部分水解木质素/羟丙基甲基纤维素水包水Pickering乳液：一种用于高效包埋和培养植物乳杆菌的食品级微培养平台

《Food Chemistry》：PUL/HPMC water-in-water Pickering emulsions: A food-grade microculture platform for efficient encapsulation and cultivation of Lactobacillus plantarum

　　

摘要

本研究制备了由纤维素纳米晶（CNCs）稳定的普鲁兰-羟丙基甲基纤维素（PUL/HPMC）水包水Pickering乳液，用于植物乳杆菌（L. plantarum）的包埋和培养。结果表明，CNCs主要吸附在PUL-HPMC界面，从而有效抑制乳液液滴的聚集和聚结。L. plantarum被包埋在乳液中，主要分布在PUL相中。研究发现，L. plantarum的最佳包埋浓度为9.67 log CFU/g，MRS培养基的最佳添加量为1.0 wt%。最终，在30小时的培养过程中，L. plantarum的活菌数从4.44增加到7.42 log CFU/g。此外，初始pH 5.5为L. plantarum提供了最佳培养性能，在24小时的培养过程中，活菌数从4.00增加到7.06 log CFU/g。本研究为高效培养L. plantarum提供了一种新型微培养平台，并为基于益生菌的功能食品开发提供了具有食品级应用潜力的全水性乳液体系。

引言

人体胃肠道中栖息着数万亿微生物，其稳态与宿主健康密切相关（Ilango & Antony, 2021）。人体肠道微生物失调往往与多种疾病的发生有关（Ma et al., 2023）。益生菌可通过调节肠道微生物组成、增强肠道屏障功能和抑制病原菌定殖来发挥健康有益作用（Cai et al., 2025）。植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum，L. plantarum）是一种广泛应用于食品发酵的代表性益生菌，因其多功能特性而受到广泛关注（Xing et al., 2025; Zhao et al., 2024）。它具有抗氧化和抗菌活性，并能有效调节肠道微生物群。然而，L. plantarum的实际应用受到显著的培养瓶颈的阻碍（Arya et al., 2025）。传统的益生菌培养策略长期专注于改善发酵过程和培养条件，但未能确保存活数量和培养效率（Zhang et al., 2024）。此外，这些方法无法重现天然体内微环境以支持益生菌的最佳活性和功能完整性。因此，开发基于包埋的微培养平台，为L. plantarum构建生物相容的、区室化的微生态位以提高培养效率，对于拓展L. plantarum在功能食品中的实际应用至关重要。

目前，水凝胶和微胶囊等各种体系已被用于益生菌包埋（Gorzin et al., 2026; Hu et al., 2023; Wu, Lu, et al., 2025）。其中，乳液体系因其环境友好、生物安全和优异的可持续性而逐渐成为有前景的候选体系（Ma et al., 2025）。然而，大多数乳液体系仅用于包埋益生菌以增强其在储存和胃肠道转运过程中的存活率，很少有研究关注其在益生菌培养中的应用（Gao et al., 2022; Yin et al., 2024）。此外，传统油基乳液本质上不适合微培养，因为其疏水性油相阻碍了营养交换并对益生菌生长施加过大的生理压力（Zhao et al., 2020）。相比之下，水包水（W/W）乳液因其优异的生物相容性和界面渗透性而在包埋益生菌方面展现出独特优势（Sun et al., 2025）。它们由两种不混溶的水性聚合物相形成，其温和的制备过程减轻了严苛加工参数导致的益生菌活力损失（Akbar et al., 2026; Miras et al., 2025）。水-水界面良好的渗透性和超低界面张力为益生菌培养创造了更温和的微环境（Singh et al., 2018）。

然而，W/W乳液表现出较差的稳定性，这主要归因于其超低界面张力和相对较大的界面厚度（Zhang et al., 2025）。这些特性阻碍了传统表面活性剂在W/W界面的有效吸附，从而引起乳液液滴聚结并导致快速相分离（Xie et al., 2023）。大量研究表明，使用固体颗粒作为稳定剂是提高W/W乳液稳定性的有效策略（Qian et al., 2021）。纤维素纳米晶（CNCs）因其高长径比、优异的生物相容性和良好的生物降解性，已成为极具前景的可再生高性能Pickering稳定剂候选材料（Dai et al., 2020）。此外，CNCs表现出匹配的润湿性和界面亲和力，使其能有效吸附在W/W界面（Nie et al., 2025）。值得注意的是，通过过硫酸铵（APS）氧化制备的CNCs可通过生成羧基有效增强其结构稳定性和在水体系中的分散性（Wu, Nie, et al., 2025）。

普鲁兰是一种具有固有低细胞毒性和优异持水能力的亲水中性多糖（Singh et al., 2017）。它可以形成营养兼容的水性微环境以支持益生菌的代谢活性和生长（Ohja et al., 2024）。这些独特性能可缓解益生菌增殖过程中的生理压力，并有效提高益生菌细胞的活力和复制效率，从而使其成为益生菌培养的理想多糖基质（Kycia et al., 2020）。最近，我们成功构建了普鲁兰-羟丙基甲基纤维素（PUL/HPMC）W/W乳液体系，并阐明了不同形态纳米纤维素的稳定效果。研究发现，与柔性纤维素纳米纤维相比，刚性棒状CNCs在PUL-HPMC界面表现出更优的界面吸附和稳定性能（Nie et al., 2026）。因此，由CNCs稳定的PUL/HPMC Pickering乳液在L. plantarum包埋和培养方面展现出优异潜力。

本研究制备了由APS氧化CNCs稳定的PUL/HPMC Pickering乳液，并进一步将其用于L. plantarum的包埋和培养。探索了CNCs浓度对乳液稳定性的影响及相应的稳定机制。随后，研究了L. plantarum在两水性相之间的分布倾向及其在PUL/HPMC Pickering乳液中的最佳生长条件。最后，我们成功在该乳液体系中实现了L. plantarum的包埋培养，并监测了培养周期中活菌数的动态变化。此外，还评估了初始pH对L. plantarum培养效率的影响。本研究为高效包埋和培养L. plantarum提供了具有食品级应用潜力的全水性乳液体系，在基于益生菌的功能食品开发中展现出显著应用潜力。

章节摘要

材料

微晶纤维素购自阿拉丁生化科技有限公司（CAS#: 9004-34-6，中国上海）。番红T购自麦克林生物化学有限公司（CAS#: 477–73-6，中国上海）。普鲁兰（CAS#: 9057-02-7）和羟丙基甲基纤维素（CAS#: 9004-65-3）购自元叶生物科技有限公司（中国上海）。亮绿定染料购自西格玛奥德里奇贸易有限公司（中国上海）。植物乳杆菌购自

构建PUL和HPMC水溶液体系

相图是阐明水溶液双水相体系（ATPS）中溶质分配行为的根本实验依据。为定量表征PUL/HPMC ATPS的相行为，采用第2.2节中提出的三个拟合方程对实验相平衡数据进行拟合。拟合参数汇总在表S1中，对比分析表明，方程（1）具有更高的相关系数（R² = 0.99912）。因此，

结论

本研究成功使用APS氧化CNCs作为稳定剂制备了PUL/HPMC Pickering乳液。研究了CNCs浓度对乳液稳定性的影响及相应的稳定机制。结果表明，乳液稳定性与CNCs浓度呈正相关。由0.055 wt% CNCs稳定的乳液表现出优异的储存和环境稳定性。由CNCs形成的稳定界面层有效抑制了

CRediT作者贡献声明

吴鹏瑞：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，概念化。牛叶帆：方法学。陈泽杰：调查。聂春玲：可视化。刘一钧：数据整理。沈中辉：数据整理。宋志红：数据整理。魏新迪：软件。王砚博：形式分析。曾宏：形式分析。王建果：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究获得了国家自然科学基金（NSFC，中国）（编号：32472287）；北京工商大学食品风味与健康交叉创新开放项目（FFHCI-2025058）的资金支持。此外，作者感谢西北农林科技大学食品科学与工程学院的仪器共享平台在旋转流变仪、智能电动倒置荧光显微镜和马尔文

吴鹏瑞|牛叶帆|陈泽杰|聂春玲|刘一钧|沈中辉|宋志红|魏新迪|王砚博|曾宏|王建果