Zein纳米颗粒和中国木瓜籽多糖纳米涂层增强了益生菌MC1的稳定性以及酸奶的口感

《Food Hydrocolloids》：Zein Nanoparticles and Mesona Chinensis Polysaccharide Nanocoatings Enhance Probiotic MC1 Stability and Yogurt Texture

　　

赵东宇|吕明春|李泽坤|吴开文|魏志成|李星|刘向宇|李启明|刘荣梅|梁尚云|文鹏晨|李远

中国农业大学食品科学与营养工程学院食品胶体与功能传递研究中心，北京100083，中华人民共和国

摘要

在复杂的加工过程和体内消化中提高益生菌的存活率对于解决益生菌功能食品开发的瓶颈以及验证其健康促进效果至关重要。在这项研究中，我们使用基于食品的生物大分子（包括醇溶蛋白纳米颗粒（ZNPs）和Mesona chinensis多糖（MCP），分别通过静电自组装和Ca²⁺-羧基配位，在具有降低尿酸活性的益生菌MC1上合成了两种结构和功能不同的纳米涂层。系列表征验证表明，这两种纳米涂层具有均匀的微观结构、稳定的物理化学性质和良好的生物相容性，并且没有抑制益生菌的代谢活性。具体来说，由于其疏水性质，ZNP纳米涂层显著提高了MC1的热稳定性和储存存活率；而MCP纳米涂层通过羧基的H⁺缓冲作用增强了菌株对酸和胆盐的耐受性。此外，两种纳米涂层均通过氢键形成增强了MC1在肠道黏液中的附着能力。当MCP-MC1作为辅助发酵剂与商业菌株共同发酵酸奶时，发现产品在28天储存后可保持高达10^8.72 CFU/mL的活细胞数量，不稳定指数低至0.82±0.03，其流变特性也优于单一菌株发酵的酸奶。这项工作为提高含有活性益生菌的功能食品的稳定性和质量提供了一种有用的技术方法。

引言

益生菌被定义为“在适当数量下能够为宿主带来健康益处的活微生物”（Hill等人，2014年）。这些微生物在促进人类健康和治疗肠道疾病方面具有巨大潜力，它们通过调节肠道稳态（Fujiya & Kohgo，2010年）、调节免疫反应（Santonocito等人，2024年）、改善代谢活动和增强宿主免疫力（Belguesmia等人，2019年；Markowiak-Kopec & Slizewska，2020年）发挥作用。然而，在从加工到胃肠道传输的过程中，益生菌会遇到多种压力因素，这些因素会严重损害它们的生理功能（Zhang等人，2024a年）。在加工和储存过程中，冷冻干燥、高温和机械应力等因素会破坏益生菌的细胞膜（Yuan等人，2024年），引起蛋白质变性并降低其代谢活性，从而导致益生菌存活率显著下降（Wang & Zhong，2023年）。进入人体后，益生菌必须承受高度酸性的胃环境（pH 1.5–3.0），然后在小肠中面对胆盐和消化酶（Luan等人，2023年），并进一步逃避免疫系统的清除，同时与肠道内原有的微生物群竞争定植位点，才能通过共生相互作用发挥有益作用（例如免疫调节和代谢调节）（Wang等人，2021年）。因此，在加工、储存和胃肠道传输过程中保持口服益生菌的高存活率是确保其功效的关键前提。

为了解决这一挑战，使用食品级大分子对益生菌进行表面包覆已成为维持其高存活率的有效策略（Cao & Liu，2024年）。来自食品来源的大分子蛋白质和多糖被广泛用作益生菌保护剂，因为它们具有优异的生物相容性、高安全性和多功能性（Bhutto等人，2025年）。这些壁材料不仅能够保护益生菌免受环境压力的影响，还能促进其在肠道中的附着和定植。此外，某些多糖还具有益生元特性。其中，醇溶蛋白是一种疏水性玉米蛋白，可以通过反溶剂沉淀法制备成醇溶蛋白纳米颗粒（ZNPs）（Oleandro等人，2024年）。独特的疏水性ZNPs可能具有防水性能，有利于益生菌的包覆。然而，它们在益生菌表面包覆中的应用尚未得到充分探索。

Mesona chinensis多糖（MCP）是一种阴离子多糖，具有双重食品和医疗应用，具有抗氧化、抗炎和调节肠道微生物群的特性。其分子结构中的羧基可以通过金属离子-羧基配位形成多糖网络（Zhang等人，2024b年）。我们的研究小组之前已经证明，基于MCP的微凝胶可以有效保护益生菌在肠道传输过程中的存活率并增强其定植能力（Zhang等人，2024b年）。然而，这些基于MCP的微凝胶主要作为独立的载体用于益生菌封装，而不是直接在益生菌细胞表面形成涂层。这种直接的表面涂层策略可能在包括加工和胃肠道传输在内的压力条件下为益生菌提供更精确和有效的保护。为了克服这一限制并进一步探索MCP的应用潜力，本研究旨在开发一种直接的表面涂层策略，这之前尚未被报道。

本研究为一种降低尿酸的益生菌Lactobacillus paracasei MC1设计了两套定制的单菌表面涂层系统，使用ZNPs和MCP作为壁材料。核心目标是在加工、储存和胃肠道传输过程中解决益生菌存活率低的问题，并验证涂层益生菌在发酵牛奶中的应用价值。具体而言，分别通过静电自组装和金属离子-羧基配位策略，将带正电的ZNPs和带负电的MCP组装到益生菌表面，制备了ZNPs涂层益生菌（ZNPs-MC1）和MCP涂层益生菌（MCP-MC1）（图1A）。随后进行了系统性的表征，以验证涂层系统的微观结构和表面特性，并确认温和涂层过程对益生菌存活率的保护效果。此外，还进行了体外压力实验，系统评估了两种涂层对益生菌耐受性、肠道附着能力和储存稳定性的增强效果（图1B）。最后，将涂层益生菌应用于发酵牛奶加工中，研究它们与传统发酵剂相结合对乳酸菌存活率、酸奶风味和储存期间物理化学性质的改善作用（图1C）。这项研究扩展了食品生物大分子ZNPs和MCP在益生菌纳米涂层保护中的应用，为提高功能食品中益生菌的稳定性、营养价值和口感提供了新的策略。

章节片段

材料

醇溶蛋白是从中国北京的Solarbio Science & Technology Co., Ltd.购买的。MCP由中国的厦门兴顺祥泰食品有限公司提供。CytoDet细胞活力测定试剂盒（CCK-8）由中国湖南省的Aikui Biological Engineering Co., Ltd.提供。化学试剂包括戊二醛、正十六烷、二甲苯、牛胆盐和Triton-X-100均来自中国的McLean Biochemical Technology Co.。胃蛋白酶购自Sigma-Aldrich。

在益生菌MC1上制备和表征Mesona chinensis多糖（MCP）或醇溶蛋白纳米颗粒（ZNPs）纳米涂层

MC1最初是从中国西北部的传统发酵食品“江水”中分离出来的，证明具有降解尿酸的能力。为了提高其在加工和储存条件下的存活率，图1A展示了两种定制设计的食品生物大分子纳米涂层对益生菌MC1的保护作用。首先，使用醇溶蛋白作为壁材料，通过反溶剂法制备了带正电的醇溶蛋白纳米颗粒（ZNPs）。

结论

本研究旨在通过开发食品级涂层系统来解决益生菌在加工、储存和胃肠道传输过程中的存活率低的问题，并验证其在酸奶中的应用效果。通过静电相互作用制备的ZNPs-MC1显著提高了MC1的热稳定性（在75 °C处理后存活率为10^5.26 CFU/mL），并在37 °C/55% RH条件下储存14天后存活率为10^7.63 CFU/mL，同时减少了水分侵入。

CRediT作者贡献声明

刘荣梅：资源准备。梁尚云：方法论设计。文鹏晨：撰写、审阅与编辑。李远：监督。赵东宇：初稿撰写、方法论设计。吕明春：撰写、审阅与编辑。李泽坤：数据管理。吴开文：数据管理。魏志成：数据分析。李星：实验设计。刘向宇：撰写、审阅与编辑。李启明：资源准备、实验设计。

未引用参考文献

Ayed等人，2024年。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

作者没有需要声明的竞争性利益。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC（32172345）、北京Nova计划（20240484677）、四川省科技计划（2025YFHZ0048）和中国海南省自然科学基金（326QN0646）的支持。