如何保持益生菌食品中的益生菌活性?

2021-09-18

益生菌被定义为活的微生物,研究发现,这种微生物经口服足够数量后会改善宿主肠道微生物的平衡,进而对宿主健康产生有益影响。通常作为益生菌的菌种多为乳酸菌(如嗜酸乳杆菌、双歧杆菌等),一些酵母菌也被归为益生菌的范畴。

根据益生菌应用效果的一般概念,只有活的生物才能产生益生功能。因此,益生菌在被摄入时必须是活的,并且在胃肠道中保持活性。针对食品中的益生菌要达到这种活性所需要的最低活细胞数,有各种各样的建议和标准。通常来说,在消费时,益生菌的活细胞数量需要达到106cfu/g。但是在某些情况下,只要益生菌活细胞数在食品保质期内不低于105cfu/g也被认为能达到益生效果。几个世界食品组织提出的官方标准是最低106~107cfu/g。

众所周知,乳酸菌和酵母菌都是酵素发酵过程中需要用到的菌种,而发酵完成的酵素食品中也含有一定量的益生菌。那么,该如何保持酵素食品及其他益生菌食品中益生菌的活性呢?

在食品生产的整个过程中都要考虑到益生菌活性的重要标准,以便达到并保持高活性。增强益生菌活性可以着眼于基因水平(通过基因工程),或是生理水平,即上游(收集阶段前)和下游加工步骤(收集阶段后)。

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利用基因工程对微生物进行改造

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益生菌的特性是由其基因决定的,故可以利用现有的在压力胁迫下培养的细菌的基因库,或是在抗性突变体中特异性表达的基因,来产生食品级的益生菌突变体。可利用食品级的质粒,将外源DNA整合到目标菌的染色体上,并且利用调节系统来进行修饰。通过这种方法,可以得到在不利环境下(比如食品加工过程)更有活力的益生菌。但是,目前的立法对于食品安全设置了很高的标准,而目前消费者对于食品中基因修饰微生物的存在和应用比较排斥,所以这种方法在未来可能不会很可行。

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改善培养条件

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培养条件能够影响工业微生物菌种的活力,故对于改变发酵液的组成或是改善发酵条件的研究一直都在进行。据报道,在发酵液中添加Tween80或是Ca对冷冻过程中的菌的存活有促进作用。此外,菌体收集时间、生长温度、发酵液的pH也被认为是发酵过程中的重要因素,需要适当的调整,它们也决定着冷冻及冷冻干燥过程中菌的活性。但是,在不控制pH的发酵过程中(最终pH为4.5)生长的嗜酸乳杆菌对低酸性、高乙醇浓度、冻融循环、过氧化氢、冷冻干燥有一定的抗性;而在控制pH(pH = 6.0)下生长的细菌则非常敏感。这些发现对细菌在接近中性pH条件下生长能够得到最大生物量和活性细胞数的理论提出了质疑,因为在低pH下生长的细菌被证实在工业生产中有更好的存活性。

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下游加工

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保护性化合物的添加

益生菌的特性是由其基因决定的,故可以利用现有的在压力胁迫下培养的细菌的基因库,或是在抗性突变体中特异性表达的基因,来产生食品级的益生菌突变体。可利用食品级的质粒,将外源DNA整合到目标菌的染色体上,并且利用调节系统来进行修饰。通过这种方法,可以得到在不利环境下(比如食品加工过程)更有活力的益生菌。但是,目前的立法对于食品安全设置了很高的标准,而目前消费者对于食品中基因修饰微生物的存在和应用比较排斥,所以这种方法在未来可能不会很可行。

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益生菌的包埋

一种保持益生菌活性的可行方法是将细胞包埋到保护性的结构中,使它们在不利环境下的存活得到改善。与未被包埋的细胞相比,被包埋的细胞在体外胃肠环境下的存活有所改善,而且它们的保护性外壳能够使它们在食品体系中更好的存活。不过,在很多情况下,无法清楚地证明细菌究竟是完全被包埋在保护性外壳中,还是仅仅黏附在保护性化合物上。

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冷冻和干燥条件的优化

冷冻被用于制造冷冻菌粉作为最终产品或是制造用于后续冷冻干燥过程的中间产品。冷冻速率对于达到高存活率非常重要,但是冷冻速率对不同的微生物的作用差别很大。据推测,冷冻速率主要影响冰晶的大小和晶核形成晶体生长的位点,这些最终决定了冷冻细胞损伤的 类型及玻璃化是否发生。据报道,快速冷冻(-196℃冷冻)对于微生物存活率及储存稳定性 有益。

干燥也是被广泛应用的一种保护细菌细胞的方法,尽管这个过程本身以及随后的储存会造成菌体大量死亡。与冷冻细菌相比,干燥细菌不需要低温保存。此外,脱水可以显著降低产品的重量。但是据报道,干燥细胞酸化开始前的时间延迟比冷冻细胞长。干燥过程中活性的损失跟细胞壁和细胞膜的损伤有关,因此,干燥的细胞对N aCl更敏感。细胞膜的损伤可以通过β-半乳糖苷酶底物的渗透,细胞中DNA 酶扩散率的提高以及紫外吸收物质从细胞中的渗漏检测到。干燥过程中使用的保护性化合物主要是糖类,糖类的保护作用跟脱水过程中糖形成高粘性的玻璃状结构有关。细菌的干燥方法包括冷冻干燥、真空干燥、喷雾干燥和流化床干燥,目前大部分干燥细菌的制备是通过冷冻干燥完成的。冷冻干燥的操作条件温和,损伤程度小。但是,冷冻干燥过程存在一些缺点,比如加工时间长,能源消耗大。许多研究者致力于寻找替换的干燥方法。喷雾干燥是其中比较有前景的一种生产干燥益生菌制品的方法,它可以提高加工速度,降低操作成本,并保持较高的存活性。酵素粉便是由酵素液喷雾干燥而成的。

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储存条件的研究

储存条件(储存温度、湿度、包装材料等等)能够极大地影响益生菌制品的稳定性。一般冷冻和干燥的制品更适于低温下储存以保持菌体活性。储存温度降低时,益生菌制品的货架期能够显著延长;低于-80℃的低温能有效保持益生菌的高活性。当干燥益生菌制品长时间储存时,相对低的湿度(11%~ 22% )能够增强细菌的稳定性。当细菌暴露于氧气中时,细胞膜上的不饱和脂肪酸会发生氧化导致膜变质。据报道,氧化过程是由残留湿度增大激活的,可以通过将干燥益生菌储存在缺氧条件下有效的抑制氧化过程。包装材料也是影响储存过程中益生菌活性的重要因素。与玻璃瓶相比,PET瓶的透氧性相对较高。

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