《Animal Feed Science and Technology》：Microencapsulation of yeast in palm fat beads to improve thermal resistance during the production of animal feed pellets
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为解决饲料制粒过程中的高温会灭活酿酒酵母等热敏性益生菌添加剂的问题，研究人员通过氢化棕榈仁油(HPKO)微囊化技术，制备了包裹酿酒酵母子囊孢子的HPKO微珠和核壳胶囊。研究证实，两种包裹形式均显著提高了酵母在55-70°C短时暴露下的存活率，并增强了其胃酸稳定性。该研究为开发适用于高温加工饲料的热稳定型益生菌添加剂提供了创新策略。
在畜牧业中，抗生素曾作为生长促进剂被广泛使用，但随着欧盟、美国和中国等地相继因其可能导致的抗生素耐药性问题而颁布禁令，寻找安全有效的替代方案变得日益紧迫。功能性饲料添加剂，如益生菌，因此成为研究热点。其中，酿酒酵母因其公认的安全性、益生功效（如改善消化功能、提高饲料转化率和增强宿主免疫力）而被视为有潜力的替代品。然而，一个关键挑战横亘在产业化的道路上：现代饲料生产普遍采用制粒工艺，这个过程中产生的高温（通常超过50°C）极易导致酿酒酵母等热敏性益生菌失活，使其无法在最终产品中保持活性，从而丧失预期功效。如何保护这些“娇贵”的微生物安全度过高温“烤”验，并最终在动物肠道中发挥作用，成为了科研人员亟待解决的难题。
为了攻克这一难题，研究人员将目光投向了微胶囊化技术和相变材料的巧妙结合。他们的核心思路是：利用一种能在接近酵母失活临界温度（约50°C）时发生熔化的材料，将酵母包裹起来。当环境温度升高时，包裹材料通过吸收熔化潜热（相变过程）来“缓冲”温度上升，为内部的酵母细胞争取宝贵的生存时间。基于此，英国拉夫堡大学化学工程系的J. Turner、M. Bedford、A.G.F. Stapley和D.J. Malik在《Animal Feed Science and Technology》上发表了一项研究，系统评估了利用氢化棕榈仁油(HPKO)包裹酿酒酵母子囊孢子，以提高其在模拟饲料制粒条件下的热稳定性和胃酸稳定性。
为了开展这项研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先，利用Buchi B-390微胶囊包埋仪，通过挤压法，以HPKO为壁材，制备了包裹酿酒酵母子囊孢子的简单HPKO微珠和具有连续脂质外壳的HPKO核壳胶囊。其次，建立了模拟饲料制粒的热灭活动力学实验模型，将上述微胶囊与模拟饲料粉混合，置于薄壁金属小瓶中，在55-70°C不同温度下暴露特定时间，随后通过平板计数法测定活菌数，并采用韦伯(Weibull)概率模型拟合数据，计算尺度参数(α)、形状参数(β)和十进制减少时间(D值)来定量评估热稳定性。此外，研究还评估了微胶囊在模拟鸡胃酸环境（pH 1, 37°C）下的稳定性，以及其在4°C下长达6个月的贮存稳定性。对微胶囊的物理化学表征则使用了扫描电子显微镜(SEM)观察形貌，以及差示扫描量热法(DSC)分析HPKO的熔化和相变焓。
3.1. 表征和粒径分析
研究人员成功制备了HPKO微珠和HPKO核壳胶囊。HPKO微珠平均直径约为700 μm，酵母包封效率达90%，滴度为3×106CFU/g。而HPKO核壳胶囊平均直径约为450 μm，尽管包封效率同样为90%，但由于脂质含量更高，其初始酵母滴度较低，为3×105CFU/g。扫描电镜图像清晰显示了微珠的内部多孔结构以及核壳胶囊清晰的核-壳分层结构。
3.2. 差示扫描量热法
DSC分析显示，纯HPKO的熔融峰值在约47°C，熔融焓为105 J/g。当HPKO与酵母水溶液形成乳液后，所制备的微珠和核壳胶囊的熔融焓分别降至69.5 J/g和92.4 J/g，熔融温度范围也略有变化。这证实了HPKO作为相变材料，其熔化行为可用于在关键温度附近吸收热量。
3.3. 热灭活动力学
这是本研究最核心的部分。实验结果表明，在55°C、60°C、65°C和70°C下，两种HPKO微胶囊包裹的酵母子囊孢子存活率均显著高于未包裹的对照组。特别是在70°C时，未包裹的子囊孢子被完全灭活，而HPKO微珠和核壳胶囊中的酵母则仍能检测到存活细胞，尽管存活时间短暂。通过Weibull模型拟合计算出的D值表明，在55-65°C范围内，包裹 formulations 的D值更高，意味着热灭活速度更慢。其中，HPKO核壳胶囊在55-65°C的热保护效果略优于HPKO微珠，这得益于其更高的脂质含量提供了更多的相变材料。然而，这种更好的热保护是以更低的初始细胞负载量为代价的。
3.4. 胃酸稳定性
在模拟鸡胃酸（pH 1）的环境中暴露90分钟后，未包裹的酵母子囊孢子存活数下降了2.6个对数值(log10)，而包裹在HPKO微珠中的子囊孢子仅下降了1.5个对数值。这表明HPKO包裹为酵母提供了一层疏水屏障，显著增强了其抵御胃酸侵蚀的能力，提高了益生菌到达肠道并发挥作用的机会。
3.5. 贮存稳定性
经过长达6个月的4°C冷藏贮存，无论是未包裹的还是两种HPKO微胶囊包裹的酵母子囊孢子，其存活率均未表现出显著差异。这表明HPKO包裹工艺本身不会对酵母的长期贮存稳定性产生负面影响。
研究结论与讨论
本研究得出结论，利用氢化棕榈仁油(HPKO)对酿酒酵母子囊孢子进行微胶囊化（无论是微珠还是核壳胶囊形式），是一种能有效提高其在饲料高温制粒过程中热稳定性的策略。其保护机制主要归因于HPKO的相变行为：它在略低于50°C时熔化，吸收潜热，从而减缓了热量向内部酵母细胞的传递速度，延迟了热灭活的开始并改变了灭活动力学。核壳胶囊由于含有更高比例的HPKO，在55-65°C提供了略优于微珠的热保护，但其代价是初始细胞负载量降低了约1个对数值。此外，HPKO包裹还将酵母的胃酸稳定性提高了约1个对数值，而长达6个月的贮存稳定性则与未包裹酵母相当。
这项研究的意义十分重大。它不仅仅证实了一种提高益生菌热稳定性的方法，更重要的是引入并验证了“利用脂质相变材料作为热缓冲剂”这一创新性功能概念。这为开发适用于高温加工饲料（以及其他需要热加工的功能性食品）的活菌制剂提供了全新的设计思路。该研究直接回应了畜牧业在“禁抗”后对高效、稳定益生菌添加剂的迫切需求，为解决益生菌在工业化饲料生产中存活率低这一长期瓶颈问题提供了切实可行的技术方案。尽管研究也指出了当前方案的局限性，如热保护在超过70°C时有限、核壳胶囊细胞负载量较低，以及实验室条件与真实工业制粒环境（存在剪切力、压力、摩擦生热等变量）的差异，但这些恰恰为未来的优化研究指明了方向，例如尝试包裹高浓度的喷雾干燥酵母以提高负载量，或进一步优化胶囊结构。总体而言，这项工作通过巧妙的材料选择和工程化设计，在益生菌的加工稳定性、消化道靶向递送和长期贮存之间取得了良好平衡，为推动下一代功能性饲料添加剂的开发奠定了坚实的科学基础。
