摘要
益生菌是一类当摄食数量足够多时，可对机体健康产生有益作用的活性微生物。冷冻干燥作为益生菌商业制剂化的主要手段，其高能耗导致的高成本限制了菌粉的广泛应用。喷雾干燥技术因成本低、效率高、可连续生产，作为一种潜在的冷冻干燥替代方案一直被关注。然而，喷雾干燥过程中益生菌易遭受热损伤，导致菌体大量死亡，同时喷雾干燥敞开式的加工环境难以对湿度进行控制，导致菌粉大量吸湿而影响其储藏稳定性。基于此，本论文首先以疏水性物质为壁材，通过调节菌粉的吸湿特性和储藏稳定性，明确疏水性物质对菌粉在高湿环境下的保护特性。进一步针对益生菌的热敏感性，采用固态油脂调节壁材的吸热特性，以及采用复合凝聚法、双重乳液法等载体化手段降低益生菌在干燥过程中的热暴露面积，构建益生菌在喷雾干燥前的微胶囊载体体系。最后，针对喷雾干燥菌粉自身水分活度较高的问题，考察干燥剂对提高喷干菌粉储藏稳定性的作用效果，实现喷干菌粉的长效储藏。主要研究内容和结果如下： （1）疏水物质对益生菌喷雾干燥微胶囊的作用效果及机制：首先针对菌粉在储藏过程中易吸湿失活的问题，以疏水性大分子虫胶结合乳清分离蛋白（WPI）为壁材制备LactobacillusrhamnosusGG（LGG）微胶囊，考察虫胶的添加对益生菌微胶囊在干燥以及储藏过程中的影响。实验发现，虫胶作为疏水性大分子，其添加显著降低菌粉的吸湿性，有效提高菌粉在高湿环境中的储藏稳定性。当虫胶的添加量从0%提高到50%时，在0.33和0.43的水分活度条件下储藏三周后，益生菌微胶囊的失活常数分别从2.04和2.27下降至1.08和1.65。但同时也发现，虫胶的添加不利于益生菌在干燥过程中的活性保留，当虫胶的添加量从0%提高到50%时，益生菌的喷雾干燥存活率从20.63%下降至3.30%。单液滴实验表明虫胶较低的玻璃化转变温度（Tg）以及较慢的干燥速度是导致益生菌在干燥期间活性降低的主要原因。 （2）复合凝聚法对益生菌喷雾干燥微胶囊的保护研究：基于上述研究，筛选具有疏水性，同时兼具降低LGG在喷干过程中热损伤的物质为壁材以提高益生菌喷干存活率和储藏稳定性。实验发现，固态油脂因具有较高的熔点以及相转变吸热特性，显著降低LGG在干燥过程中的热损伤，使其存活率从3.30%提升至40.16%，可有效为益生菌在干燥以及储藏中提供双重保护。进一步，针对喷干前固态油脂与LGG只是简单混合的问题，尝试喷干前利用固态油脂对LGG进行微胶囊化以降低益生菌在热空气中的暴露面积。基于此，考察了复合凝聚法对益生菌微胶囊在干燥过程中的保护特性。实验发现，在pH3.75、WPI稳定的固态油脂乳液与阿拉伯胶（GA）比例为4∶1的条件下，复合凝聚法可有效将益生菌包封在由乳液和GA形成的凝聚物中。喷雾干燥后，益生菌镶嵌在菌粉颗粒内部，且颗粒的表面光滑无益生菌残留，表明复合凝聚法可实现壁材在喷雾干燥过程中对益生菌的有效包埋。此外，复合凝聚物的形成提高了样品的熔化焓值，显著降低干燥过程中微胶囊的温度，使LGG存活率进一步提高至54.96%，同时提升了细胞膜完整性以及生长能力。上述实验表明，在喷干前可通过实现固态油脂对LGG的微胶囊化，以提升益生菌喷干存活率和储藏稳定性。然而，复合凝聚制备过程中所需的高酸性环境（pH3.75）不利于益生菌的包封，复合凝聚过程中LGG存活率下降了17.84%。 （3）双重乳液的构建对益生菌喷雾干燥微胶囊的保护研究：为减少复合凝聚过程中对LGG的酸胁迫并同时满足固态油脂对LGG的有效包埋，考察双重乳液体系（W1/O/W2）对LGG在干燥过程中的保护特性。实验发现，当乳化剂含量为5%和W1/O含量为30%时可有效将LGG包封在双重乳液的内水相中，且制备过程中不影响菌体活性。与O/W相比，W1/O/W2的载体形式使其存活率从43.23%提高至53.16%，亚细胞结构的完整性以及LGG的疏水性和黏附特性得到显著改善，同时降低了菌粉的水分活度和水分含量。在此基础上，在W1/O/W2的内水相中添加益生元，考察不同益生元对LGG喷干活性、储藏稳定性以及增殖能力的影响。实验发现，菊粉的添加进一步提高LGG的存活率至65.16%，同时提高了菌粉的Tg并降低了菌粉的水分活度，使其具有最高的储藏稳定性。而低聚果糖因其较高的LGG细胞利用率显著提升了LGG的增殖能力。结合两者益生效应，发现菊粉和低聚果糖的比例为1∶2时可显著提高LGG喷干活性以及增殖能力。 （4）具有胃肠道消化稳定性的喷雾干燥微胶囊的载体构建：为改善上述W1/O/W2微胶囊在胃肠道消化中易溶解、活性低等问题，考察了TGase交联以及具有pH响应性虫胶的添加对W1/O/W2微胶囊干燥以及胃肠道消化特性的影响。实验发现，TGase交联和虫胶添加不影响W1/O/W2的微观结构，LGG仍分布在W1/O/W2内水相中。同时TGase交联提高了壁材的分子量以及Tg，显著提升了LGG喷雾干燥存活率和储藏稳定性，有效降低了虫胶带来的不利影响。体外消化实验表明，虫胶的pH溶解特性有效维持了喷干菌粉在胃肠道消化过程中的结构完整性，延缓菌粉的溶解速度，显著提高了体外消化后LGG的细胞膜完整性以及对结肠的粘附能力。菌粉在胃肠道中消化210min后，与样品W1/O/W2相比，W1/O/W2+TGase+虫胶的LGG活性提高了1.39logcfu/g。 （5）干燥剂对提升益生菌喷雾干燥微胶囊储藏稳定性的研究：为进一步降低喷干菌粉水分活度以提高其在储存期间的活性，首先考察了不同出口温度对菌粉喷干活性以及水分活度的影响。实验发现，随着出口温度从75℃升高到90℃，益生菌的喷干存活率从69.43%下降至26.21%，然而菌粉水分活度无显著下降。在此基础上，考察不同干燥剂（二氧化硅、氧化钙和氯化钙）对提高喷干菌粉储藏稳定性的作用效果。实验发现，干燥剂可通过吸收菌粉的自由水含量，降低菌粉在储藏期间的水分活度同时提高菌粉的Tg，显著延缓益生菌在储藏期间的失活速度。三种干燥剂中氯化钙对菌粉储藏稳定性的提升效果最为显著，这与其较强的吸湿特性保持一致。同时发现干燥剂对菌粉的吸湿反应属于准二级动力学模型，即干燥剂的吸湿速率与其未吸附位点的平方成正比。
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