综述：先进合生元递送平台：整合海藻酸盐益生元共包封剂用于功能性食品中的益生菌保护

本综述系统探讨了基于海藻酸盐的合生元包封系统，重点介绍了利用可发酵纤维（如FOS、GOS、菊粉）进行共包封以增强益生菌在加工、储存及胃肠道传输中存活率的创新策略。文章详述了多种多糖、蛋白质及脂质涂层（如壳聚糖、果胶、纤维素）在构建多层或复合胶囊中的作用，这些载体不仅能提供 superior protection（ superior protection ），还能改善终产品的感官特性。尽管前景广阔，但该领域仍面临规模化、体内验证及法规协调等挑战，为下一代合生元递送系统的工程设计指明了方向。

　　

先进合生元递送平台：整合益生元海藻酸盐共包封剂用于益生菌保护

引言

功能性食品设计的近期进展强调了合生元包封系统的重要性，该系统能通过共递送益生元来同步保护益生菌并刺激其活性。益生菌通常包括乳酸杆菌（Lactobacillus）、双歧杆菌（Bifidobacterium）、酵母菌（Saccharomyces）、链球菌（Streptococcus）和肠球菌（Enterococcus）等物种，是活的微生物，当摄入足够量时能为宿主带来健康益处。这些益处包括增强肠道屏障功能、在胃肠道中与病原体竞争、调节免疫反应和影响代谢过程。益生元是“被宿主微生物选择性利用并赋予健康益处的底物”。合生元方法（将益生菌与支持性益生元纤维相结合）通过增加肠道微生物多样性和短链脂肪酸生产进一步增强这些效果。功能性食品提供超出基本营养的健康益处，含有能积极影响生理、降低慢性疾病风险或改善幸福的生物活性化合物。因此，富含益生菌的功能性食品越来越受欢迎，全球销售额从2018年的494亿美元预计增长到2023年的693亿美元。为了达到最高功效水平，益生菌食品在摄入时的活菌数必须达到10⁶–10⁷ CFU/g。尽管前景广阔，但益生菌递送面临存活挑战。活培养物在制造、储存和消化过程中对应激源敏感，包括低pH、氧化应激、热、干燥和胆汁盐。没有保护，许多菌株会经历 dramatic die-off，只有20–40%存活到结肠。微胶囊化是一种有前景的保护益生菌的策略。通过将益生菌包裹在聚合物珠或膜中，可以屏蔽胃部条件直至肠道释放。海藻酸是一种β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸的线性共聚物，与Ca²⁺瞬间凝胶，价格低廉，通常被认为是安全的（GRAS），并在温和条件下形成水合凝胶。海藻酸钠基质用途广泛、生物相容且无毒，保护细胞免受不利pH和氧气的影响。海藻酸盐颗粒已成功用于酸奶、奶酪、果汁甚至烘焙食品中以改善益生菌稳定性。然而，纯海藻酸盐珠是多孔的，在低pH下会膨胀或溶解，导致过早释放，并且会被剥离Ca²⁺的盐或螯合剂削弱。为了增强稳定性，研究人员使用了各种增强策略。一种常见的方法是用聚阳离子聚合物（如壳聚糖）涂覆Ca-海藻酸盐核心，壳聚糖与海藻酸盐的羧基静电相互作用，形成减少孔径、防止泄漏和提高对Ca²⁺螯合剂抵抗力的薄膜。其他方法将海藻酸盐与蛋白质（乳清或大豆）或多糖（黄原胶、卡拉胶、纤维素衍生物）混合，以创建具有更大机械强度和耐酸性的更密集网络。尽管海藻酸盐提供简单性和生物相容性，但它通常需要其他聚合物的修饰或支持以实现所有保护功能。共包封或合生元包封将益生菌与益生元或其他共包封剂捕获在单个载体中，增强基质稳定性、控制释放并提供营养以刺激细菌代谢。将菊粉或抗性淀粉嵌入海藻酸盐珠中可减少孔隙率并提供碳源。菊粉等益生元还能保护细胞并将存活率维持在10⁷ CFU/g以上，与非合生元珠不同。除了简单的添加，研究人员正在探索日益复杂的构建体。据报道，新型“合生元珠”将海藻酸盐与细菌纤维素壳和支链淀粉（一种真菌多糖）相结合，以最大化结肠递送。Kistaubayeva及其同事设计了由细菌纤维素增强的海藻酸盐-支链淀粉珠：这些三重复合珠在模拟胃传输中的存活率远优于仅海藻酸盐的对照，并且支链淀粉提供了额外保护，使得在结肠模拟过程中细胞计数甚至增加。尽管有这些进展，但关键的知识差距仍然存在。许多研究展示了孤立的配方，但很少有综述全面专门调查基于海藻酸盐的共包封。本综述批判性地综合了基于海藻酸盐的益生菌包封系统与益生元共包封剂的最新进展，重点关注它们在增强存活率、结肠靶向递送和功能性能中的作用。它进一步 delineates 关键挑战，并提供了一个框架来指导海藻酸盐共包封技术的未来创新。

方法学

本综述通过2000年至2025年间在PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar上的结构化文献检索制备。关键词如“益生菌”、“包封”、“海藻酸盐”、“共包封”、“合生元递送”、“菊粉”、“低聚果糖（FOS）”、“低聚半乳糖（GOS）”、“抗性淀粉”和“功能性食品”被单独和组合应用。如果研究检查了基于海藻酸盐的包封、模拟胃肠道条件下的益生菌存活率或益生元共包封剂在功能性食品中的作用，则被纳入。非英语和非食品相关的工作被排除。优先考虑最近的实验研究（2015–2025），确保全面覆盖基础概念和新兴创新。数据以叙述方式整合，以突出包封材料、方法、益生菌存活结果和食品应用。

海藻酸盐：核心特性及其在益生菌包封中的作用

化学结构

海藻酸是一种由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）残基组成的线性阴离子多糖，通过Ca²⁺介导的离子交联形成水凝胶。其在益生菌包封中的重要性在于M/G比率和嵌段序列如何控制珠孔隙率、机械稳定性和耐酸性。较高的G含量产生更强、更不易渗透的凝胶，改善胃肠道传输中的益生菌存活率。高M/G（>1）海藻酸盐形成柔软、有弹性的凝胶，而低M/G（<1）产生紧凑、刚性的网络，刚度顺序为MG < MM < GG。海藻酸盐从各种褐藻（例如昆布、泡叶藻、马尾藻）中提取，也由一些细菌分泌。藻类物种、栖息地（冷水与温水）、季节甚至藻类年龄等因素影响M/G比率、分子量和嵌段分布。马尾藻（Sargassum） spp.通常产生低M/G海藻酸盐（0.8–1.5），而北方昆布（Laminaria hyperborea）可达～2.3。这些来源依赖的差异转化为独特的功能特性；来自富含G嵌段的物种或季节的海藻酸盐形成更坚固的凝胶，具有更高的抗变形性，而富含M的海藻酸盐形成更弱、更有弹性的凝胶。因此，选择具有适当M/G比率的海藻酸盐原材料对于设计具有所需强度和灵活性的益生菌包封珠至关重要。

离子凝胶化和“蛋盒”模型

海藻酸盐在二价阳离子（主要是Ca²⁺）存在下快速凝胶。在“蛋盒”模型中，Ca²⁺离子占据由相邻G嵌段序列形成的空腔，与羧基和羟基配位，将链交联成协作的、晶格状的连接处。凝胶化高度依赖于G含量：GG和MG区域提供大部分结合位点，而灵活的M嵌段对交联贡献较少。其他多价阳离子同样可以诱导蛋盒凝胶化，但具有不同的强度和选择性。钡（Ba²⁺）和锶（Sr²⁺）是钙之后最强的交联剂。Ba²⁺具有更大的离子半径，可以与M和G嵌段配位，产生异常坚硬、低渗透性的凝胶。G嵌段亲和力通常遵循 Ba²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺ ? Mg²⁺，而Ca²⁺与MG嵌段结合最强（Ca²⁺ > Sr²⁺ ≈ Ba²⁺）。Sr²⁺形成中等强度的凝胶，相反，Mg²⁺和一价阳离子（Na⁺, K⁺）仅产生弱或无凝胶化。Ba²⁺和Sr²⁺在实验中用于生产非常坚硬的珠，但它们的食品使用受到限制。Ca²⁺由于其GRAS状态、生物相容性和最佳凝胶强度，仍然是可食用系统的首选交联剂。

与包封相关的物理化学特性

海藻酸盐的物理化学特性支撑了其在益生菌包封中的效用和局限性。其高亲水性维持细胞水合，并实现营养物质和代谢废物的扩散。海藻酸钙水凝胶本质上是多孔的，网格尺寸从纳米到微米不等，取决于交联密度、M/G组成和凝胶化条件。富含G的海藻酸盐凝胶形成更坚硬、更开放的网络，具有更大的孔隙，而富含M的凝胶更柔软，具有更紧密的网眼。这种孔隙率实现了气体和营养物质的有效扩散，支持需氧益生菌代谢，但也增加了益生菌或溶质泄漏的风险，有几项研究报告了包封剂随时间的显著损失。海藻酸盐凝胶在中性至弱酸性pH下由于电离的羧酸盐基团而膨胀。低于pKa（～3.4），质子化使钙桥坍塌，导致珠在强酸性条件下收缩或溶解。海藻酸钙珠在简化仅酸测试中在pH～2时失去完整性并释放其有效载荷，但由于羧酸盐排斥在中性或碱性pH下膨胀。因此，海藻酸盐珠通常在进入肠道后膨胀，但在胃中脆弱。值得注意的是，尽管海藻酸盐珠在模拟条件下性质脆弱，但其体内行为更多变，取决于离子组成和基质效应。此外，离子交换是显著的：Ca²⁺交联可以被食品或肠液中存在的单价阳离子（Na⁺, K⁺）或螯合剂如磷酸盐或柠檬酸盐取代。流变行为在海藻酸盐在食品工业中的应用中起着至关重要的作用，提供了对其结构和功能特性的见解。它们的流变特性取决于分子量（Mw）、单体组成（古洛糖醛酸与甘露糖醛酸）、来源（细菌或海藻）、浓度、凝胶离子和颗粒大小。较高Mw的海藻酸盐形成更具弹性的凝胶，但由于链可用性延迟而表现出较慢的凝胶速率。高M海藻酸盐凝胶通常比高G类型更具弹性，因为G嵌段与二价阳离子形成更强的连接点。较小的颗粒尺寸加速凝胶化，但由于钙离子释放增加导致最终凝胶弹性较低，而较大的颗粒促进更慢但更强的凝胶形成。此外，温度影响凝胶流变学——较高的温度降低弹性并增加粘度。

共包封策略：增强益生菌存活率

共包封策略同时将益生菌与其他物质（尤其是益生元）结合，以增强它们在食品中和胃肠道传输期间的存活率和功能性。益生元如FOS、GOS、菊粉和抗性淀粉作为益生菌生长的底物，保护它们并刺激代谢活性，使其成为改善各种食品基质中存活率的关键合生元共包封剂。

益生元作为合生元共包封剂

益生元被纳入海藻酸盐或壳聚糖基质中，形成保护益生菌并增强其在加工、储存和胃肠道传输中稳定性的合生元系统。FOS、GOS、菊粉和抗性淀粉在这些系统中的作用及其对益生菌代谢的影响将在以下部分讨论。

低聚果糖（FOS）

低聚果糖（FOS）是被广泛研究的益生元化合物，当作为共包封剂加入各种食品基质时，能够增强益生菌存活率。研究一致表明，FOS在储存和胃肠道传输期间改善益生菌存活率，通常将计数维持在10⁷ CFU/g的治疗阈值以上。在乳制品中，FOS已显示出显著功效。例如，在成熟山羊奶酪中，使用1%海藻酸钠与2% FOS的合生元微胶囊化在4°C下180天内保持了长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）和副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）的更高存活率，与游离细胞相比。具体而言，含FOS的微胶囊中的副干酪乳杆菌保留了9.75 log CFU/g，而游离细胞降至6.59 log CFU/g，具有统计学显著性，表明FOS的保护作用。类似地，在燕麦酸奶中，含2% FOS的合生元微胶囊保留了 casei乳杆菌（L. casei）、鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）和植物乳杆菌（L. plantarum）的存活率，在模拟肠道条件下28天后达到9.18 log CFU/g，与菊粉和淀粉等其他益生元相当。在合生元酸奶冰淇淋中，FOS不仅增强了冷冻储存期间微胶囊化的嗜酸乳杆菌La-5的存活率，还改善了质地特性，将 overrun 从29%增加到41%，并将硬度从1.32 N降低到0.83 N，归因于FOS的持水和冷冻保护特性。在非乳制品应用中，FOS同样有效。海藻酸盐-波斯胶微胶囊与FOS在橙汁中包封乳酸乳球菌（Lactococcus lactis），在4°C下42天后保持存活率 above 9 log CFU/g，并在模拟胃肠道条件下提供保护，尽管菊粉基珠在酸性环境中提供稍好的保护。在胡萝卜汁中，含有 casei乳杆菌与FOS的壳聚糖-钙-海藻酸盐基质中的合生元微粒在4°C下六周内保持存活率 above 10⁷ CFU/mL，FOS通过增加乳酸和乙酸生产增强代谢活性。FOS的有效性归因于其益生元特性，支持益生菌代谢，及其物理特性，如持水能力和冷冻保护，维持包封的结构完整性。虽然一些研究表明菊粉或GOS在特定情况下可能提供 marginally 更好的保护，但FOS仍然是一种多功能的共包封剂，通常因其额外的功能益处而被优选，例如改善食品产品的感官和质地属性。

低聚半乳糖（GOS）

低聚半乳糖（GOS）是已被研究通过共包封增强益生菌存活率的益生元，特别是在挑战性的消化环境中。在含1.5% GOS的海藻酸盐-壳聚糖珠中包封的嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）和 casei乳杆菌（L. casei）在模拟胃肠道条件下显示出显著改善的存活率，对数减少分别为3.1和2.9，而对照组为6.7和6.4（约1000倍改善，p < 0.05）。在酸奶和橙汁中4°C储存四周期间，GOS珠保持计数 above 10⁷ CFU/mL，仅下降0.9和0.7 log，优于对照组和菊粉珠，可能由于GOS支持代谢和应激抵抗。专门针对GOS的研究数量有限，突出了其在共包封中的新兴作用。其在某些背景下优于菊粉的性能表明，GOS可能在酸性或胆汁丰富的环境中特别有效，使其成为酸奶和果汁等功能性食品的有前景的共包封剂。

菊粉和抗性淀粉

菊粉和抗性淀粉是共包封策略中广泛使用的益生元，在多种食品基质中提供保护和营养益处给益生菌。菊粉通常与海藻酸盐、壳聚糖或其他聚合物结合，增强乳制品和非乳制品中的益生菌存活率。菊粉和抗性淀粉是有效的共包封剂，菊粉在支持代谢活性方面表现出色，抗性淀粉提供结构稳定性。它们的功效因基质和菌株而异，菊粉通常因其益生元效应而被优选，抗性淀粉则因其保护能力。植物-菊粉基质改善了酸奶中长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）的存活率，在模拟胃肠道条件下六周内保持计数 above 10⁶ CFU/mL（而游离细胞急剧下降）。长双歧杆菌的植物脂质-菊粉微胶囊化使细胞在6小时胃模拟中的存活率比未包封的高>5个对数单位。海藻酸盐-车前子混合物支持耐久肠球菌39C（Enterococcus durans 39C），当与菊粉结合时，在胃肠道条件下实现超过78%的存活率，尽管胡芦巴略优于它。包封在补充0.5–2.0%菊粉的海藻酸盐-车前子珠中的耐久肠球菌在冷藏酸奶储存28天后保持存活率 above 6 log CFU/g。含菊粉基合生元微胶囊的燕麦酸奶在28天后保留了 casei乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和植物乳杆菌 at 9.33 log CFU/g，在测试的益生元中提供 superior protection。含海藻酸盐-波斯胶珠与菊粉的橙汁将乳酸乳球菌存活率维持在9 log CFU/g以上42天，在酸性条件下超过FOS提供的保护。菊粉还增强了山羊奶冷冻酸奶中乳双歧杆菌BB-12（B. lactisBB-12）的双歧活性，通过增加有机酸生产减少大肠杆菌（Escherichia coli）计数。然而，在某些情况下，菊粉引入渗透胁迫，略微降低与其他基质相比的存活率。抗性淀粉如Hi-Maize、Hylon VII和竹芋淀粉提供强大的物理保护。含0.5–2%海藻酸盐与0.5–2%淀粉的热处理香肠保留了植物乳杆菌和木糖葡萄球菌（Staphylococcus xylosus），存活率分别为98.12%和90.26%， versus <4 log CFU/g for free cells。含1–1.5%菊粉的海藻酸盐珠减少消化对数损失，尽管效果略低于GOS。这些结果表明，菊粉共包封提供可发酵碳和渗透支持，维持胶囊内的益生菌代谢。胡芦巴经常超过菊粉的保护效果，2%配方在模拟胃肠道条件下实现超过78%的存活率， versus ～47% for pure alginate beads。基质组成也影响释放动力学：含胡芦巴的胶囊使耐久肠球菌的结肠释放延长（12小时）与菊粉混合物相比。麦芽糖糊精-菊粉基质在不同水活度下保持克劳氏芽孢杆菌（B. clausii） above 6.5 log CFU/g。总体而言，与菊粉或抗性淀粉的共包封增强益生菌存活率，支持代谢，并调节肠道释放动力学。

用于包封的多糖和胶

多糖胶是传统的包封剂，重视凝胶形成和稳定特性。阿拉伯胶（gum acacia）、波斯胶、秋葵黏液、车前子壳、黄原胶和卡拉胶 each contribute unique textural and protective features.

阿拉伯胶、波斯胶

阿拉伯胶（GA）通常与其他包封剂结合以增强珠强度和完整性。含5% GA的喷雾干燥益生菌粉末产生球形颗粒，尽管添加疏水核心如神秘果种子改善了干燥期间的存活率。GA也有助于合生元效应：与25%麦芽糖糊精–75%菊粉和GA喷雾干燥的克劳氏芽孢杆菌在储存期间保留了槲皮素的抗氧化保护。凝聚的海藻酸盐-GA混合物（0.5–2.0% GA）形成～965 nm LGG微胶囊，在pH 3.0的橙汁中35天后<1 log减少。波斯胶（PG），一种植物来源的多糖，作为合生元共包封剂。含PG和车前子的海藻酸盐珠实现99.01%的包封效率，并在4°C五周后保持黄微球菌（K. flava）存活率 at 8.12 ± 0.08 log CFU/mL。这些珠保持了果汁质量，并通过类黄酮和酚类释放略微增加抗氧化水平，支持 robust bead formation and cell protection without affecting acidity or sensory properties.

车前子

车前子，一种形成凝胶的高度分支阿拉伯木聚糖黏液，通过改善结构完整性和光滑度增强海藻酸盐珠。通过挤出或乳液制备的珠通常实现高包封效率（>98%）并保持球形。海藻酸盐-车前子珠（1:2比率）包封嗜酸乳杆菌显示窄尺寸分布、光滑表面，并在酸性条件（pH 1.8持续2小时）下提供与单独海藻酸盐相当的保护，而车前子的益生元活性可能增强益生菌益处。含嗜酸乳杆菌DMSZ20079的类似珠范围从1.61 ± 0.06 to 1.80 ± 0.07 mm，并在酸性和胆汁条件下保持存活率，证明与仅海藻酸盐配方相比 improved bead integrity。除了结构支持，车前子通过刺激有益肠道细菌提供益生元效应，维持健康 microbiota，缓解便秘，并减少炎症在肠易激综合征（IBS）等 conditions 中。这些特性使车前子成为益生菌递送系统的有价值组件，支持保护和益生菌在结肠中的定植。

黄原胶、卡拉胶

黄原胶和卡拉胶是广泛使用的具有 distinct gelling behaviors 的水胶体。卡拉胶（来自海藻）与钙形成刚性凝胶，而黄原胶形成粘性溶液。κ-卡拉胶已被评估为益生菌包封剂，提供 substantial but slightly lower protection than alginate。在冰淇淋和酸奶中，卡拉胶珠中的嗜酸乳杆菌下降至～8.39 log，而与海藻酸盐珠中的～8.74 log和游离细胞的～6.12 log相比，具有高包封效率（96%）和计数 above 10⁸ CFU/g。其K⁺介导的凝胶化形成刚性网络，尽管 slightly less Ca²⁺ entrapment may reduce acid resistance。虽然黄原胶-壳聚糖基质改善乳制品质地和保质期，但卡拉胶对于冷藏和胃肠道稳定性仍然有效。黄原胶特别适用于干燥或固体产品 due to heat stability。在黄原胶-结兰胶基质中包封阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）和 casei乳杆菌并入黑巧克力，在60天内保持 excellent survival，对数损失分别为0.63–0.87和～0.8，远优于非包封对照，反映了低水活度（<0.5）和保护性聚合物网络。

阳离子涂层

将阳离子涂层或多层应用于微胶囊是减少孔隙率和增加胃抵抗力的有效方法。带正电的聚合物如壳聚糖或聚-L-赖氨酸与带负电的海藻酸盐形成静电复合物，导致更坚固的外壳。有几份报告使用壳聚糖涂覆的海藻酸盐珠取得了显著效果。

壳聚糖和聚-L-赖氨酸

壳聚糖由于其生物相容性和成膜能力而被广泛用于益生菌包封。当涂覆在海藻酸盐珠上时，它形成限制质子和胆汁盐扩散的聚电解质复合物。在4%海藻酸盐与0.75%壳聚糖中包封 casei乳杆菌97和德氏乳杆菌94（L. delbrueckii94）在pH 2.0下120分钟增强了存活率，与游离细胞相比，并且冷冻干燥珠显示最小存活率损失（～0.7–2.7 log CFU/g）。用这些发酵剂制备的酸奶在储存期间保持10⁷–10⁹ CFU/mL和稳定酸度（pH 4.0–4.6）。类似地，意大利乳清干酪中含嗜酸乳杆菌的海藻酸盐-壳聚糖珠改善了质地和感官质量，尽管存活率与仅海藻酸盐珠相当。合生元山羊奶酪中的 casei乳杆菌和副干酪乳杆菌可能也从壳聚糖层中受益。总体而言，壳聚糖（0.4–0.75% w/v）提供额外的扩散屏障，增强胃条件下的存活率并维持食品基质中的活菌计数。聚-L-赖氨酸作为阳离子涂层预计会提供类似的益处。

多层系统（海藻酸盐-壳聚糖、海藻酸盐-明胶）

多层包封通过组合互补屏障提供优于单层系统的保护。用CaCO₃和甘油稳定的海藻酸盐-壳聚糖胶囊在模拟GI传输后实现62–68%的存活率，优于甘露醇-海藻酸盐珠（～51–56%）。脂质-胶组合进一步增强了耐热性；只有棕榈脂肪/阿拉伯胶双层胶囊在烘焙期间保留了布拉氏酵母菌（S. boulardii）存活率，并使嗜酸乳杆菌和双歧杆菌存活率>67%。总体而言，每个添加层加强了胶囊完整性，减少了胃溶性，并最小化了存活率损失，突出了多层共包封作为改善益生菌稳定性的合理策略。

果胶

果胶是一种阴离子植物多糖，当部分去酯化（低甲氧基果胶）时，在二价阳离子（例如Ca²⁺）存在下形成凝胶。这种“蛋盒”凝胶化形成水凝胶珠，有效捕获益生菌细胞。大量研究证实了果胶的强大保护作用：例如，不同甲基化的柠檬衍生果胶在海藻酸盐-果胶珠中保持了植物乳杆菌存活率，并在体外保留了肠道屏障功能。果胶胶囊优于单独海藻酸盐，提供>90%的包封效率、更高的机械强度和 superior resistance to gastric and intestinal stress。其与其他聚合物的兼容性实现了先进设计：乳清蛋白/果胶双层增强了鼠李糖乳杆菌在消化和储存期间的存活率，而与阳离子伴侣如壳聚糖的凝聚形成坚固外壳。果胶还支持益生元（菊粉、抗性淀粉、米糠）的共包封