包埋方式对益生菌功能性食品的影响

徐立伟 解梦汐 郭应许 于淼

摘要：益生菌微胶囊食品往往根据芯材和壁材特性来选择合适的包埋方法。超声方式可能会对蛋白质壁材改性进而产生一定影响；均质处理可对溶液进行乳化并使多糖壁材原料产生交联反应；等电沉积法可能更适合耐酸性的益生菌；Pickerling 乳化法可获得更小粒径和更高包埋率，但不能保证大量益生菌进入靶向器官并在附着位点上繁殖发酵；锐孔固浴法较适合益生菌包埋但在形态上会对质地比较细腻的食品外观产生一定影响；流化床、乳液静电纺丝展现出它们在益生菌包埋上的优势，但成本过高难以大批量生产。

关键词：益生菌；功能性食品；包埋；属性；影响

中图分类号：TS201.3    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2023）06-0067-04

益生菌在调节肠道菌群和改善肠道健康方面有着巨大的潜力。适量摄取益生菌可通过与病原体或有害菌竞争肠道附着点位和营养物质来抑制病原体与有害菌的生长及繁殖[1]。传统的益生菌食品主要有酸奶和冰淇淋。人们直接摄取微生物时，常因消化系统中含有大量对益生菌不利的因素，而使益生菌难以充分发挥其作用。包埋技术可以很好地解决这一问题，能使益生菌微胶囊化并具有活性地到达作用点。研究表明，不同的包埋方式对肠道菌落调控影响不尽相同，优秀的包埋方式可往靶向作用器官输送更多的益生菌，从而使整个递送系统发挥更好作用。

1 包埋技术在益生菌食品中的应用

包埋是通过壁材将芯材进行包裹，保护芯材免受于外界不利因素所造成的活性成分丧失，并对芯材进行充分利用的一项高新环保技术。包埋技术让很多生物活性成分更容易保存与开发，同时也直接提高了生物活性成分的生物利用率。在益生菌研究中，包埋技术扮演着重要角色。由于益生菌进入人体后，消化系统中的恶劣条件限制了益生菌的活性，使益生菌不能活力满满地到达肠道进行定殖发酵或者没有足够数量的益生菌到达肠道目标中的靶附位点，从而无法使益生菌在人体内部最大程度地发挥作用。而包埋技术塑造出的微胶囊颗粒在人体肠胃系统短时间内不能被完全消化吸收，这使微胶囊递送体系在肠道中缓慢溃散，从而达到在体内缓慢释放的效果，进而使足够数量的益生菌到达肠道目标位置进行附着并繁殖发酵。

2 益生菌属性对包埋体系构造的影响

益生菌是活的微生物，当宿主摄入一定数量时会对人体产生一定的健康益处。益生菌作为芯材被包埋后加到食品当中，会使食品性质得到一定的提升，因为包埋的主要優点是可作为一种靶向运载体系，将具有生物活性成分且受到外界影响的物质相对安全地运输到益生菌能最大程度发挥作用的目的地。益生菌的目的地并不唯一，已有研究将益生菌在肠道定殖发酵的位置分为小肠类、盲肠类、十二指肠类、结肠类等。针对益生菌的不同属性，对壁材的选择也有一定差别。根据益生菌发挥作用的位置不同，对壁材分子量的选择就会有一定差异。高分子量的外壳材料具有较好的抗GIT（胃肠道恶劣环境）优势，低聚合度的多糖具有更好的增益效果，因此，选择多糖及膳食纤维作为包埋壁材具有较大优势，比如以菊芋菊糖为壁材进行包埋植物乳杆菌时，选择使用10%分子量的菊芋菊糖和80%分子量的天然菊糖进行包埋，对比后发现天然菊糖的包埋率相对较高，但10%分子量的菊糖包埋的微胶囊释放了更多的短链脂肪酸。

3 益生菌包埋方式的选择

3.1 物理法

3.1.1 超声 超声是一项可持续技术，主要通过≥ 20 kHz 的声波来发挥作用，可分为低强度超声（高频100 kHz～1 MHz）和高强度超声（低频20～100 kHz）。在微胶囊制备方面，以植物蛋白原料为壁材时一般采用低频超声，功率在100～1 000 W/cm2。低频超声对植物蛋白而言，因其强大的剪切力、机械力以及硫基的暴露而改变了蛋白质的结构性质，进而影响蛋白质的技术功能性质。

3.1.2 均质 均质是指物料在均质阀或均质刀头中发生细化和均匀混合的加工过程。均质机在高压下产生强烈的剪切、撞击、空穴以及湍流涡旋效应，从而使液态物料或者以液体为载体的固体颗粒达到超微细化的效果，进而增强食品的稳定性，具有乳化、均质效果，可改善食物外观。均质工艺方法很多，常用的方法包括超声波均质、高剪切均质、高压均质等。实际应用中，以高压均质最为常见。均质是包埋过程中干燥前处理的重要组成部分。

在包埋技术研究中，均质占据很大一部分。均质的性能和作用可在很大程度上满足包埋过程中壁材封闭的需要。均质的超微细化可使多种高分子聚合物质长链断裂，从而尽可能减少聚集形态在溶液中的出现。聚合物的展开同样暴露出各种官能团，在溶液中经疏水作用和水合作用，均有可能促进壁材对益生菌完成封闭。在 10 000 r/min均质速率下使用β-环糊精和结冷胶对地衣芽孢杆菌进行包埋研究，通过傅里叶红外光谱结果可看出结冷胶 O-H基、C-H 基和C=O基都发生了伸缩震动，这说明均质可能使壁材样品在微胶囊制备中暴露出更多的官能团。

均质不仅能对糖类物质进行一定的改性，对蛋白质类物质同样具备改性作用，比如在对花生蛋白进行处理时，其明显改变了疏水基团之间的作用力，并结合出更多的氢键。这为包埋开拓了新思路，使包埋壁材不再局限于多糖类材料，蛋白与多糖之间的结合也可实现包埋。

3.1.3 固定化 固定化微生物技术是将微生物高密度集中固定在所选证的载体上，在生物活性适宜的保存条件下使微生物快速、大量增殖的生物技术[2]，具有效率高、稳定性强、能纯化和保持高效菌种的特性，且与传统发酵技术相比，可避免出现生物细胞太小、难与水溶液分离、存在二次污染的问题[3]。因此，固定化微生物技术在食品工业领域具有广阔的应用前景。

固定化是通过将益生菌放入狭小且安全的场所中来保证其自身活性尽可能不受损耗，其最初主要用于环境材料方面，即利用重复发酵机制就可降低治污成本。在食品领域主要用于发酵，同样也是利用其可以重复利用的特点。固定化载体不同于其他包埋方式，其他包埋方式倾向于靶向运载体系或缓释体系，而固定化载体的作用方式虽与缓释体系有着逐渐缓释的相同特点，但固定化缓释作用于食品发酵加工过程，而其他包埋方式大多用于防护、作用于生物体消化过程中。虽然细胞固定化技术也可对细胞起到保护作用，但固定化保护更多用在发酵过程中，且固定化技术能够在发酵过程中尽量避免传代的变异。

在利用海藻酸钠珠将酿酒酵母固定并从油棕空果束发酵产生乙醇的相关研究过程中，在30 ℃、pH 5和0.75 g固定化酵母细胞发酵48 h的条件下，固定化的酵母细胞发酵可获得最大乙醇浓度。但相同条件下用自由细胞系统发酵乙醇的产率则较低，且采用固定化细胞珠进行二次循环发酵后，乙醇浓度最高为88.125 g/L，产率为1.84 g/L˙h[4]。在固定化发酵啤酒的加工过程中，96 h即可完成发酵，比游离细胞提前完成发酵约24 h，且对其代谢产物及高级醇对比发现，两种发酵方式并未发现明显变化[5]。

3.2 物理化学法

3.2.1 等电沉积 等电沉积法也称为相分离法，是将芯材均匀乳化或混悬在壁材溶液中，再加入另一种物质或溶剂，使壁材的溶解度降低，之后从混合溶液中凝聚出来并包围在微细化芯材周围而形成的微胶囊技术方法。在这种包埋方式下，蛋白质扮演着重要角色。在等电点时，蛋白质两性分子以离子形式存在，其分子静电荷是零（正负电荷数相等），即没有相同电荷相互排斥，故蛋白质分子间的相互作用力减弱，颗粒极易发生碰撞，致使溶解度降低，产生沉淀。在包埋方式上，明胶和阿拉伯胶占据相当大的比重，因为pH值对明胶有较大影响，对阿拉伯胶则几乎没有什么影响，且明胶在pH值＜4.8时有着大量的阴离子基团，而阿拉伯胶仍带有阳离子基团，两者之间相互作用，最终导致凝聚相的形成。明胶与阿拉伯胶对油脂成分具有一定的亲和力。在对姜黄素进行包埋研究时发现，其包埋率在89.74%～98.7%之间，粒径在57～85 μm之间，达到了非常理想的效果；在阿拉伯胶和果胶包埋萝卜硫素的研究中，也获得超过80%的包埋率。

等电沉积技术对益生菌包埋的贡献可能体现在对pH值有着一定的要求，如干酪乳杆菌、凝结芽孢杆菌等耐酸性微生物就是等电沉积技术包埋的优质选择。在从鸭脚中提取明胶并与糊精、聚葡萄糖、西米淀粉包埋制造成可食性薄膜的研究过程中，其显著提升了干酪乳杆菌的活性（25%、36%、25%）[5]。阿拉伯胶和明胶组合在多层包埋上为科学家们提供了一定的选择。pH=4时对植物乳杆菌进行双重包埋，包埋率达到97.78 % ，粒径控制在105.66 ± 3.24  μm ，并在体外消化模拟过程中包埋卫生物活力仍能保留80%。

3.2.2 Pickerling 乳化 Pickerling 乳化法属于相分离法的一种，是用固体纳米粒子来代替传统乳化剂的一种新型乳液聚合方式，近年来在国内外研究者中引起一阵热度。Pickerling 乳液聚合法制备相变微胶囊材料具有以下优点：一是Pickerling粒子能够成壳，不仅使微胶囊获得均一完整的球形结构，还有包埋率高、热传导速率快的特点，可有效提高能源利用效率，使相变微胶囊材料的价值得到很大提升。二是Pickerling 粒子的高附着性能可减少乳液液滴聚集的可能性、增强乳液稳定性。三是不添加表面活性剂可避免环境污染，绿色环保。

Pickerling乳化在包埋方面有着独特优势，相较于其他方法制成的微胶囊，其粒径相对较小，这是因为该方法减少了乳液液滴的聚合程度，增大了芯材与壁材的接触面积，易产生更多微胶囊。但胶囊壁材厚度会受到一定影响，从而得到壁材相对较薄的微胶囊，并使粒径相对较小。Pickerling乳化法对包埋风味活性、亲油性、亲水性等物质可能表现得更加适合，比如在使用环糊精包埋肉桂醛的研究中，肉桂醛包封率达91.7%，粒径可小到5 μm，但在体外消化模拟当中表现并不优异，2 h后几乎全部释放[6]。利用马铃薯蛋白乳化包埋姜黄素的研究中，包埋率达78.7% ，粒径达10 μm左右[7]。通过细菌纤维素Pickerling乳化后对维生素E进行包埋时，粒径只有18 μm左右，乳液对维生素E的包埋效率也有75%[8]。

可见，这种方法对载运益生菌而言并不合适，因为益生菌需要到目标器官定殖才能发挥其功效，且益生菌的靶向器官（结肠或盲肠）对人体消化系统而言相对较远，需要更好的抗性，而大部分Pickerling乳化法制备的微胶囊壁相对较薄，并不适合此类运载。因此，关于Pickerling 乳化法包埋益生菌的研究很少。

3.2.3 锐孔固浴法 锐孔固浴法也叫注射器固浴法、挤压法，其基本原理为芯材和壁材溶液借助外力作用，或通过注射器成型，或在凝固浴中与 CaCl2 等无机盐或醛类物质进行交联反应，或与带相反电荷的聚合物发生凝聚反应，或通过热改性使壁材凝聚沉淀成膜将芯材包埋，最终形成微胶囊。其中，针对Ca2+ 的研究更加丰富，原因可能是Ca2+自身化合价较高，其屏蔽蛋白质分子间静电力的作用较大。此外，Ca2+可在带负电荷的蛋白质分子之间形成盐桥，最终导致Ca2+凝胶能力强于类型盐离子的凝胶能力[9]。该方法制作的微胶囊粒径相对较大，甚至可达毫米计数。胶囊外壳相对较厚，因此在消化过程中会具备较大优势，比如在使用豌豆分离蛋白和海藻酸钠对罗伊氏乳杆菌行进封装包埋时，虽然微胶囊肉眼可见，但在体外消化模拟过程中，消化5 h后的益生菌比未包埋的益生菌显著增加3 log CFU/g，且挤压制备的过程还可促进微胶囊壁材之间的交联。在通过溶胶-凝胶转换交联方法来制备微胶囊的过程中，纤维素在 Ca2+ 的致孔作用下，纤维素互联网结构转换为蜂窝结构，这提升了植物乳杆菌的容纳能力，并在6 h消化后达到 5.80×108 CFU/mL 的释放当量，且锐孔固浴法制成的微胶囊因外壳较厚而使其在储藏时获得了更好的稳定性。在海藻酸钠-刺槐豆胶-胡芦芭基质对乳酸菌的包埋研究中，4 种乳酸菌包埋后在胃肠消化模拟当中仍能存活85%以上的益生菌，储藏期间仍能具备良好的活性。

3.3 新型微胶囊包埋方式

3.3.1 自动喷泡封装 自动喷泡封装也称流化床包埋、空气悬浮包埋、喷雾包埋等。其基本原理是使用流化床，再通过热气流使芯材粉末悬浮或有规则地快速运转，然后把壁材溶液雾化形成包衣区，当芯材颗粒运动到包衣区时，芯材粉末表面反复被涂层和干燥，从而进一步达到微胶囊化的目的。其过程包括成膜雾化成微滴、微滴附着芯材表面、微滴铺展、微滴间融合、蒸发干燥、成膜热愈合。只要缩小益生菌暴露在热空气和湿气中的时间间距，此种包埋方式对水分敏感的益生菌粉末就是有利的。由于流化床中芯材与壁材具有较强不断接触的特点，可更方便地制成表面光滑及多层壁材的微胶囊，比如在使用热熔流化床对嗜酸乳杆菌进行包埋的研究中所制成的微胶囊表面较为光滑，粒径在200～300 μm之间，在消化模拟当中也展現出自身优势，且流化床制备微胶囊的干燥方式也使微胶囊储藏稳定性有部分提升。在流化床制备益生菌微胶囊时，益生菌损耗0.8 log CFU/g，但在使用冷冻干燥时却消耗了1.3 log CFU/g，在不同水分活度储藏45 d的情况下，流化床制备出的微胶囊仍能保持8 log CFU/g以上。

3.3.2 乳液静电纺丝 乳液静电纺丝作为一种新兴的静电纺丝技术，已被用于从油包水（W/O） 或水包油（O/W） 乳液中制造核壳结构的微纤维和纳米纤维。在静电纺丝过程中，不同相之间的粘度差异可引起乳液液滴的向内运动，乳液液滴在高压电场下会被拉伸到核壳纤维中。除了各种结构优点如定制形态、高孔隙率和高表面积与体积比之外，乳液基电纺纤维还具有核-壳结构，该结构允许使用固化聚合物来作为屏障在核部分中封装生物活性化合物。因此，基于乳液的电纺纤维可在不损害其生物活性的情况下来实现对生物活性化合物的保护和控制释放。通过使用食品级聚合物和生物聚合物可以实现大规模生产、有效封装和增强细胞稳定性，一些研究已经使用静电纺丝技术来封装益生菌，例如López-Rubio等使用基于蛋白质的基质（浓缩乳清蛋白）和基于碳水化合物的基质，通过静电纺丝封装动物雙歧杆菌亚种乳酸 Bb12，发现基于浓缩乳清蛋白的亚微胶囊和微胶囊在细胞活力方面得到了更大的改善[10]；Fung等以支链淀粉为基础结构，使用来自农业废弃物streamsokara（大豆固体废弃物）、油棕树干（OPT）和油棕叶（OPF）的可溶性膳食纤维 （SDF） ，通过静电纺丝法包埋嗜酸乳杆菌FTDC 8933，发现静电纺丝后益生菌存活率高达78.6%～90％，且在冷藏温度下储存21 d期间仍能保持活力[11]。尽管近年来静电纺丝的应用数量及其在食品系统（实验室规模）中的潜力得到认可，但该技术作为配送工具在食品行业工业化规模应用中仍然有限。纳米纤维的潜力尚未在食品工业中广泛应用可归因于对合成聚合物（在食品应用中不可接受）而不是食品级生物聚合物的研究盛行。因此，探索使用静电纺丝封装益生菌的新型食品级壁材可能成为所有食品研究人员的潜在领域。

3.4 干燥方法

微胶囊往往以固体粉末形式呈现，而从乳液到粉末形态需要一定的干燥技术。干燥方式对益生菌活性具有一定影响，主要分为喷雾干燥、流化床干燥和冷冻干燥。

喷雾干燥常用于制备益生菌微胶囊粉末。技术内容包括：将含有益生菌的液体雾化成微小液滴，并在加热室中暴露于热气体中，再通过传热和传质过程将其干燥。在这个过程中，会出现高温、大渗透压差、脱水和氧化应激，这会对益生菌膜成分（脂肪酸、蛋白质）和细胞内物质（核糖体、DNA和RNA）造成损害，导致许多益生菌在这个过程中被破坏。此外，益生菌用以粘附表面的菌毛受损后会降低其在肠道中的定殖能力。热风温度中的进风及出风温度会严重影响整个包埋过程，对易氧化、易热降解、易热失活的微生物芯材而言，操作过程中一旦温度过高就可能破坏芯材，这与微胶囊保护及靶向运输益生菌的目标背道而驰。

流化床干燥时，含有益生菌的液滴悬浮在热空气中，因此益生菌也会遇到高温，这会破坏它们的细胞结构，导致其生存能力显著下降。如果能够控制微生物暴露在热空气中的时间，则会取得不错的效果。对比之下，热熔可能是流化床包埋益生菌的不错方法。

冷冻干燥对微生物而言是一个相对温和的过程，因为其不涉及到高温利用。然而，在这一过程中，益生菌必须首先在低温冰箱中预冷，这就可能会降低益生菌的生存能力。在形成冰晶的过程中，细胞失去结合的水，导致细胞膜和细胞器被破坏，同时，较大的渗透压和较低的温度环境会使益生菌失活。高能耗和长处理时间意味着冷冻干燥成本通常是喷雾干燥的35～50倍，这限制了其商业应用。

4 结语

包埋微胶囊化无疑在推动食品行业的发展，一个精致的益生菌微胶囊食品往往要根据芯材和壁材的特性来选择合适的包埋方法。超声方式可能会对蛋白质壁材改性进而产生一定影响；均质处理可对溶液进行乳化，并使多糖壁材原料产生交联反应；等电沉积法可能更适合耐酸性的益生菌；虽然Pickerling 乳化法可以获得更小的粒径和更高的包埋率，但不能保证大量益生菌进入靶向器官并在附着位点上繁殖发酵；锐孔固浴法比较适合益生菌的包埋，但在形态上可能会对质地比较细腻的食品外观产生一定影响（如花生酱）；而流化床、乳液静电纺丝展现出它们在益生菌包埋上的优势，但成本过高难以大批量生产。因此，根据壁材和芯材特性以及食品基质来选择合适的包埋方式是明智之举。

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Effect of Embedding Method on Functional Food with Probiotics

XU Liwei1， XIE Mengxi1， GUO Yingxu2， YU Miao1*

（1.Institute of Food and Processing， Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang 110161， China；2.Light Industry College of Liaoning University， Shenyang 110034， China）

Abstract：  The suitable embedding method of probiotic microencapsulated food is often selected according to the characteristics of core material and wall material. The ultrasonic mode may have some influence on the modification of protein wall material; Homogenization treatment can emulsify the solution and produce cross-linking reaction of polysaccharide wall material； Isoelectric deposition may be more suitable for acid-resistant probiotics; Pickerling emulsification method can obtain smaller particle size and higher embedding rate， but it cannot guarantee that a large number of probiotics enter the targeted organ and multiply and ferment at the attachment site; Perforated solid bath method is more suitable for probiotics embedding， but it will have a certain effect on the appearance of delicate food; Fluidized bed and emulsion electrospinning show their advantages in the embedding of probiotics， but the cost is too high to mass production.

Key words：  probiotics; functional food; embedding; property; effect

收稿日期：2023-10-08

基金項目：2021年辽宁省“揭榜挂帅”科技攻关项目（2021JH1/10400038）；2021年辽宁省“揭榜挂帅”科技攻关项目（2021JH1/10400034）

作者简介：徐立伟（1980—），男，硕士，助理研究员，从事食品生物技术方向的研究工作。

通信作者：于 淼（1981—），女，博士，研究员，从事食品功能因子方向的研究工作。