基于多糖的益生菌递送系统的交联与网络工程：结构-功能关系、囊封结构及胃肠道释放机制

《Food Bioscience》：Crosslinking and Network Engineering of Polysaccharide-Based Probiotic Delivery Systems: Structure–Function Relationships, Encapsulation Architectures and Gastrointestinal Release

　　•交联作用控制着多糖网络的结构、稳定性以及益生菌的释放。•结构-功能关系将分子相互作用与传递性能联系起来。•复合和响应式结构在胃肠道传输过程中提高了保护效果。•可扩展的制造工艺和与食品基质的兼容性仍然是关键的转化挑战。

引言
由于益生菌能够与胃肠道环境相互作用并在适当数量下促进宿主健康，它们越来越多地被纳入功能性食品、营养补充剂和口服制剂中。然而，其功能性取决于这些代谢活跃的微生物在整个生产、储存、消费和胃肠道传输过程中的存活能力。这一要求在技术上具有挑战性，因为益生菌细胞可能会在食品加工过程中受到热处理、脱水、渗透压应力、冷冻、氧气和机械应力的影响。在随后的储存过程中，残余水分、氧气暴露、温度波动和长期的代谢活动可能会进一步降低其存活率。使用基于纤维素的保护基质的喷雾干燥研究表明，在脱水和后续储存过程中维持细胞稳定性的重要性（Gazalian等，2025年）。同样，在设计用于在喷雾干燥过程中稳定益生菌的碳水化合物-聚合物系统中，控制水分移动和冷冻诱导的应力也非常重要（Thinkohkaew等，2025年）。消费后仍然存在挑战，因为胃肠道是一个高度动态的环境，而不仅仅是一个被动传输途径。进入胃部的益生菌会遇到低pH值和消化酶，随后是不断变化的离子条件、胆盐、胰腺分泌物以及肠道内的竞争性微生物环境。因此，递送系统必须执行看似相反的功能：它应该在 upper gastrointestinal 阶段保持足够的稳定性以保护细胞，同时随后允许它们在适当的肠道或结肠位置释放。这一要求推动了响应式益生菌递送系统的发展，其中 pH、酶、氧化还原条件、微生物活性或其他生理刺激可以诱导载体结构的可控变化（Han等，2025年）。因此，当代的益生菌封装越来越多地被视为设计一种从保护到释放的动态微环境，而不仅仅是在细菌细胞周围形成被动涂层。

微胶囊化提供了一种实际的方法来应对这些挑战，通过将益生菌细胞与不利环境物理分离并创建一个局部环境，限制它们直接暴露于外部应力源。已经研究了多种蛋白质、脂质和基于碳水化合物的材料来实现这一目标，但多糖特别适用于食品应用，因为它们具有良好的生物相容性、生物降解性和与食品的兼容性，以及相对温和的凝胶化或成膜行为。海藻酸盐及其衍生物是最成熟的材料之一，因为它们的离子凝胶化特性可以在无需剧烈热处理的情况下捕获益生菌（Nezamdoost-Sani等，2023年）。纤维素及其纳米级衍生物提供了一个具有高结构多样性的替代平台，能够形成多孔基质、纤维、水凝胶和复合结构（Liu等，2024年）。天然树脂进一步扩展了可用的材料范围，因为它们的乳化、粘度调节和分子间关联特性有助于形成复合益生菌载体（Naseem等，2025年）。这些特性解释了为什么多糖成为开发食品级益生菌递送系统的核心材料。多糖载体的功能性不仅仅取决于聚合物本身的性质。分子量、单糖组成、分支度、电荷密度、取代程度和分布、亲水性和对交联离子或互补生物聚合物的亲和力可以显著改变最终形成的基质结构。果胶就是一个明显的例子，因为其植物来源和甲基酯基团的分布影响着凝胶形成和胃肠道保护（Tang等，2026年）。海藻酸盐的功能性也受到分子量和木酮糖醛酸残基与 guluronic 酸残基相对分布的影响，这些可以改变网络结构和胃肠道性能（Song等，2026年）。化学修饰提供了另一层控制；淀粉的取代可以改变其两亲性、流变行为、界面特性以及作为益生菌载体的适用性（Li等，2025年）。这些发展将研究从单纯识别合适的聚合物转变为理解分子特性如何转化为功能性递送特性。聚合物化学、网络组织、孔隙率、机械稳定性、水分吸收和扩散之间的相应关系为合理的载体设计提供了重要的科学基础。

聚合物之间的相互作用提供了进一步定制益生菌微环境的机会。离子吸引力、氢键结合、疏水关联和互穿网络的形成可以生成与单个组分相比具有不同渗透性和结构完整性的基质。壳聚糖经常与阴离子多糖结合使用，因为其质子化的氨基可以与带负电荷的基团发生静电相互作用，在含有益生菌的基质周围产生额外的界面屏障（Kareem等，2025年）。淀粉也可以被结构工程化为多孔载体，物理容纳微生物的同时提供对环境压力的保护（Kwon等，2025年）。基于纤维素的多孔结构进一步展示了载体形态不仅有助于细胞装载，还可以控制胃肠道释放（Zhong等，2024年）。因此，当代的载体开发越来越多地将聚合物化学、分子间相互作用和微观结构视为相互关联的设计变量，而不是将封装材料、粒径和释放行为视为独立的特性。这种分子视角伴随着封装架构的日益多样化。传统的单聚合物颗粒因其简单性而仍然重要，但诸如孔隙率过高、机械强度不足、快速膨胀和过早释放等限制促使了复合、多层、核壳、蛋白质-多糖和共生系统的开发。将多糖与互补的凝胶化机制结合使用可以创建更密集的网络，并改善胃部保留和肠道释放之间的平衡；海藻酸盐-κ-卡拉胶系统就是利用互补离子相互作用的一个例子（Premjit等，2024年）。然而，更大的结构复杂性并不自动意味着更好。每种额外的聚合物、涂层或功能化合物都会改变扩散路径、膨胀行为、粒径尺寸、机械性能以及与益生菌细胞的相互作用。因此，目标不是最大化封装层的数量，而是设计出各个组件发挥互补功能的架构。这一原则贯穿于从单聚合物载体到复合、多层和共生系统的整个手稿进展过程中。

制造技术同样重要，因为它决定了这些聚合物在益生菌细胞周围的空间组织方式。挤出和离子凝胶化因操作简单且与活性微生物兼容而广泛使用，而乳化和复杂共凝聚则提供了对粒子形成和界面的额外控制。喷雾干燥在工业上具有更大的相关性，因为它在一个连续的过程中结合了脱水和粒子形成，而冷冻干燥通常在特别需要最小化热损伤时具有优势。最近的方法正在将封装技术向精密制造方向扩展。三维打印能够在空间上控制益生菌的分布，并生成含有益生菌加载的水凝胶区域的定制食品结构（Sadeghi等，2024年）。当前在3D打印益生菌食品方面的发展也突显了生物墨水流变性、喷嘴配置、打印条件和后处理在决定结构保真度和微生物存活率方面的重要性（de Oliveira Filho等，2025年）。因此，制造应被视为载体工程的一部分，因为加工条件直接 affect 粒径、孔隙率、基质密度、界面组织和随后的释放行为。

多糖封装的实际相关性最终取决于其能否成功整合到实际食品中。乳制品仍然是重要的益生菌载体，因为它们的水合结构和冷藏储存条件通常与活微生物培养物兼容。将益生菌细菌封装在含有益生元的基质中用于酸奶，展示了载体设计如何与储存稳定性和感官性能相结合（Laina等，2025年）。然而，消费者对非乳制品和加工食品的需求扩大了应用范围，包括饮料、谷物、烘焙产品和植物基替代品。这些食品施加了非常不同的环境约束，因为酸度、水分活度、氧含量、酚类化合物、脂质组成和热处理都可能影响微生物及其封装基质。烘焙产品尤其具有挑战性，因为益生菌细胞在烘焙过程中可能会经历显著的热应力，但封装技术使得开发出具有可接受的物理化学和感官特性的含益生菌软面包成为可能（Uma?a等，2024年）。此类应用强调了将益生菌-载体-食品基质视为一个统一系统的必要性，而不仅仅是在孤立的实验室条件下评估封装材料。

尽管取得了实质性进展，但在高性能实验室配方和商业可行的递送系统之间仍然存在差距。许多研究强调封装效率和短期胃肠道存活率，而工业实施还需要可重复的制造、可控的粒子特性、延长的保质期、感官可接受性、经济可行性和与现有加工线的兼容性。日益复杂的结构也引发了关于改性多糖、纳米级结构、功能性涂层和新颖益生菌配方的监管状态和安全性评估的问题。监管要求可能因微生物是作为传统食品成分、膳食补充剂、益生菌食品还是活性生物治疗产品而大不相同（Spacova等，2023年）。此外，在简化的模拟胃肠道系统中展示的性能可能无法反映与胃排空、肠道pH值、饮食、传输时间和个体微生物群相关的变异性。因此，未来的载体设计必须将材料级别的功能性与生理相关性能和实际的制造条件联系起来。在这种背景下，本文综述了从分子设计到功能性和靶向胃肠道递送的基于多糖的益生菌封装。首先考虑了海藻酸盐、果胶、壳聚糖、淀粉、纤维素、树脂和新兴多糖的性质，然后评估了这些材料如何组织成单聚合物、复合、多糖-蛋白质、多层/核壳和共生架构。文章关注了传统的和先进的制造方法，以及封装基质在加工、脱水、储存、胃部暴露和肠道传输过程中保护益生菌细胞的机制。还建立了分子量与取代程度、聚合物电荷和相互作用、孔隙率与粒径尺寸、机械和流变特性、膨胀、降解和释放动力学之间的关系。最后，这些原理适用于功能性食品和口服制剂的应用，以及与放大、感官兼容性、保质期、安全性、监管和刺激响应性释放相关的剩余挑战。总体框架将多糖化学与封装架构和微观结构相结合，并将这些特性与应力保护、胃肠道反应、控制释放和功能应用联系起来，从而为新一代益生菌递送系统的合理开发提供了结构-功能基础。

进行了系统的文献搜索，以确定与基于多糖的益生菌封装、交联机制、载体架构、胃肠道保护和控制释放相关的出版物。搜索了Scopus、Web of Science Core Collection、PubMed和ScienceDirect，同时使用Google Scholar作为补充来源来识别其他相关出版物和追踪潜在的重要参考文献。搜索主要涵盖了2019年1月至2026年9月的出版物，以强调最近的发展，尽管当早期出版物提供了关于封装机制、胃肠道消化模型、成熟的制造方法、方法论框架或临床证据的基础信息时也保留了它们。综述方法是根据透明和可重复的叙述性文献综述的一般建议开发的（Snyder, 2019; Baethge等, 2019）。搜索词单独使用或以布尔组合使用，包括“probiotic”、“probiotic encapsulation”、“microencapsulation”、“polysaccharide”、“probiotic delivery system”、“alginate”、“pectin”、“chitosan”、“starch”、“cellulose”、“natural gum”、“mucilage”、“crosslinking”、“hydrogel”、“composite”、“multilayer”、“core–shell”、“gastrointestinal survival”和“controlled release”。一个代表性的搜索组合是：（“probiotic*” AND （“encapsulation” OR “microencapsulation” OR “delivery system*”） AND （“polysaccharide*” OR “alginate” OR “pectin” OR “chitosan” OR “starch” OR “cellulose” OR “gum*” OR “mucilage”））。在数据库搜索之后，删除了重复记录，并首先通过标题和摘要筛选了剩余记录，然后对可能相关的出版物进行了全文评估。当原始研究文章报告了关于基于多糖或含多糖的益生菌递送系统的原始实验数据时，包括载体组成、交联或分子间相互作用、封装架构、制造方法、物理化学特性、益生菌存活率、储存稳定性、胃肠道保护、释放行为、食品基质应用或体内性能时，这些文章被认为是合格的。当出版物与益生菌递送无关、未提供关于基于多糖的载体系统的相关信息、缺乏足够的配方或性能信息、无法用英语获取或在其他地方重复报告信息时，则被排除。

在最终审核了包含在手稿中的文献后，保留了62篇原始研究文章进行比较性和定量综合。另外使用了19个支持性来源来建立方法论、定义、监管和转化背景。这些包括八篇综述或概述文章、五篇方法论或共识出版物、三个监管来源和三个专利记录。支持性来源并未作为独立的实验证据用于结构-功能或性能比较。因此，最终的手稿总共引用了81个来源，主要证据综合基于62篇原始研究。由于本研究是一篇结构化的批判性叙述性综述，而非系统性综述或荟萃分析，因此根据聚合物化学性质、网络形成机制、封装结构、加工方法、物理化学特性、益生菌存活率、胃肠道行为、释放特性、食品基质性能以及转化应用相关性对选定的原始文献进行了对比评估。由于证据基础包括异构的实验设计，如物理化学表征研究、食品基质研究、模拟胃肠道模型、动物研究以及有限的人体研究，因此不适合对所有纳入的出版物使用单一的设计特异性偏倚风险工具。相反，使用与益生菌递送研究相关的标准对证据的方法学质量和解释力度进行了批判性评估。这些标准包括明确识别益生菌菌株；存在适当的游离细胞、未包覆或配方对照；充分描述实验重复性；报告聚合物组成、交联剂浓度、制备条件和初始活细胞装载量；对载体的物理化学表征；明确描述胃肠道测试条件；使用适当的活细胞和释放终点；以及报告的测量结果与所提出的机制之间的一致性。对于那些通过直接测量（如粒径、孔隙率、膨胀性、机械或流变性能、光谱或显微表征、活细胞计数和释放测量）支持结构-功能关系的研究，赋予了更大的解释权重。当缺乏直接的结构证据时，主要基于推断的聚合物相互作用进行的机制解释则更为谨慎。证据还根据生物学验证的程度进行了评估。仅从静态模拟胃肠道模型获得的研究结果被解释为配方性能的证据，而食品基质研究、半动态或动态胃肠道模型、动物研究和人体研究则被认为与转化应用的相关性逐渐增加。由于本文是一篇结构化的批判性叙述性综述，而不是系统性综述或荟萃分析，因此这种评估用于指导证据的批判性解释和权重分配，而不是生成数值质量评分或汇总的偏倚风险估计。

**段落摘录：**

**基于多糖的益生菌载体的交联化学和比较机制**
多糖作为益生菌载体的性能不仅取决于聚合物本身，还取决于在加工和胃肠道传输过程中形成并随后重组载体制网络的分子相互作用。离子配位、静电复合物化、氢键作用、物理缠结、化学替代和界面结合可以改变基质的致密性、孔隙率、水渗透性、机械完整性、膨胀性和扩散性。

**工程化基于多糖的封装结构**
基于多糖的益生菌递送系统的性能不仅取决于聚合物化学性质，还取决于保护性、结构性和释放功能在细胞周围的空间分布。当额外的聚合物或层能够纠正基础基质的特定限制（如过度孔隙率、机械完整性不足、胃部快速膨胀、界面稳定性差或粘附力不足）时，结构的复杂性变得有用。

**封装和制备策略**
基于多糖的益生菌递送系统的性能不仅受载体材料的影响，还受用于将聚合物组织在细胞周围的制备方法的影响。加工条件决定了粒径、基质密度、孔隙率、界面结构、益生菌装载量以及随后的加工和胃肠道压力抵抗能力。传统的制备方法如挤出、离子凝胶化、乳化、凝聚、喷雾干燥和冷冻干燥仍然被使用。

**多糖封装如何保护益生菌**
多糖封装的保护功能贯穿整个益生菌递送过程，从加工和储存到胃肠道传输和肠道释放。益生菌细胞容易受到脱水、热量、氧气、水分、胃酸、消化酶和胆盐的影响，这些都可能损害膜完整性和代谢活性。多糖基质通过在细胞周围形成物理屏障来减少这些压力。

**结构-功能关系对递送性能的影响**
基于多糖的益生菌载体的性能取决于分子和物理化学性质如何转化为网络组织，最终影响递送行为。分子量、取代模式、电荷特性、粒径、孔隙率、膨胀行为和机械性能共同影响细胞装载和定位、胃肠道液体的渗透、结构稳定性以及益生菌的释放。

**食品基质-载体相互作用及其在功能食品和营养补充剂中的应用**
基于多糖的益生菌载体在食品中的性能取决于载体与周围产品基质之间的相互作用。食品的pH值、缓冲能力、水分活性、蛋白质和脂质组成、酚类化合物、氧的可用性、粘度和加工条件可以影响载体的水合、渗透性、机械稳定性和益生菌的存活率。这些效应尤为重要，因为表现良好的载体能够在...

**挑战与工业转化**
实验室规模上的封装效率和胃肠道存活率的提高不一定能转化为具有商业可行性的益生菌产品。工业性能取决于载体是否能够可重复地制造，在加工和保质期内保持所需的活菌数量，与预期食品兼容，满足安全和监管要求，并提供相对于简单配方的可测量优势。

**专家观点与未来展望**
基于多糖的益生菌递送技术已经从简单的包裹发展到越来越复杂的复合、多层、共生和响应式系统。然而，进一步的进步将较少依赖于配方复杂性的增加，而更多地依赖于建立载体化学性质、加工条件、结构组织、胃肠道行为和生物性能之间的明确关系。转化应用还需要实验室规模的封装改进能够在工业规模上得到验证。

**结论**
基于多糖的益生菌递送系统已经从简单的包裹发展到更精心设计的基质，其中交联化学、聚合物相互作用、微观结构和制备条件共同决定了性能。当前证据中最重要的设计原则是，仅凭聚合物本身不足以预测益生菌的保护效果。分子量、取代模式、电荷分布、孔隙率等参数都对益生菌的保护效果具有重要影响。

**作者贡献声明**
Sandeep Janghu：撰写 - 综述与编辑、正式分析、数据管理。
Prince Chawla：撰写 - 综述与编辑、可视化、验证、监督、方法学研究、调查、正式分析、数据管理、概念化。
Aarti Bains：撰写 - 初稿、可视化、验证、资源管理、正式分析、数据管理。

**未引用的参考文献**
中国科学院工艺工程研究所，2024年；Lavanya和Karthick Raja Namasivayam，2026年；Li等人，2025年；Liu等人，2024年；美国食品药品监督管理局，2007年；Umana等人，2024年；Wang等人，2024年；世界知识产权组织，2019年；世界知识产权组织，2021年。

**利益冲突声明**
作者声明没有利益冲突。
Aarti Bains | Sandeep Janghu | Prince Chawla