《International Journal of Biological Macromolecules》：Template-based preparation of W/O/W-type spray-dried probiotic microcapsules using pectin-zein pickering emulsion
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梁彦潇|程新欣|任福辉|张彦伟|吴鹏|孙东晓-Waterhouse山东农业大学食品科学与工程学院，泰安，271018，中国山东省摘要益生菌对人类健康至关重要，但其在食品加工、储存和消化过程中的活性容易受到不良条件的影响。目前，喷雾干燥乳化微胶囊技术被广泛用于益生菌的保存及相关产品
梁彦潇|程新欣|任福辉|张彦伟|吴鹏|孙东晓-Waterhouse
山东农业大学食品科学与工程学院，泰安，271018，中国山东省
摘要
益生菌对人类健康至关重要，但其在食品加工、储存和消化过程中的活性容易受到不良条件的影响。目前，喷雾干燥乳化微胶囊技术被广泛用于益生菌的保存及相关产品的开发。然而，仍存在一些挑战，包括封装效率低下、过早释放以及益生菌存活率低等问题。本文开发了一种以果胶-玉米醇溶蛋白复合物纳米粒子（PEC-ZNP）稳定的水-油-水（W/O/W）Pickering乳液（PE-ZPe）作为Bifidobacterium longum的封装模板，从而实现了高存活率和靶向释放。傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和核磁共振（LF-NMR）的结果表明，PEC和ZNP通过静电相互作用、氢键和疏水相互作用形成了更稳定的外层水相界面。制备的PE-ZPe表现出优异的储存稳定性和对胃肠道环境的耐受性。该乳液的剪切稀释特性使其能在喷雾干燥过程中顺利通过喷嘴，有效防止堵塞。喷雾干燥后，PE-ZPe微胶囊的含水量低，粘附或聚丛现象显著减少。其稳定的双层核壳结构有效降低了Bifidobacterium longum的存活率下降。储存和模拟胃肠道实验的结果显示，在4°C下储存28天后，微胶囊中的Bifidobacterium longum存活数量始终保持在1×106 CFU/g以上，证实了其在肠道环境中的靶向释放。总之，本研究成功解决了传统喷雾干燥方法在益生菌微胶囊化过程中存在的稳定性问题，这些发现为益生菌产品的发展和大规模生产提供了宝贵见解。
引言
益生菌是活的微生物，当摄入足够数量时，可以给宿主带来健康益处。它们的生理调节作用已被广泛证实，包括限制病原菌的繁殖[1]、调节胆固醇水平以及减少有毒蛋白质发酵代谢产物[2]。双歧杆菌对肠道微生物群至关重要，但其生物活性容易受到消化道极端环境的影响，导致肠道定植存活率显著降低。此外，工业生产、储存和运输过程中的温度、湿度和机械应力等因素进一步加剧了细菌活力的下降，严重限制了益生菌功能产品的工业化发展。因此，提高Bifidobacterium的稳定性是食品工业面临的最紧迫挑战之一。研究表明，微胶囊技术通过提供物理屏障来抵御环境压力，是目前保护益生菌活性、提高其环境耐受性和储存稳定性的有效策略[3]。
Pickering乳液通过固体颗粒稳定油水界面，表现出较强的抗聚结能力、优异的Ostwald ripening抑制效果以及较低的稳定剂需求[4],[5]。它们对外部压力具有优异的耐受性，在益生菌封装应用中具有巨大潜力[6]。然而，其液态形式仍面临诸多挑战，如暴露于空气和光照导致的变质以及微生物污染，这些因素严重制约了其大规模应用[7],[8]。因此，将液态乳液转化为粉末状微胶囊是一种有效的方法，可以解决上述问题，延长产品保质期，并提高生物活性成分的稳定性。此外，粉末形式便于将其纳入多种食品基质中[9]。这种独特的微胶囊结构不仅在口服递送过程中保护敏感成分免受胃酸侵蚀和胆盐溶解，还能在肠道环境中实现可控释放[10],[11]。
喷雾干燥在工业中常用于将液态乳液干燥成微胶囊粉末[12]，但传统喷雾干燥方法存在一些关键问题，如喷嘴堵塞、干燥效率低、界面稳定性不足以及生物活性物质保护有限[13]。因此，选择合适的外相对于解决这些问题至关重要。理想的外相必须确保整个微胶囊系统的稳定性以及高益生菌封装效率，同时保证乳液能够成功喷雾干燥形成均匀的粉末。此外，它还必须在整个过程中有效保护益生菌的活性，并确保其在肠道中的可控释放。玉米醇溶蛋白由于具有独特的自组装特性，在递送系统构建中具有优势[14]。然而，使用玉米醇溶蛋白作为外相制备的乳液往往存在稳定性差、流变性能不佳和封装效率有限等问题[15]。果胶具有优异的生物相容性和潜在的益生元特性[16]，但其流动性差，容易在喷雾干燥过程中导致喷嘴堵塞。先前的研究表明，制备果胶-多糖复合纳米粒子可以显著改善界面性能[17],[18]，但现有复合体系往往只针对单一性能进行优化，难以实现乳液稳定性、益生菌存活率和肠道靶向性的协同优化。此外，不同组分之间协同作用的机制尚不明确，这为本研究提供了明确的切入点。本研究提出了一个明确的机制假设：果胶可通过静电相互作用抑制玉米醇溶蛋白纳米粒子的聚集；此外，两者通过氢键和疏水相互作用形成稳定的复合界面膜。这种非共价协同效应可以有效缓解各个组分的固有缺陷，从而提高乳液稳定性、可控释放能力和益生菌封装效率。
本文使用以果胶-玉米醇溶蛋白复合纳米粒子（PEC-ZNP）稳定的Pickering乳液作为模板，并结合喷雾干燥技术，制备了Bifidobacterium longum的微胶囊。通过FTIR、XRD和DSC表征了PEC-ZNP内的分子相互作用，并研究了其对材料热稳定性和机械性能的影响。使用SEM观察了微胶囊的形态特征。此外，还进行了体外消化模拟和储存实验，以评估Bifidobacterium longum的胃肠道递送效率和长期储存稳定性。本研究为益生菌产品的发展和大规模生产提供了宝贵见解，同时为其他热敏活性物质的封装提供了一种有前景的策略。
章节摘录
材料
果胶采用直接酸法从柑橘皮中提取。提取的果胶的单糖组成、分子量和结构特征已按先前描述的方法确定[19]。该果胶含有47.07%的半乳糖醛酸，分子量为90.11 kDa，属于低甲氧基果胶（DM: 34.89%）。从结构上看，它主要由半乳糖醛酸骨架（HG: 45.91%）和中性糖侧链（RG-I: 38.04%）组成。
复合纳米粒子的粒径、PDI和ζ电位
复合纳米粒子的制备过程如图1A所示。物理化学性质的比较表见S2至S4表。如图1B所示，首先通过ζ电位测量表征和优化了PEC和ZNP之间的电荷相互作用；ζ电位直接反映了粒子间的静电相互作用。结果表明，由于质子化作用，玉米醇溶蛋白纳米粒子（ZNP）表现出24.9±0.35 mV的正表面电荷
研究的局限性
本研究仅通过体外模拟胃肠道消化验证了系统的靶向释放效果和益生菌保护作用；尚未进行体内动物研究或人体临床试验，因此无法直接确认系统在体内的靶向递送效率或益生菌定植能力。主要原因是目前的研究重点在于体外过程优化和机制分析
结论
本研究成功使用了以果胶-玉米醇溶蛋白纳米粒子（PEC-ZNP）复合物稳定的W/O/W Pickering乳液作为模板，并结合喷雾干燥技术制备了Bifidobacterium longum微胶囊。通过系统优化复合纳米粒子比例、乳液组成和干燥过程，确定当PEC与ZNP的体积比为3:2时，以及W/O乳液与外壳的比例为
CRediT作者贡献声明
梁彦潇：撰写——初稿编写、验证、软件使用、方法学设计、实验研究、概念构思。程新欣：撰写——初稿编写、验证、软件使用、方法学设计、实验研究、概念构思。任福辉：方法学设计、实验研究、数据整理、概念构思。张彦伟：可视化处理、验证、实验研究、数据整理、概念构思。吴鹏：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、资金申请。孙东晓：
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2022MC187）和山东泰山黄 Jing 技术产业园的支持。
