劉炯娜,徐玉巧,范方宇
(西南林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,西南山地森林資源保育與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650224)
鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosusGG,LGG)具有調(diào)節(jié)腸道益生菌菌群、增強(qiáng)人體免疫力的功能[1]。當(dāng)益生菌活菌數(shù)高于6(lg(CFU/g))時(shí),可在腸道內(nèi)定植,并發(fā)揮預(yù)期的健康作用[2]。貯藏和食用期間,益生菌易受水分、溫度、胃酸、膽鹽等影響,導(dǎo)致其活性降低,甚至失活[3]。為穩(wěn)定LGG的活性,采用微膠囊技術(shù)提升LGG穩(wěn)定性是一種有效方法。如王遠(yuǎn)一飛等[4]采用殼聚糖/黃原膠制備了LGG微膠囊,結(jié)果表明微膠囊化對(duì)LGG有較強(qiáng)的保護(hù)作用。采用復(fù)合凝聚法、噴霧干燥制備的LGG微膠囊,可有效降低外界環(huán)境對(duì)LGG的影響[5],但噴霧干燥過(guò)程中的高溫?fù)p傷、滲透壓變化等,易導(dǎo)致益生菌存活率降低,因此如何有效提高益生菌微膠囊穩(wěn)定性是研究者探索的熱點(diǎn)之一。
益生元是一種寡糖型短鏈碳水化合物,不被人體消化吸收,但可被腸道中的微生物(如雙歧桿菌)利用,促進(jìn)腸道益生菌增殖,進(jìn)一步促進(jìn)調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝和增強(qiáng)鈣的吸收能力[6-7]。有研究者發(fā)現(xiàn),益生元為益生菌提供營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)益生菌增殖,并抑制腸道致病菌生長(zhǎng)和定植,對(duì)腸道中的益生菌具有一定的保護(hù)作用[8-9]。如李雅麗等[10]研究發(fā)現(xiàn)不同益生元對(duì)益生菌的作用效果差異顯著,乳糖對(duì)乳雙歧桿菌BL-99的增殖效果較好,而低聚半乳糖對(duì)嬰兒雙歧桿菌YLGB-1496、副干酪乳桿菌K56、副干酪乳桿菌ET-22的增殖效果較好。Anzawa等[11]將乳雙歧桿菌GCL2505和菊粉制成合生元飲料,可有效提高人體內(nèi)雙歧桿菌的增殖。Duque等[12]研究表明,益生菌中添加益生元可提高益生菌的存活率。Nunes等[13]噴霧干燥嗜酸乳桿菌La-5發(fā)現(xiàn),加入菊糖、海藻糖和高直鏈淀粉對(duì)嗜酸乳桿菌La-5具有較好的保護(hù)作用。由于每種益生菌的代謝途徑和產(chǎn)生的酶不同,不同益生菌對(duì)益生元的利用也有一定區(qū)別[14]。目前,研究不同益生元對(duì)LGG微膠囊穩(wěn)定性的影響還鮮有報(bào)道。
基于此,本研究添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖4 種益生元制備LGG微膠囊,研究LGG微膠囊模擬胃腸消化實(shí)驗(yàn),分析LGG微膠囊的耐膽鹽、耐熱性、貯藏性、熱穩(wěn)定性,并采用掃描電鏡和差示掃描量熱儀對(duì)LGG微膠囊進(jìn)行表征,旨在為后續(xù)益生元在LGG微膠囊的進(jìn)一步利用提供理論基礎(chǔ)。
LGG(ATCC 53013)凍干粉 美國(guó)菌種保藏中心。益生元具體參數(shù)如表1所示。
表1 4 種益生元Table 1 Information on four prebiotics
B型明膠(gelatin,GE)、阿拉伯膠(gum arabic,GA)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(transglutaminase,TG酶,100 U/g) 泰興市東勝食品科技有限公司;豬膽鹽 上海源葉生物科技有限公司;胃蛋白酶(3000 U/mg) 中國(guó)Biosharp公司;胰蛋白酶(250 U/mg) 德國(guó)Biofroxx公司。
B-290小型噴霧干燥儀 瑞士Büchi實(shí)驗(yàn)室儀器公司;PHS-25 pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;THZ-82氣浴恒溫?fù)u床 上海力辰儀器科技有限公司;3K15離心機(jī) 德國(guó)Sigma公司;S-3000N掃描電鏡日本Hitachi公司;差示掃描量熱儀 德國(guó)Netzsch儀器制造有限公司。
1.3.1 益生元LGG微膠囊的制備
基于本課題組方法[5],以復(fù)合凝聚法制備益生元LGG微膠囊。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的GE和GA混合溶液200 mL,GE和GA質(zhì)量比為1∶1,加入0.5%益生元,40 ℃水浴攪拌溶解,加入9(lg(CFU/g))濃縮菌液,混勻后用0.5 mol/L的HCl溶液調(diào)pH 3.75,40 ℃恒溫水浴攪拌60 min,轉(zhuǎn)速200 r/min。將反應(yīng)體系自然冷卻至室溫,用0.5 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH 6.0,加入TG酶(添加量為25 U/g,以GE質(zhì)量計(jì))進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),冰浴中繼續(xù)攪拌3 h。2000 r/min離心5 min收集微膠囊,用無(wú)菌水洗滌2 次,清除表面的菌體。將濕囊與無(wú)菌水配備成懸浮液進(jìn)行噴霧干燥。噴霧干燥參數(shù):進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃,進(jìn)料流量9 mL/min,進(jìn)料量30%,出風(fēng)溫度約80 ℃。
1.3.2 性質(zhì)測(cè)定
1.3.2.1 模擬胃腸消化特性
模擬胃液[17]:將質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的胃蛋白酶(3000 U/mg)、2%的NaCl添加至無(wú)菌水中,用0.5 mol/L的HCl溶液調(diào)pH 2.0,過(guò)0.22 μm濾膜除菌備用。
模擬腸液[18]:將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的胰蛋白酶(250 U/mg)添加至pH 6.8的無(wú)菌磷酸鹽緩沖液(phosphate buffer saline,PBS)中,過(guò)0.22 μm濾膜除菌備用。
基于姚澤晨等[19]的方法進(jìn)行修改,測(cè)定模擬胃腸道實(shí)驗(yàn)中未添加益生元LGG微膠囊(空白組)和添加益生元LGG微膠囊(益生元組)的活菌數(shù)。待測(cè)樣品溶于模擬胃液中,37 ℃、100 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng),分別在0、30 min和60 min取樣進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)。
在模擬胃液中培養(yǎng)60 min后,10000 r/min離心5 min,棄上清液,將沉淀物添加至模擬腸液中(總體積10 mL),在60、120 min取樣進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)。
1.3.2.2 膽鹽耐受性
將空白組和益生元組LGG微膠囊分別添加至0.1%、0.3%和0.6%的膽鹽溶液中,3 h后離心,取沉淀于無(wú)菌PBS中進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)。
1.3.2.3 耐熱性
將0.02 g空白組和益生元組LGG微膠囊分別置于2 mL無(wú)菌離心管中,加入1 mL無(wú)菌PBS,離心管分別在55、65 ℃和75 ℃水浴,10 min和30 min時(shí)迅速取出離心管,冰水浴冷卻,冷卻后轉(zhuǎn)移至37 ℃培養(yǎng)箱,待微膠囊溶解后涂布計(jì)數(shù)。
1.3.2.4 貯藏穩(wěn)定性
不同水分活度的貯藏性:根據(jù)課題組研究方法[5],將空白組和益生元組微膠囊分別置于水分活度為0.11、0.33、0.75環(huán)境中保存8 周,每周測(cè)定一次活菌數(shù)。
常溫條件下的貯藏性:將微膠囊置于常溫條件下保存8 周,每隔1 周計(jì)算活菌數(shù)。測(cè)定活菌數(shù)時(shí),每次取0.1 g微膠囊置于10 mL無(wú)菌PBS中,37 ℃恒溫振蕩至完全溶解,用稀釋梯度法涂布平板計(jì)數(shù)。
1.3.2.5 差示掃描量熱分析
在N2氛圍下進(jìn)行測(cè)試,分別取空白組和益生元組微膠囊5~10 mg,升溫速率10 ℃/min,測(cè)試溫度范圍25~250 ℃[5]。
1.3.3 表觀形態(tài)觀察
分別取少量空白組和益生元組微膠囊置于導(dǎo)電膠表面后噴金90 s,通過(guò)掃描電鏡觀察樣品表觀形態(tài),放大倍數(shù)3000,加速電壓15 kV。
2.1.1 LGG微膠囊模擬胃腸道消化實(shí)驗(yàn)
益生菌發(fā)揮作用的最終部位為腸道,LGG經(jīng)口進(jìn)入人體后,需要抵御胃酸中的高濃度氫離子的影響,才可到達(dá)腸道發(fā)揮益生菌的作用[19]。由表2可見(jiàn),無(wú)論是否添加益生元,微膠囊經(jīng)過(guò)模擬胃腸消化后,其活菌數(shù)仍然可以保持較高,說(shuō)明微膠囊化對(duì)LGG具有保護(hù)作用。添加益生元的LGG微膠囊初始活菌數(shù)均高于空白組,其中菊糖和水蘇糖顯著提高LGG存活率(P<0.05)。原因?yàn)槎嗵穷愇镔|(zhì)在噴霧干燥過(guò)程中可以取代從細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)中損失的水分,提高細(xì)胞膜的耐受溫度,改善益生菌在干燥過(guò)程中的存活率[20]。益生元屬糖類物質(zhì),干燥的LGG細(xì)胞組分與益生元直接相互作用,減小高溫對(duì)LGG損傷,在干燥過(guò)程中保持細(xì)胞的活性,提高微膠囊中LGG的存活率。模擬胃腸道實(shí)驗(yàn)前后,空白組活菌數(shù)下降了約0.3(lg(CFU/g)),添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖分別下降了約0.9、0.6、0.7(lg(CFU/g))和1.6(lg(CFU/g))。可見(jiàn),添加益生元的微膠囊在模擬胃腸道實(shí)驗(yàn)時(shí)并未提供額外的保護(hù)作用。經(jīng)模擬腸液處理120 min,未加益生元組活菌數(shù)為7.5(lg(CFU/g)),添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖的LGG微膠囊活菌數(shù)分別達(dá)到了約9.5、9.0、9.0(lg(CFU/g))和8.5(lg(CFU/g))。模擬胃腸道處理后添加益生元的4 組微膠囊的活菌數(shù)均大于空白組(P<0.05),結(jié)果表明添加益生元的微膠囊在到達(dá)腸道時(shí)LGG能發(fā)揮更好的作用。在常依柳等[21]添加益生元的長(zhǎng)雙歧桿菌微膠囊、鄧紫玙等[22]添加羧甲基茯苓多糖的植物乳桿菌微膠囊研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。
表2 LGG微膠囊在模擬胃腸道中的活菌數(shù)Table 2 Viable count of LGG microcapsules under simulated gastrointestinal conditions(lg(CFU/g))
2.1.2 LGG微膠囊耐膽鹽分析
膽鹽是參與脂肪消化和吸收的鈉鉀鹽,會(huì)破壞益生菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),使其發(fā)生氧化損傷失活。由圖1可知,隨膽鹽添加量增加,空白組和益生元組的活菌數(shù)均降低,表明膽鹽溶液對(duì)LGG有一定損害作用,但益生元組的活菌數(shù)始終比空白組高,其中添加水蘇糖的LGG微膠囊對(duì)膽鹽更具有耐受性。3 種膽鹽添加量下,添加水蘇糖的LGG微膠囊都具有最高的存活數(shù)。經(jīng)0.1%膽鹽溶液處理后,空白組LGG活菌數(shù)下降了2.6(lg(CFU/g)),添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖的活菌數(shù)分別下降了1.4、1.1、1.3(lg(CFU/g))和1.6(lg(CFU/g))。當(dāng)膽鹽添加量為0.6%時(shí),空白組下降4.7(lg(CFU/g)),添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖的LGG微膠囊活菌數(shù)分別下降3.9、4.0、4.1(lg(CFU/g))和2.6(lg(CFU/g))。由此可見(jiàn),在低膽鹽環(huán)境下,添加益生元顯著增強(qiáng)了微膠囊對(duì)LGG 的保護(hù)作用(P<0.05),且添加水蘇糖的保護(hù)效果最佳。原因?yàn)楦稍锝橘|(zhì)中的益生元,可在細(xì)胞內(nèi)積聚并減小內(nèi)部和外部環(huán)境之間的滲透壓,有效降低膽鹽對(duì)益生菌的損傷[23]。
圖1 不同膽鹽添加量時(shí)LGG微膠囊活菌數(shù)Fig.1 Viable count of LGG microcapsules with different bile salt concentrations
2.1.3 LGG微膠囊耐熱性分析
由表3可見(jiàn),隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng),LGG微膠囊活菌數(shù)逐漸減少,但添加益生元的LGG微膠囊活菌數(shù)均高于空白(P<0.05)。55 ℃、10 min后,空白組的活菌數(shù)下降了約3.1(lg(CFU/g)),添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖的LGG微膠囊活菌數(shù)分別下降約1.9、1.8、0.9(lg(CFU/g))和0.4(lg(CFU/g));75 ℃、30 min后,空白組下降約4.2(lg(CFU/g)),4 種添加益生元的LGG微膠囊活菌數(shù)分別下降約3.4、3.7、3.5(lg(CFU/g))和2.3(lg(CFU/g))。結(jié)果表明,添加益生元提高了LGG微膠囊的耐熱性,且不同益生元對(duì)LGG微膠囊的影響不同(耐熱性:水蘇糖>菊糖>普魯蘭多糖>低聚果糖),在75 ℃、30 min后添加水蘇糖的LGG微膠囊活菌數(shù)仍達(dá)8.7(lg(CFU/g))。相關(guān)研究中,Bilenler等[24]研究發(fā)現(xiàn),在70 ℃熱處理后,添加淀粉的植物乳桿菌和木糖葡萄球菌微膠囊在70 ℃條件下,仍可保持較高活性,可提高益生菌微膠囊對(duì)高溫的耐受能力。Li Haiping等[25]研究表明,在高溫條件下,添加木瓜多糖的干酪乳桿菌ATCC 334的存活率和熱穩(wěn)定性比未添加木瓜多糖的益生菌高,在逆境下木瓜多糖對(duì)干酪乳桿菌ATCC 334具有保護(hù)作用。這可能是添加的益生元穩(wěn)定性好、耐高溫可減緩熱量向微膠囊內(nèi)部擴(kuò)散[26],從而增強(qiáng)了益生菌微膠囊的耐熱性。
表3 不同溫度條件 LGG微膠囊活菌數(shù)Table 3 Viable count of LGG microcapsules at different temperatures(lg(CFU/g))
2.1.4 LGG微膠囊不同水分活度下的貯藏穩(wěn)定性
圖2a中,水分活度0.11條件下,空白組和添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖、水蘇糖4 種益生元的LGG微膠囊活菌數(shù)在8 周內(nèi)分別下降了3.0、3.2、3.6、5.6、6.7(lg(CFU/g)),結(jié)果表明益生元不能有效提高微膠囊的貯藏穩(wěn)定性,添加水蘇糖的LGG微膠囊在8 周后的活菌數(shù)還低于空白組。圖2b中,水分活度0.33條件下,各組LGG微膠囊隨時(shí)間延長(zhǎng),活菌數(shù)快速下降??瞻捉M的微膠囊活菌數(shù)第5周開(kāi)始低于2.0(lg(CFU/g));菊糖組從第7周開(kāi)始低于2.0(lg(CFU/g))。其他3 組添加益生元微膠囊在第8周保持了一定水平的活菌數(shù),其中低聚果糖組貯藏穩(wěn)定性最佳。圖2c中,5 組微膠囊在水分活度0.75條件下,活菌數(shù)下降迅速。原因?yàn)樗只疃仍黾?,加快了益生菌脂質(zhì)發(fā)生氧化,導(dǎo)致菌體失活[27]。第2 周開(kāi)始普魯蘭多糖組檢測(cè)不到活性(活菌數(shù)<2.0(lg(CFU/g))),空白組在第3周失去活性,其他3 組微膠囊活菌數(shù)隨時(shí)間陸續(xù)失去活性。其中低聚果糖在高水分活度條件下對(duì)LGG微膠囊提供了較好的保護(hù)效果,在第6周時(shí)仍保持了3.3(lg(CFU/g))的活菌數(shù)。原因?yàn)榈途酃窃谝欢ǖ臏囟葪l件下可取代水分子,并與益生菌體內(nèi)的蛋白質(zhì)極性基團(tuán)或磷脂基團(tuán)形成氫鍵,從而保護(hù)益生菌中蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性。此外,低聚果糖屬大分子多糖類,雖不能透過(guò)益生菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜,但可降低溶質(zhì)濃度,保護(hù)益生菌[28],且高水分活度下,低聚果糖作為唯一碳源,其對(duì)LGG的促生長(zhǎng)效果可能更好[29]。
圖2 LGG微膠囊在不同水分活度下的活菌數(shù)Fig.2 Viable count of LGG microcapsules under different water activities
2.1.5 LGG微膠囊常溫條件下的貯藏穩(wěn)定性
由表4可見(jiàn),4 種益生元LGG微膠囊的活菌數(shù)在常溫貯藏的第1周開(kāi)始顯著下降(P<0.05);未加益生元的LGG微膠囊活菌數(shù)第2周開(kāi)始顯著下降。隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng),未加益生元、添加低聚果糖和水蘇糖的LGG微膠囊活菌數(shù)顯著下降(P<0.05);在第8周后,空白組LGG微膠囊活菌數(shù)下降了1.9(lg(CFU/g)),添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖、水蘇糖4 種益生元的LGG微膠囊活菌數(shù)分別下降了0.8、1.5、2.1(lg(CFU/g))和2.5(lg(CFU/g))。各組噴霧干燥微膠囊在第8周時(shí)均保持較高的活性(活菌數(shù)>6(lg(CFU/g))),5 組微膠囊的貯藏穩(wěn)定性為:菊糖組>水蘇糖組>低聚果糖組>普魯蘭多糖組>空白組(P<0.05)??傊?,常溫貯藏時(shí),LGG微膠囊可以保持較好的穩(wěn)定性,益生元的添加為L(zhǎng)GG微膠囊的貯藏提供了更好的保護(hù)條件,可以延長(zhǎng)LGG微膠囊的貨架期。
表4 LGG微膠囊常溫條件下活菌數(shù)Table 4 Viable count of LGG microcapsules at ambient temperature(lg(CFU/g))
2.1.6 差示掃描量熱分析
由圖3可見(jiàn),空白組的熔融溫度約為148 ℃,添加菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖的微膠囊熔融溫度分別約為162、105、169 ℃和172 ℃,菊糖、普魯蘭多糖和水蘇糖的添加有效提高了微膠囊的熔融溫度,低聚果糖降低了微膠囊的熔融溫度,可能是由于低聚果糖是菊粉部分酶解的產(chǎn)物,聚合度較低(2~10),熱穩(wěn)定性差[30],而添加其他3 種益生元可提高LGG微膠囊的熱穩(wěn)定性,且添加水蘇糖的微膠囊熱穩(wěn)定性最佳。原因?yàn)橐嫔軌蚪Y(jié)合益生菌細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分子,導(dǎo)致微膠囊的熔融溫度增加[31]。Ashwar等[32]通過(guò)差示掃描量熱分析乳酸菌微膠囊的熱穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),抗性淀粉可以提高微膠囊的熱穩(wěn)定性。Alehosseini等[33]研究也表明,添加益生元后雙歧桿菌BB-12微膠囊的熱穩(wěn)定性更好,且與低聚果糖相比,菊粉的熔融溫度更高,對(duì)雙歧桿菌BB-12的保護(hù)效果更好,這與本研究結(jié)果一致。
圖3 不同益生元對(duì)LGG微膠囊差示掃描量熱曲線的影響Fig.3 Effects of different prebiotics on the DSC curve of LGG microcapsules
由圖4可見(jiàn),5 組微膠囊顆粒均完整、無(wú)破裂,各組之間粒徑差距較小。這是因?yàn)? 組微膠囊的制備條件相同,所得微膠囊粒徑大小一致,經(jīng)噴霧干燥的微膠囊在外觀結(jié)構(gòu)上沒(méi)有明顯差異。但空白組的微膠囊凹陷較深,表面褶皺多。添加益生元后,部分微膠囊壁材表面褶皺減少,菊糖和水蘇糖微膠囊較為明顯,而壁材可以增大胃腸液、膽鹽溶液和水等的穿越阻力,從而避免其與菌體接觸,使微膠囊結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[34],提高微膠囊對(duì)LGG的保護(hù)作用。
圖4 5 組LGG微膠囊掃描電鏡圖(×3000)Fig.4 SEM micrographs of fvie groups of LGG microcapsules (× 3000)
以菊糖、低聚果糖、普魯蘭多糖和水蘇糖為4 種益生元,分別制備含有益生元的LGG微膠囊,以未添加益生元的LGG微膠囊為對(duì)照,探究不同益生元對(duì)微膠囊性能的影響。結(jié)果表明添加益生元提高了LGG微膠囊存活率,益生元組的LGG存活率均高于空白組,其中水蘇糖對(duì)LGG微膠囊的保護(hù)作用最強(qiáng)。但4 種益生元LGG微膠囊在各自條件下處理后,其穩(wěn)定性不同。模擬胃腸液測(cè)試中,菊糖活菌數(shù)存活率最高,達(dá)9.5(lg(CFU/g));在膽鹽溶液中益生元也增強(qiáng)了微膠囊對(duì)LGG的保護(hù)能力,其中水蘇糖的效果最佳,在膽鹽添加量0.6%條件下,空白組LGG活菌數(shù)下降4.7(lg(CFU/g)),而添加水蘇糖僅下降2.6(lg(CFU/g));耐熱性實(shí)驗(yàn)中,75 ℃、30 min后,添加水蘇糖的微膠囊耐熱性最佳,活菌數(shù)達(dá)8.7(lg(CFU/g));在高水分活度下添加低聚果糖可有效提高微膠囊的貯藏穩(wěn)定性。差示掃描量熱研究表明,菊糖、普魯蘭多糖和水蘇糖的添加有效提高了LGG微膠囊的熔融溫度,低聚果糖降低了LGG微膠囊的熔融溫度,其中水蘇糖增強(qiáng)了微膠囊的熱穩(wěn)定性,熔融溫度達(dá)172 ℃。研究可為益生元在LGG微膠囊中的應(yīng)用提供參考。