張 燦,吳彩娥*,范龔健,李婷婷,張 強,2,宮 號,劉龍云

(1.南京林業(yè)大學輕工科學與工程學院,江蘇南京 210037;2.安徽科技學院 生命科學學院,安徽蚌埠 233100)

植物蛋白微膠囊對益生菌包埋的研究進展

張 燦1,吳彩娥1*,范龔健1,李婷婷1,張 強1,2,宮 號1,劉龍云1

(1.南京林業(yè)大學輕工科學與工程學院,江蘇南京 210037;2.安徽科技學院 生命科學學院,安徽蚌埠 233100)

益生菌對宿主健康具有一定的益生作用而被廣泛應用于食品領域。然而益生菌對外界環(huán)境比較敏感,且進入機體后不耐胃液、膽鹽等惡劣環(huán)境,導致其存活率大大下降。微膠囊技術(shù)對益生菌包埋可以解決這一問題,且將植物蛋白作為益生菌的包埋壁材,不僅可以提高益生菌在不良環(huán)境中的存活率,還可以作為載體用于益生菌腸道的定位釋放。本文綜述了大豆蛋白、豌豆蛋白等對益生菌的包埋以及益生菌微膠囊在食品中的應用,為植物蛋白微膠囊技術(shù)包埋益生菌提供參考依據(jù)。

微膠囊,益生菌,大豆蛋白,豌豆蛋白

益生菌本身可以消化食物,產(chǎn)生有用的產(chǎn)物來破壞有害的微生物,彌補那些缺失的消化酶的功能(酶缺失或有基因缺陷),維持消化系統(tǒng)的pH等[1]。目前作為潛在的益生菌應用在發(fā)酵乳制品中的微生物有鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)、嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)、羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)、保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbulgaricus)、動物雙歧桿菌(Bifidobacterium)、兩歧雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)、青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)和嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)等,且研究表明益生菌的數(shù)量必須達到7 log CFU/g才能起到功能作用[2]。由于人體內(nèi)的胃酸、膽汁及各種消化酶的不良影響,益生菌到達腸道時其存活率極大的降低[3]。因此,是否能保持較高的存活率是益生菌發(fā)揮益生作用的關鍵因素。采用微膠囊技術(shù)包埋的益生菌可以抵抗高濃度的氧氣,保證益生菌的高存活率;獲得一定的抵御胃酸、膽汁和消化酶的能力,最后能以較高的活菌數(shù)定植于腸黏膜上發(fā)揮作用[4]。

制備微膠囊時壁材的選擇很重要。具有良好乳化能力和乳化穩(wěn)定性的壁材,有利于提高最終產(chǎn)品的產(chǎn)率、效率和貯存穩(wěn)定性;具有在高濃度時有低黏度性質(zhì)的壁材,有助于提高進料時的固形物含量,從而提高最終的微膠囊化效率和產(chǎn)率。益生菌包埋中最常用的壁材是海藻酸鈉,它具有成本低和生物相容性高的優(yōu)點,另外它具有形成離子型膠體的能力,這種膠體在低酸環(huán)境下很穩(wěn)定可以抵抗胃酸,在中性或更高的pH環(huán)境中又能溶解,在腸液中崩解。但是由于海藻酸鈉膠體多孔的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得它并不能完全有效地限制小分子有害物質(zhì)的滲透,所以它對益生菌的保護效果也非常有限[5]。而植物蛋白則由于其可再生,可生物降解,有良好的功能特性如乳化性、成膜性、凝膠型和水溶性等[6]適用于微膠囊技術(shù),從大豆、干豆、谷類中提取的植物蛋白已被用于微膠囊的制備[7]。此外,植物蛋白易得,且它們的結(jié)構(gòu)和功能已被證明。和動物蛋白相比,植物蛋白具有較少的過敏原,故植物蛋白做壁材制備微膠囊在食品、制藥和化妝品方面具有很大的潛力。本文就植物蛋白在微膠囊包埋益生菌中的應用,及植物蛋白包埋益生菌在食品領域中的應用等方面進行綜述,為更好地利用益生菌提供研究依據(jù)。

1 植物蛋白在益生菌微膠囊技術(shù)中的應用

將植物蛋白用作微膠囊壁材顯示出了食品、化妝品以及制藥領域的綠色趨勢。目前,被廣泛用作壁材的植物蛋白有大豆分離蛋白、豌豆分離蛋白、鷹嘴豆蛋白、小麥醇溶蛋白、玉米朊蛋白和大麥蛋白。研究結(jié)果表明,不同的壁材在保護活性原料的過程中起到不同的作用。此外,從其他植物中獲取的廉價蛋白質(zhì),如水稻、燕麥、向日葵等的蛋白質(zhì),都顯現(xiàn)出了良好的溶解性、乳化性、發(fā)泡性等,因此可以作為潛在的囊材。

1.1 大豆蛋白微膠囊壁材

大豆中含有豐富的蛋白成分,約占35%～40%,其中主要的成分為大豆球蛋白和伴大豆球蛋白,約占總蛋白的50%～90%[8]。大豆蛋白是一種優(yōu)質(zhì)蛋白,其成本低,且大豆蛋白具有良好的物化性質(zhì)和功能特性,尤其是凝膠型、成膜性、乳化性和表面活性。此外大豆蛋白與明膠、酪素等蛋白相比,在酸性環(huán)境下更穩(wěn)定,并能協(xié)助乳酸菌黏附在腸壁絨毛上發(fā)揮作用。正是由于這些良好的功能特性,大豆分離蛋白常用于生物醫(yī)學和制藥[9]。但大豆分離蛋白也有一定的缺點如不耐高溫,過高的熱處理溫度則導致大豆蛋白的溶解度下降,引起微膠囊化效率下降,所以采用大豆分離蛋白做壁材時要控制好溫度?？傊蠖狗蛛x蛋白做壁材制備微膠囊應用比較廣泛,可以做單一壁材也可以和多糖混合做復合壁材[10-12]。

Chávez等[13]采用噴霧干燥法和真空干燥法包埋雙歧桿菌BB12(BifidobacteriumBB12),發(fā)現(xiàn)以大豆分離蛋白和DE值20的麥芽糊精為復合壁材,經(jīng)過兩步干燥后,在30 ℃的條件下儲存3個月后所含的活菌數(shù)最高大于7 log CFU/g。

鄒強[14]以大豆蛋白為壁材通過乳化凝膠方法包埋兩歧雙歧桿菌F-35(BifidobacteriumbifidumF-35),經(jīng)過包埋的兩歧雙歧桿菌F-35比包埋前具有更高的存活率。此外鄒強等[15]比較了不同壁材(大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、明膠)包埋對雙歧桿菌和乳桿菌存活率的影響,結(jié)果表明大豆蛋白微膠囊對這兩種菌具有一定的保護作用。

許女等[16]利用4%大豆分離蛋白溶液、4%微孔淀粉溶液和2%海藻酸鈉溶液作為微膠囊化的三層壁材,分別采用擠壓法和等電點沉淀法來包埋植物乳桿菌MA2(LactobacillusplantarumMA2),擠壓法用2.5 mL的注射器5號針頭制作的微膠囊呈球形,包埋率高,腸液活菌數(shù)高達9 log CFU/g。

1.2 豌豆蛋白微膠囊壁材

豌豆蛋白是從豌豆種子中提取分離出來的,約占20%～30%。豌豆蛋白具有良好的溶解性、攪拌穩(wěn)定性、凝膠性和乳化性[17]。一般豌豆蛋白應用在微膠囊中時要和多糖聯(lián)合使用做復合壁材,多糖和蛋白質(zhì)的相互作用可以賦予豌豆蛋白新的特性而不需要經(jīng)過化學的或酶的改性,尤其是溶解度、成膜性和表面活性[18]。這些相互作用可以增加乳化穩(wěn)定性,進而獲得尺寸大小較好的微粒,提高微膠囊化效率。此外有研究證明采用凝聚法用豌豆蛋白制備微膠囊時,需要加入交聯(lián)劑,防止微膠囊聚集,最常用的交聯(lián)劑是戊二醛,但由于戊二醛具有毒性,在食品工業(yè)領域被禁止使用,故凝聚法并不太適合豌豆蛋白包埋。

Sultan等[19]采用噴霧干燥法利用不同壁材包埋啤酒酵母屬酵母菌(Saccharomycescerevisiaevar.Boulardii),發(fā)現(xiàn)豌豆分離蛋白包埋的益生菌存活率為86.52%±1.23%,在pH為1.5的模擬胃液中存活率最高為68.02%±2.01%。其中在125 ℃噴霧干燥條件下的效果更好,得到的微膠囊更能抵抗胃酸。由于噴霧干燥法是在高溫下進行的,為保證益生菌的存活率不僅要選擇可以耐高溫的菌種,另外其存活率很大程度上還取決于所用的壁材,所以將豌豆分離蛋白在125 ℃的噴霧溫度下應用于益生菌包埋是可行的。

Wang等[20]分別以豆類蛋白(大豆蛋白1.21 g、豌豆蛋白1.25 g、蠶豆蛋白1.54 g和扁豆蛋白1.26 g)-藻朊酸鹽為壁材采用乳化法包埋青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis)制備微膠囊。首先將蛋白分別配制成濃度為10%的溶液,然后又0.5 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH至7.0,接下來室溫下攪拌過夜(16 h),之后加入0.01 g的藻朊酸鹽,再加入1 mL菌懸液,1000×g離心5 min回收得到微膠囊。其中以豌豆蛋白-藻朊酸鹽為壁材制得的益生菌微膠囊粒徑平均為(18.4±2.0)μm,且呈球形,表面光滑,微粒之間分散開來,此微膠囊在模擬胃液中最耐酸,能最大限度的保護益生菌。

Klemmer等[21]利用豌豆分離蛋白-藻朊酸鹽作為壁材,采用擠壓法制備益生菌微膠囊。微膠囊中益生菌的釋放與模擬腸液中的Na+水平和微膠囊基質(zhì)中豌豆分離蛋白的酶促降解有關,雙歧桿菌在模擬腸液中的釋放率為3.67%～4.67%。Kotikalapudi等[22]利用豌豆分離蛋白-藻朊酸鹽包埋嗜酸乳桿菌ATCC11975(LactobacillusacidophilusATCC 11975)。經(jīng)過包埋的益生菌在模擬胃液(pH2.0)中2 h后益生菌活菌數(shù)僅下降1 log CFU/mL,豌豆分離蛋白-藻朊酸鹽具有較好的保護作用。此外,Khan等[23]采用擠壓法包埋益生菌時也采用了豌豆蛋白與藻朊酸鹽做復合壁材包埋青春雙歧桿菌。

1.3 鷹嘴豆蛋白微膠囊壁材

有關鷹嘴豆蛋白做壁材制備益生菌微膠囊的報道不多,鷹嘴豆蛋白之所以可以做壁材制備微膠囊,是因為它具有優(yōu)異的功能特性和營養(yǎng)價值,另外,和大豆蛋白相比鷹嘴豆蛋白具有更少的過敏原和較高的溶解性,同時具有一定的乳化能力。鷹嘴豆分離蛋白質(zhì)含有所有必需氨基酸,其中賴氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸與組氨酸含量較高,滿足人類需求[24]。

Wang等[25]采用乳化法將10%的鷹嘴豆蛋白和0.1%的藻朊酸鹽的壁材包埋的益生菌和裸菌置于模擬胃液中,90%的益生菌失活所需時間分別為(106.31±17.03) min和(18.98±0.29) min。將包埋菌和裸菌置于模擬腸液中3 h,前5 min內(nèi)的釋放率分別為93.6%和85.2%,且此后裸菌不再釋放。因此可以將鷹嘴豆蛋白-藻朊酸鹽應用在食品中包埋一些敏感的益生菌。另外,Khan等[23]采用擠壓法用鷹嘴豆分離蛋白包埋青春雙歧桿菌,得到的微膠囊表面比較光滑,耐胃酸性和腸溶性均較好。

1.4 其他蛋白

Wang等[20]以扁豆蛋白(1.26 g)和蠶豆蛋白(1.54 g)-藻朊酸鹽為壁材采用乳化法包埋青春雙歧桿菌制備了微膠囊,對益生菌有較好的保護作用。此外,Khan等[23]采用擠壓法包埋益生菌時也采用了扁豆蛋白和蠶豆蛋白兩種蛋白與藻朊酸鹽做復合壁材包埋青春雙歧桿菌,在37 ℃ pH1.8的模擬胃液中幾種谷類蛋白包埋的益生菌平均僅下降了2.0～2.6 log CFU/g,在模擬腸液中,微膠囊立即崩解,益生菌的量達到5 log CFU/g。

玉米中的醇溶蛋白是玉米的主要貯存蛋白,占50%～55%,具有良好的持水性、成膜性和黏接性,還具有耐酸、耐油等特性,可廣泛應用于醫(yī)藥、食品及化工等其它行業(yè)。Laelorspoen等[26]采用電子噴霧技術(shù)以玉米醇溶蛋白-藻朊酸鹽為壁材包埋嗜酸乳桿菌。在不同的電壓4、6和10 V條件下制備微膠囊,并且隨著電壓的升高,微膠囊表面的褶皺越來越少,表面趨于光滑。將制得的微膠囊置于pH1.2的模擬胃液中益生菌的量僅下降了1 log CFU/g,而裸菌則下降了5 log CFU/g。

2 植物蛋白包埋益生菌技術(shù)在食品領域的應用

益生菌主要應用于醫(yī)藥產(chǎn)品中,目前也趨于應用于健康食品。大部分的益生菌產(chǎn)品都是日常的冷凍食品,如酸奶、奶酪、冰淇淋等,另外在果汁、蛋黃醬、香腸和其他產(chǎn)品中也有應用益生菌[27-29]。益生菌對外界環(huán)境敏感而,這阻礙了它在食品中的應用,微膠囊技術(shù)可以解決這一難題,使益生菌在胃腸道中生存并定殖。將益生菌微膠囊應用在食品中不僅提高的益生菌的存活率,提高了產(chǎn)品的貨架期,而且對產(chǎn)品的感官接受度沒有任何影響[30]。近年來,益生菌微膠囊已出現(xiàn)在一些食品中。

2.1 在酸奶中的應用

利用微膠囊化益生菌的產(chǎn)品中,酸奶是一個典型的代表。酸奶中由于氧氣的存在使得益生菌的存活率很低。因此采用微膠囊技術(shù)可以使益生菌與外界的氧氣隔離開。Khan等[23]采用谷物蛋白-藻朊酸鹽包埋青春雙歧桿菌制備微膠囊,之后添加到酸奶中,在4 ℃下儲存30 d檢測益生菌的存活率,裸菌在2 d后益生菌的量就下降了2.5 log CFU/mL,7 d后基本上檢測不到菌的存在,而包埋的益生菌在18 d后僅下降了3 log CFU/mL。王艷萍等[31]用大豆分離蛋白、微孔淀粉和藻朊酸鈉對瑞士乳桿菌(Lactobacillushelveticus)進行三層包埋,將包埋的瑞士乳桿菌加入到酸奶中,提高了益生菌的存活率。此外有研究表明噴霧干燥法制備的一種水解酪蛋白的大豆分離蛋白微膠囊,感官測試表明微膠囊產(chǎn)品苦味大大降低,說明大豆分離蛋白能有效屏蔽水解酪蛋白的苦味[32]。

2.2 在飲料中的應用

Wang等[20]用豌豆分離蛋白-藻朊酸鹽包埋青春雙歧桿菌制備微膠囊。之后將其分別添加于菠蘿汁和白葡萄汁中,然后分別儲存于4 ℃和22 ℃的條件下,測得在菠蘿汁和白葡萄汁中的青春雙歧桿菌在第1周內(nèi)均下降2～3 log CFU/mL,之后一直到第6周基本上保持平穩(wěn),但整體來說22 ℃下的保護效果比4 ℃的更好。王艷萍等[31]以大豆分離蛋白、微孔膠囊和海藻酸鈉做三層壁材包埋瑞士乳桿菌,之后加入到苦茶保健飲料中,使菌體在腸道內(nèi)停留和吸收時間大大延長,提高產(chǎn)品的保健療效。潘秋月[33]采用噴霧干燥法探究大豆分離蛋白和其他幾種動物蛋白對雙歧桿菌的包埋效果,經(jīng)微射流處理后,大豆分離蛋白微膠囊的粒徑最小,其的多分散指數(shù)有所下降,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。α-乳清蛋白和乳清分離蛋白的粒徑雖然有顯著的下降,但同時離子分布系數(shù)有顯著上升,說明其粒子極不穩(wěn)定。所以大豆分離蛋白和其他幾種動物類蛋白相比有極大的優(yōu)勢。最后將用大豆分離蛋白包埋長雙歧桿菌(Bifidobacteriumlongum)添加于胡蘿卜汁中,隨著培養(yǎng)時間的延長,胡蘿卜汁中的活菌數(shù)有明顯的增加。培養(yǎng)48 h后,胡蘿卜汁中活菌數(shù)達到7 log CFU/mL以上,達到了維護人體腸道健康所需的益生菌濃度。

2.3 在其他食品中的應用

詹亞男[34]用大豆蛋白微膠囊化植物乳桿菌與凝結(jié)芽孢桿菌(Bacilluscoagulans),之后與人參皂苷、茶多酚和綠茶香精等混合制作醒腦咀嚼片,通過小鼠負重游泳實驗及血乳酸和肝糖原的測定表明醒腦咀嚼片具有抗疲勞功效。Farnworth等[35]將鼠李糖乳桿菌(LactobacillusrhamnosusGG)和約氏乳桿菌(LactobacillusjohnsoniiLa-1)接種到牛乳和豆乳中,這兩種菌在豆乳中的增長速率分別是在牛乳中增長速率的3倍和5倍。主要是因為大豆基質(zhì)中含有豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白,更利于益生菌的生長。Liong等[36]將嗜酸乳桿菌添加到大豆蛋白基質(zhì)中來制作奶酪。

從營養(yǎng)角度分析,蛋白類壁材比其他壁材更具營養(yǎng)性。此外,動物蛋白和植物蛋白富含氨基酸,尤其是動物蛋白含有人體必需的8種氨基酸而且氨基酸比例與人體所需要的比例接近,但是動物蛋白會帶來“三高”問題。雖然植物蛋白的氨基酸評價較低,被人體吸收的程度差些,但可以通過科學的方法來彌補。另外攝取優(yōu)質(zhì)植物蛋白會大大減少“三高”的發(fā)生率。植物蛋白具有脂肪低,熱量低及無膽固醇的特點。所以從營養(yǎng)角度來說植物蛋白做壁材包埋益生菌添加到食品中是有一定的優(yōu)勢的。

3 結(jié)語

將微膠囊技術(shù)應用于食品領域中為益生菌抵抗胃酸等惡劣環(huán)境以及延長產(chǎn)品的貨架期開辟了一條新的途徑。但植物蛋白用于微膠囊還存在以下不足:一方面,和藻朊酸鹽、動物蛋白相比,植物蛋白用于益生菌包埋的種類還不是很多,主要是一些豆類蛋白,如大豆蛋白、豌豆蛋白和鷹嘴豆蛋白等,故需要開發(fā)其他植物蛋白來用于微膠囊壁材,林源植物蛋白如銀杏蛋白、油茶籽蛋白和核桃蛋白等,成本低廉,可生物降解,同時可能具有一些特定功能(如溶解性、乳化性和成膜性等),完全可以作為壁材用于益生菌的微膠囊。另一方面,提高植物蛋白包埋益生菌微膠囊的耐胃酸性和腸溶性能力也是迫切需要解決的技術(shù)難點。目前還未見通過蛋白質(zhì)改性(如糖基化、磷酸化、烷基化和酰基化)技術(shù)來提高蛋白質(zhì)微膠囊壁材性能的研究,所以可以從此方面入手對蛋白質(zhì)進行改性從而提高其壁材性能。盡管利用植物蛋白包埋益生菌面臨著很大的挑戰(zhàn),但消費者對益生菌產(chǎn)品的關注度在提高,需求在增加,相信植物蛋白益生菌微膠囊技術(shù)在未來會有一個很好的市場。

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Progress in the research of plant protein materials for probiotics encapsulation

ZHANG Can1,WU Cai-e1,*,FAN Gong-jian1,LI Ting-ting1,ZHANG Qiang1,2,GONG Hao1,LIU Long-yun1

(1.College of Light Industry Science and Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;2.College of Life Science,Anhui Science and Technology University,Bengbu 233100,China)

Owing to their prebiotic effects on human health,probiotics are widely used in the food industry. However,probiotics are very sensitive to the external environment,and they cannot resist host gastric juice,bile and other harsh environments,which leading to their survival declined significantly. Encapsulation technology of probiotics can solve this problem and taking plant proteins as wall materials to encapsulate probiotics not only can improve their survival in the poor environment,but also help their location released in intestinal tract as a carrier. This paper discussed soy protein,pea protein as wall materials to encapsulate probiotics and the applications of probiotics encapsulation in food,in order to provide a reference for plant proteins encapsulation technology to encapsulate probiotics.

encapsulation;probiotics;soy protein;pea protein

2016-08-00

張燦(1991-)，女，碩士研究生，研究方向:食品科學，E-mail：zhcan910305@163.com。

*通訊作者:吳彩娥(1963-)，女，博士，教授，研究方向:食品科學，E-mail：wucaie@njfu.edu.cn。

江蘇省科技支撐計劃重點研發(fā)項目(BE2015315)；江蘇省自然科學基金(BK20150883)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)；南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心科研項目。

TS201.3

A

1002-0306(2017)05-0385-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.065