益生菌是一种可通过改变肠道菌群平衡，对动物施加有利影响活的微生物饲料添加剂。Fuller认为优质的饲用益生菌应具有4个条件：在工业生产条件下，菌种应保持存活；应能在长期储存和现场条件下保持稳定和活性；在动物肠道有存活能力(不一定繁殖)；能对宿主动物产生有利的影响（王敏，2011）。由于益生菌活力的影响因素众多，如温度、pH、气体成分、机械作用力等，这造成了益生菌制剂极易失活，导致功效降低。通过包埋技术包被的益生菌，有效增强了微生物对高温、干燥、胃酸及胆汁等不良环境因子的抵抗能力，提高了产品的稳定性；同时微胶囊可以保护细胞少受剪切力的影响，为细胞生存提供了更好的微环境，易于实现高密度培养，从而提高产物浓度。
2 微生态制剂的发展和应用
2.1 微生态制剂的发展
1947年，Mollgaard发现用乳酸杆菌饲喂仔猪可有效增加仔猪体重，同时改善仔猪健康状况，成为微生态制剂在畜牧领域应用的最早报道。二十世纪六七十年代，微生态制剂逐渐被实际应用于畜禽养殖业。如1977年Lioyd试验证明乳酸菌对肠道致病菌有拮抗作用；1989年，Schillinger发现乳酸菌可以预防消化道疾病并且有促进宿主生长作用；1998年，Sorokulova研究发现饲喂益生菌可提高巨噬细胞活性等等。随着研究的进展，目前可用于微生态制剂的微生物种类已有多种，主要包括乳酸菌、芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、光合细菌等几大类。1989年美国食品与药品管理局(FDA)和美国饲料管理协会(AAFCO)规定了43种允许饲喂的微生物（胡东兴，2001）。我国微生态制剂也进一步得到了发展，农业部1999年第105号文件公布允许使用的微生物种类是12种。目前，已有1000吨左右的年使用量。
2.2 微生态制剂的生理作用
微生物制剂可分为益生元(prebiotics)、益生菌(probiotics)和合生素(Synbiotics)三种。益生元(prebiotics)是指能够选择性地促进宿主肠道内原有的一种或几种有益菌群生长繁殖的物质，通过有益菌群的增殖来调整肠道微生态平衡，促进宿主健康。此类物质最早发现的是双歧因子(bifidus factor)，如各种寡糖类物质(oligosacchaddes)。常见的有乳果糖、蔗糖低聚糖、棉籽低聚糖、玉米低聚糖和大豆低聚糖等。这些糖类不能被人体消化吸收，只能为肠道有益菌群如双歧杆菌和肠杆菌利用，促进其生长繁殖，抑制病原菌的生长。某些中草药类如人参、党参和黄芪等提取物也能起到益生元的作用。
益生菌(probiotics)最广为人知的的定义是fuller在1989年提出的：益生菌是一种对人体有益的细菌，维持肠道菌群平衡，可直接作为食品添加剂服用。2001年，美国的FAO和WHO将益生菌定义为以适当剂量服用时，对宿主(人或动物)健康有益的活体微生物制剂。目前作为益生菌制品的菌种有双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌、芽孢菌、丁酸梭菌和酵母菌等。
合生素(Synbiotics)是指益生菌和益生元同时并存的制剂。此类制品是以益生菌和益生元同时并用，服用后到达肠道，益生元帮助益生菌增殖，达到调整肠道微生态平衡的作用。
益生菌对动物促生长和防病治病的机理可分为竞争抑制和营养助生长两类。某些益生菌群进入宿主动物肠道后，通过增强粘膜屏障，提高对肠道病原菌的抗性，在宿主腹泻后恢复正常的肠道微生态环境：某些益生菌能与有害菌群竞争营养物质和氧气，竞争性的排斥有害菌，抑制其生长繁殖；某些益生菌可以产生乳酸、乙酸和丙酸等小分子有机酸，降低肠道pH值，改善生理生化环境。同时，这些有益菌群产生的溶菌酶、过氧化氢等抗菌物质能够杀灭外源病原菌，有益菌群代谢产生的蛋白酶、淀粉酶、植酸酶等各种消化酶能帮助动物消化，增进食欲，促进机体对蛋白质、钙、锌、铁和维生素D的吸收，并能合成B族维生素等促生长因子，有效的促进动物宿主的生长，并改善动物产品的品质和风味。
2.3 微生态制剂的应用领域
微生态制剂在农林种植，畜牧水产养殖，医药保健和环境保护等行业都有应用。在农林种植业，微生态制剂可提高粮食、蔬菜、果树茶叶、花草、园林的产量。并且进行病虫害防治，还可以应用于生产生物复合菌肥等进行土壤改良，减少化肥对土质的破坏，提高土壤质量。
在畜牧水产养殖业，应用微生态制剂作为绿色环保型饲料添加剂正逐步替代饲用抗生素，饲用微生态制剂可以直接投放活菌或活菌处理过的日粮，以及利用微生物发酵后的菌体成分、代谢产物及变形培养基复合起来形成饲料添加剂。微生态制剂改善肠道微生态环境，促进畜禽肠道有益菌的增殖，阻止或抑制有害菌繁殖，调整肠道菌群平衡，明显减轻动物粪便的氨臭，减少蚊蝇虫害，改善和优化畜禽饲养生态环境，减少环境污染，可以提高动物的抗应激能力和免疫技能，能够提高动物饲料转化率，降低生产成本增加经济效益。
表1 益生菌对动物应用效果统计表
在医药卫生保健领域，益生菌在很多方面具有疗效。对宿主肠道菌群的益生作用包括拮抗作用和免疫效果。服用益生菌能够刺激优势菌群的生长，排除潜在有害菌群并能加强宿主自身抵抗力。
2.4 微生态制剂存在的问题
由于饲料行业应用较多的益生菌多为厌氧菌或兼性厌氧菌，在生长过程中，不形成芽胞，抗逆性较差，在液体条件下难以长期保存。而微生态类产品中的益生菌只有具备稳定的生理活性，才能发挥其益生作用。所以实际应用中，在添加使用于配合颗粒饲料时，往往要经过高温加热制粒处理，导致产品的有效成分损失较大，产品的保质期也较短。因此，其大规模应用受到极大限制。
在体内，微生态制剂必须通过胃环境以大量的活菌到达肠道并定居于肠粘膜上才能发挥其生理功能。然而，由于人部分益生菌在进入肠道前就已经因胃酸和胆汁作用而死亡，因此在宿主体内存活增殖的能力较低，很大程度上影响了他们的益生效果。在肠道的存活率也就成为益生菌功效的一个重要指标。
微生态制剂类产品所存在的问题同它的功效一样，引起了人们的重视。目前已有多种方法来提高这些细菌对不良环境的抵抗力，例如筛选对酸和胆盐有适当抗性的菌株；调整制备时的压力；添加混合肽和氨基酸来改变微营养环境以及微胶囊包埋等。其中微胶囊包埋的使用颇为广泛，已在食品及医药等工业领域成为重点开发的高新技术之一。
3 包埋技术的发展
包埋是一种用微型密封胶囊包被同态、液态或气态物质，在特定条件影响下以可控速度释放包埋内容物的微胶囊技术。在理论上微胶囊的粒径范围可以在0.01-1000微米（吕利军，2008）之间。工业上微胶囊直径一般在3-800微米，含10%-90%重量百分比的内核。包埋技术的研究与应用是从上世纪互十年代开始的，大西洋海岸渔业公司(Atlantic Coast Fisher)曾提出在液体石蜡中，以明胶为壁膜材料，制备含鱼肝油明胶微胶囊；20世纪50年代B.K Green和美国的NRC公司利用微胶囊技术研制成第一代无碳复写纸微胶囊，并实现工业化投放市场。Chang于1957年首次报道了生物活性物质的微囊化研究，将酶、蛋白质和激素等生物活性物质包封在选择性透过膜中，形成球状微胶囊，称为“生物微胶囊”。上世纪60年代，相分离技术应用于微囊化研究，将芯材包囊于高分子材料中，使微胶囊能定时释放。随后，医学界开发研制了一系列药用缓释胶囊，使微胶囊得到进一步发展。目前包埋技术已广泛应用于食品、轻工、医药、石化、农业生物技术等领域。
4 包埋技术在微生态制剂领域的应用
4.1 包埋技术的优势
包埋技术的优势在于形成微胶囊时，芯材被壁材包覆而与外界环境隔离，它的性质能较好地保留下来，在适当的条件下，壁材被破坏时又能将囊心释放出来。这给使用带来许多方便。①将益生菌通过微囊化转变成一种稳定的细粉颗粒，改变微生态制剂产品的形态，这种微胶囊产品具有良好的流动性和分散性，很容易与其它饲料混合均匀，便于运输、贮存和添加使用；②微生态制剂产品的耐酸性和热稳定性较差，但将其制成微胶囊产品后，由于微胶囊的保护，能够有效地防止菌体失活，提高微生态制剂产品的稳定性。采用肠溶性壁材后，还能防止胃液的破坏，而使尽可能多的菌体到达肠道，真正起到保健和治疗的作用③可将配伍禁忌的各种成分在同一产品中隔开。④使不溶于水的物质能均匀地分散在水溶性介质中。因此，微胶囊化有望提高益生菌在生产、贮存和消费过程中的稳定性，生产出耐贮存、耐高温、耐高压、耐酸性的微生态制剂。
4.2 包埋微囊化材料和方法
用于包裹、制作微胶囊所需的材料称为壁材，是决定微胶囊性能的关键因素之一。对壁材的要求主要有：无毒，免疫原性低，生物相容性好，可降解且产物无毒副作用。目前报道研究中使用较多的壁材主要有天然材料、半合成材料和高分子材料三大类。天然材料一般都具有无毒、成膜性好、免疫原性低、生物相容性好、可降解且产物无毒等优点，是目前最常用的微胶囊制备材料。尤其是海藻酸盐、壳聚糖等天然多糖，资源丰富，制备简单，具有很好的开发潜力。一般具有化学稳定性高和成膜性好的特点，但价格较高，生物相容性不好，冈此，目前的趋势是将天然材料与合成高分子材料混合作为制备微胶囊的材料，典型代表是海藻酸钠／聚赖氨酸微胶囊，但是聚赖氨酸的成本问题制约其广泛应用。
包埋微胶囊化的方法（周剑忠，2004）有很多种，根据其原理主要可分为物理法、物理化学法和化学法三种：(1)化学法：界面聚合法、原位聚合法、分子包接法、辐射化学法、锐孔法(聚合物的快速沉淀法)(2)物理化学法：单凝聚法、复凝聚法、油相分离法、囊芯交换法、粉末床法、熔化分散与冷凝法、复相乳液法(3)物理法：喷雾干燥法、喷雾冷却法、空气悬浮法、挤压法、锅包衣法、静电结合法、真空蒸发沉淀法、旋转分离法。由此建立的常见包埋技术见下表
4.3 国内外研究实例简介
微胶囊化包埋技术作为一种饲料加工的新方法在欧美也已十分普遍，利用微胶囊化技术生产的饲料添加剂已成为国际饲料现代工业中一类十分重要的配料。周剑忠等（2004）将乳酸菌与O.6％的海藻酸钠溶液混合后滴到1％的CaCl2溶液中固化，所得产品在低温和60℃条件下贮藏，乳酸菌的活菌数分别较未固定化产品提高了2个数量级和1个数量级。刘丽英等（2003）以海藻酸钠为壁材、CaCl2为固化液制备微胶囊，当海藻酸钠浓度为2％和3％、固化液CaCl2浓度为2％和3％时，乳酸菌的包被产率和包被效率均在90％以上，但干燥对微胶囊化乳酸菌的存活率有很大影响。魏华等（1998）采用喷雾干燥法对保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌进行了微胶囊化，发现活菌的保存期显著延长。
阳晖等（2006）人研究了以嗜酸乳杆菌为心材，海藻酸钠为壁材，复乳法制备益生菌微腔囊的工艺过程和方法。通过正交试验，确定了益生茵微胶囊化的较佳工艺：海藻酸钠浓度2%，乳化时间10min，搅拌速度400rpm，菌胶比例1:6。以该工艺制备的微胶囊具有较好的耐酸性和肠溶性，包封率在59.20％左右。
胡兆伟等（2010）人为提高被摄入人体的活性乳酸菌的活菌数，以微胶囊的形式对活性乳酸菌进行包埋，以多孔淀粉为内芯材，选取海藻酸钠、糊精、明胶为外壁材制成微胶囊，利用乳酸菌活菌计数法测定吸附包埋效果。通过正交试验，优选最佳包埋条件为：多孔淀粉5%，海藻酸钠2％，明胶4％，糊精5％，产品活菌数可达7.34 × 108cfu/g，包埋产率可达86.3％。
肖道安等（2007）用阿拉伯胶和β-环状糊精作为杜仲叶提取物的微胶囊壁材，利用喷雾干燥进行微胶囊化。研究发现，阿拉伯胶和β-环状糊精的配比为1:1时，微胶囊化能够达到较好的效果。查恩辉等（2008）采用明胶和蔗糖以3:7的质量比混合为壁材，另加入少量的蔗糖酯，包埋番茄红素，微胶囊的效率和产率最高，分别为91.26％和89.35％。杜静玲等（2007）聚天冬氨酸和明胶为混合壁材，采用单凝聚结合喷雾干燥法制备VA棕榈酸酯微胶囊，并经过7天的高温加速氧化实验，研究表明：聚天冬氨酸和明胶的质量比为1:1时，微胶囊化效果较好，可以较好的增加VA棕榈酸酯的稳定性。
宋渊（2008）用蛋白质-碳水化合物-油脂胶片包被婴儿双歧杆菌，显著提高了其在贮存中对温度、湿度和氧气的稳定性，在模拟胃液中能保持完整性，而在模拟肠液中又能迅速溶解。Iyer C(2005)用海澡酸盐-壳聚糖-淀粉包被干酪乳酸杆菌在模拟猪胃液中培养24小时没有显著的释放量(p>O.05)然而在模拟猪回肠液中培养8小时几乎全部释放，在模拟猪结肠中培养近12小时全部释放，在模拟猪十二指肠和空肠中培养24小时有一部分释放，这说明微胶囊包被可以抑制胃中不利环境，而在猪肠液中起作用。Lee JS(2004)用海澡酸酸钙-壳聚糖包被乳酸菌也得到了类似的结果。黄文等进行了喷雾干燥法制造微胶囊包被饲用微生物添加剂的工艺及技术研究，结果表明将微生物活菌制剂和变性淀粉、阿拉伯胶、糊精、玉米糖浆等原料混合溶解、均质、喷雾干燥，可制得包埋率高、产品质量好的饲用微生物添加剂，提高了微生物活菌制剂对制粒高温加热处理的抵抗能力。用海藻酸钠包被的乳酸杆菌、芽胞杆菌和黄芪多糖微胶囊制剂能很好抵抗酸性环境，可以降低酸性胃液对益生菌的破坏，提高益生菌在肠液中的数量能不同程度提高肉鸡生长性能，降低料肉比(P<0.05)，明显提高肉鸡的免疫力。山东农业大学常维山等用明胶和阿拉伯胶包被乳酸菌在室温下可活半年以上，并申请了国家发明专利。河北农业大学田洪涛等用海澡酸钠和明胶包被双歧杆菌，它具有良好的耐酸性、耐胆盐性、肠溶性，也申请了国家发明专利。中国农业大学饲料生物技术实验室在国家“863”高科技项目和国家“跨越计划”的资助下，成功研发了利用喷雾干燥法制备乳酸菌微胶囊的技术，并申请了国家发明专利。中科院大连化物所綦文涛等采用聚电解质络合固定化培养酵母细胞，发现葡萄糖利用率增高，缩短了发酵时间，并有效提高了菌体生长密度。目前，已有国外多种产品进入我国市场，如瑞士的粪链球菌微胶囊“赐美健”、荷兰的“百福菌”等，但是价格很高。
4.4 微囊化包埋存在的问题
首先在微胶囊的制备材料方面，如前所述，目前微胶囊壁材的研究主要集中于纤维素、明胶、海藻酸纳、糊精、阿拉伯胶等多糖胶质。乳化性能很好的大豆分离蛋白、乳清浓缩蛋白和酪蛋白酸钠等制作的壁材稳定性较差，已有研究表明乳清蛋白与碳水化合物混合使用，有望解决蛋白质壁材不稳定的难题，但是目前国内外对于乳清蛋白及其复合物等壁材的研究较少。中国农业大学目前正和加拿大拉瓦尔大学STELA乳品中心就新型微胶囊壁材的开发进行紧密合作，有关乳清蛋白复合壁材的前期研究成果部分已在Food Hydrocolloids等杂志上发表。其他有关新型壁才开发的研究也正在进行中。
在益生菌的微囊化方法方面，目前较多的是通过收集高密度的活菌和微胶囊制备材料混合，然后通过喷雾、挤压等方法进行成品的制备。总体上讲微囊化的产品性能得到很大提高，但同时也提高了成本，更主要的是高浓度的芯材，非常不利于得到球形度好，大小均一的微胶囊产品。而粒径的大小、颗粒表面结构直接影响到产品的溶解性、流动性、分散性和稳定性。另外，基于发酵前包被，通过包被后的再培养来控制菌体增殖和代谢的微囊化技术也得到了很好的发展，该方法不但利于得到球形度好，大小均一的微胶囊产品，而且可以实现微生物细胞的再培养，从根本上维持和提高其活性，并实现菌体密度的可控性。但目前由于制备成本很高，规模化的方法也未见报道，因此产品多见于医用行业的细胞移植和疾病辅助治疗。
5 结论与展望
随着新型壁材和包被技术的不断出现，微囊化微生态制剂技术及其产品正得到越来越广泛的应用，与其存在的巨大应用潜力相比，还有很大的发展空间。在我国，微胶囊技术研究与开发起步较晚（刘丽英，2004），水平相对落后，技术和产品的实际应用与国外相比还有一定差距，其主要障碍是生产成本高，缺乏良好的壁材和合适的工业化工艺与设备等。因此，微生态制剂的微囊化技术和产品开发需要材料、设备和工艺等多方面的支持。只有开发出性能良好、价格适中的新型材料、可供工业化的新型设备和简单易行的工艺，微囊化的微生态制剂才能真正满足我国饲料行业，甚至其它领域的需求。
