基于海藻酸钠/纤维素纳米纤维（SA/CNF）的水凝胶的开发用于增强益生菌稳定性

《Gels》：Development of Sodium Alginate/Cellulose Nanofiber (SA/CNF)-Based Hydrogels for Enhancing Probiotic Stability

　　

益生菌可促进肠道健康，但其功效常因在胃肠道（GI）中的低存活率和低代谢活性而受限。本研究旨在开发保护性水凝胶，用于包埋植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）CJLP 133，采用海藻酸钠（SA）和纤维素纳米纤维（CNF）的复合基质。通过离子凝胶化技术，使用优化的SA和CNF配方制备了负载L. plantarum CJLP 133的水凝胶珠。扫描电子显微镜显示，CNF的整合改善了球形形态并减少了表面开裂。傅里叶变换红外光谱证实了SA与CNF之间形成分子间氢键。CNF的整合还降低了胶粘性和咀嚼性，从而产生更柔软的质地。L. plantarum CJLP 133在热处理和冻干后的存活率保持较高。体外GI递送系统在模拟胃液中表现出保护性溶胀曲线，并在模拟肠液中表现出靶向、高效释放曲线。最后，含有L. plantarum CJLP 133的3% SA + 0.5% CNF水凝胶展现出显著的合生元效应，增强了益生菌生长、肠道粘附以及丁酸盐和琥珀酸盐的产生。这些结果表明，基于SA/CNF的水凝胶是一种有效的递送系统，可确保益生菌在胃肠道内靶向释放。

### 论文解读：基于海藻酸钠/纤维素纳米纤维复合水凝胶的益生菌稳定性增强与靶向递送系统研究

#### 研究背景与问题

益生菌作为活的微生物，在摄入足够量时对宿主健康有益，但它们在胃肠道（GI）环境中面临低pH、胆汁盐和酶降解等挑战，导致存活率低、代谢活性受限。传统的海藻酸钠（SA）水凝胶因生物相容性好、无毒、温和凝胶化而被广泛用于益生菌包埋，但其固有的多孔结构易导致过度溶胀或结构侵蚀，造成益生菌提前泄漏，降低存活率。纤维素纳米纤维（CNF）具有高结晶度、高比表面积和机械强度，但其水凝胶主要依赖物理交联，对环境响应性有限。将SA与CNF复合可兼顾SA的离子交联特性和CNF的增强效果，但该复合水凝胶在合生元递送系统中的作用——特别是GI条件下兼具保护与功能性的潜力——尚未充分探索。为此，研究人员开展了本研究，旨在开发一种SA/CNF复合水凝胶珠，提升植物乳杆菌CJLP 133的存活率和活性，并评估其作为合生元递送系统的可行性。该论文发表在《Gels》。

#### 主要技术方法

研究人员采用挤出式离子凝胶化技术制备了SA/CNF复合水凝胶珠（材料来源：CNF购自韩国CNNT，SA购自日本Junsei，CaCl₂购自韩国Daejung）。关键的实验方法包括：利用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶形态并定量孔隙尺寸；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析化学相互作用；通过质构分析（TPA）评估机械性能；通过模拟胃液（SGF，pH 2.0含0.3%胃蛋白酶）和模拟肠液（SIF，pH 7.4含1%胆汁盐和1%胰酶）进行体外控制释放实验；使用HT-29人结直肠腺癌细胞系评估肠道粘附能力；通过高效液相色谱（HPLC）定量短链脂肪酸（SCFA）。研究未涉及特定样本队列来源。

#### 研究结果

**2.1 物理化学与结构特征**

**2.1.1 形态学分析**：SEM观察显示，SA浓度越高，水凝胶珠直径越大（均在3 mm以下，适合口服）。3% SA + 0.5% CNF和3% SA + 1% CNF配方因直径最大被选用于后续实验。CNF的加入使水凝胶球体更饱满、表面开裂减少，且高浓度CNF（1%）产生更小的孔隙（平均孔径从28.98 μm降至11.04 μm），形成更致密的网络结构。

**2.1.2 质构特性**：TPA结果显示，3% SA + 0.5% CNF水凝胶的硬度、胶粘性和咀嚼性均显著低于纯SA水凝胶（分别降低1.23倍、1.27倍和1.31倍，p<0.001），提示其质地更柔软、口感更优，适用于食品应用。

**2.1.3 化学相互作用**：FT-IR光谱分析表明，SA/CNF复合水凝胶未形成新的共价键，而是通过氢键和物理缠结实现结合。SA的特征羧基峰（1410–1600 cm^-1）和CNF的C-H伸缩峰（2925 cm^-1）均保留，O-H伸缩峰（约3277 cm^-1）无明显位移，证实了物理相互作用。

**2.2 植物乳杆菌CJLP 133的稳定性**：包埋效率均超过95%。热休克（50°C、60°C、90°C）和冻干处理下，3% SA + 0.5% CNF水凝胶始终提供最佳保护：50°C处理300 min后存活率降低仅25.30%（未包埋细胞降低51.83%）；冻干后存活率达88.18%，显著高于纯SA水凝胶的74.05%和3% SA + 1% CNF的79.96%。

**2.3 靶向递送特性**

**2.3.1 酸与胆汁耐受性**：在pH 2.5和0.3%胆汁盐条件下，3% SA + 0.5% CNF水凝胶的存活率最高（分别为80.00%和107.37%），而1% CNF配方因酸诱导自聚集导致保护效果下降（存活率55.92%），说明0.5% CNF为最优浓度。

**2.3.2 模拟GI控制释放**：在SGF中，CNF的加入显著抑制了益生菌提前释放：3% SA + 0.5% CNF和3% SA + 1% CNF的释放量分别比纯SA低4.9倍和6.61倍。在SIF中，3% SA + 0.5% CNF在180 min时的细胞释放量比纯SA高114.82倍，实现了高效靶向释放。

**2.4 合生元效应**

**2.4.1 益生元活性与肠道粘附**：CNF的益生元活性评分（PAS）最高（0.77），3% SA + 0.5% CNF次之（0.40），纯SA最低（0.14）。HT-29细胞粘附实验中，3% SA + 0.5% CNF的粘附率达82.49%，高于纯SA的74.10%，表明CNF促进了益生菌的肠道定殖。

**2.4.2 短链脂肪酸产生**：以3% SA + 0.5% CNF为碳源时，丁酸净产量最高（4.05 g/L），琥珀酸（丙酸前体）产量也达最高（14.77 g/L），且总SCFA产量优于1%葡萄糖对照，证实了SA/CNF复合物的合生元潜力。

#### 讨论与结论

讨论部分指出，0.5% CNF在所有实验参数中始终为最优浓度，其与SA形成的致密网络归因于分子间氢键，减少了网络中的自由水空间，从而在酸性环境下抵抗溶胀，在肠液环境下通过Ca²⁺与Na⁺交换及静电排斥实现崩解释放。植物乳杆菌的内源性纤维素酶可能帮助其利用SA/CNF基质，从而增强肠道粘附和SCFA产生。

**结论**：本研究开发了一种新型合生元递送系统，将CNF整合到SA水凝胶基质中。3% SA + 0.5% CNF配方在益生菌包埋方面展现出最大的策略优势，可在热处理、冻干、低pH和胆汁盐等多种加工条件下保护益生菌存活。其功能归因于SA与CNF之间的分子间氢键形成更致密网络。此外，该水凝胶珠在模拟GI系统中实现了靶向控制释放，并为L. plantarum CJLP 133提供了益生元支持。这些结果表明，SA/CNF复合材料可作为稳定、功能性益生菌递送的理想平台。