基于淀粉的乳液凝胶提高了益生菌的存活率：直链淀粉含量的影响

《Food Hydrocolloids》：Starch-based emulsion gels enhanced probiotic viability: effect of amylose content

本研究探究高 amylose 玉米淀粉（G50、G70）与普通玉米淀粉（NS）制备的乳液凝胶对益生菌（EcN）的保护效果。结果表明，高 amylose 淀粉形成的凝胶结构更致密、孔隙率更高，虽物理稳定性略低，但显著提升热稳定性（65°C/30 min、72°C/15 s）和体外模拟消化下的益生菌存活率，验证了淀粉 amylose 含量调控凝胶结构与功能的机制，为开发高效益生菌递送系统提供理论依据。

　　

陈子祺|顾正标|程莉|韩燕

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国无锡，214122

摘要

在食品加工、储存和胃肠道消化过程中，益生菌面临着巨大的生存挑战，这限制了它们在实际应用中的效果。基于淀粉的乳液凝胶是一种有前景的递送系统，可以增强益生菌的存活率。因此，本研究探讨了直链淀粉含量对基于淀粉的乳液凝胶结构及其对益生菌（大肠杆菌 Nissle 1917，EcN）保护效果的影响。使用普通玉米淀粉（NS）和高直链淀粉玉米淀粉（G50和G70）制备了负载EcN的乳液凝胶。系统地研究了这些乳液凝胶的微观结构、流变和质地特性、物理稳定性、热稳定性以及在模拟胃肠道条件下的益生菌存活率。随着直链淀粉含量的增加，乳液凝胶中的油滴尺寸增大，网络结构变得更加多孔，导致表观粘度和物理稳定性下降。然而，含有高直链淀粉（尤其是G70）的乳液凝胶在热处理（65°C/30分钟和72°C/15秒）和模拟体外消化过程中表现出更优异的保护性能，显著提高了益生菌的存活率。总之，调节直链淀粉含量是控制乳液凝胶结构和功能特性的有效方法，为开发高效的益生菌递送系统提供了理论基础。

引言

益生菌是活的微生物，当摄入适量时，可以通过改善肠道微生物群平衡来为宿主带来健康益处。它们在预防肠道疾病、增强免疫调节和促进营养吸收方面的作用已得到广泛证实（Ma等人，2023年；Divsalar等人，2025年）。随着健康食品市场的快速发展，将益生菌有效地结合到各种食品系统中已成为一个热门的研究课题。然而，要确立益生菌的健康益处，需要克服生产、储存和消化过程中的多种生存挑战（Grujovic等人，2025年；Liu等人，2025年）。在食品生产过程中，许多产品（如巴氏杀菌饮料和酸奶）所需的热处理会严重损害对热敏感的益生菌的活力（Hao等人，2021年）。摄入后，益生菌必须承受恶劣的胃肠道环境，特别是胃中的强酸性和胃蛋白酶，以确保足够的活细胞能够到达肠道进行定植（Liu等人，2025年）。这些瓶颈极大地限制了益生菌在广泛食品产品中的应用，并限制了其最终的健康效果。因此，开发一种有效的递送系统来保护益生菌并确保其生物活性已成为食品科学与工程领域亟需解决的关键挑战之一。

已经开发了多种封装系统来保护益生菌。其中，乳液凝胶是一种固体或半固体胶体分散系统，由于其独特的三维网络结构，成为一种非常有前景的新型递送系统（Yu等人，2024年；Bu等人，2025年）。与单一乳液或凝胶相比，复合乳液和凝胶通过多种设计具有更高的稳定性和可控性（Abdullah等人，2022年；Zhi等人，2023年）。该系统可以通过物理封装有效地固定益生菌，从而提供良好的物理稳定性。此外，其致密的基质可以减缓热量、氧气、胃酸和消化酶的渗透，从而提供多重保护功能。在构建乳液凝胶的生物聚合物中，基于淀粉的乳液凝胶因其广泛的可用性、低成本、优异的生物相容性和易于改性的淀粉而受到广泛关注（Sun等人，2023年）。例如，Zhang等人（2021年）通过将TEMPO氧化的高直链淀粉与各种金属离子交联，成功开发了一种新型大凝胶，该凝胶对生物活性物质以及副干酪乳杆菌表现出优异的封装效率和pH响应性保护。Wu等人（2025年）专注于颗粒状和分子状淀粉的转化，并制备了基于淀粉的乳液凝胶以实现姜黄素的有效封装和递送。然而，目前的研究主要集中在优化基于淀粉的乳液凝胶的宏观均匀性和物理稳定性上，而没有深入探讨淀粉分子的多尺度结构（特别是直链淀粉与支链淀粉的比例）与乳液凝胶的结构和功能特性之间的内在关联。这一知识空白阻碍了基于淀粉的乳液凝胶的进一步优化和针对性设计。

淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例是决定其物理化学性质的关键因素，尤其是其消化性和热稳定性。高直链淀粉玉米淀粉是抗性淀粉的主要来源。其线性分子结构容易发生降解，形成密集的结晶区域，有效抵抗酶促降解（Walsh等人，2022年；Niu等人，2025年）。直链淀粉含量与基于淀粉的材料的酶抗性和热稳定性呈正相关（Ding等人，2025年）。因此，我们假设增加淀粉中的直链淀粉含量可以利用其固有的抗消化性并提高其热稳定性，从而构建独特的凝胶网络。

在本研究中，选择了三种直链淀粉含量显著增加的淀粉：普通玉米淀粉（NS）、高直链淀粉玉米淀粉G50（G50）和高直链淀粉玉米淀粉G70（G70）。我们系统地研究了直链淀粉含量对乳液凝胶的微观结构、流变和质地特性、物理稳定性以及益生菌在模拟消化环境中的存活率的影响。本研究旨在阐明直链淀粉含量通过调节乳液凝胶的微观结构来调控其宏观性质和生物保护功能的内在机制，从而为开发高效和针对性的益生菌递送系统提供理论基础和新颖的设计策略。

材料

普通玉米淀粉（直链淀粉含量为23.21%），由山东寿光君恩金玉米发展有限公司（中国山东）提供。高直链淀粉玉米淀粉G50（直链淀粉含量为51.51%）和高直链淀粉玉米淀粉G70（直链淀粉含量为71.89%），由北京祥宇生物技术有限公司（中国北京）提供。大豆油购自益海凯瑞阿拉瓦纳控股有限公司（中国上海）。大肠杆菌 Nissle 1917（EcN）由Sangon Biotech提供

基于淀粉的乳液凝胶的外观

使用三种淀粉原料制备的负载EcN的基于淀粉的乳液凝胶的外观如图2所示。所有三个样品均为乳白色、固体且呈凝胶状，表面光滑，质地均匀。样品均未出现明显的分层或裂纹，保持了完整的形状，表明其稳定性很高。这是由于颗粒的界面排列和填充效应（Zhao等人，2022b）。

结论

在本研究中，我们系统地比较了不同直链淀粉含量（NS、G50和G70）的乳液凝胶的性质。直链淀粉含量显著影响基于淀粉的乳液凝胶的微观结构和宏观性质。虽然含有高直链淀粉玉米淀粉的乳液凝胶形成了更刚性、更有序的网络，孔隙较大，导致其宏观物理稳定性略低于基于NS的乳液凝胶，但

作者贡献声明

陈子祺：撰写——原始草稿、软件、方法论、概念化。顾正标：监督、正式分析。程莉：验证、监督。韩燕：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念化

未引用的参考文献

Throat和Bhattacharya，2025年；Vamadevan和Bertoft，2020年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22276078和32302066）、江苏省的学位和研究生教育与教学改革项目（JGKT25_B035）以及江南大学合成与生物胶体重点实验室基金会（1042050205255750/010）的支持。