復合海藻酸鈉益生菌微膠囊研究進展

常詩晗，武俊瑞，李紫晶，史玉東 ，烏日娜,

（1.沈陽農業大學食品學院，遼寧沈陽 110866；2.遼寧省食品發酵技術工程研究中心，遼寧沈陽 110161；3.沈陽市微生物發酵技術創新重點實驗室，遼寧沈陽 110866；4.內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司研發中心，內蒙古呼和浩特 011500）

益生菌被稱為“活微生物”，它通過降低腸道pH、抑制有害微生物的黏附以及分泌細菌素來拮抗致病菌，保護腸道免受病原體侵害，維持腸道生態平衡，調節免疫系統[1-2]。而要在宿主體內達到預期效果，益生菌的活菌數必須在106CFU/g 以上[3]。但益生菌對胃中低pH 和近端腸內高濃度膽鹽環境都很敏感且在加工、儲存過程中容易失活。因此，在益生菌菌株到達宿主腸道位點前，創造嚴格的生長環境以及開發有效保護益生菌活性的技術具有重要意義[4]。

微膠囊技術被廣泛應用于提高益生菌在不同環境的生存能力，是提高菌體耐受性，保持菌體活性和穩定，發揮益生作用的有效方法[5]。在制備益生菌微膠囊過程中，不同壁材的使用是決定益生菌存活率高低及對外界不良環境抵抗能力高低的一個關鍵因素。隨著對益生菌微膠囊化的研究越來越多，微膠囊化壁材的選擇也更加廣泛。

前人綜述更關注某一種微膠囊壁材包埋遞送的潛力，但隨著新型材料的持續出現和益生菌包埋靶點的逐漸多樣化，微膠囊改良的關鍵轉向了能否組合不同的材料，以達到放大優點、彌補不足的目的。本文介紹了三種不同類型的壁材與海藻酸鈉進行復合，對目前海藻酸鈉微膠囊的復合改良思路以及不同壁材復合微膠囊對益生菌相關性能的影響進行歸納，最后對微膠囊化益生菌的前景進行展望。

1 海藻酸鈉概述

海藻酸鈉（SA）是微膠囊化的首選壁材，它能在多價陽離子的存在下立即形成顆粒。作為最常見的海藻酸鹽，海藻酸鈉具有無毒，可生物降解等特點[6]。近年來，海藻酸鈉微膠囊的制備十分受關注，主要體現在微膠囊直徑的控制，保護芯材性質、微生物包埋等方面[7]，這些作用與海藻酸鈉的結構和性質密切相關。

1.1 海藻酸鈉結構與性質

海藻酸鈉是一種安全、無毒、生物相容性良好的天然多糖，它由β-D-甘露糖酸（M）和α-L-月桂酸（G）組成。在制備微膠囊過程中，G 單元上的Na+與Ca2+交換，在海藻酸鹽分子之間形成交聯，構成一個類似于“蛋盒”的網絡結構[8]，這一穩定的結構能在酸、高膽鹽、氧氣等不利環境下保護芯材（圖1、圖2）。

圖1 海藻酸鈉結構式Fig.1 Sodium alginate structural formula

圖2 海藻酸鈉與Ca2＋形成的“蛋盒”結構Fig.2 “Egg-box” model formed by sodium alginate and Ca2+

海藻酸鈉的水溶液具有較強的黏性，溶液的粘度主要受聚合度和濃度的影響[9]。海藻酸鈉微膠囊在胃酸中能夠穩定生存，到達小腸溶解后[10]，還能抑制消化酶，減少膽固醇和葡萄糖的吸收，并控制脂肪消化[11]。

1.2 海藻酸鈉作為壁材的優點與局限性

海藻酸鈉具有良好的生物相容性、無毒、低成本以及成膠機制簡單等優點，是目前使用最廣泛的包埋材料。但是單獨的海藻酸鈉微膠囊存在一些局限性，例如穩定性弱，在低酸環境下，其完整性易受離子和螯合劑的影響并且海藻酸鈉微膠囊內的生物聚合網絡相對多孔，存在生物分子滲漏嚴重、機械強度低等缺陷[12]。該問題可以通過將海藻酸鈉與其他生物聚合物復合，利用無機或有機填料材料摻入生物聚合物網絡內[13]或通過用生物聚合物層涂覆微凝膠來解決[14]。

2 不同類型壁材復合海藻酸鈉

將不同生物聚合物材料復合海藻酸鈉后對益生菌進行保護和遞送是解決單獨海藻酸鈉包被所存在問題的首選方式[15]。主要的復合壁材有三種類型：a.添加益生元壁材刺激益生菌增長[16]；b.添加納米級粒子來降低孔隙率及提高機械性能；c.在海藻酸鈉微粒外成膜，減少外部物質進入或內部芯材滲透[17]。表1 列出了制備海藻酸鈉復合壁材益生菌微膠囊及其效果。

表1 復合海藻酸鈉微膠囊的代表性研究Table 1 Representative study of composite sodium alginate microcapsules

2.1 益生元復合海藻酸鈉

益生元是可發酵的碳水化合物，能夠選擇性刺激腸道中有益微生物的生長，以此來對宿主產生益生作用。菊粉和抗性淀粉是在微膠囊包埋中較常見的益生元，它們可以與益生菌協同，進而作為某些益生菌的增殖因子，維持優勢菌的地位[18]。

2.1.1 菊粉復合SA 在益生菌包埋體系中，多糖和益生元的結合是較為常見的方法之一。海藻酸鈉作為一種天然多糖可以提高包埋系統的穩定性，菊粉作為益生元存在促進微生物發酵并增加菌群數量。將菊粉添加到海藻酸鈉微膠囊中，經過連續胃液處理2 h 和腸液處理3 h 后，未經包埋的鼠李糖乳桿菌活菌數下降了6.7 個對數值，而被包埋的菌體活菌數僅下降1.5 個對數值[19]。Fayed 等[20]將海藻酸鹽負載的微膠囊與菊粉混合共同包埋動物雙歧桿菌，發現模擬胃液中雙歧桿菌的最大生存能力達到初始種群的88.29%，明顯高于游離細菌的活菌數量。

此外，菊粉更是一類有良好應用前景的靶向遞送載體。它的結構由β-（2-1）-連接的果糖單元組成，D-果糖基鍵以單個葡萄糖終止，其特點在于異頭碳呈β構型，在胃中不被消化，這一特性使其具有靶向遞送到腸道的潛力[21]。與海藻酸鈉復合后形成的微膠囊具有良好的pH 敏感性，能很好地控制芯材的釋放，同時緩解芯材的突釋現象。Nami 等[22]將海藻酸鈉與菊粉混合制備乳酸菌微囊，在模擬消化條件下微膠囊中益生菌存活率≥61%，同時其包埋成分中的菊粉是腸道定位釋放的良性載體，促使益生菌在結腸2 h 后釋放，并穩定長達12 h。菊粉也可充分應用到食品中，通常被用作可食性復合包裝膜[23]，延長食品貨架期和保質期。利用菊粉復合海藻酸鈉包埋動物雙歧桿菌并將其添加到酸奶中，在貯藏30 d 后，復合菊粉的微膠囊比單獨海藻酸鈉微膠囊中的活菌數提高了1.2 個對數值，較未包埋菌株的存活率提高了75.44%[24]。說明選擇適合的壁材能夠在很大程度上增加益生菌產品在貯藏過程中的穩定性，極大地提高了其實用價值。

2.1.2 抗性淀粉復合SA 抗性淀粉作為自然界中的生物聚合物質具有許多優點，包括多樣化的功能性，能有效保護益生菌活力的抗酶解特性，作為緩釋載體為芯材提供穩定運載以及具有良好的成膜特性，同時也可作為宿主結腸微生物或被包埋益生菌的碳源，發揮益生元功效[25]。使用抗性淀粉和海藻酸鈉來制備微膠囊可以改善益生菌的定植能力，提高益生菌的存活率[26]。這可能與淀粉結構和細菌之間的黏附能力相關，黏附作用能夠通過利用碳源實現促進菌株定植的目的[27]。Ta 等[28]研究了海藻酸鈉與多種益生元成分組合后對干酪乳桿菌生存能力的影響，發現使用抗性淀粉-海藻酸鈉包封的微膠囊是最穩定的，在暴露于模擬胃液45 min 后，被包埋的活菌數僅下降了1 lg（CFU/g），保護了超過80%的初始活菌。

抗性淀粉的添加對凍干后微膠囊中的益生菌存活也是十分有利的，將含有抗性淀粉的嗜酸乳桿菌海藻酸鈉微膠囊凍干粉在胃腸道液處理6 h 后活菌數仍可以保持在106CFU/g 以上[29]。抗性淀粉與海藻酸鈉結合使用可以促進凝膠化的協同作用，為益生菌提供進一步的保護，但如果添加抗性淀粉過量也可能會導致海藻酸鈉凝膠基質的破壞，增大酸性環境下細菌死亡的風險[30]。

益生元為益生菌提供營養，促進益生菌增殖，使得海藻酸鈉基微膠囊中的活菌數量保持在較高水平。同時復合后的微膠囊具有更好的緩釋靶向性，為益生菌的腸道靶向遞送提供了新的途徑，但是其對海藻酸鈉的機械性能提升以及在減小孔隙率方面不如納米材料。

2.2 納米材料復合海藻酸鈉

納米包封是一項新興的包埋技術，納米材料不僅具有較高的生物相容性和生物利用度，而且能夠有效促進包封物質向腸黏膜[31]的滲透。采用納米材料改性海藻酸鈉，所形成的復合材料具有三維空間網絡結構，能有效提高海藻酸鈉的機械強度和阻隔性[32]。

纖維素納米微晶（CNC）是一種基于纖維素的納米材料，由棒狀納米顆粒組成[33]。作為一種新型的無毒納米材料，在食品工業中具有很大的應用潛力，Huq等[34]研究了CNC 對海藻酸鈉基益生菌微膠囊的影響，發現CNC 對海藻酸鈉微球的抗壓強度提高了40%并且能夠降低海藻酸鹽基質在冷凍干燥期間的孔隙率。在通過胃腸道過程中，與單獨海藻酸鈉微球相比，添加CNC 的微膠囊中菌株的存活率提高了37%。這可能是因為CNC 填充到海藻酸鈉結構中后會形成氫鍵使結構變得緊密，即使在凍干條件下微膠囊表面孔隙依舊很小，提高了對益生菌的保護作用。納米微纖絲（CNF）作為另一種基于纖維素的納米材料，能很好地改善海藻酸鈉體系的氫鍵結合能力，促進海藻酸鈉分子鏈與Ca2＋間形成鹽橋，強化凝膠體系的網絡結構，提高海藻酸鈉膠粒的機械強度，以此來避免海藻酸鈉微膠囊在不利環境下崩解造成的菌體損失。陳秉彥等[35]制備的載菌海藻酸鈉-納米纖維素膠經胃腸液消化后活菌數下降1.51 lg CFU/g，顯著低于單獨海藻酸鈉組2.99 lg CFU/g。可見納米微纖絲作為強化海藻酸鈉載體的優良壁材可以抵抗胃中的酸性環境，提高益生菌的胃腸道耐受性，進而使活菌數量得到提升。

使用納米材料共混復合海藻酸鈉，可降低微膠囊的孔隙率，提升海藻酸鈉的穩定性和機械性能，但是也會存在分散困難、易聚集，影響產物均一性等問題。這是因為物理共混改性并未改變海藻酸鈉的化學結構，不能從根源上有效解決海藻酸鈉親水性強的問題，利用化學方法對海藻酸鈉的結構進行修飾可以賦予其更強的理化性能[36]。

2.3 涂層成膜材料復合海藻酸鈉

除了上述兩種方法外，使用成膜材料（如殼聚糖、乳清蛋白）構建外部涂層使其形成保護膜[37]，也是提高微膠囊益生菌在胃腸消化過程中穩定性的方法。這些涂層材料與微膠囊的表面相互作用，在微膠囊上產生額外的膜（層），這種結構能降低微膠囊的滲透性，減少在儲存期間益生菌暴露于氧氣，并改善其在低pH 和高溫下的穩定性，在很大程度上提高了對益生菌的保護，而且能夠提高粘附性能以及保證活性物質的受控釋放[38]。

2.3.1 殼聚糖復合SA 殼聚糖作為一種天然多糖，具有良好的吸濕性、透氣性、成膜性、可降解性、抑菌活性等優點，是外部涂層的常用材料之一。海藻酸鈉與殼聚糖均為天然的高分子材料，安全性好，無毒副作用，在動物機體內能夠自然降解。二者作為聚電解質材料，在對活性物質進行包封時不僅能夠減小孔隙且在緩釋過程中起重要作用[39]。其原理在于海藻酸鈉是一種聚陰離子物質[40]，殼聚糖是一種聚陽離子物質，可與海藻酸鈉形成聚合電解質絡合物，離子凝膠中的鈉離子在氯化鈣中被鈣離子取代，形成不溶于水的海藻酸鈣，形成交聯凝膠體系[41]，二者通過鈣離子交聯作用，降低微膠囊的孔隙率，可以很好地抵抗胃腸道的惡劣條件。利用殼聚糖進行外殼涂層，應用兩者的靜電交聯聚合作用，起到緩釋和包封隔離等作用，使微膠囊中的益生菌穩定性得到明顯改善[42]。Phuong 等[43]使用海藻酸鈉與殼聚糖包封植物乳桿菌，在模擬胃液2 h 后，活菌數損失為2.14 lg CFU/mL，為益生菌提供了有效的保護，具有良好的緩釋藥物性能。

不僅如此，這兩種壁材復合制備的微膠囊膜致密性好，海藻酸鈉-殼聚糖復合物中，殼聚糖的質子化氨基基團（NH3+）和海藻酸鈉的羧酸鹽基團（COO-）之間的離子相互作用的形成導致更致密的膜[44]，彌補了海藻酸鈉微膠囊通透性大的缺點，能夠減少膽鹽等不利因素的滲透，增強對益生菌的保護作用。Kamalian等[45]選取海藻酸鈉和殼聚糖對假小鏈雙歧桿菌進行包裹，發現添加殼聚糖的益生菌對膽鹽的耐受性比單獨海藻酸鈉膠囊更強，且比其游離細胞有著更長的存活時間。海藻酸鈉-殼聚糖復合體在與膽鹽作用時可在微膠囊表面形成一層不溶性的物質，因而限制了膽汁擴散到微膠囊的內部，從而防止膽汁與益生菌的直接作用，可以保持益生菌在腸道中的釋放效率。其原因可能是海藻酸鹽與殼聚糖一道，作為壁材對于保護益生菌活力方面具有一個較高水平的協同作用。

2.3.2 乳清蛋白復合SA 乳清蛋白營養價值高、網絡鎖水性強，對益生菌的活性有很好的保護作用。其優異的膠凝特性常被用作益生菌載體[46]，基于其兩性特性，通常與帶負電荷的多糖（例如海藻酸鹽）混合。當溶液pH 高于乳清蛋白等電點時，蛋白質表面的“正電補丁”效應會將乳清蛋白自身的凈電荷改變為正，從而引起與帶負電荷的多糖相互作用形成可保護益生菌菌株的高密度凝膠網絡。Luo 等[47]利用海藻酸鈉-乳清蛋白復合材料包埋植物乳桿菌，在掃描電子顯微鏡下觀察到復合微膠囊的表面形成了致密而粗糙的聚集體，并且可以在微膠囊內部觀察到附著的菌體細胞。與裸菌相比，包埋的益生菌在4 ℃下的儲存穩定性提高了約15%，凍干后菌體存活率提高了65.37%。Han 等[48]制備的海藻酸鹽-乳清蛋白微膠囊，用于保護和遞送保加利亞乳桿菌和副干酪乳桿菌，與裸菌相比，微膠囊中菌體的存活率提高了38.26%。海藻酸鈉和乳清蛋白的復合，不僅可以減少乳清的廢棄率，提高利用率以實現產品增值，而且為開發益生菌微膠囊新壁材提供了一種有效的方法。

使用成膜涂層材料包埋能有效提高益生菌的穩定性，如貯存穩定性、胃酸耐受性和溫度耐受性等，并且該技術適用性強，任何益生菌都可以利用該技術包埋。其次，由于多種功能壁材的協同作用，多層包埋技術能有效提高益生菌的益生效果，如幫助益生菌在腸道內定植和釋放等。然而，如果外殼涂層過多會使操作步驟復雜，生產成本提高，并且制備得到的微膠囊粒徑普遍偏大[49]，增加益生菌芯材釋放的難度，影響在胃腸道中的釋放。而且由于工藝的復雜性和包埋層厚度的穩定性難以控制，較難實現工業化的應用。

3 結語與展望

海藻酸鈉具有諸多優點，是微膠囊理想的壁材之一，已被廣泛應用到益生菌包埋技術中，但單一的微膠囊壁材通常存在缺陷。選擇合適的材料對海藻酸鈉進行復合有利于加強對益生菌的保護作用，例如使用某些益生元材料刺激益生菌生長，提高包埋體系的靶向性緩釋，共混納米材料提升微膠囊整體的機械性能以及復配涂層成膜材料減小孔隙率，加強膜致密性。復合壁材制備的微膠囊結構穩定性更高，對益生菌的包封能力更強、緩控釋放能力更好，此類研究有著廣闊的前景。

未來海藻酸鈉益生菌微膠囊包埋的發展方向可從以下幾個方面展開：其一，可以在一些新型壁材與其復合改性方面進一步深入研究，提高海藻酸鈉復合微膠囊機械性能和成膠穩定性、構建可控的釋放系統以及進一步延緩益生菌釋放的速率；其二，對壁材與益生菌結合的特性進行探究，以便更好地確定是否能提高益生菌在不良條件下的抗逆能力，為益生菌微膠囊帶來新的組合形式和更好的包埋效果。此外，重點關注海藻酸鈉與具有靶向作用壁材的復合，利用此特點與微膠囊技術結合，可在未來食品中應用于靶向定位系統，解決相關問題。復合海藻酸鈉益生菌微膠囊提高了益生菌的使用價值，為新的益生菌制品開發奠定了基礎，在食品、醫療、保健等領域具有巨大的潛力。