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高消化存活率益生菌微胶囊的制备及特性研究
作者：刘颖1，谢友发1,2，蔡继宝3，黄鑫4，张奎1，邹立强1，刘伟1*
单位：
1、南昌大学 食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌，330047
2、江中药业股份有限公司，江西 南昌，330041
3、江西中烟工业有限责任公司，江西 南昌，330000
4、江西省检验检测认证总院食品检验检测研究院，江西 南昌，330046
基金项目：
国家自然科学基金（31972071）；国家自然科学基金地区科学基金项目（32160563）
摘要及关键词
摘要：该研究基于一种三流体同轴喷雾干燥技术，以明胶和结冷胶为壁材，以
CaCl2为交联剂，通过凝聚、离子交联或者组合将植物乳杆菌包埋于微胶囊中。对微胶囊的微观结构、溶解性、傅里叶红外光谱进行分析，并测定了益生菌微胶囊的喷雾干燥存活率，模拟消化稳定性和贮藏稳定性。结果显示，益生菌被成功包埋于微胶囊内部；结冷胶及Ca2+的添加显著降低了明胶微胶的溶解性和溶胀性，FTIR 证实了明胶和结冷胶间的氢键和静电相互作用以及钙离子和羧基间的交联作用。明胶-结冷胶-Ca2+微胶囊在喷雾干燥、模拟胃液消化、4 ℃贮藏8周后菌活分别为9.71 lg CFU/g、8.74 lg CFU/g和9.47 lg CFU/g。综上所述，Ca2+交联的明胶-结冷胶复合微胶囊可以为益生菌在胁迫环境中提供良好的保护。
关键词：益生菌微胶囊；交联；同轴喷雾干燥；消化稳定性；贮藏稳定性
主要结论
通过配备三流体同轴喷嘴的Buchi-290喷雾干燥塔实现钙离子原位交联、微胶囊的成型和干燥（如图1所示）。进风温度调节恒定为120 ℃，将益生菌混合溶液和氯化钙溶液分别通入3流体同轴喷嘴的内、外进料通道，收集70~80 ℃出风温度下的益生菌微胶囊，得到以明胶-钙离子、明胶-结冷胶-钙离子为壁材的益生菌微胶囊，即Gel-Ca2+、Gel-GG-Ca2+。作为对照，制备未交联的益生菌微胶囊，仅将益生菌混合溶液通入内进料通道中，收集以明胶、明胶-结冷胶为壁材的微胶囊，记录为Gel、Gel-GG。
图1 三流体同轴喷雾干燥中微胶囊的形成
利用冷冻扫描电镜观察微胶囊的形态，结果如图2所示。所有微胶囊样品均未见裂缝和孔洞，且大多数微胶囊具有喷雾干燥典型的凹陷表面。微胶囊表面上没有看到益生菌存在，这表明益生菌已成功地包埋在内部。
A-Gel；B-Gel-Ca2+；C-Gel-GG；D-Gel-GG-Ca2+
图2 益生菌微胶囊的冷冻扫描电镜图像
微胶囊在水中的溶解情况与益生菌在模拟消化液中的存活率有关，微胶囊溶解速率越快，在在消化液中的崩解速率就越快，能提供给益生菌的结构保护就越弱。微胶囊的溶解性可以通过测量微胶囊在水中的粒径变化来表示。如图3所示，以D(10)、D(50)、D(90) 3种粒径大小表示了各种微胶囊在水中溶胀过程的的粒径变化。与单种壁材包埋相比，Gel-GG的溶解速率和溶胀性显著降低，并且能在后期维持稳定的微胶囊形态。。Gel-GG-Ca2+微胶囊形态在整个溶解过程中基本保持稳定。以上结果表明，GG和Ca2+的添加可以降低明胶基微胶囊的溶解性和溶胀性。
A-D(10)；B-D(50)；C-D(90)
图3 微胶囊的在水中分散的粒径随混合时间的变化曲线
为了确定微胶囊中Gel、GG和Ca2+的相互作用，测定了微胶囊的傅里叶红外光谱图，结果如图4所示， 比较Gel和GG交联前后发现，酰胺A峰向低波数区移动，这可能是因为结冷胶中的-OH/-COO-与明胶的-NH基团形成氢键。此外，还观察到酰胺Ⅰ峰和酰胺Ⅱ峰向高波数区移动。对于Gel-Ca2+和GG-Ca2+微胶囊，观察到酰胺A峰向高波数区移动。然而Gel-Ca2+酰胺Ⅱ峰和酰胺Ⅲ峰均向高波数区移动并且吸收强度减弱，这表明Ca2+与明胶的酰胺基有键合作用。GG-Ca2+的-COO对称伸缩振动和反对称伸缩对称振动吸收峰分别向低波数和高波数区移动，C-O伸缩振动吸收峰向低波数移动，这可能归因于Ca2+和GG侧链羧基上的离子键促进了三维网络状结构的形成。与Gel-GG相比，Gel-GG-Ca2+样品的酰胺A峰、酰胺Ⅱ峰和酰胺Ⅲ峰向高波数区移动，酰胺Ⅰ峰和C-O伸缩振动吸收峰向低波数区移动，且所有吸收峰的吸收强度都有所减弱。其他酰胺峰和C-O伸缩振动吸收峰的移动表明Ca2+可能和凝胶中酰胺基和羧基有键合作用。以上结果证明了明胶、结冷胶和钙离子间氢键和离子相互作用，这可能有利于形成更稳定的凝胶网络结构。
a-Gel；b-Gel-Ca2+；c-GG；d-GG-Ca2+；e-Gel-GG；f-Gel-GG-Ca2+
图4 益生菌微胶囊的傅里叶红外光谱
喷雾干燥后不同微胶囊中的益生菌存活率如图5所示，喷雾干燥前，各微胶囊样品的活菌数量无显著性差异，均在10.15 lg CFU/g左右。不同配方的微胶囊在喷雾干燥后益生菌活性有显著性差异。对于Gel样品，益生菌干燥后的存活率为55.33%，而与Ca2+交联后微胶囊中益生菌的存活率下降，这表明Ca2+对植物乳杆菌在喷雾干燥存活方面表现出拮抗特性。
图5 不同微胶囊在喷雾干燥后的活菌数
益生菌能否在宿主体内发挥益生作用，取决于益生菌在胃肠道中的存活率。未封装和不同壁材封装的益生菌微胶囊在模拟胃肠消化后的存活率如图6所示，未包封的益生菌在经过模拟胃肠消化后，菌活分别降低约5.0 lg CFU/g和5.65 lg CFU/g，而封装后的益生菌的菌活有不同程度的显著提高。明胶可以给益生菌提供一个缓冲微环境，提高其对胃酸和胆盐的耐受性。但是Gel微胶囊在消化液中快速崩解导致益生菌直接暴露于消化液中而大量死亡。Gel和GG交联后，微胶囊在的消化存活率显著提高，这是因为结冷胶具有良好的凝胶性，降低微胶囊的溶解性、抵抗消化酶的水解，但是其结构较为松散，氢离子易进入微胶囊中导致菌活降低。Gel-Ca2+微胶囊在胃消化后菌活仅降1.74 lg CFU/g，可能归因于Ga2+促进明胶分子间交联聚集，使微胶囊结构致密，减缓了胃酸的渗透。Gel-GG-Ga2+微胶囊保护效果最好，菌活仅降低0.97 lg CFU/g，这说明Ca2+在与Gel和GG交联方面具有协同作用。
图6 不同益生菌微胶囊在模拟体外消化后的活菌数
微胶囊Gel-GG-Ca2+表现良好的模拟胃肠消化稳定性，基于此，本研究进一步考察了该微胶囊中植物乳杆菌在4 ℃和25 ℃条件下保存的稳定性，结果如图7所示。Gel-GG-Ca2+微胶囊在4 ℃冷藏保存8周后仍然保留有超过109 CFU/g活菌数。在常温下保存的微胶囊稳定性较差，益生菌活力有明显的下降，贮藏4周和8周后菌活分别减少1.25和1.95 lg CFU/g，喷雾干燥的Gel-GG-Ca2+在冷藏条件下可以维持至少8周的稳定性。
图7 益生菌微胶囊在4 ℃和25 ℃条件下贮藏过程中的活菌数量变化
本研究采用了一种新型喷雾干燥技术，以明胶和结冷胶为复合壁材，通过同轴喷涂方式与钙离子交联，将益生菌封装于微胶囊中。研究结果表明，明胶、结冷胶、钙离子间通过交联形成更致密的凝胶网络，抑制微胶囊的在水中的溶胀和崩解，可有效维持益生菌在胃肠消化过程中的菌活。因此，本研究制备的明胶-结冷胶-钙离子微胶囊在益生菌应用方面具有较大的潜力，而且，同轴三流体喷雾干燥技术还为益生菌的封装和微胶囊的制备提供了一种新的思路。
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刘颖,谢有发,蔡继宝,等.高消化存活率益生菌微胶囊的制备及特性研究[J/OL].食品与发酵工业, 2024. https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.037412.
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图文供稿| 作 者
编辑排版| 严浩东
内容审核| 董 玲
