益生菌在发酵乳制品中的应用PPT课件.ppt

益生菌在发酵乳制品中的应用 陕西师范大学食品学院张富新 1 1益生菌的概念 1 1益生菌 Probiotics Probioticbacteria Theoriginaldefinitionofaprobioticwas alivemicrobialfoodsupplementwhichbeneficiallyaffectsthehostanimalbyimprovingitsintestinalmicrobialbalance Fuller 1989 2 一种通过改善肠道微生物平衡从而对宿主施加有益影响的活性微生物食品添加物 3 Probioticbacteriaarelivemicrobialstrainsthat whenappliedinadequatedoses beneficiallyaffecttheanimalbyimprovingitsintestinalmicrobialbalance TiianandMaria 2003 Theprobioticswere alivemicrobialfoodingredientthatisbeneficialtohealth Salminenetal1998 4 1 2益生元 Prebitics Aprebiticsisa non digestiblefoodingredientthatbeneficiallyaffectthehostbyselectivelystimulatingthegrowthand oractivityofoneoralimitednumberofbacteriainthecolonthathavetheprotentialtoimprovehosthealth GibsonandRoberfroid 1995 5 通过选择性的刺激一种或少数种菌落中的细菌的生长与活性而对寄主产生有益的影响从而改善寄主健康的不可被消化的食品成分 益生元大多属于在人体内不易消化的寡糖 non oligosaccharides NDOS 如 低聚果糖 低聚木糖 低聚半乳糖 低聚异麦芽糖和水苏糖等 6 1 3合生元 Synbiotics Thedefinitionofasynbioticwas amixtureofprobioticsandprebioticsthatbeneficiallyaffectsthehostbyimprovingthesurvivalandimplantationoflivemicrobialdietarysupplementsinthegastrointestinaltract byselectivelystimulatingthegrowthand oractivatingthemetabolismofoneoralimitednumberofhealth promotingbacteriaandthusimprovinghostwelfare GibsonandRoberfroid 1995 7 1 4益生菌食品 Probioticfoods Probiticfoodsarefoodproductsthatcontainalivingprobioticingredientinanadequatematrixandinsufficientconcentration sothataftertheiringestion thepostulatedeffectisobtained andisbeyondthatusualnutrientsupplers deVreseandSchrezenmeir 2001 8 益生菌微生物主要来源于人 动物及自然界 人们研究和应用比较多的是 乳酸杆菌 Lactobacillus 双歧杆菌 Bifidobacterius 这些菌大部分是可以产生乳酸的乳酸菌 且是宿主肠道内的重要生理菌 因此这两属菌也经常出现在益生菌制品中 2益生菌的分类 9 美国食品药物管理局认为安全的益生菌有40种 青春双歧杆菌 动物双歧杆菌 婴儿双歧杆菌 长双歧杆菌 嗜酸乳酸杆菌 嗜热性双歧杆菌 短乳杆菌 保加利亚乳杆菌 干酪乳杆菌 啤酒片球菌 戊糖片球菌 费氏丙酸菌 谢曼氏丙酸杆菌 酿酒酵母 乳酸链球菌 二乙酰乳酸链球菌 粪链球菌 中 间 链球菌 乳链球菌 嗜热链球菌 黑曲霉 米曲霉 凝固芽孢杆菌 粘连芽孢杆菌 地衣芽孢杆菌 短小芽孢杆菌 枯草芽孢杆菌 厌氧性拟杆菌 发酵乳杆菌 纤维二糖乳杆菌 弯曲乳杆菌 载耳布吕克氏乳杆菌 乳酸乳杆菌 胚牙乳杆菌 罗特氏乳杆菌 肠系膜明串球菌 乳酸片球菌 毛状拟杆菌 瘤胃拟杆菌 猪拟杆菌 10 2001年我国卫生部公布了可用于保健食品的益生菌菌种名单 两歧双歧杆菌 婴儿双歧杆菌 长双歧杆菌 短双歧杆菌 青春双歧杆菌 保加利亚乳杆菌 嗜酸乳杆菌 干酪乳杆菌 嗜热链球菌9种 11 3益生菌的特征 益生菌有一些共同的特征 也是在研究实践中鉴定益生菌的很好的标准 源于宿主并对宿主健康有一定的促进用 对胃酸 胃肠内或胰的酶及胆汁消化作用表现出一定的抵抗力 从而能在胃肠道内存在并正常生活 能有效的定植于胃肠道中 从而抑制肠内病原体的粘附 定植 复制或有活性 12 是公认安全的微生物 准确识别菌 基因 种属 菌株 及其特性 保证具有已证明的安全性 其制品按合理剂量服用时具有临床有效性 在其产品制备及储存期间能保持活性及稳定性 能用于大量生产并具有经济价值 13 4益生菌对人体的生理作用 调节肠道菌群人体肠道中存在大量对人体有益的益生菌和病原菌 只有当益生菌占优势时 才能对人体健康有益 益生菌通过黏附到肠道内表面以抵抗肠道的蠕动从而保证其不被宿主排出 继而与肠上皮和相关免疫细胞相互作用激发免疫反应 14 抑制病原菌的生长繁殖益生菌与致病菌竞争消化道上皮细胞的附着位点 从而抑制其他外来微生物在肠道内的定植或增殖 这种现象被称为 竞争排斥 Competitiveexclusion 或 定植抗力 Culonizationresistance 益生菌还可以通过分泌抗菌物质来抑制病原菌的生长及繁殖 如乳酸 过氧化氢 细菌素 类细菌素等抗菌物质 15 免疫调节作用益生菌可以用来治疗各种胃肠道疾病 如腹泻 炎症性肠疾病 结肠癌等 Roberfroid 2001 例如 给已经感染霍乱病菌的小鼠口服双歧杆菌可促进小鼠体内IgA的分泌 由黏膜淋巴结和固有膜淋巴细胞分泌产生的IgA是机体黏膜防御感染的重要因素 IgA与肠上皮腺体细胞合成的分泌片结合后可以形成SIgA 它是机体黏膜免疫系统的一部分 能够阻止细菌对肠上皮细胞表面的吸附 中和毒素 病毒和酶等生物活性抗原 具有广泛的保护作用 16 降低血清胆固醇随着人们生活水平的不断提高 高血压 冠心病 动脉硬化等心脑血管疾病的发病率逐年上升 严重的威胁着人类的健康 而引起这一系列疾病的原因之一就是人体血清中胆固醇水平过高 早在1963年 Shaper等就发现非洲两个不同部落的人由于每天都饮用乳杆菌发酵的乳制品 与其他部落相比 饮用乳杆菌发酵乳的人血清中胆固醇含量显著下降 国内外的大量研究也证实 乳酸菌具有降低血清中胆固醇的作用 17 促进营养物质的产生 代谢和利用益生菌在宿主的消化道内进行生长 繁殖活动 此过程可以直接产生多种营养物质如乳酸 维生素 氨基酸等物质 这些物质又可以参与到宿主的新陈代谢中去 促进宿主的消化和营养吸收 除此之外 益生菌在动物体内还可产生多种消化酶如淀粉酶 蛋白酶 脂肪酶和葡萄糖苷酶等 这些消化类酶可以促进营养物质特别是下消化道营养物质如脂肪的消化和吸收 研究表明 含有益生菌的动物肠道内 蛋白酶和糖酶含量要明显高于不含有益生菌的动物 乳酸菌不仅可以产生多种酶类 而且还能通过自身代谢过程中产生的乳酸 提高钙 磷 铁的利用率 同时促进维生素D的吸收和利用 18 5益生菌在国内外研究现状 益生菌主要应用在药品 保健品和食品中 目前国际上对乳酸菌等益生菌的研究显得非常活跃 产品消费成绩惊人 据粗略估计 目前全球的年产品生产总值约为300亿美元左右 其中使用益生菌生产的乳制品总产值超过50亿美元 且增长指数在逐年上升 呈上升发展态势 根据明特尔的全球新产品数据报告 GNPD 2008年度全球的益生菌产品增加了136种 2006 2007年间益生菌产品的增长速度达到了131 是近几年全球最快的增长速度 19 日本益生菌菌粉原料及菌粉 20 欧洲市场上的益生菌功能性食品 21 美国市场上的益生菌制剂 22 国内常见双歧杆菌制品简表 23 目前应用益生菌自我保健在国外非常流行 这是一种被称为不依赖药物的保健方法 即利用乳酸菌 双歧乳酸杆菌等益生菌进行疾病预防和保健 药品中治疗肠道疾病 保健品调整肠道微生态平衡 食品中大部分都是发酵乳制品 24 我国益生菌菌株选择标准 卫生部2001年84号文件颁布的9种菌种 不提倡以液态形式生产益生菌类保健食品 因为微生态保健食品中的功能因子为活菌 因而从保证活菌含量的角度而言 应大力提倡发展微胶囊或胶囊剂型的冻干菌粉 活菌类益生菌保健食品在贮藏期内活菌数不得少于106cfu mL g 从而达到对人体健康有促进作用的良好效果 25 5益生菌粉的制备 益生菌菌株 特定增殖培养基中培养 离心富集菌体 菌体加入冷冻保护剂 真空冷冻干燥 真空包装 26 5 1益生菌培养方法 益生菌培养基通常选用MRS培养基 杆菌 和M17培养基 球菌 培养方法通常采用好氧和厌氧培养 厌氧培养方法较多 有烛缸厌氧 焦性没食子酸 真空袋 双层琼脂等方法 一些对氧气要求严格的厌氧乳酸菌应采用严格的厌氧培养方法 27 5 2益生菌生长特性 益生菌的生长曲线通常分为4个阶段 延滞期 对数期 稳定期和衰亡期 延滞期 益生菌缓慢生长 适应生长环境 对数期 益生菌大量生长繁殖 呈对数生长 稳定期 益生菌的生长量与衰亡量基本一致 益生菌保持基本稳定 衰亡期 由于酸的大量产生 抑制了益生菌的生长 出现自溶现象 活菌数下降 28 2020 1 7 29 30 5 3益生菌增值培养 益生菌的增殖培养 即在一定的基础培养基中加入有利于益生菌生长的各种营养因子 提供充足的营养素 这些营养素称益生菌增殖因子 碳源 葡萄糖 乳糖 麦芽糖等 氮源 酪蛋白水解物 胰蛋白胨等 氨基酸等 维生素 酵母提取物 丝氨酸 甲硫氨酸 维生素C等 31 由于益生菌在代谢过程中产生的大量乳酸 抑制益生菌的生长 因此国内外通常在益生菌培养过程中采用中和乳酸的方法 延长了益生菌的对数生长期 以获得最多量的益生菌菌体 32 缓冲盐法在培养基中加入缓冲盐 可以调节pH在一定范围内变化 不会出现酸度过高的情况 有利于益生菌的生长 一些国外学者利用奶自身含有的磷酸盐 柠檬酸盐和蛋白质作为缓冲剂添加到益生菌培养的体系当中 另外 常用的缓冲剂还有CaCO3 与乳酸反应生成Ca 2中和乳酸 同时Ca2 可以在冷冻干燥时保护益生菌菌体 特别对于乳杆菌尤为重要 33 化学中和法在益生菌培养过程中 由于乳酸的积累 当超过益生菌可以耐受的范围时 会抑制益生菌的生长 为了解除这种抑制作用 可以在培养体系中加入碱液来中和 常用的中和剂有NH3 H2O Ca OH 2 NaOH和Na2CO3等 34 渗析法渗析法是目前最先进的方法 其原理是益生菌代谢产生的废物通过膜过滤除去 使发酵液始终保持着最适合益生菌生长的环境 以用最短的时间获得最多的菌体 但其设备投资过大 对超膜材料的要求非常严格 同时在培养过程中卫生条件不易达到 35 5 4益生菌菌体的浓缩 益生菌的浓缩是为了获得浓度较高的菌体 以获得活性较高的冻干菌粉 同时浓缩过程可除去培养液中大部分水分 一方面可以减少冻干过程中形成的冰晶体对益生菌细胞的机械损伤作用 另一方面可减少冻干过程要蒸发的水分 缩短冻干时间 提高效率 益生菌菌体的浓缩通常采用膜渗析法和离心法两种方法 36 膜渗析法此法是将益生菌在发酵罐内培养 利用膜装置将益生菌菌体和发酵液分离 以浓缩菌体 优点 对菌体的损伤较小 获得的菌体浓度较高 培养液可以循环利用 缺点 膜装置造价过高 过滤膜的清洗 杀菌 老化 污染等一系列的问题 37 离心法离心法是浓缩分离益生菌菌体最常用的方法 即借助离心机的离心力作用将益生菌菌体沉积 与发酵液分离 优点 简便 快速 处理量大 较为适合商业化生产 缺点 离心过程中机械损伤较大 益生菌存活率较低 38 5 5益生菌的冷冻干燥 益生菌冷冻干燥分为冷冻和干燥两个部分 首先将益生菌在一定温度下冷冻 使其冻结 然后再经过真空冷冻干燥过程 其中冷冻过程对益生菌活性损失最大 39 益生菌的冷冻 冷冻温度益生菌对低温冷冻的耐受性与菌株有关 细胞在冷冻过程中会出现以下变化 当冷冻时细胞外溶液先结冰 细胞内溶液仍保持未结冰状态 这时由于渗透压的作用 细胞内水分会向细胞外流动 引起细胞脱水死亡 40 若快速冷冻时 细胞内外同时冻结 形成的冰晶体较小 在细胞内外分布均匀 细胞死亡率较少 因此冷冻温度越低 冷冻速度越快 对益生菌的损伤越小 41 冷冻保护剂由于益生菌细胞在冷冻过程中不可避免地遭受冰晶体的机械损伤 因此通常采用添加冷冻保护剂的方法以最大程度的减少益生菌细胞的死亡 通常选用的保护剂可分为小分子化合物和大分子化合物 42 益生菌的真空冷冻干燥将浓缩分离得到的益生菌菌体 添加冷冻保护剂低温冻结后 在真空低温条件下干燥 一般的干燥方法是将物料中的水分由液态转变为气态 但是真空冷冻干燥则是将物料里的水分先冻结成固态 然后再由固态转变为气态 使干燥的益生菌中水分减少至其长时间内无法再继续维持生物和化学反应的水平 43 6 益生元及其应用 6 1概念最基本的益生元为碳水化合物 但定义并不排除被用作益生元的非碳水化合物物质 理论上来讲 任何可以减少有害菌种 而有益于促进健康的菌种或活动的物质都可以叫做益生元 益生元给益生菌提供 食物 能够被肠道内有益细菌分解吸收 促进有益细菌生长繁殖 44 益生元主要包括各种寡糖类物质 Oligosaccharides 或称低聚糖 由2 10个分子单糖组成 非消化性寡糖 non oligosaccharides NDOS 可以促进有益菌从而产生有益效应 这种情况下它们可以被认为是益生元 非消化性寡糖同样可以促进有害菌而产生有害效应 如在乳糖不耐症中 NDOs也可以对肠菌落无任何作用 45 6 2益生元种类 益生元种类很多 有低聚糖 多糖 植物中草药提取物 蛋白质水解物 多元醇等 大量生产商品化的主要是一些有双歧因子功能的低聚糖 如异麦芽糖低聚糖 IMO 低聚果糖 FOS 低聚半乳糖 GOS 低聚木糖 XOS 低聚乳果糖 LACT 大豆低聚糖 SOS 菊粉 Inulin 等 46 6 3益生元的作用 双歧杆菌增殖效果一般而言 肠内双歧杆菌共有8种 其中以两歧双歧杆菌 婴儿双歧杆菌 青春双歧杆菌 长双歧杆菌和短双歧杆菌的数量最多 不同年龄阶段人群的肠内双歧杆菌 其组成和比例有一定差别 如儿童阶段主要是婴儿双歧杆菌 两歧双歧杆菌和长双歧杆菌 青壮年和老年人肠道中则主要是青春双歧杆菌和长双歧杆菌 随着年龄增长 或不良饮食习惯及疾病等的影响 肠内双歧杆菌数量和比例很有可能会大幅下降 不利于人体健康状态的保持 大量研究表明 异麦芽低聚糖 低聚果糖 低聚半乳糖 低聚木糖等有明显的双歧杆菌增殖作用 47 乳酸杆菌增殖效果经过体外试验和临床研究发现 异麦芽低聚糖 低聚半乳糖 低聚果糖 低聚木糖 大豆低聚糖等对人体肠内乳酸杆菌均有明显的增殖作用 其中低聚半乳糖对乳酸杆菌的增殖最多 也最全面 48 有害菌抑制效果