食品级益生菌微胶囊的基体特异性设计：壁材、规模化加工与人工智能赋能优化

《Food Chemistry》：Matrix-specific design of food-grade probiotic microcapsules: Wall materials, scalable processing, and AI-enabled optimization

　　基于天然壁材的益生菌微胶囊对人类健康有所贡献。本文总结了人工智能在益生菌微胶囊领域的现状。介绍了不同类型益生菌微胶囊的各种加工方法。重点关注了益生菌微胶囊在食品应用中的现状。讨论了益生菌微胶囊面临的挑战及未来发展方向。## 引言健康意识的提升推动了益生菌作为功能性食品关键成分的广泛应用，这得益于其调节肠道微生物群和免疫调节等生理益处（Wang、Lv等人，2025）。然而，益生菌细胞有限的胁迫耐受性仍然是其大规模工业化应用的主要障碍。在生产过程中，益生菌的活性和功能常因热胁迫和氧化胁迫而受损。此外，在人体胃肠道转运过程中，其功效还会因酸性和氧化条件进一步降低（Pandey等人，2025）。除了这些外在挑战外，食品基质的内在理化环境——其特征表现为水分活度、离子强度和生物大分子相互作用——严重决定着细胞失活动力学。这种基质引起的变异性往往导致从简化缓冲系统中获得的稳定性数据与复杂食品体系中的实际表现不一致（Mgomi等人，2025）。弥合这一转化鸿沟是当前研发的核心挑战，特别是在努力满足货架期末活细胞计数的严格法规标准时。微胶囊化已成为应对这些挑战的关键策略，但其功能意义远远超越单纯的物理隔离与保护（Ming等人，2025）。微胶囊化的主要保护机制主要包括：（i）建立物理屏障，以阻碍或减缓氧气、水分、胃酸质子（H?）和胆盐等有害物质的扩散；（ii）通过壁材的玻璃化转变或凝胶网络，使细胞免受热处理和脱水等加工胁迫；（iii）构建对pH值、酶或时间响应的智能微环境，以促进在目标肠段的位点特异性释放（Udo等人，2025）。然而，将微胶囊化益生菌成功整合到食品基质中需要在相互矛盾的需求之间取得平衡，包括保护强度、感官可接受性和控释动力学。增强致密保护屏障以耐受胃酸通常会为复水和生物利用度带来动力学障碍。相反，减小粒径以满足感官可接受性阈值会损害有效屏障功能所需的保护体积-表面积比（Araújo等人，2025）。尽管复杂的多层结构在受控条件下可提供优异的隔离性能，但其工业化可行性常因成本影响和批次间一致性维持的挑战而受限。解决储存稳定性与靶向释放之间的固有权衡需要一个综合设计框架，协同结合材料选择与结构工程（Zheng等人，2025）。大多数近期综述文章已从包衣材料、包衣技术、益生菌存活率和食品应用等方面系统总结了益生菌微胶囊化技术（Ma、C.等人，2024；Peruzzolo等人，2025）。然而，这些研究往往沦为静态知识仓库，未能解决工业化转化的实际需求，包括可扩展性、可重复性以及结构体系与多样化食品基质之间的兼容性（Tong、Jia-Jiong等人，2026）。这些研究共同为领域奠定了基础，但仍然存在机会更明确地将食品基质约束与材料和工艺选择联系起来，并利用人工智能驱动的优化来解决相互矛盾的设计目标（McCoubrey等人，2022；Yang等人，2025）。因此，食品基质适应性不仅取决于包衣益生菌纳入食品产品后的性能，还取决于基质特征转化为配方和加工要求的程度。从这个角度来看，目标食品的理化性质、加工条件和储存环境定义了主导性胁迫和保护要求，指导壁材选择、胶囊结构和制造路线。因此，本综述强调基质特异性设计和AI辅助多变量优化作为将微胶囊结构、加工、食品应用和工业化转化联系起来的互补分析视角（图1）。本综述建立了益生菌微胶囊化的分析框架，将制造路线、壁材功能、食品基质要求和AI辅助优化连接起来。在该框架内，食品基质特征被作为应用特异性设计约束来处理，指导保护要求和包衣决策，而非仅在最终产品纳入时考虑。首先考察了主要包衣技术背后的机制，包括挤出、喷雾干燥、乳化和复凝聚。随后讨论了壁材选择，重点阐述如何通过多糖、蛋白质和益生元基材料的结构调控来增强益生菌的保护、胁迫耐受性和靶向释放。本综述还评估了将益生菌微胶囊纳入多样化食品基质的当前进展及相关挑战。最后，本文从人工智能（AI）作为优化工具的角度出发，整合壁材特征、工艺参数、食品基质约束和益生菌性能，支持多变量和多目标设计。总体目标是识别标准化和可扩展制造的最佳实践以及透明数据报告，为益生菌微胶囊化提供可转移的参考框架。### 益生菌微胶囊化的制造路线制备过程对微胶囊的结构体系产生重大影响，从而决定其在食品产品中的应用效果和大规模制造的可行性（Xu等人，2026）。在本综述中，"微胶囊"广义上包括微珠、微球和其他微米级益生菌载体。为清晰起见，第2节区分了主要的胶囊形成工艺，包括挤出、乳化、电喷雾和复凝……### 益生菌微胶囊的壁材不同的壁材对环境影响胁迫提供不同程度的抗性，从而影响益生菌的存活。选择合适的壁材可以最大限度地减少益生菌活性和功能的损失，提高储存稳定性并延长保质期（Chaturvedi和Chakraborty，2022）。在本综述中，壁材根据其在益生菌微胶囊中的主要功能按三层框架进行组织。第一层是核心屏障层……### 益生菌微胶囊在食品中的应用益生菌微胶囊在食品产品中的应用具有高度的基质依赖性，因为每种食品体系都对益生菌存活和微胶囊性能施加不同的理化、力学和感官约束（表2）。在此背景下，食品基质适应性反映了包衣体系在保持益生菌活性和所需保护功能的同时与目标食品质量属性兼容的能力。从配方……### AI驱动的益生菌微胶囊化开发人工智能（AI）已成为益生菌微胶囊化的推动工具，特别用于解决前述章节中强调的益生菌存活、释放行为、感官可接受性和可制造性之间的权衡（Mgomi等人，2025）。AI并非作为孤立的分析模块运行，而是可以在一个……内整合工艺条件、壁材特征、食品基质约束和胃肠道（GI）性能数据。### 挑战与未来展望尽管益生菌微胶囊化技术迅速发展，但其实际应用在食品产品中的实施仍面临若干局限性。这些局限性源于成功转化需要同时控制益生菌保护和释放，同时满足基质兼容性、感官、制造和法规要求（Pandey等人，2025）。因此，未来的进展应从孤立的存活或包衣性能改进转向……### 结论本综述提供了微胶囊化益生菌递送系统研究进展的系统概述。它强调了制备工艺、壁材以及影响益生菌微胶囊特征的关键因素。它还讨论了益生菌微胶囊系统在食品基质中的开发和应用程序，包括乳制品、果蔬汁、加工食品和膳食补充剂。AI辅助建模可以支持这种匹配……### CRediT作者贡献声明**姚清波：** 写作——审阅与编辑，写作——初稿，形式分析，数据整理，概念构思。**王朗宏：** 调查研究。**王瑞：** 项目管理，方法论。**陈博儒：** 资源，项目管理。**徐飞越：** 软件，资源。**李健：** 验证，监督。**黄艳燕：** 写作——审阅与编辑，写作——初稿，资金获取。**曾心安：** 资金获取。**贾向泽：** 写作——审阅与编辑，写作——初稿### 未引用参考文献Ma, Yang, Zhao, Yuan和Li, 2024Sun等人, 2024Wang, Wu, Dhital, Yu和Chen, 2025### 利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。### 致谢国家自然科学基金委员会（U23A20267），国家自然科学基金委员会（32302242），广东省重点实验室项目（2022B1212010015）。姚清波｜王朗宏｜王瑞｜陈博儒｜徐飞越｜李健｜黄艳燕｜曾心安｜贾向泽