碱性pH位移绿豆蛋白用于喷雾干燥益生菌包封：分子细胞壁相互作用与氧化保护机制研究

《Food Chemistry: X》：Alkaline-pH-shifted mung bean protein isolate for spray-dried probiotic encapsulation: Insights into molecular cell wall interactions and oxidative protection

本研究针对喷雾干燥过程中益生菌因热和氧化应激导致存活率低的问题，开发了碱性pH位移处理的绿豆蛋白分离物（pHMBPI）作为新型包封材料。通过分子动力学模拟和实验验证，发现pHMBPI通过增强与细胞壁靶点（如肽聚糖、Mub-RV、SRRP53608）的静电相互作用，显著提高益生菌Limosilactobacillus reuteri KUB-AC5在干燥和胃肠消化中的存活率（消化后存活率达8.05 log CFU/g），并有效抑制脂质过氧化（双烯丙基质子保留率85.2%）。该研究为植物基包封剂在功能性食品中的应用提供了新策略。

　　

益生菌作为活的微生物，在适量摄入时能为宿主健康带来益处，尤其在调节肠道菌群和促进消化健康方面备受关注。然而，益生菌在工业化生产、储存以及人体消化过程中常常面临严峻的生存挑战。喷雾干燥技术虽然能够高效制备益生菌粉末，但高温、脱水以及氧化应激等多重胁迫会严重损害益生菌的细胞壁和细胞膜结构，导致其存活率大幅下降。目前常用的包封材料如乳清蛋白分离物（WPI）虽具保护效果，但存在成本高、潜在过敏风险以及环境可持续性等问题。因此，开发一种经济、安全且高效的植物基替代包封材料成为当前研究的重要方向。

绿豆蛋白分离物（MBPI）因其低过敏性、营养均衡以及成本较低而显示出潜力，但其水溶性差限制了应用。通过碱性pH位移处理（pH-shifting），可改善其溶解性和功能特性。本研究系统评估了碱性pH位移处理的绿豆蛋白分离物（pHMBPI）作为喷雾干燥益生菌包封材料的效果，并深入探讨了其与益生菌细胞壁相互作用的分子机制。

研究团队通过碱性pH位移处理制备了pHMBPI，并比较了其与未处理的MBPI以及WPI在溶解度、表面疏水性以及抗氧化活性等方面的差异。利用喷雾干燥技术制备了包封有Limosilactobacillus reuteri KUB-AC5的微胶囊，并通过扫描电子显微镜（SEM）、核磁共振（NMR）以及分子动力学模拟（MD Simulation）等技术，系统评估了包封效果、脂质过氧化程度、细胞损伤情况以及胃肠环境下的存活率。

研究结果显示，pHMBPI表现出最高的溶解度（82.66%）、表面疏水性（3574）以及ABTS自由基清除活性（91.62%）。在喷雾干燥后，pHMBPI包封的益生菌细胞壁损伤率最低（25.31%），细胞膜损伤率仅为10.22%，存活率高达9.91%，活菌数达1.49×10⁹CFU/g。在模拟胃肠消化过程中，其存活率仍保持在8.60 log CFU/g（胃液）和8.05 log CFU/g（肠液）。NMR分析进一步证实，pHMBPI能有效抑制脂质过氧化，保留85.2%的双烯丙基质子。分子动力学模拟揭示了pHMBPI中的8S-α-球蛋白与细胞壁靶点（如肽聚糖、Mub-RV和SRRP₅₃₆₀₈）之间存在强烈的静电相互作用，从而增强了包封层的稳定性。

本研究通过碱性pH位移处理显著提升了绿豆蛋白的包封性能，不仅为喷雾干燥益生菌提供了高效保护，还通过分子机制解析为植物基包封材料的开发提供了理论依据。pHMBPI作为一种经济、可持续的包封剂，在功能性食品和膳食补充剂领域具有广阔应用前景。

主要研究方法

研究通过碱性pH位移处理改性MBPI，并比较其与WPI、MBPI的理化性质（溶解度、表面疏水性、抗氧化活性）。利用喷雾干燥技术制备益生菌微胶囊，通过细胞损伤检测、脂质过氧化分析（NMR）、胃肠存活率实验以及分子动力学模拟，系统评估包封效果和作用机制。样本为L. reuteri KUB-AC5（源自禽类胃肠道菌株库）。

3.1 包封剂的溶解度和表面疏水性

pHMBPI的溶解度（82.66%）和表面疏水性（3574）均显著高于未处理的MBPI，但低于WPI。碱性pH位移处理通过部分展开蛋白结构，暴露亲水基团，同时保留疏水区域，从而平衡了水分散性和界面活性。

3.2 包封剂的抗氧化活性

pHMBPI的ABTS自由基清除活性最高（91.62%），归因于其结构灵活性增加了抗氧化氨基酸（如酪氨酸）的可及性。分子动力学模拟显示，其随机线圈含量增加，进一步促进了自由基清除能力。

3.3 脂质过氧化分析

pHMBPI包封的细胞在喷雾干燥后脂质过氧化程度最低，双烯丙基质子保留率达85.2%，显著高于其他组。这表明pHMBPI通过形成抗氧化屏障，有效抑制了活性氧（ROS）对细胞膜不饱和脂肪酸的攻击。

3.4 细胞损伤与存活率

pHMBPI组细胞壁和细胞膜损伤率最低（25.31%和10.22%），存活率最高（9.91%）。扫描电镜显示其包封的细胞形态完整，表面光滑，证实了优异的物理保护效果。

3.5 胃肠环境下的存活率

在模拟胃肠消化中，pHMBPI组存活率始终高于其他组，凸显其对抗胃酸和胆汁盐的双重保护能力。

3.6 分子相互作用机制

分子动力学模拟表明，碱性pH位移处理增强了8S-α-球蛋白与细胞表面蛋白（如Mub-RV、SRRP₅₃₆₀₈）的静电结合，尤其在高温（130°C）下结合能显著增加（如8S-Mub-RV结合能达-2619.2 kJ/mol）。这种空间选择性的相互作用为益生菌提供了紧密的分子级保护。

结论与意义

本研究证实碱性pH位移处理可通过调控蛋白构象，优化绿豆蛋白的包封性能。pHMBPI不仅为益生菌提供了物理屏障和抗氧化保护，还通过靶向细胞壁相互作用增强了稳定性。该策略为替代动物源包封材料提供了可行路径，对推动功能性食品的可持续发展具有重要意义。