中，最終形成W/O/W型雙重乳狀液，制得內(nèi)部流動(dòng)的微膠囊化產(chǎn)品。蔣愛民等采用復(fù)乳法制備嗜酸乳桿菌微膠囊，通過包埋可以顯著提高益生菌的存活率，延長(zhǎng)其存活期，產(chǎn)品具有較好的耐酸性和腸溶性[9]。

界面聚合法中盡管微膠囊的強(qiáng)度與制作過程中使用的交聯(lián)劑濃度成正比，但是所用的交聯(lián)劑都有一定的毒性，會(huì)對(duì)乳酸菌的活性造成損害，而且部分的交聯(lián)劑很難得到廣泛的認(rèn)可。復(fù)乳狀液法操作復(fù)雜，且在形成雙重乳狀液過程中外水相與內(nèi)水相極易混溶，產(chǎn)品得率低。

4.3 擠壓法

擠壓法是最傳統(tǒng)、最普通的用親水性膠體制備微膠囊的方法，其基本原理是將益生菌與親水性膠體混合，通過針或噴嘴擠出細(xì)胞懸液，逐滴滴入硬化液中，膠粒的大小和形狀取決于針的直徑和落下的距離。最早用海藻酸鈉固定化的乳酸菌產(chǎn)品不耐胃酸。后來對(duì)該法進(jìn)行了改進(jìn)，將乳酸菌菌液與海藻酸鈉在固化液中固化制得的膠粒，干燥后用融點(diǎn)高于體溫的油脂噴涂于顆粒表面，制得的產(chǎn)品耐酸性有很大提高，但同樣由于油脂溫度過高，導(dǎo)致菌體死亡率高。近年部分研究者將乳酸菌菌液與海藻酸鈉在固化液中固化制得的膠粒加入聚賴氨酸或殼聚糖與海藻酸鈉絡(luò)合成膜，采用該方法制得的海藻酸鈉- 聚賴氨酸（或殼聚糖）復(fù)合膜結(jié)構(gòu)微膠囊耐酸性較好，在模擬胃液中存放90min，與未包埋的乳酸菌相比，提高了四個(gè)數(shù)量級(jí)，而且這種微膠囊在模擬腸液中溶解性較好[10]。

擠壓法使用的材料中以海藻酸鈉作為壁材的固定化應(yīng)用最多，除海藻酸鈉外，較常用的還有明膠、卡拉膠、果膠以及鄰苯二甲酸醋酸纖維素和石蠟油，一種或兩種材料聯(lián)用。采用海藻酸鈉與明膠作為固定化乳酸菌的壁材，所制得的產(chǎn)品活菌回收率遠(yuǎn)高于以卡拉膠和明膠為壁材制得的產(chǎn)品，而以后者為壁材制得的產(chǎn)品活菌回收率又高于以鄰苯二甲酸醋酸纖維素和石蠟油為壁材制得的微膠囊。

擠壓法操作簡(jiǎn)單、成本低、能保持較高的菌體密度和活性，但難獲得干燥的粉末產(chǎn)品。

4.4 噴霧干燥法

噴霧干燥是以單一工序?qū)⑷芤?、乳液、懸浮液或漿狀液加工成粉狀干燥制品的一種干燥方法。其原理是將被干燥的液體通過霧化器的作用，噴成非常細(xì)微的霧滴并依靠干燥介質(zhì)與霧滴的均勻混合，進(jìn)行熱交換和質(zhì)交換，使得溶劑汽化或溶融物固化。噴霧干燥法最適用于親油性液體物料的微膠囊化，芯材的憎水性越強(qiáng)，包埋效果越好。目前用于噴霧干燥的材料主要有液體石蠟和醋酸纖維素，以及檸檬油和羥基化糊精，以后者更為常見，主要是因?yàn)槭褂迷摬牧系母稍餃囟葍H為38～65℃，比前者的干燥溫度130℃低得多，提高了乳酸菌的存活率。噴霧干燥法隨著排風(fēng)溫度上升，微囊化顆粒溫度也上升，存活率下降，70~73℃是菌體噴霧干燥的敏感點(diǎn)，而通過使用好的保護(hù)劑配方可以使包被乳酸菌敏感溫度點(diǎn)上移[11]。

噴霧干燥法的主要優(yōu)點(diǎn)是干燥速率高、時(shí)間短；物料溫度較低，適用于熱敏性物質(zhì)的干燥；產(chǎn)品純度高，具有良好的分散性和溶解性；生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單，適用于連續(xù)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)是單位產(chǎn)品的耗熱量大，設(shè)備熱效率低，介質(zhì)消耗量大；另外，干燥器的體積較大，基建費(fèi)用高。

5. 發(fā)展前景和展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微膠囊技術(shù)也日益成熟，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。乳酸菌通過選擇合適的壁材和工藝，已解決了其貯存運(yùn)輸穩(wěn)定性差、耐溫、耐酸及耐膽鹽差的問題。微膠囊包被技術(shù)為乳酸菌等低抗逆性微生物制劑提供了一條有效的工業(yè)化途徑。目前市面上出現(xiàn)的微生態(tài)微膠囊化產(chǎn)品不多，與日本、美國(guó)相比，我國(guó)的乳酸菌微膠囊化包被產(chǎn)品具有巨大的市場(chǎng)潛力。但是由于微膠囊處理過程中細(xì)胞對(duì)處理?xiàng)l件的耐受力差，細(xì)胞極易破壞，造成乳酸菌產(chǎn)品活菌得率較低，故微膠囊技術(shù)的改進(jìn)和適用的工業(yè)化生產(chǎn)方法有待于進(jìn)一步突破。

目前，在微膠囊領(lǐng)域，有一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是納米技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用。將納米技術(shù)和微膠囊技術(shù)相結(jié)合制成納米微膠囊組合物，可大大改善物質(zhì)的理化性質(zhì)，這是以后乳酸菌微膠囊產(chǎn)品的一個(gè)新的發(fā)展方向。

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