利用乳清蛋白分离物和阿拉伯树胶复合物共凝胶提高与天然色素共同包封的乳酸菌的存活率与稳定性

《International Journal of Biological Macromolecules》：Enhancing viability and stability of lactic acid bacteria co-encapsulated with natural pigments using whey protein isolate and gum arabic complex coacervates

　　

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  叶绿素、甜菜红素和硫酸铜氯绿素（浓度分别为0.50%和0.75%）能够促进乳酸菌的生长并提升其代谢能力。
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  色素与WPI/GA复合微胶囊的包封效率可超过76%。
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  经过6小时模拟消化后，这些被包封的乳酸菌仍能保持6.7 log CFU/mL的存活量。
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  FT-IR光谱分析显示色素与WPI/GA之间存在氢键及静电相互作用。
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  这种三重协同机制能够提升乳酸菌在高温及储存条件下的稳定性。

引言

乳酸菌是发酵食品中的核心功能微生物，它们有助于提升食品风味、延长保质期以及维护肠道健康[1]、[2]。然而，在食品加工、储存以及通过胃肠道的过程中，由于面临各种不良环境因素（如低pH值、高温、氧化应激、胆盐等）的影响，乳酸菌的存活率及其功能活性会大幅下降[3]。要想让乳酸菌发挥益生菌的作用，它们必须以≥10⁶?CFU/mL的浓度存活并通过上消化道[4]。因此，探索能够在多种应力条件下提升乳酸菌稳定性的有效策略，已成为功能性食品研发领域的热门研究方向[5]、[6]。益生元可以调节肠道微生物群并促进乳酸菌生长[7]、[8]，而将益生元融入微囊化系统中，也被视为构建合生元递送平台的一种极具前景的方法[9]、[10]、[11]、[12]。不过，目前大多数已报道的合生元微胶囊都是以寡糖或多糖作为益生元共包封材料，而具有多种功能性活性的天然色素则较少被用于此类研究。

叶绿素、甜菜红素以及硫酸铜氯绿素这类天然色素，都具有众所周知的抗氧化、抗炎以及抗菌作用[13]、[14]。某些天然色素还能通过促进有益菌的生长来调节肠道微生物群[15]、[16]。这三种色素含有大量的官能团（-OH、-COOH、-NH?），它们有望与WPI/GA发生相互作用，从而展现出强大的抗氧化能力，帮助缓解乳酸菌所面临的氧化应激。不过，它们对常见乳业用乳酸菌（如植物乳杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌）的益生效应尚未得到系统验证，它们作为益生元共包封材料在乳酸菌微囊化中的应用情况也尚不清楚。

乳清蛋白分离物和阿拉伯树胶都是用于复杂凝聚反应的经典食品级水胶体，它们具有互补的功能特性，且其凝聚机制也已得到充分研究[17]、[18]。在酸性环境中（低于乳清蛋白的等电点时），带正电荷的乳清蛋白与带负电荷的阿拉伯树胶之间会形成强烈的静电相互作用，进而生成致密的凝聚基质，这种基质能够有效地包封生物活性物质及益生菌[17]。然而，天然色素与WPI/GA壁材料在复杂凝聚反应过程中的分子间相互作用，以及这些相互作用如何影响微胶囊的结构与保护性能，目前还缺乏相关研究报道。

天然色素对乳业用乳酸菌的益生效应、它们作为共包封材料的应用潜力，以及它们与WPI/GA之间的分子相互作用，目前都尚未有明确结论。针对上述研究空白，本研究旨在构建一种基于天然色素的合生元微胶囊系统，用于保护乳酸菌。研究假设该系统可通过色素的益生效应、WPI/GA构成的物理屏障以及色素自身的抗氧化作用，形成一种三重协同的保护机制。本研究首先通过检测不同浓度的叶绿素、甜菜红素和硫酸铜氯绿素对植物乳杆菌、保加利亚乳杆菌以及嗜热链球菌的生长情况、代谢活性、胃肠道耐受性以及有机酸产生能力，评估了这三种色素的益生效应。之后选择了最适浓度的色素，通过WPI/GA复合凝聚反应构建合生元微胶囊系统。研究人员还对该微胶囊系统的理化性质进行了分析，并利用FT-IR光谱技术研究了天然色素与WPI/GA之间的分子相互作用机制。本研究的实验流程如图1所示。期望这些研究成果能为开发稳定的合生元功能性食品提供新的思路，同时填补天然色素作为益生元共包封材料在乳酸菌微囊化应用方面的研究空白。

章节要点

材料

螺旋藻粉购自中国广东省的广东康达生物科技有限公司；新鲜火龙果则采购自中国江苏省镇江市的当地超市；硫酸铜氯绿素购自中国上海市的上海源恩生物科技有限公司。植物乳杆菌、保加利亚乳杆菌以及嗜热链球菌则由北京百奥博威生物科技有限公司提供。

天然色素对乳酸菌生长的益生效应

OD₆₀₀值是衡量微生物生物量及生长状态的直接指标[29]，图2展示了不同浓度（0.10%–0.75%）的天然色素处理后的乳酸菌生长曲线。对于这三种乳酸菌菌株而言，其生长曲线均呈现出典型的四个阶段：滞育期、对数生长期、稳定期以及衰退期。在滞育期，各组间的OD??0值没有显著差异（p?>?0.05），这说明天然色素对这些菌株的初期生长没有明显影响

结论

本研究系统地证实，叶绿素、甜菜红素以及硫酸铜氯绿素能够显著提升乳业用乳酸菌（植物乳杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌）的生长速度、代谢活性、胃肠道耐受性以及有机酸的产生能力。基于这些益生效应，研究人员成功开发出一种由天然色素与WPI/GA组成的合生元微胶囊系统，该系统的WPI/GA比例为4:1，pH值为4.5，色素添加量为0.75%，且具有较高的包封效率

作者贡献说明

张志鸿：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、软件应用、项目管理、实验实施、概念构思。 王佳莹：论文撰写——初稿编写、结果验证、概念构思。 陈佳琳：论文撰写——初稿编写、结果验证、软件应用、概念构思。 郑雪云：论文撰写——审阅与编辑、实验实施。 孙全才：论文撰写——审阅与编辑、结果验证。 彭烨：论文撰写——审阅与编辑、结果验证。 英晓：论文撰写——审阅与编辑、结果验证。 李晓兰：

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的资金支持：中国国家自然科学基金（项目编号为32572499、32101893和32372254）、教育部发酵工程重点实验室开放课题基金（项目编号为202509FE04），以及江苏省自然科学基金（项目编号为BK20240849）。

Zhi-Hong Zhang|Jiaying Wang|Jialin Chen|Xueyun Zheng|Quancai Sun|Ye Peng|Xiao Ying|Xiaolan Li|Xianli Gao