由金属酚类网络涂层包封的植物乳杆菌的制备及其功能特性

《Food Bioscience》：Preparation and Functional Characteristics of Lactobacillus plantarum Encapsulated by Metal Phenolic Network Coatings

本研究以茶多酚（GA、EGC、EGCG）为前体，通过Fe3+和Ca2+离子配位构建乳酸杆菌MPNs涂层，发现EGCG-Fe3+涂层具有最大厚度（1584 nm）、最强金属-酚酸配位及优异稳定性，其抗氧化能力达75.9%和98.96%，抗菌率78.7%，且经胃和小肠消化后活菌数仍超过10? CFU/mL，为优化益生菌包埋技术提供理论依据。

　　

赵思如|陈嘉硕|赵月英|张双

中国哈尔滨市东北农业大学食品科学学院，邮编150030

摘要

金属-酚类网络（MPNs）具有快速成膜和表面改性的潜力，但其材料选择和作用机制尚未得到充分研究。本研究使用没食子酸（GA）、表没食子儿茶素（EGC）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）作为多酚前体，通过与铁（Fe³⁺）或钙（Ca²⁺）离子的配位，在植物乳杆菌（L. plantarum）表面构建了MPNs涂层。系统分析表明，多酚结构和金属离子（Fe³⁺ > Ca²⁺）显著影响涂层性能，其中EGCG-Fe³⁺涂层具有最厚的厚度（1584 nm）、最强的金属-酚类配位能力和最高的稳定性。该涂层还表现出显著的功能提升：优异的抗氧化能力（DPPH清除率75.9%，ABTS清除率98.96%）、高抗菌率（78.7%），以及良好的胃肠道耐受性，在整个消化过程中细胞数量保持在10⁷ CFU/mL以上。这些发现阐明了MPNs的形成机制，为优化益生菌封装系统中的多酚-金属配位提供了理论基础，从而增强其功能并扩展其在益生菌食品开发中的应用。

引言

植物乳杆菌（L. plantarum）是一种被欧洲食品安全局和美国食品药品监督管理局认定为安全的益生菌，已被证明对肠道疾病具有疗效。然而，其生物活性受到较高口服摄入量需求（Fijan, 2014）和环境压力的限制。传统的微胶囊化技术如喷雾干燥、冷冻干燥、挤出和乳化（Camelo-Silva et al., 2023）可以提高摄入后的存活率（Rashidinejad et al., 2022），但存在颗粒大小不均匀（Y. Wang et al., 2021）、泄漏和机械损伤等问题，从而降低生物利用度（Asgari et al., 2020）。新兴的单细胞封装技术，包括脂质自组装、仿生矿化、静电沉积和金属-酚类网络（MPNs），能够提供细胞保护，响应环境条件（如pH值或酶降解），并实现活性成分的靶向肠道释放，显著提高生物利用度。MPNs涂层以其简单的制备过程、温和的反应条件和自组装特性而受到关注（P. Liu et al., 2021），通过金属离子与酚类羟基的孤对电子配位形成保护层（Ambrosi et al., 2008），从而增强益生菌的功能，如肠道粘附（M. Wang et al., 2025）、对紫外线辐射（Park et al., 2014）和冷冻干燥条件（T. Zhang et al., 2025）的耐受性。

MPNs涂层显著提升了单细胞益生菌的保护效果。例如，单宁酸（TA）-Fe³⁺涂层可吸收超过90%的抗生素（Pan et al., 2022），而TA-Ca²⁺涂层可增强乳双歧杆菌的抗氧化应激能力，并使其在肠道中的停留时间超过96小时（Wang et al., 2025）。TA-Fe³⁺涂层还分别提高了39.6倍和32.7倍的结肠粘附性和生物利用度（Luo et al., 2023）。TA-Ca²⁺包覆的婴儿双歧杆菌在鼠模型中表现出对溶菌酶的更强抵抗力，并减少了79.1%的致龋链球菌数量（Cao et al., 2025）。此外，TA-Mg²⁺包覆的布尔氏酵母可改善结肠健康和微生物群多样性（Qian et al., 2025），而多酚的粘附性使其能够整合到如坡缕石纳米管等材料中，扩展了其治疗应用，包括抗炎、止泻和止血效果（Chen et al., 2025）。涂层性能随着结构的优化而提高，三层TA-Fe³⁺结构的涂层在微藻中的抗生素抗性比单层涂层高26.1%（X. Li et al., 2023）。然而，效果受反应条件、多酚-金属离子比例（Cheng et al., 2022）、添加顺序（Q. Wang et al., 2024）和系统选择等因素的影响，较高的酚类羟基含量有利于提高效率（Lin et al., 2019）。尽管如此，多酚结构和金属离子特性对MPNs的形成、稳定性和功能的影响仍不完全清楚。

本研究假设富含焦性没食子酚基团的多酚与高价金属离子结合，可以形成更厚、更稳定且功能更优的MPNs涂层。研究了富含抗氧化成分的不同分子结构的茶多酚——没食子酸（GA）、表没食子儿茶素（EGC）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG），以及Fe³⁺和Ca²⁺的作用。通过评估涂层厚度、形态、配位机制、细胞存活率、抗氧化和抗菌性能以及胃肠道稳定性，进一步优化了基于多酚的MPNs在益生菌应用中的设计。

材料

没食子酸（GA）、表没食子儿茶素（EGC）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）购自上海麦克莱恩生化技术有限公司。无水氯化钙（CaCl₂）和氯化钠分别来自天津恒星试剂公司和天津天利有限公司。六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）购自天津智源化学试剂有限公司。此外，还使用了胃蛋白酶、胰蛋白酶、磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）和2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH·）。

MPNs@植物乳杆菌的粒径和ζ电位分析

GA、EGC和EGCG中的酚类羟基最初会吸附在植物乳杆菌表面。加入Fe³⁺后，悬浮液迅速变为蓝色，这是由于形成了Fe³⁺-多酚复合物（Ejima et al., 2013），随着酚类羟基含量的增加（GA < EGC < EGCG），颜色变为紫色（见图1a）。相比之下，Ca²⁺的加入不会引起颜色变化，因为其电子构型缺乏d-d跃迁（Geng et al., 2022）。

如图1b和图S1所示，

结论

本研究使用与Fe³⁺和Ca²⁺配位的GA、EGC和EGCG在植物乳杆菌表面构建了MPNs涂层，阐明了多酚结构和金属离子性质对涂层性能的影响。涂层厚度与分子大小和酚类羟基的配位能力相关：EGCG > EGC > GA。FT-IR分析和ICP-MS结果显示，Fe³⁺-多酚配位比Ca²⁺更强，其中焦性没食子酚基团的作用更为显著。

CRediT作者贡献声明

张双：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。赵月英：数据可视化、软件处理。陈嘉硕：方法设计、数据整理。赵思如：初稿撰写、实验设计、概念构思

未引用参考文献

Chen et al., 2021; Li et al., 2023; Liu et al., 2021; Wang et al., 2025; Wang et al., 2020; Wang et al., 2024; Zhang et al., 2025.

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究工作的财务利益或个人关系。