大豆分离蛋白-海藻酸钠双重乳液复合凝胶微胶囊：面向植物基奶酪类似物的奶酪质地调控与益生菌保护

《Frontiers in Food Science and Technology》：Tailoring soy protein isolate–alginate double emulsion composite gel microcapsules for cheese-like texture and probiotic protection in plant-based cheese analogues

　　

中文翻译：虽然植物基乳制品替代品市场正在迅速扩张，但大多数产品主要关注传统乳制品的感官属性，缺乏功能性强化，例如益生菌的添加。本研究旨在开发和表征一种新型水包油包水（W/O/W）双重乳液基凝胶微胶囊，用于封装鼠李糖乳杆菌GG（LRGG），采用大豆分离蛋白（SPI）（3.0%–6.0% w/w）和海藻酸钠（SA）（0.5%–2.0% w/w）复合体系并结合Ca2+交联，旨在定制和调控微胶囊的奶酪样质构特性（从涂抹型到半硬质型），同时保持益生菌活力以用于植物基奶酪类似物。研究人员采用响应面法（RSM），在32全因子设计并含中心点重复的条件下，系统评估了壁材之间的复杂相互作用及其对物理、质构和功能特性的影响。结果表明，SA浓度通过稳健的钙交联显著增强了整体硬度和粒径（D50）。相比之下，SPI在模拟消化液测试中对抵御模拟胃肠液提供了关键保护作用。最终，本研究证明SPI-SA体系弥合了宏观结构完整性与生物活力之间的差距，为益生菌强化植物基奶酪类似物提供了可调控的结构基础。

论文解读

一、研究背景与问题

近年来，随着消费者对可持续性和动物福利关注度的持续上升，植物基替代品的全球需求大幅增长。植物基奶酪替代品已成为植物基食品市场的重要品类之一，同时也可为乳糖不耐受人群提供无乳糖产品。然而，尽管现有技术已能较好地模拟传统乳制品的感官属性，这些植物基类似物通常缺乏功能性益处，尤其是缺乏对宿主肠道健康有益的活性益生菌。将益生菌直接添加至非乳制品替代品中，并不能保证其在加工、储存、零售及胃肠道递送过程中的活力。益生菌细胞对机械和热处理、冷链条件以及人体胃肠道酸性环境高度敏感。微胶囊化技术被认为是保护这些敏感微生物免受严苛环境胁迫的有效策略，其中基于乳液的微胶囊系统因可规模化、粒径小、产率高和防护性强而备受关注。研究人员在前期工作中已通过W/O/W/O乳液状态结合外源凝胶化，构建了凝胶化W/O/W双重乳液微胶囊。大豆分离蛋白（SPI）具有强表面活性和优异的pH缓冲能力，海藻酸钠（SA）则能提供稳健的结构交联。尽管微胶囊化研究已较为广泛，但关于壁材配方如何同时调控宏观质构属性（如硬度和粘性）以及益生菌生物保护性能的系统性研究仍较为有限。因此，本研究旨在探索交联SPI-SA壁材配方，以调控凝胶微胶囊的奶酪样质构特性，同时保持益生菌保护功能，使其可作为植物基奶酪类似物的新型益生菌强化结构单元。

二、研究内容与主要结论

研究人员采用3²全因子设计并含中心点重复，结合响应面法（RSM）系统评估了SPI（3.0%–6.0% w/w）和SA（0.5%–2.0% w/w）浓度对微胶囊物理、质构和功能特性的影响。实验共包含11组运行，其中3组为中心点重复（SPI 4.5%、SA 1.0%）。研究结果表明，SA浓度对粒径和硬度具有显著的正向主导作用，通过稳健的钙交联增强整体结构强度；SPI则在模拟胃肠液消化过程中为益生菌提供关键保护。FTIR光谱分析证实了Ca²⁺与海藻酸钠羧基的配位交联以及SPI掺入钙-海藻酸盐网络后肽骨架微环境的变化。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察确认了W/O/W双重乳液的多核结构，益生菌细胞与内水相油滴紧密关联。该SPI-SA体系成功弥合了宏观结构完整性与生物活力之间的差距，为益生菌强化植物基奶酪类似物提供了可调控的结构基础。

三、关键技术与方法

本研究采用响应面法（RSM）结合3²全因子设计，以SPI浓度（3.0%–6.0%）和SA浓度（0.5%–2.0%）为自变量，系统评估微胶囊的封装效率、水分含量、质构特性、粒径、胃肠道存活率和冷藏稳定性等关键性能指标。微胶囊制备采用W/O/W双重乳液结合Ca²⁺外源凝胶化工艺。表征手段包括光学显微镜、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电子显微镜（SEM）观察微胶囊形态与内部结构，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析分子间相互作用，激光衍射法测定粒径分布，质构仪测定硬度和粘性，以及模拟胃肠液消化实验和4°C冷藏稳定性实验评估益生菌活力。

四、研究结果

模型拟合与统计分析：所建立的响应面模型具有较高的决定系数（R²范围0.695–0.990）。冷藏稳定性、硬度、中位粒径、粘性和肠道存活率模型的预测R²在0.596–0.931之间且失拟项不显著，可用于预测；而水分含量、SPAN、封装效率和胃部存活率模型的预测R²较低，仅作为描述性模型。

微胶囊结构表征：宏观观察显示微胶囊呈现从涂抹状到易碎状的质地变化，SPI和SA浓度越高，质地越粗糙、越易团聚。光学显微镜显示不规则形状的团聚颗粒，CLSM确认了W/O/W双重乳液的多核结构，益生菌细胞与油滴共定位，SPI分布于油水界面及周围海藻酸盐网络。SEM显示粗糙不规则的表面形貌，具有褶皱和孔洞，源于冻干过程中水凝胶网络的塌陷。

FTIR光谱分析：纯SPI在1638 cm^–1和1521 cm^–1处呈现酰胺I带和酰胺II带特征峰；纯SA在1597和1410 cm^–1处呈现羧酸根（COO^?）不对称和对称伸缩振动峰。Ca²⁺交联后，对称COO^?伸缩带从物理混合物的1401 cm^–1移至1418 cm^–1（+17 cm^–1），证实Ca²⁺与海藻酸盐羧基的配位交联；酰胺II带从1521 cm^–1移至1545 cm^–1（+24 cm^–1），表明SPI掺入钙-海藻酸盐网络后肽骨架微环境发生变化。

形态与物理特性：中位粒径（D₅₀）范围为98.91至334.20 μm，SA浓度对粒径具有主导性正向效应（p < 0.001，R² = 0.983），高SA浓度通过增加水相粘度抵抗均质过程中的液滴破碎，形成更大液滴并经Ca²⁺交联稳定。

质构特性：Log₁₀硬度模型具有优异的预测能力（R² = 0.987），SPI和SA均显著增加硬度，且存在交互作用。粘性模型显示SPI和SA浓度增加使粘性值更负，表明粘附性增强。高SA浓度下硬度可达到9626.3 g，接近半硬质奶酪的质构特征。

益生菌保护功能：封装效率（EE）范围为93.65%–98.59%，SA浓度对EE有显著影响。模拟胃肠液消化实验中，SPI浓度对肠道存活率（6 h）具有显著正效应（p < 0.01），高SPI配方（6.0%）在肠道阶段存活率可达7.11 log CFU/g。冷藏2个月后，所有配方均保持6.96–7.93 log CFU/g的活力，SPI和SA浓度均显著影响冷藏稳定性。

五、讨论与结论

本研究系统揭示了SPI和SA壁材组成如何同时调控W/O/W凝胶微胶囊的结构完整性和生物性能。SA通过钙交联主导粒径和硬度的增强，SPI则在模拟胃肠液消化中提供关键保护作用。该SPI-SA复合体系能够根据壁材配比实现从涂抹型到半硬质型的质构调控，同时维持益生菌在加工、储存和胃肠道递送过程中的活力。研究表明，该微胶囊系统可作为益生菌强化的新型结构单元，为开发兼具感官品质和功能益处的植物基奶酪类似物提供了理论基础和配方设计依据。