乳酸菌微膠囊化包被技術研究進展

吳家泉,鄧桂芳,崔東良,劉愛君,盧彥珍

(北京好實沃生物技術有限公司 北京 100080)


摘要:本文主要介紹了乳酸菌的幾種微膠囊化技術,簡述了乳酸菌微膠囊化的意義,以其加深對乳酸菌微膠囊化技術的認識,并展望了其發展前景。

關鍵詞:乳酸菌、微膠囊技術、微生態制劑

隨著綠色養殖的大力發展,微生態制劑在飼料和畜禽養殖業中得到廣泛應用,其中,乳酸菌類微生態制劑是飼用微生態制劑中應用最廣泛的一種。當乳酸菌在腸道中達到一定數量,即最低活菌濃度為106~107CFU/ml(Kurmann JA等,1991;絕大多數Guarner F等,1998][1],它能夠改善腸道微生態環境、抑制病原菌,維持腸道健康、增強機體免疫力等。但是乳酸菌絕大多數是厭氧菌或兼性厭氧的化能營養菌,生長營養條件要求高,不形成芽孢,對外抵抗力差,不耐胃酸和膽鹽,并且在顆粒飼料加工中無法耐受制粒時的高溫、壓力和摩擦,致使活性大大降低甚至死亡,嚴重影響了活菌制劑的效價。為此,乳酸菌采用了微膠囊化包被技術,并在抵抗不利的環境影響方面取得了較好的效果。


1.微膠囊技術的定義


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


2.微膠囊技術的發展簡史


微膠囊化始于本世紀30年代,但發展非常迅速。第一個微膠囊產品是1936年大西洋海岸漁業公司提出的一項專利,是一種在液體石蠟中制備的魚肝油明膠微膠囊。1949年,威斯康星大學的D.E.Wurster教授發明了微膠囊的空氣懸浮法,改進了藥物的總包衣過程。1954年美國NCR(National Cash Reqister)公司的B.K.Green成功的將微膠囊技術應用于無碳復寫紙的生產,從而開始了微膠囊技術的工業化。20世紀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用于微膠囊制備,70年代以后,微膠囊技術的工藝日益成熟,應用范圍也逐漸擴大,已從最初的藥物覆蓋和無碳復寫紙擴展到食品、農藥、肥料、飼料等各個行業[3]。


3.乳酸菌微膠囊化包被的意義


乳酸菌是動物腸道中的常住菌,主要為乳桿菌和腸球菌[4],具有調節腸道微生態平衡,抑制病原微生物,增強機體免疫力的作用等,因此常作為微生態制劑應用于畜牧業生產中。有報道認為乳酸菌在腸道中真正發生益生作用的數量在106~107CFU/ml以上[1],但是乳酸菌微生態制劑在運輸、儲存和應用過程中,需要經受一系列不良環境(如有氧狀態、高溫、擠壓、低pH值、高膽鹽等)的影響,才能到達腸道內定植,在這個過程中,由于乳酸菌抗逆性差,到達腸道的活菌數大量減少,從而限制了乳酸菌生理作用的發揮,嚴重影響了乳酸菌微生態制劑的效價。

為了避免外在環境對乳酸菌活性的影響,并確保其耐受制粒高溫、擠壓、耐胃酸、耐膽鹽而順利到達腸道定植。研究者們采用微膠囊技術對乳酸菌進行包埋,發現能明顯增強菌體對外界環境因素的抵抗能力,顯著提高菌體到達腸道后的存活率,解決了長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80年代開始就有研究者進行乳酸菌微膠囊化的探索,由于該技術具有較高的經濟價值,一些研究結果已申請了專利,上世紀80年代中期起日本在該方面的專利就不斷推出,以下是目前國內外主要采用的乳酸菌微膠囊化技術:


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相中,然后

采用某種方法使壁材溶解度降低而從連續相中分離出來,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。張篪(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定性增加[7]。

以海藻酸鈉作為材料的固定化細胞在生物技術中應用較多。最近研究表明用藻酸鹽細胞固定化技術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[8]。

相分離法操作復雜,在大規模工業化生產中存在較大困難,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有壁材的連續相中,然后在芯材物的表面通過單體聚合反應而形成微膠囊。參加聚合反應的單體,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部和外部,并在囊芯液滴的表面上反應形成聚合物薄膜。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品用于乳酸發酵后,活菌含量會隨發酵時間的延長而恢復。之后又有人將此方法進行了改進,稱為復乳狀液法,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,制得內部流動的微膠囊化產品。蔣愛民等采用復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,延長其存活期,產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度與制作過程中使用的交聯劑濃度成正比,但是所用的交聯劑都有一定的毒性,會對乳酸菌的活性造成損害,而且部分的交聯劑很難得到廣泛的認可。復乳狀液法操作復雜,且在形成雙重乳狀液過程中外水相與內水相極易混溶,產品得率低。


4.3 擠壓法

擠壓法是最傳統、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品不耐胃酸。后來對該法進行了改進,將乳酸菌菌液與海藻酸鈉在固化液中固化制得的膠粒,干燥后用融點高于體溫的油脂噴涂于顆粒表面,制得的產品耐酸性有很大提高,但同樣由于油脂溫度過高,導致菌體死亡率高。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合成膜,采用該方法制得的海藻酸鈉聚賴氨酸(或殼聚糖)復合膜結構微膠囊耐酸性較好,在模擬胃液中存放90min,與未包埋的乳酸菌相比,提高了四個數量級,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,所制得的產品活菌回收率遠高于以卡拉膠和明膠為壁材制得的產品,而以后者為壁材制得的產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品。


4.4 噴霧干燥法

噴霧干燥是以單一工序將溶液、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,噴成非常細微的霧滴并依靠干燥介質與霧滴的均勻混合,進行熱交換和質交換,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,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,主要是因為使用該材料的干燥溫度僅為3865℃,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,而通過使用好的保護劑配方可以使包被乳酸菌敏感溫度點上移[11]。

噴霧干燥法的主要優點是干燥速率高、時間短;物料溫度較低,適用于熱敏性物質的干燥;產品純度高,具有良好的分散性和溶解性;生產過程簡單,適用于連續化生產。缺點是單位產品的耗熱量大,設備熱效率低,介質消耗量大;另外,干燥器的體積較大,基建費用高。


5.發展前景和展望


隨著科學技術的發展,微膠囊技術也日益成熟,并廣泛應用于各個行業。乳酸菌通過選擇合適的壁材和工藝,已解決了其貯存運輸穩定性差、耐溫、耐酸及耐膽鹽差的問題。微膠囊包被技術為乳酸菌等低抗逆性微生物制劑提供了一條有效的工業化途徑。目前市面上出現的微生態微膠囊化產品不多,與日本、美國相比,我國的乳酸菌微膠囊化包被產品具有巨大的市場潛力。但是由于微膠囊處理過程中細胞對處理條件的耐受力差,細胞極易破壞,造成乳酸菌產品活菌得率較低,故微膠囊技術的改進和適用的工業化生產方法有待于進一步突破。

目前,在微膠囊領域,有一個重要的發展趨勢是納米技術在該領域的應用。將納米技術和微膠囊技術相結合制成納米微膠囊組合物,可大大改善物質的理化性質,這是以后乳酸菌微膠囊產品的一個新的發展方向。


參考文獻:

[1]劉麗英,張日俊. 乳酸菌的微膠囊化包被研究[J].飼料工業,2003,24(6):16-18

[2]秦立虎.技術及其在乳品加工業中的應用[J].四川食品工業科技,1996,1:27-29

[3]劉麗英,張日俊.乳酸菌類微生態制劑及其微囊化的研究進展[J].中國畜牧雜志,2004,404:40-41

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[5]鄭秋紅,尹清強等. 包埋乳酸菌的研制及生物學特性分析[J].飼料添加劑,2007,3:11-13

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[7]張篪. 雙歧桿菌微膠囊及其制造方法[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]蔣愛民、陽暉等腸溶性嗜酸乳桿菌微膠囊工藝研究[J]. 中國食品學報,2006, 61:253-257.

[10] 于煒婷,雄鷹,劉袖洞.海藻酸鈉殼聚糖微膠囊做為腸道內生化微反應器的研究[J]. 高等學?;瘜W學報,2004,257):1381- 1383.

[11]魏華,李雁群,付金衡等乳酸菌微膠囊化的初步研究[ J] . 中國乳品工業1998, 26 6: 13- 16.


2018年6月8日 14:51
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