《LWT》：Improving gastroprotective and cold storability of Lactobacillus rhamnosus GG encapsulated within soybean protein isolate/tragacanth gum composite hydrogels containing ultrasound-treated bitter almond gum
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研究人员制备了含苦杏仁胶(BAG)与黄蓍胶(TG)的大豆分离蛋白(SPI)复合水凝胶，并引入超声(US)处理的BAG，以提升鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)GG（LGG）的胃肠保护性与冷藏稳定性。研究表明，TG可改善水凝胶的流变与
研究人员制备了含苦杏仁胶(BAG)与黄蓍胶(TG)的大豆分离蛋白(SPI)复合水凝胶，并引入超声(US)处理的BAG，以提升鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)GG（LGG）的胃肠保护性与冷藏稳定性。研究表明，TG可改善水凝胶的流变与结构特性，诱导形成致密的三维凝胶网络；含BAG或可溶BAG(SBAG)的SPI/TG水凝胶在体外消化中对LGG的保护效果更优；而含超声处理BAG的水凝胶在冷藏期间对益生菌的保护作用更强。该研究为益生菌递送系统的构建提供了基于蛋白?多糖复合与水凝胶改性的策略。
研究背景方面，益生菌作为摄入足够量可对宿主产生健康获益的活微生物，通过维持肠道微生态平衡与调节黏膜及全身免疫应答发挥作用。依据FAO/WHO标准，酸奶、奶酪等益生菌产品需至少含有106–107菌落形成单位(CFU)/g方可保证功效。然而不同菌株对氧气、温度、pH波动、消化酶及胆盐高度敏感，这些胁迫因子会降低益生菌在食品加工、贮藏、分销及胃肠道(GI)转运过程中的存活率，限制其向结肠的有效递送。水凝胶作为由亲水性聚合物通过物理或化学交联形成三维网络的封装基质，成为提升益生菌在不良条件下存活率的策略之一。传统水凝胶多由单一天然或合成聚合物构成，近年蛋白与多糖复合的水凝胶因增强的致密性与交联度，在严苛胃肠条件下表现出更优的保护能力而受到关注。大豆分离蛋白(SPI)因成本低、来源广、营养价值高及具备凝胶、结合、持水(WHC)、乳化等功能特性被广泛使用，但其水凝胶在酸性胃环境中易被胃蛋白酶降解，在高离子强度或高温下易聚集，体内表现欠佳。酶法交联与引入果胶、岩藻多糖、可得然胶、κ?卡拉胶等多糖可强化SPI水凝胶并改善益生菌递送，但部分多糖存在可得性或提取纯化复杂的问题。渗出胶如黄蓍胶(TG)与苦杏仁胶(BAG)可作为替代，经最小加工即可保持天然结构与功能，其为基于阿拉伯半乳聚糖的多糖，在水凝胶体系中可能相互增强。TG具增稠、凝胶与结构化特性，可提高凝胶强度并实现生物活性物质控释；BAG的水溶性组分(SBAG)具乳化与益生元效益，不溶性组分(IBAG)提供增稠与凝胶特性。超声(US)处理可通过剪切力降低多糖分子量(MW)、改变链构象并提高聚合物柔性，且快速、非热、安全，可保留多糖天然结构并改善功能性，可能赋予BAG衍生物的益生元与冷保护特性。冷保护剂可通过降低理化胁迫维持益生菌在冻干与冷藏中的存活率，卡拉胶、菊粉等天然多糖因其流变行为与反应性官能团也表现冷保护效应。然而超声诱导的多糖改性对益生菌在GI消化与冷藏中耐受性的影响尚不清楚，多糖链长与构象柔性对水凝胶强度及细胞稳定性的作用也不明确。因此，需系统评估超声处理BAG如何影响益生菌在模拟消化与冷藏条件下的存活，并阐明TG与BAG及其超声衍生物对SPI水凝胶结构性能及LGG存活的作用，以填补SPI/TG水凝胶用于益生菌递送的研究空白。
研究人员采用两阶段实验设计开展研究：首先制备不同TG浓度的SPI/BAG水凝胶并进行结构、理化与功能表征，筛选最优TG浓度；随后以最优SPI/TG水凝胶为基质，分别添加BAG、不同超声时间（10、20、30 min）处理的BAG、SBAG或低聚果糖(FOS)封装LGG，评价其在模拟GI消化与4 ℃冷藏中的存活情况，并比较超声处理BAG与SBAG的保护效应。论文发表于《LWT》。
主要关键技术方法包括：BAG纯化与SBAG提取、超声处理BAG、SPI/BAG/TG复合水凝胶制备与LGG封装、水凝胶结构表征（粒径与ζ电位、傅里叶变换红外光谱(FT?IR)、圆二色(CD)光谱、内源荧光）、水凝胶功能特性测定（持水性(WHC)、溶胀率、冻?融稳定性、质构剖面分析(TPA)、流变学、扫描电镜(SEM)）、封装效率(EE)与WHC测定、体外GI消化模型（模拟胃液(SGF)与模拟肠液(SIF)序贯消化）、冷藏贮存期益生菌存活检测、荧光显微镜活死染色观察，以及统计学分析；样本与材料来源于伊朗Kazerun当地市场获取的BAG与TG、中国上海源叶生物的SPI、日本味之素的微生物谷氨酰胺转氨酶(MTG)、伊朗Shiraz的LGG(ATCC 53103)与FOS等。
研究结果如下：
3.1. FT?IR分析：通过傅里叶变换红外光谱(FT?IR)分析发现，SPI加入BAG与TG后未出现新峰，但峰强度与宽度随TG浓度升高而改变，凝胶中强度高于混合物，表明凝胶形成过程中蛋白构象变化增强；3300 cm-1附近酰胺A带O–H与N–H伸缩振动峰强度升高，提示TG羟基与SPI酰胺基间氢键增强；1640 cm-1酰胺I区C=O伸缩振动峰强度随TG浓度增加而下降，反映SPI结构重排与静电相互作用，表明水凝胶网络形成过程中构象变化被稳定，与蛋白聚集及有序分子间结构形成相关。
3.2. CD分析：圆二色(CD)光谱显示，天然SPI在208与222 nm处具α?螺旋负椭圆率，TG加入使SPI从α?螺旋向β?折叠转变，α?螺旋含量减少、β?折叠含量增加（p < 0.05），随机卷曲减少而β?折叠增加，表明分子内氢键破坏后形成蛋白链间缔合与更有序的水凝胶网络。
3.3. 内源荧光分析：内源荧光显示所有水凝胶最大发射波长近362 nm，色氨酸极性偏移极小；随TG浓度升高荧光强度下降，源于SPI与多糖间强氢键与静电相互作用导致的静态猝灭，复合物部分屏蔽色氨酸残基，稳定发射波长说明猝灭来自复合物形成而非广泛蛋白去折叠，表明TG促进可控部分去折叠与分子间β?折叠聚集，强化水凝胶网络。
3.4. 粒径、多分散指数(PDI)与表面电荷密度：粒径与ζ电位分析表明，SPI平均粒径228.5 nm，加入多糖后增大，源于蛋白?多糖静电相互作用与胶束桥接形成的可溶性SPI聚集体；TG浓度升高粒径进一步增大，MTG加入后粒径更大且分布向大尺寸偏移，表明MTG促进蛋白聚集；PDI改善说明添加剂影响体系稳定性。ζ电位显示SPI为?36.2 mV，加入阴离子胶BAG与TG后负值增大，MTG处理后进一步降低，归因于MTG将谷氨酰胺残基脱酰胺为谷氨酸而增加净负电荷。
3.5. WHC与溶胀率分析：持水性(WHC)随TG添加从约0.90升至0.94 g/g，源于SPI与多糖物理相互作用增强及水凝胶网络形成；溶胀率在10 g/L TG时最高，随TG升高而下降，因高TG形成更致密结构阻碍水分子进入。
3.6. 水凝胶冻?融稳定性：冻?融析水率随循环次数增加而上升，10 g/L TG凝胶析水率最高，20 g/L TG凝胶析水率最低、冻?融稳定性最优，归因于高浓度TG羟基通过氢键结合更多水分子、形成更致密网络有效截留水分并减缓冰晶形成与蛋白变性。
3.7. 水凝胶动态流变特性：频率扫描显示存储模量(G′)与损耗模量(G′′)随频率升高而增加，G′ > G′′，具固态粘弹性行为；TG添加提高G′与G′′，凝胶刚性增强；损耗角(tan δ = G′′/G′) < 1且随TG升高而降低，表明多糖增强SPI/BAG/TG复合凝胶的弹性。
3.8. 质构特性：质构剖面分析(TPA)显示硬度由0.44升至0.57 N，弹性、咀嚼性、内聚性均随TG浓度升高而提升，源于TG较高持水潜力提高黏度与力学性能，与聚合物互穿及非共价相互作用强化网络一致。
3.9. SPI/BAG/TG复合水凝胶外观与微观结构：外观上10 g/L TG为糊状不自立，15与20 g/L TG渐呈固态规整形状；扫描电镜(SEM)显示10 g/L TG为开放异质多孔、壁连接差，15 g/L TG孔径分布均匀、孔隙密度高，20 g/L TG平均孔径最小但变异较大；TG浓度调控网络致密化，致密网络可提升对GI严苛条件的抵抗性。
3.10. 载LGG水凝胶的WHC与封装效率(EE)：含BAG与SBAG的水凝胶WHC最高（0.93与0.88 g/g），EE最高（97%与95%）；超声处理BAG的WHC与EE随超声时间延长而下降，因超声降低BAG分子量(MW)致网络多孔不致密；FOS组WHC与EE与超声处理BAG相近。
3.11. 体外GI消化模拟：6 h消化期内封装LGG存活数为5.23–6.65 log CFU/g；含BAG与SBAG的水凝胶存活最高，因其长链促进缠结、降低基质渗透性、减缓胃酸与胆盐扩散，且阴离子多糖与SPI静电与氢键作用强；FOS与超声处理>10 min的BAG网络较弱，存活低于6 log CFU/g；胃相存活下降1.71–2.75 log CFU/g，肠相再降0.66–1.33 log CFU/g，源于pH与离子强度削弱蛋白?多糖键、羧基电离促溶胀与胰酶渗透及网络破坏；效应量分析显示处理、消化阶段及其交互作用均具强影响，BAG为参照时SBAG、FOS、超声处理BAG的Cohen’s d值很大，延长超声降低BAG保护能力。
3.12. 封装益生菌在贮藏期间的存活：4 ℃冷藏8周所有水凝胶益生菌数高于107CFU/g；FOS组最高（4周8.72、8周8.37 log CFU/g），SBAG次之（8.36–8.10 log CFU/g），超声处理BAG为8.10–8.23（4周）与7.63–7.94（8周）log CFU/g，BAG组最差（4周7.97、8周7.36 log CFU/g）；荧光显微镜显示FOS、SBAG、超声处理BAG组中活LGG（绿色）更多；冷藏稳定性随超声时间延长而提高，低分子量、短链多糖通过氢键与膜磷酸根结合稳定细胞膜完整性，具更强冷保护效应；效应量分析显示处理、贮存时间及其交互作用影响大，BAG为参照时超声处理BAG、SBAB、FOS的Cohen’s d均很大，配方依赖性强。
讨论部分总结：研究人员讨论指出，高TG水平改善了水凝胶强度、持水、质构与流变性能，20 g/L TG水凝胶最适于益生菌封装；BAG与SBAG通过强化网络提升LGG在模拟GI消化中的存活，而超声处理BAG因结构修饰产生更强冷保护作用，在冷藏中表现更优，体现BAG及其衍生物在消化与冷藏保护上的功能差异。该水凝胶体系可直接整合入多种功能性食品与饮料中以递送益生菌，但仍存局限：体外消化需体内验证存活与定植；超声处理BAG在规模化生产中面临能耗与工艺复杂度挑战；BAG与TG的可获得性与成本可能影响工业采用。未来应进行体内评估、优化超声参数以平衡性能与能耗、评估供应链约束并与商业封装载体比较，还可探索载入其他生物活性物（如抗氧化剂）的协同效应。总体而言，该水凝胶体系是提升益生菌稳定性与支持健康导向食品开发的 promising 策略。
研究结论部分原文翻译：在本研究中，研究人员通过微生物谷氨酰胺转氨酶(MTG)制备了含BAG与不同浓度TG的SPI复合水凝胶。较高TG水平改善了水凝胶的强度、持水性(WHC)、质构与流变特性。含20 g/L TG的水凝胶对益生菌封装最为有效。添加BAG与SBAG通过强化水凝胶网络，有助于LGG在模拟胃肠道(GI)消化中存活。相比之下，超声(US)处理的BAG在冷藏期间保存益生菌最为有效，可能源于更强的冷保护效应。这种差异体现了BAG及其衍生物在消化与冷藏保护中的功能不同。该水凝胶体系可直接纳入多种功能性食品与饮料中以递送益生菌。然而，必须承认若干局限性：首先，消化是在模拟体外条件下进行，益生菌存活与定殖的体内验证仍然必要；其次，BAG的超声处理因更高能耗与增加工艺复杂性，可能对大规模制造构成挑战；第三，BAG与TG的可获得性与成本可能因地区而异，潜在影响工业采用。因此，未来研究应包括体内评估、优化BAG的超声参数以平衡功能表现与能耗、评估供应链约束，并与商业封装载体进行直接比较以更好定位水凝胶性能。此外，应探索将该水凝胶体系与其他生物活性化合物（如抗氧化剂）结合，以识别潜在的协同效应。总体而言，该水凝胶体系代表了一种提升益生菌稳定性与支持健康导向产品开发的有前景的策略。
