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4種復合壁材對干酪乳桿菌包埋效果的影響

2018-06-19 10:37敬雪蓮尹小琴藍緒悅李慧霖陳姝娟
食品與機械 2018年4期
關(guān)鍵詞:壁材乳清干酪

敬雪蓮 曾 月 尹小琴 藍緒悅 李慧霖 陳姝娟

(四川農(nóng)業(yè)大學食品學院,四川 雅安 625014)

干酪乳桿菌作為三大益生菌之一,其益生作用越來越引起人們的重視[1]。研究[2]報道干酪乳桿菌在降低膽固醇、抑制癌癥、調(diào)節(jié)機體免疫功能及緩解乳糖不耐癥等方面有重要作用。但在食品加工貯藏及人體胃腸道中的環(huán)境均會影響其活性及數(shù)量,以致無法在腸道中發(fā)揮其作用,因此對干酪乳桿菌的有效保護是發(fā)揮其益處的前提[3-6]。

目前微膠囊技術(shù)正逐步廣泛應用在食品工業(yè),解決了食品中許多技術(shù)性問題,在食品工業(yè)中制備微膠囊的主要技術(shù)有噴霧干燥法、乳化法、擠壓法等[7-8]。利用微膠囊技術(shù)包埋益生菌,可以提高其在不良環(huán)境中的抗性,以延長活益生菌產(chǎn)品的貨架期[9]。目前利用內(nèi)源乳化法包埋益生菌的研究較多,其壁材選擇多為蛋白質(zhì)、殼聚糖及海藻酸鈉等單一壁材[10-12]。通過內(nèi)源乳化法以蛋白質(zhì)海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌的研究不多,但以此制備的微膠囊形態(tài)及粒徑分布均一、安全可食用,在食品加工中應用前景廣泛,目前有對乳清蛋白海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌的研究,張國芳等[13]曾利用內(nèi)源乳化法以海藻酸鈉與乳清蛋白為復合壁材制備了干酪乳桿菌微膠囊,但并未探討復合壁材對干酪乳桿菌包埋效果的影響。本試驗擬探究以乳清蛋白、大豆分離蛋白、酪蛋白及明膠分別與海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌的包埋效果,從包埋率、微膠囊形態(tài)、在模擬胃腸液中對干酪乳桿菌的保護情況分別對比4種復合壁材包埋干酪乳桿菌的效果,分析4種復合壁材微膠囊各自的優(yōu)勢及缺點,為選擇合適復合壁材提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 菌種與培養(yǎng)基

干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei):來源于干酪乳桿菌菌粉,常州益菌加生物科技有限公司;

MRS瓊脂培養(yǎng)基:加入2.0%左右的瓊脂于MRS液體培養(yǎng)基中即得;

增殖培養(yǎng)基:蛋白胨1.2%、酵母提取物0.6%、牛肉膏0.6%、葡萄糖1.8%、乙酸鈉0.5%、檸檬酸銨0.125%、Tween-80 0.1%、硫酸鎂0.058%、硫酸錳0.005%、磷酸氫二鉀0.2%,調(diào)節(jié)pH至6.5[14]。

1.1.2 試劑

膽鹽、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、氯化鈉、span-80、冰醋酸、碳酸鈣、乙酸鈉、海藻酸鈉、酪蛋白、明膠:均為國產(chǎn)分析純;

大豆油:食品級,黑龍江九三油脂有限責任公司;

乳清蛋白、大豆分離蛋白:食品級,安陽市齊天生物技術(shù)有限公司;

胃蛋白酶:USP級,1∶30 000,上海源葉生物科技有限公司;

胰蛋白酶:活性≥250 USP u/mg,上海瑞永生物科技有限公司。

1.1.3 儀器與設備

恒溫培養(yǎng)箱:DHP-9162型,上海一恒科技有限公司;

高壓蒸汽滅菌鍋:FD36A/FD36R型,致微(廈門)儀器有限公司;

超凈工作臺:SW-CJ-1FD/1F型,上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司;

冷凍離心機:Contfuge Stratos型,美國Thermo Fisher公司;

激光粒度分析儀:RISE-2006型,濟南潤之科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 菌懸液的制備 將干酪乳桿菌菌粉按體積分數(shù)為2%的接種量接種于增殖培養(yǎng)基中,在恒溫培養(yǎng)箱中37 ℃下培養(yǎng)24 h,活化2~3次后,離心(8 000 r/min,4 ℃,15 min),收集菌體并用0.9%無菌生理鹽水將菌體洗滌2遍,重懸于10 mL無菌生理鹽水中,制得一定濃度的菌懸液。

1.2.2 主要溶液的配制

(1) 微膠囊解囊液:準確配制0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液,調(diào)節(jié)pH至7.0,121 ℃滅菌15 min后備用[15]。

(2) 模擬人工胃液的配制:用濃鹽酸溶液將0.2%的NaCl溶液的pH值調(diào)節(jié)到2.0,加入一定量的胃蛋白酶并使其終濃度為0.3 g/L,再用0.22 μm的膜過濾滅菌,現(xiàn)配現(xiàn)用[16]。

(3) 模擬人工腸液的配制:加入一定量的胰蛋白酶和膽鹽于磷酸緩沖液中,使它們的終濃度分別為1.0,4.5 g/L,用0.1 mol/L的NaOH溶液將其pH值調(diào)至7.4,再用0.22 μm的膜過濾滅菌,現(xiàn)配現(xiàn)用[16]。

1.2.3 內(nèi)源乳化法制備干酪乳桿菌微膠囊工藝流程 內(nèi)源乳化法制備微膠囊的過程參照張國芳等[13]報道的方法,修改如下:將10 mL制得的一定濃度的菌懸液與20 mL一定濃度的海藻酸鈉和蛋白溶液混合,再將一定量的碳酸鈣粉末均勻分散在該混合液,再將此混合液乳化到含有體積分數(shù)1.0% Span-80大豆油中(300 r/min,15 min)后,加入200 μL冰醋酸繼續(xù)攪拌,以促進冰醋酸和碳酸鈣的充分接觸反應,30 min后,加入120 mL pH為5.5的醋酸鹽緩沖液并緩慢攪拌,待凝膠成型的微膠囊都沉降到醋酸鹽溶液底部后,吸去油相,收集微膠囊,用0.9%生理鹽水洗滌3次左右,去除剩余油相和表面菌體。最后將制得的微膠囊放在4 ℃冰箱保存。

1.2.4 微膠囊包埋工藝單因素試驗

(1) 海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù):在海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比1∶1,海藻酸鈉碳酸鈣含量比3∶1,油水體積比3∶1的條件下,改變海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)(1%,2%,3%,4%,5%),以微膠囊的包埋率為指標,得到海藻酸鈉的最佳添加量。

(2) 海藻酸鈉蛋白含量比:在海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)為2%,海藻酸鈉碳酸鈣含量比3∶1,油水體積比3∶1的條件下,改變海藻酸鈉蛋白含量比(1∶5,1∶3,1∶1,3∶1,5∶1),以微膠囊的包埋率為指標,得到最佳海藻酸鈉蛋白含量比。

(3) 油水體積比:在海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)2%,海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比1∶1,海藻酸鈉碳酸鈣含量比3∶1的條件下,改變油水體積比(1∶1,3∶1,5∶1,7∶1,8∶1),以微膠囊的包埋率為指標,確定最佳油水體積比。

(4) 海藻酸鈉碳酸鈣含量比:在海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)2%,海藻酸鈉蛋白含量比1∶1,油水體積比3∶1的條件下,改變海藻酸鈉碳酸鈣含量比(1∶1,1.5∶1,3∶1,6∶1,15∶1),以微膠囊的包埋率為指標,確定最佳海藻酸鈉碳酸鈣含量比。

1.2.5 微膠囊的形態(tài)分布及粒度檢測 在單因素試驗中確定的最佳包埋條件下制得干酪乳桿菌微膠囊,分別少量蘸取4種微膠囊涂于載玻片上,用光學顯微鏡在40,100倍下觀察微膠囊的形態(tài)分布情況;并用激光粒度分析儀測定4種微膠囊的粒度大小,分別稱取0.5 g微膠囊,加入9.5 mL蒸餾水,混合均勻后,加入到激光粒度分析儀測試容器中,進行粒度檢測。

1.2.6 微膠囊在模擬胃腸液中耐受性試驗 在單因素試驗中確定的最佳包埋條件下制得干酪乳桿菌微膠囊,將0.5 g微膠囊均勻地分散到4.5 mL在37 ℃下預熱的人工模擬胃液,將此混合液在控溫振蕩器37 ℃,100 r/min下震蕩。在0,30,60,120 min時取樣,并對微膠囊進行破碎以對活干酪乳桿菌進行計數(shù)[13]。

1.2.7 微膠囊在模擬腸液中的耐受性試驗 在單因素試驗確定的最佳包埋條件下制得干酪乳桿菌微膠囊,將0.5 g微膠囊均勻地分散到4.5 mL在37 ℃下預熱的人工模擬腸液,將此混合液在控溫振蕩器37 ℃,100 r/min下震蕩。在0,30,60,120 min時取樣,對干酪乳桿菌直接進行計數(shù)[13]。

1.3 分析方法

1.3.1 菌落計數(shù) 按GB 4789.35—2010中MRS固體培養(yǎng)基平板傾注法執(zhí)行。

1.3.2 微膠囊包埋率的測定 準確稱取0.5 g微膠囊,加入到4.5 mL磷酸緩沖液(0.1 mol/L,pH 7)中,用磁力攪拌器攪拌10 min,取0.5 mL樣品稀釋到適宜濃度后涂布,于37 ℃ 培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h后,菌落計數(shù),得微膠囊中包埋的活菌數(shù)(CFU/mL)[15],按式(1)計算包埋率。

(1)

2 結(jié)果與統(tǒng)計

2.1 單因素試驗

2.1.1 海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)對微膠囊包埋率的影響 由圖1可看出,以乳清蛋白、大豆分離蛋白、酪蛋白及明膠分別與海藻酸鈉做復合壁材通過內(nèi)源乳化法包埋干酪乳桿菌,微膠囊的包埋率均隨海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)的增加而增大,當海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)為2%時,4種微膠囊的包埋率最大,當海藻酸鈉的濃度繼續(xù)變大時,4種微膠囊的包埋率反而下降??赡苁呛T逅徕c的黏度隨濃度的增加而增大,濃度較高時,其黏度較大,使菌體不能均勻分散,且形成的微膠囊壁過厚;但在海藻酸鈉濃度較低時,形成的微膠囊壁過薄導致機械強度不好,從而影響包埋效果。

圖1 海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)對微膠囊包埋率的影響

2.1.2 海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比對微膠囊包埋率的影響 由圖2可以看出,以乳清蛋白、大豆分離蛋白、酪蛋白及明膠分別與海藻酸鈉做復合壁材通過內(nèi)源乳化法包埋干酪乳桿菌,微膠囊的包埋率均隨海藻酸鈉蛋白含量比的增加而增大,當海藻酸鈉與蛋白質(zhì)的含量比為1∶1時,4種微膠囊的包埋率最大,比例繼續(xù)增加時,微膠囊的包埋率反而下降??赡苁呛T逅徕c與蛋白質(zhì)是作為復合壁材去彌補單一壁材的缺陷,某一種成分過高或過低,都會影響微膠囊的包埋率。

圖2 海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比對微膠囊包埋率的影響

2.1.3 油水體積比對微膠囊包埋率的影響 由圖3可以看出,以乳清蛋白、大豆分離蛋白、酪蛋白及明膠分別與海藻酸鈉做復合壁材通過內(nèi)源乳化法包埋干酪乳桿菌,微膠囊的包埋率均隨油水體積比的增加而增大,其中以乳清蛋白、酪蛋白與海藻酸鈉做復合壁材的微膠囊在油水體積比為3∶1時,微膠囊的包埋率最大,以大豆分離蛋白、明膠與海藻酸鈉做復合壁材的微膠囊分別在油水體積比為5∶1,7∶1時,微膠囊的包埋率最大,此后隨著油水體積比的增加包埋率反而下降。可能是當油相不足時,會導致微膠囊間粘連,從而影響包埋率,當油水體積比變大時,由于分散空間相對較大,促進大液滴的形成,但微膠囊的粒徑過大不利于在實際中應用。

圖3 油水體積比對微膠囊包埋率的影響

2.1.4 海藻酸鈉碳酸鈣含量比對微膠囊包埋率的影響 由圖4可以看出,以乳清蛋白、大豆分離蛋白、酪蛋白及明膠分別與海藻酸鈉做復合壁材通過內(nèi)源乳化法包埋干酪乳桿菌,微膠囊的包埋率均隨海藻酸鈉碳酸鈣含量比的增加而增大,其中以乳清蛋白、明膠及大豆分離蛋白分別與海藻酸鈉做壁材的微膠囊在海藻酸鈉碳酸鈣含量比為3∶1時包埋率最大,以酪蛋白與海藻酸鈉做復合壁材的微膠囊在海藻酸鈉碳酸鈣含量比6∶1時包埋率最大,此后隨著海藻酸鈉碳酸鈣質(zhì)量比的增加包埋率反而下降,可能是隨著碳酸鈣加入量的增多,鈣離子的濃度逐漸變大,從而促進了鈣離子和海藻酸鈉之間的凝膠化反應,使形成的微膠囊致密性好,耐受性強,但是隨著碳酸鈣的添加,碳酸鈣濃度增大,溶液的表面張力增大,導致形成的微膠囊高度收縮,且溶液中由于殘留著大量的不溶性的鈣鹽,使溶液密度增加,從而使微膠囊的包埋率降低。

圖4 海藻酸鈉碳酸鈣含量比對微膠囊包埋率的影響

Figure 4 The effect of alginate and calcium carbonate content ratio on the microcapsules’embedding rate

通過單因素試驗得到以乳清蛋白海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌的最佳條件為海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)2%,海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比1∶1,海藻酸鈉碳酸鈣含量比3∶1,油水體積比3∶1,在此條件下包埋率可達87.50%;以大豆分離蛋白海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌的最佳條件為海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)2%,海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比為1∶1,海藻酸鈉碳酸鈣含量比3∶1,油水體積比5∶1,在此條件下包埋率可達78.12%;以酪蛋白海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌的最佳條件為海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)2%,海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比為1∶1,海藻酸鈉碳酸鈣含量比6∶1,油水體積比3∶1,在此條件下包埋率可達83.19%;以明膠海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌的最佳條件為海藻酸鈉質(zhì)量分數(shù)2%,海藻酸鈉蛋白質(zhì)含量比為1∶1,海藻酸鈉碳酸鈣含量比3∶1,油水體積比7∶1,在此條件下包埋率可達76.58%。

2.2 壁材對微膠囊外觀形態(tài)的影響

2.2.1 乳清蛋白復合壁材對微膠囊外觀形態(tài)的影響 由圖5 可看出,以乳清蛋白海藻酸鈉為壁材得到的微膠囊其形狀分布較均一,為球形且未出現(xiàn)微膠囊間粘壁現(xiàn)象,達到預期要求。

1. 包埋有菌體的微膠囊 2. 未包埋有菌體的微膠囊

Figure 5 Optical microphotograph of microcapsules with whey protein and alginate

2.2.2 大豆分離蛋白復合壁材對微膠囊外觀形態(tài)的影響 由圖6可以看出,微膠囊形狀不一,且出現(xiàn)破壁現(xiàn)象,微膠囊之間出現(xiàn)粘連,因此微膠囊的成型性不理想。

2.2.3 酪蛋白復合壁材對微膠囊外觀形態(tài)的影響 由圖7可以看出,以酪蛋白海藻酸鈉為壁材得到的微膠囊其形狀不一,微膠囊間出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。

1. 包埋有菌體的微膠囊 2. 未包埋有菌體的微膠囊

Figure 6 Optical microphotograph of microcapsules with soy protein isolates and alginate

1. 未包埋有菌體的微膠囊 2. 包埋有菌體的微膠囊

2.2.4 明膠復合壁材對微膠囊外觀形態(tài)的影響 由圖8可以看出,以明膠海藻酸鈉為復合壁材得到的微膠囊形狀較均一,未出現(xiàn)微膠囊間的粘壁現(xiàn)象,但微膠囊間粒徑大小相差較大。

1. 包埋有菌體的微膠囊 2. 未包埋有菌體的微膠囊

Figure 8 Optical microphotograph of microcapsules with gelatin and alginate

2.2.5 微膠囊粒度檢測結(jié)果 由表1可以看出以明膠與海藻酸鈉做復合壁材包埋干酪乳桿菌時,微膠囊的粒度最小,其他3種微膠囊的粒度均較大,由于微膠囊的粒度較大時,在加工過程中會對產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生不利影響,如產(chǎn)品組織狀態(tài)、口感等,因此從粒度大小來看明膠復合壁材較其他3種微膠囊效果較好,更有利于在食品加工中的應用。

表1 4種微膠囊粒度檢測結(jié)果

2.3 干酪乳桿菌微膠囊在模擬胃腸液中的耐受性

2.3.1 干酪乳桿菌微膠囊在模擬胃液中的耐受性 從圖9可以看出,未包埋的干酪乳桿菌和用4種不同復合壁材包埋的干酪乳桿菌在模擬胃液中,隨著時間的延長,活菌數(shù)都有下降。以乳清蛋白、大豆分離蛋白、酪蛋白及明膠為復合壁材包埋的干酪乳桿菌在模擬胃液中2 h時其存活率分別為81.71%,90.39%,85.67%,87.87%,未包埋的干酪乳桿菌其存活率為56.51%,由此可看出相比于未包埋的干酪乳桿菌,這4種不同壁材的微膠囊都提高了干酪乳桿菌在胃液中的存活率,其中以大豆分離蛋白海藻酸鈉為復合壁材的微膠囊在模擬胃液中對干酪乳桿菌的保護效果最佳。

圖9 干酪乳桿菌微膠囊在模擬胃液中的存活情況

Figure 9 The survival rate of microencapsulatedLactobacilluscaseiin simulated gastric juice

2.3.2 干酪乳桿菌微膠囊在模擬腸液中的耐受性 從圖10可以看出,4種不同的蛋白分別與海藻酸鈉做復合壁材的微膠囊在30 min時,在模擬的腸液中4種微膠囊釋放的活菌數(shù)最多,其中酪蛋白復合壁材微膠囊在30 min時已基本釋放完菌體;大豆分離蛋白復合壁材微膠囊、明膠復合壁材微膠囊、乳清蛋白復合壁材微膠囊在60 min時,已基本釋放完菌體。由此可知4種不同復合壁材的微膠囊都有較好的腸液溶解性,使得包埋于該微膠囊中的活菌可以定植于腸道,進而發(fā)揮其益生作用。

圖10 干酪乳桿菌微膠囊在模擬腸液中的活菌數(shù)變化

Figure 10 The amount of microencasulatedLactobacilluscaseiin simulated intestinal juice

3 結(jié)論

4種復合壁材通過內(nèi)源乳化法制備的干酪乳桿菌微膠囊,在包埋率、形態(tài)分布、粒度大小及模擬胃腸液中耐受性四方面各有優(yōu)缺點,乳清蛋白復合壁材微膠囊在包埋率及微膠囊形態(tài)分布方面優(yōu)于其他3種微膠囊,明膠復合壁材微膠囊的粒度大小較其他3種小,大豆分離蛋白復合壁材微膠囊在模擬胃液中對菌體的保護效果優(yōu)于其他3種微膠囊,酪蛋白復合壁材微膠囊在模擬腸液中對菌體的溶出情況優(yōu)于其他3種微膠囊。本次試驗對基于內(nèi)源乳化法包埋干酪乳桿菌的蛋白質(zhì)復合壁材的選擇進行了深入的探究,補充和完善了張國芳等[13]以乳清蛋白復合壁材利用內(nèi)源乳化法制備干酪乳桿菌微膠囊。由于不同蛋白質(zhì)復合壁材對干酪乳桿菌包埋效果的影響不同,根據(jù)不同蛋白質(zhì)復合壁材在包埋率、模擬胃腸液中的耐受性、微膠囊粒度大小及顯微結(jié)構(gòu)四方面對包埋效果的不同影響,可根據(jù)在具體食品加工及應用中的不同需求選擇更有效的包埋壁材,豐富了復合壁材選擇依據(jù),使內(nèi)源乳化法更加廣泛地應用于益生菌的包埋中。但本次試驗探究了4種蛋白質(zhì)復合壁材對干酪乳桿菌的包埋效果的影響,而蛋白質(zhì)復合壁材種類繁多,對此的研究還不夠全面,今后可繼續(xù)就其他蛋白質(zhì)復合壁材對干酪乳桿菌包埋效果的影響進行探究。

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