Salep改性海藻酸钙微球用于益生菌包封：结构调控与胃肠应激保护效能评估

《Food Science and Technology International》：Salep-modified calcium-alginate beads for probiotic encapsulation

　　

海藻酸盐水凝胶被广泛用于包封，但其固有的多孔性限制了在严苛胃肠条件下对益生菌细胞的保护。在此，富含葡甘露聚糖的salep被掺入Ca-海藻酸盐微球中以调节网络相互作用，并评估其对益生菌性能的影响。研究人员通过将含有2%（w/v）总聚合物（海藻酸盐；海藻酸盐/salep 1.5/0.5和1.0/1.0，w/v）的微球挤入CaCl2溶液中制备了微球。研究人员包封了嗜酸乳杆菌Lactobacillus acidophilus LA-5，并从直径、机械阻力、分子相互作用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、微观结构扫描电子显微镜（SEM）和热行为差示扫描量热法（DSC）方面对微球进行了表征。包封效率保持较高水平（93.0%–95.5%），表明用salep部分替代海藻酸盐并未损害包埋效果。增加salep浓度使微球直径增大（2.51–2.86 mm），但降低了硬度（9.1–7.5 g），提示Ca2+介导的交联点密度和网络均匀性发生了改变。FTIR和DSC显示未形成新的共价键，表明离子交联和氢键主导了稳定机制，而SEM显示掺入salep后微球表面变得更加不均匀。在模拟胃液条件（pH 2.0，3 h）下，所有配方均未检测到活细胞，而相对于游离细胞，包封作用降低了对胆汁盐的抑制效应，其中纯海藻酸盐微球提供了最强的保护。尽管salep改变了微球的结构和物理力学性质，但在所评估的胃肠应激条件下，这些变化并未改善对益生菌的保护作用。总体而言，salep能够调节Ca-海藻酸盐微球的性能，但仍需进一步的基质工程改造以实现稳健的胃部保护。

研究背景与科学问题

海藻酸盐基水凝胶因其良好的生物相容性、可降解性以及与二价阳离子（如Ca²⁺）通过离子交联形成三维网络的能力，在食品技术、生物医学工程和药物递送等领域受到广泛关注。然而，在食品级递送系统中，海藻酸钙微球作为活性益生菌的温和加工载体虽已被广泛探索，但其亲水性和多孔结构允许H⁺和胆汁盐快速扩散，从而限制了在胃肠应激条件下的保护效果。近年来，通过引入次级多糖或生物聚合物来开发海藻酸盐基复合水凝胶成为调控水凝胶性能的重要策略。次级聚合物的加入可通过氢键、链缠结或静电相互作用改变凝胶化行为、网络架构和水分布，从而影响结构稳定性、机械阻力和溶胀性能。例如，葡甘露聚糖类多糖与海藻酸盐的组合已被报道可形成更致密的孔隙结构和更强的聚合物网络。然而，尽管salep同样富含葡甘露聚糖且具有高分子量和强持水能力，关于其在海藻酸钙复合水凝胶中作用的研究仍然有限。因此，本研究旨在探究salep的掺入如何影响海藻酸钙水凝胶微球的结构完整性和物理力学性能，以及这些结构修饰如何进一步影响益生菌的包封性能和在模拟胃肠条件下的存活率。

研究方法与技术路线

研究人员采用挤出法制备了三种配方的水凝胶微球：对照组C（2%海藻酸盐）、S05（1.5%海藻酸盐+0.5% salep）和S1（1%海藻酸盐+1% salep）。关键技术方法包括：利用数字游标卡尺测量微球粒径；采用Brookfield CT3质构仪进行压缩测试评估硬度；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析分子间相互作用；借助扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌；运用差示扫描量热法（DSC）分析热行为。此外，通过平板计数法评估包封效率（EE）以及在模拟胃液（pH 2.0）和胆汁盐溶液（0.3%和0.5%）中的益生菌存活情况。

研究结果

微球物理性质：包封效率在各配方间无显著差异（93.0%–95.5%），表明salep替代海藻酸盐未影响包埋能力。随着salep浓度增加，微球直径从2.51 mm增至2.86 mm，而硬度从9.1 g降至7.5 g。尺寸增大归因于salep提高的溶液粘度改变了液滴形成动力学；硬度下降则可能与Ca²⁺-海藻酸盐交联密度降低及网络均匀性变差有关。

模拟胃肠条件下的益生菌存活：在pH 2.0的模拟胃液中处理3小时后，所有配方均未检出活菌，表明当前水凝胶体系无法抵御强酸性环境。相比之下，包封显著降低了胆汁盐对益生菌的抑制效应，其中纯海藻酸盐微球（C组）的保护效果最佳。salep的掺入反而略微增加了抑制率，提示其引起的结构变化（如更粗糙的表面和更高的渗透性）可能不利于抵抗胆汁盐胁迫。

FTIR光谱分析：所有样品均呈现海藻酸钙水凝胶的特征吸收峰，包括羧酸根的不对称和对称伸缩振动峰。salep样品的羟基伸缩带形状和强度略有变化，表明氢键相互作用增强。未检测到新共价键特征峰，证实复合水凝胶主要通过离子交联和氢键稳定。

表面形貌观察：SEM图像显示，对照海藻酸盐微球表面光滑致密，而salep掺入后表面变得粗糙且不均匀。这种形态变化反映了salep多糖链对Ca²⁺介导的“蛋盒”结构的干扰，导致基质致密性下降和结构异质性增加。

热行为分析：DSC结果显示，所有样品在低温区（约40–60 °C）和高温区（约90–150 °C）均出现吸热转变，分别对应自由水和结合水的蒸发。salep样品的吸热峰发生偏移和展宽，表明salep的引入改变了水分子与聚合物网络的相互作用模式以及链段运动性。

讨论与结论

研究表明，salep的掺入成功调控了海藻酸钙微球的粒径、硬度和表面形貌，但这些结构修饰未能提升益生菌在胃肠应激下的存活率。尤其是在强酸性条件下，所有配方均完全失活，凸显了当前基质设计的局限性。在胆汁盐环境下，包封虽整体优于游离细胞，但salep配方的保护效果略逊于纯海藻酸盐组。综合FTIR、SEM和DSC结果，研究人员认为复合水凝胶主要由离子交联和氢键维持，salep通过物理缠结而非化学键合参与网络构建。研究结论指出，salep提供了一条调控海藻酸钙微球性能的可行的途径，但若要实现有效的胃部保护，仍需进一步的基质工程改造，如多层包衣、引入缓冲成分或优化交联策略。本研究的发现有助于理解葡甘露聚糖类多糖对海藻酸钙网络组织和益生菌性能的影响，为开发更有效的包封系统奠定了基础。