乳酸菌作为发酵剂在食品中的应用研究进展

陆晓雨 周慧丽

（河南林业职业学院，河南洛阳 471000）

传统发酵食品历史悠久，且种类繁多，是人类饮食的重要组成部分。随着科技的发展，新的发酵方法已得到扩展和丰富，并不断提升了发酵食品的安全性。传统上，许多发酵食品是在自然发酵下生产的，直接添加主要微生物菌种可缩短发酵时间，防止发酵失败并最终使产品标准化。发酵食品的质量取决于原料质量和微生物多样性。在过去的20年中，对发酵食品的科学干预揭示了天然微生物区系或发酵菌存在刺激益生菌功能，微量营养素的生物利用度，抗氧化剂和抗微生物化合物的产生，以及发酵过程中的其他功能成分。通过研究逐渐使消费者意识到，食用发酵食品可促进健康并预防某些疾病。乳酸菌是大多数传统发酵食品中常用的菌种之一，目前正在研发对食品安全具有重要工业意义的乳酸菌新型功能发酵剂。发酵食品中发酵剂活性及稳定性的保持仍然是工业生产中的巨大挑战。与传统的培养相比，使用封装的发酵剂进行发酵具有许多优势，如发酵速度快，细胞密度高，细胞对高温和有毒培养基的耐受性强，并且可以对有毒疏水性物质选择性去除。本文主要对乳酸菌发酵剂的封装技术、封装材料及其在发酵食品中的应用进行概述。

1 乳酸菌发酵剂的介绍

乳酸菌是属于双歧杆菌属、肠球菌属、乳杆菌属等的广泛细菌。在传统的发酵食品中，发酵主要由天然乳酸菌通过发酵原料完成。在原料中选择性添加发酵剂可控制整个发酵过程，可降低发酵失败率和缩短发酵时间，同时提高最终产品的价值。乳酸菌的几种功能特性已被广泛报道，如四核球菌、葡萄球菌和魏斯氏菌属具有抗氧化活性及降解短乳杆菌等功能特性，这些特性在选择用于生产功能性食品的发酵剂中起主要作用。

2 乳酸菌发酵剂封装技术

目前，常用的将活性物质封装到载体材料中的方法有：喷雾干燥、挤出包衣、冷冻干燥、共结晶、热凝胶化等。核心和载体包衣材料的物理和化学特性等因素，及其在食品基质中的应用影响封装工艺技术的选择。其中，挤压法、乳液法和喷雾干燥法可有效地用于乳酸菌的封装。

2.1 挤压法

挤压法是使用简单且低成本的材料，将细胞固定在水状胶体胶囊中。该方法可将对微生物细胞的伤害降至最低，同时使其保持较高的生存活力。该技术是将水胶体溶液与微生物混合，混合物通过挤出机（注射器） 以液滴形式滴入到由多价阳离子组成的硬化溶液（氯化钙） 中。滴下后，细胞立即被聚合物包裹，形成与钙离子交联的三维晶格。此方法的主要影响因素有注射器和硬化溶液之间的距离、聚合物类型、黏度、挤出机孔直径和溶液浓度。通常选择藻酸盐和氯化钙浓度分别为0.5%～4%和0.05 mol/L～1.5 mol/L，珠粒直径范围为2 mm～3 mm。有研究表明，通过离子凝胶化和静电挤压封装的益生菌嗜酸乳杆菌在冷藏条件下显示出更高的存活率。

2.2 乳液法

乳液法是使用水胶体（藻酸盐、角叉菜胶和果胶） 作为细胞壁材料封装活细胞的一种方法，通常经膜过滤后再对其进行回收。微珠直径受到水解胶体溶液浓度和黏度及其搅拌速度的影响。与挤压法相比，乳液法具有易扩大规模、细菌存活率高和胶囊直径小的优点。牛奶蛋白质和糖醇（酪蛋白酸钠、脱脂牛奶、乳清蛋白浓缩物、大豆蛋白与甘油、甘露醇或麦芽糖糊精的结合物） 作为乳酸介质，在冷冻干燥后可抵抗人体内消化系统的酸和胆汁环境，从而为长双歧杆菌提供更好的保护。

2.3 喷雾干燥

喷雾干燥是一种最常用的封装技术，用于小于40 μm 粒径的产品。喷雾干燥最常用的包封剂是多糖（麦芽糖糊精、淀粉、阿拉伯树胶和玉米糖浆），脂质（甘油单酸酯、甘油二酸酯和硬脂酸） 和蛋白质（酪蛋白、明胶、大豆、小麦和牛奶浆）。喷雾干燥过程中将均质化的载体材料雾化成小液珠，经干燥加工后形成干粉状胶囊，其主要受产品进料量、气体流量和干燥温度的影响。喷雾干燥具有快速、成本低和重现性高的优点，因此非常适合工业化生产应用。喷雾干燥的主要缺点是工艺过程中使用高温，易导致细菌活性降低。在食品应用中，微生物发酵剂通常以喷雾粉剂或冻干粉剂的形式使用。喷雾干燥法在副干酪乳杆菌、反刍双歧杆菌和鼠李糖乳杆菌发酵剂中得到应用。

3 乳酸菌发酵剂封装材料

目前，有关混合发酵剂的涂层材料仍在不断研发中。pH 值、温度、酶活性、渗透力等因素的变化可以刺激涂层材料成分的快速释放。因此可以根据食物成分控制聚合物基质内包封的活性剂的释放。

3.1 淀粉及淀粉衍生物

淀粉由α-D-葡萄糖单元组成，通过α-1，4和α-1，6 糖苷键连接，由2 个不同的多糖分子组成，一个是线性直链淀粉，另一个是高支链淀粉。藻酸盐淀粉凝胶珠通过在其中心形成缺氧条件，防止氧在凝胶上扩散，从而防止嗜酸乳杆菌和乳酸杆菌的细胞死亡。与没有淀粉的包封相比，添加玉米淀粉可以提高细菌的存活率。有研究表明，与纯天然淀粉（玉米、马铃薯和木薯） 和纯支链淀粉系统共生的乳酸杆菌（罗伊氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌），即使在20 个月的储存条件下，支链淀粉和支链淀粉/马铃薯淀粉膜的活力为70%～80%。在嗜酸乳杆菌的藻酸盐微珠中添加玉米淀粉和脱乙酰壳多糖，为冻干微粒的储存过程中提供了更好的保护。当使用淀粉基底材料进行封装时，可提高封装产量，也可进一步确保在食品加工和系统消化过程中，活菌数量保持在最低剂量以上。

3.2 藻酸盐

藻酸盐是一种广泛用于微生物细胞封装的生物聚合物，其衍生自褐藻（海带），主要由β-D 甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸组成。藻酸盐的胶凝作用是通过使Ca2+胶凝离子与藻酸盐发生交联而实现的。藻酸盐以其简单、生物相容性好、成本低、无毒、易于形成凝胶基质等特点而被广泛使用，该方法难以按比例放大，并且多孔微粒是保护细胞不受其环境影响的主要缺点，通过将藻酸盐与其他聚合物结合或将胶囊与其他化合物包衣，或使用不同添加剂对藻酸盐进行结构修饰可能会不堪重负。藻酸盐凝胶基质将细菌细胞包裹起来，产生直径在1 μm～3 μm 范围内且表面孔径可达7 nm 的珠子。与游离细胞相比，使用藻酸盐封装的细菌在脱脂牛奶中的存活率提高了一个对数。即使在深冷冻过程之后，使用藻酸盐和甘油共混物进行封装也可以显著提高乳酸菌的活力。

3.3 结冷胶和黄原胶

结冷胶是来自假单胞菌的细菌多糖，由葡萄糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖和鼠李糖的重复单元组成。冷却后，吉兰糖胶产生热可逆的凝胶，胶凝温度取决于溶液中的聚合物浓度、离子强度和阳离子类型。黄原胶是由油菜黄单胞菌产生的另一种细菌多糖，其构成五糖（葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸的摩尔比为2∶2∶1） 的重复单元。该聚合物在冷水中迅速水合，不会因适当分散在溶剂中而形成团块。黄原胶溶液由于其半刚性构型和较高的黏度而表现出非常明显的假塑性行为，从而通过氢键和聚合物链缠结形成网络。其主要的缺点是凝胶凝结温度高，从而损害益生菌细胞。

4 展 望

到目前为止，市场上还没有在高温下稳定的乳酸菌产品。在热处理过程中增加乳酸菌的生存能力仍是目前面临的巨大挑战。为了食品工业的利益，需要进一步开发热稳定的起子培养物和可以作为“隔热材料”的封装系统。尽管现有实验室规模的乳酸菌发酵剂封装技术效果较好，但在大规模生产食品级微囊化微生物方面仍然存在一些挑战，还需进一步加大研究力度，最终实现工业化生产。