探究波罗蜜籽淀粉和蛋白质微胶囊作为益生菌载体系统的性能：提升益生菌的存活率、保质期以及胃肠道耐受性

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Exploring the Performance of Jackfruit Seed Starch and Protein Microcapsules as Probiotic Carrier Systems: Enhancing Viability, Shelf Life, and Gastrointestinal Resilience

可持续利用木薯淀粉蛋白微胶囊化提高益生菌存活率及肠道稳定性， jackfruit 种子废弃物资源化利用，淀粉蛋白复合封装体系。

　　

摘要

传统的包封材料如麦芽糊精、明胶、酪蛋白和合成聚合物面临诸多挑战，例如在胃部环境中的不稳定性、高昂的成本以及伦理问题。作为可持续的替代品，基于淀粉的聚合物和蛋白质分离物具有更好的保护性能、生物相容性和环保性。本研究旨在通过使用菠萝蜜种子淀粉（JSS）和蛋白质分离物（JSPI）来微包封Lactiplantibacillus plantarum，从而支持可持续发展目标。包封效率在82.87%到96%之间，同时细胞存活率提升至10¹¹–10⁹ CFU/g。扫描电子显微镜（SEM）分析证实形成了7–30微米的微胶囊，且没有游离细胞。热分析显示吸热峰温度为78.4°C–87.5°C，表明其能够耐受食品加工条件。使用JSS和JSPI进行微包封后，益生菌在28天内的存活率可达到8 log CFU/g，在胃肠道环境中的存活率为7 log CFU/g。这些发现表明，JSS和JSPI是用于食品中益生菌微包封的具有前景的可持续材料。

1. 引言

根据联合国粮食及农业组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）的定义，益生菌是指“在适量摄入时能够带来健康益处的活微生物”[1, 2]。益生菌可以调节肠道微生物群，从而促进肠道健康[3]，有助于缓解肠易激综合症（IBS）等病症，并减少抗生素相关性腹泻的发生[4]。此外，益生菌还能增强免疫力、促进营养吸收、降低胆固醇、减轻炎症并改善心理健康[5, 6]。因此，从发酵饮料到功能性零食等各种富含益生菌的食品和饮料应运而生，2023年全球益生菌市场的规模达到了877亿美元，预计2024至2030年的复合年增长率（CAGR）约为7.5%[7]。这些商业益生菌产品通常含有乳酸菌（如Lactobacillus和Bifidobacterium），部分产品也可能含有Saccharomyces（酵母）及其他被认定为益生菌的细菌[8]。然而，根据FAO的规定，益生菌产品在食用时必须含有至少10⁶–10⁷ CFU/g的活性益生菌细胞，才能保证其潜在的健康效益[9]。在食品加工和储存过程中，温度、酸度、氧气存在或添加剂等因素会对益生菌造成影响，这些因素会显著降低最终产品中的活性细胞数量[10]。此外，益生菌细胞在进入胃肠道后需要面对酸性环境和胆盐，这会进一步减少可吸收的活性细胞数量，从而限制其健康效益[11]。因此，人们开发了许多科学方法来保持食品中益生菌的活性及其在人体内的作用[12]。

在这些技术中，微包封是食品工业中最广泛采用的方法，它将益生菌细胞包裹在保护性胶囊中，从而提高其活性和功能[13]。选择合适的包封材料对于确保益生菌颗粒的稳定性和性能至关重要，同时不损害最终食品的品质。这些材料应无毒，并能控制细胞向目标部位的释放[14]。已有许多材料被用于益生菌的包封，如麦芽糊精、明胶、酪蛋白、海藻酸盐和合成聚合物，但这些材料存在成本高、供应有限以及在胃部环境不稳定的问题，导致包封后细胞活性降低[15]。随着人们对植物基、清洁标签和可持续成分的关注度增加，基于淀粉的聚合物和蛋白质分离物等替代材料正在被研究[16]。这类植物生物聚合物能够有效保护益生菌免受胆盐和胃肠道酸性环境的影响，提高生物相容性，并具有环保性[17]。

随着食品浪费对全球粮食安全造成的负面社会、环境和经济影响的日益明显，人们越来越重视食品浪费的再利用这一可持续方法[18]。菠萝蜜种子（JS）是一种常被忽视和丢弃的资源，其实富含淀粉和蛋白质，可用于益生菌的包封。这种方法有助于实现联合国的可持续发展目标（SDGs）7和12，即打造可持续的未来[19]。基于这些考虑，本研究旨在利用被忽视的菠萝蜜种子中的淀粉和蛋白质分离物来微包封Lactiplantibacillus plantarum，并评估其细胞存活率、包封效率（EE）、理化性质及微胶囊的稳定性，以探讨其在功能性食品中的应用潜力。

2. 材料与方法

2.1. 材料

本研究使用的菠萝蜜品种为Ceylon Jack，其种子由印度喀拉拉邦的Agri. Pvt. Ltd公司提供。细菌菌株L. plantarum（MTCC 2621）购自昌迪加尔市的MTCC（2621）。所有分析用化学品均为分析级。MRS（de Man, Rogosa, and Sharpe）培养基由HiMedia Laboratories公司提供。

2.2. 细胞培养

首先，所有玻璃器皿在121°C下灭菌15分钟。用于研究的L. plantarum菌株（MTCC 2621）在4°C的MRS肉汤中培养，并在实验前进行两次传代。新鲜菌株按照Dolly等人的方法制备[20]，将2%的接种量加入MRS肉汤中，然后在37°C下孵育过夜。随后将微生物接种到1升MRS肉汤中，继续在同一温度下孵育。在细胞进入稳定期初期，使用德国Sigma 3-18KS Zentrifugen离心机以10,000 rpm的速度离心10分钟（25°C）。收集的微生物细胞经两次洗涤后调整至pH 7。最后，将细胞沉淀物储存在4°C的试管中，准备进行包封。

2.3. 菠萝蜜种子淀粉（JSS）的提取

淀粉的提取方法参考Wong等人的方法[21]并进行了一些修改。首先去除种子的白色外壳（testa），然后将种子浸泡在饮用水中24小时以软化棕色外层。接着按1:2的比例（重量比）加入蒸馏水，将种子研磨成浓浆状。在室温下持续搅拌浆液，然后进行过滤（孔径150微米）。得到的乳白色悬浮液静置1小时后，将其离心10,000 g 10分钟。刮去上层棕色蛋白质沉淀物并丢弃。剩余的淀粉用蒸馏水多次洗涤，然后在50°C下烘干6小时，直至水分含量达到10%±2%。干燥后的淀粉饼通过搅拌机研磨成粉末。淀粉的提取率计算方法如下：

3. 结果与讨论

本研究利用菠萝蜜种子淀粉（JSS）和蛋白质分离物（JSPI）成功微包封了Lactiplantibacillus plantarum，并评估了其细胞存活率、包封效率（EE）、理化性质及微胶囊的稳定性。结果表明，这种包封方法能有效保护益生菌，提高其在胃肠道环境中的存活率。此外，JSS和JSPI作为可持续材料，在食品应用中具有巨大潜力。

结论

本研究证明了基于菠萝蜜种子淀粉和蛋白质分离物的微包封技术对于益生菌的保存和功能提升具有显著效果，为食品工业提供了新的解决方案。这种可持续的方法有助于实现联合国可持续发展目标，特别是在资源利用和环境保护方面。