中试规模创新喷雾干燥用于T4噬菌体微胶囊化在控释系统中的应用：针对肠道感染和功能性食品

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Innovative pilot-scale spray drying for microencapsulation of T4 bacteriophage in a controlled-release system for intestinal infections and functional food applications

　　

噬菌体在肠道健康支持、噬菌体疗法和功能性食品配方中的实际应用需要能够在加工、储存和胃肠道转运过程中保持噬菌体活性的技术。本研究旨在开发一种食品兼容的微胶囊化系统，用于模型T4噬菌体，并评估中试规模的除湿空气喷雾干燥（dehumidified air spray drying, DASD）作为常规喷雾干燥（conventional spray drying, SD）的替代方案。研究人员在生物反应器条件下扩增了T4噬菌体，并使用五种载体配方进行微胶囊化。对所得粉末进行了物理性质、噬菌体存活率和储存稳定性的评估。最有前景的配方进一步在模拟胃肠条件下的延迟释放肠溶胶囊中进行测试。与SD相比，DASD能够在降低热应力的条件下高效干燥，并提高噬菌体感染性的保留率。在测试的配方中，麦芽糊精-海藻糖-阿拉伯胶基质显示出最高的干燥后噬菌体滴度（8.50 log PFU/g）和良好的粉末特性。所有粉末均呈现球形颗粒，表面有皱褶形态，低水分活度，并在六个月的储存期内，特别是在冷藏条件（4 °C）下，表现出可接受的稳定性。微胶囊化的噬菌体在长期储存后仍保持活性，滴度维持在7 log PFU/g以上。肠溶胶囊在酸性条件下有效限制了噬菌体释放，同时在模拟肠液中促进了快速释放，证实了其适用于靶向肠道递送。本研究仅限于模型T4噬菌体和模拟胃肠条件；需要进一步使用治疗性噬菌体和体内模型进行研究。研究结果首次证明了中试规模DASD用于噬菌体粉末生产的可行性，并突显其作为可扩展、食品兼容的稳定噬菌体配方技术的潜力。

**研究背景与问题**
随着抗生素耐药性细菌的迅速蔓延，噬菌体（bacteriophages, phages）——高度特异性的细菌病毒——在农业和医学领域的应用日益受到关注。噬菌体疗法、功能性食品添加剂及膳食补充剂等应用均依赖于噬菌体在加工、储存和胃肠道转运过程中保持生物活性。然而，开发有效的噬菌体配方面临巨大挑战，尤其是在靶向肠道环境时，需确保噬菌体在通过胃部酸性环境后仍能保持活性并到达作用位点（如大肠）。传统喷雾干燥（conventional spray drying, SD）技术虽可用于制备干粉，但热应力导致噬菌体活性损失严重。因此，研究人员旨在探索一种食品兼容的微胶囊化系统，评估中试规模的除湿空气喷雾干燥（dehumidified air spray drying, DASD）作为替代方案，以降低热应力并提高噬菌体存活率，同时实现控释递送。该论文发表在《Innovative Food Science》。

**研究内容与结论**
研究人员以模型T4噬菌体为研究对象，在生物反应器（BioFlo 120）中扩增，采用五种载体配方（包括麦芽糊精、海藻糖、阿拉伯胶、Tris、Tween 80及脱脂奶粉）进行微胶囊化，并比较了DASD与SD的效果。所得粉末在物理性质、噬菌体存活率及长期储存稳定性方面进行了评估。最优配方（F2：麦芽糊精-海藻糖-阿拉伯胶）进一步被装入肠溶胶囊（HPMC胶囊），在模拟胃液（simulated gastric fluid, SGF, pH 2.5）和模拟肠液（simulated intestinal fluid, SIF, pH 6.8和8.0）中测试释放行为。结果表明，DASD相比SD显著降低了热应力，提高了噬菌体感染性保留率（F2干燥后滴度达8.50 log PFU/g）。所有粉末均呈现低水分活度（<0.3）和可接受的六个月储存稳定性（冷藏条件下滴度>7 log PFU/g）。肠溶胶囊在酸性条件下限制噬菌体释放，而在SIF中促进快速释放，证实了靶向肠道递送的可行性。该研究首次证明了中试规模DASD用于噬菌体粉末生产的可行性，为可扩展、食品兼容的稳定噬菌体配方技术奠定了基础。

**主要关键技术方法**
1. **生物反应器扩增**：使用BioFlo 120生物反应器（3 L Luria-Bertani培养基），以0.001的感染复数（multiplicity of infection, MOI）扩增T4噬菌体，37 °C、200 rpm搅拌、0.4 v/v/min通气，直至细胞裂解（约3–4小时）。
2. **除湿空气喷雾干燥（DASD）**：采用GEA中试喷雾干燥器，配备除湿系统（TAEevo TECH020冷却单元和ML270吸附单元），在入口/出口温度80 °C/45 °C、干燥空气湿度<0.5 g/m3的条件下进行干燥。
3. **物理性质分析**：包括颗粒形态（扫描电子显微镜，SEM）、粒径（激光衍射法，CILAS 1190）、水分含量（烘箱法）、水分活度（Hygro Lab1）、松装密度和振实密度（Hausner比）。
4. **模拟胃肠环境稳定性测试**：在SGF（pH 2.5，含胃蛋白酶）和SIF（pH 6.8和8.0，含胰酶）中孵育0–4小时，测定噬菌体滴度。
5. **肠溶胶囊释放试验**：将F2粉末装入HPMC肠溶胶囊，在模拟胃肠液中测定15分钟至4小时内的噬菌体释放曲线。

**研究结果**
**3.1 生物反应器扩增与下游处理**
通过生物反应器扩增，在MOI 0.001条件下，培养3–4小时后细胞裂解，光学密度（OD₆₀₀）达0.79。真空过滤后，噬菌体裂解液滴度达8.31–9.57 log PFU/mL，但过滤膜堵塞（聚醚砜膜）导致通量下降，建议未来采用切向流过滤（tangential flow filtration, TFF）。

**3.2 喷雾干燥与粉末物理性质**
DASD相比SD显著降低了噬菌体滴度损失（F1仅下降0.86 log，F6下降1.29 log）。F2（麦芽糊精-海藻糖-阿拉伯胶）干燥后滴度最高（8.50 log PFU/g），且粉末呈球形皱褶颗粒，中位粒径（D₅₀）16.1–20.9 μm，水分含量4.8–5.8%，水分活度0.203–0.240。DASD粉末的Hausner比（Hausner ratio, HR）较高（>1.3），但F2因阿拉伯胶形成表面蛋白膜而改善流动性。

**3.3 储存对物理性质的影响**
六个月内，所有粉末保持可流动状态，但水分含量和水分活度显著增加（尤其22 °C），而粒径变化不显著。F2和F3（含Tris）吸湿性较高，但所有样品水分活度低于0.4，保持微生物稳定性。F2的HR在储存期间保持稳定，脱脂奶粉配方（F5）因乳糖结晶未发生而流动性良好。

**3.4 长期储存稳定性**
所有配方在4 °C下比22 °C下噬菌体活性保持更佳。F2表现出最佳长期稳定性：干燥后滴度8.50 log PFU/g，六个月后4 °C下7.36 log PFU/g，22 °C下5.99 log PFU/g。F1（麦芽糊精-海藻糖）和F5（脱脂奶粉）也保持较高滴度（>6 log PFU/g），而含Tween 80的F4和常规SD的F6活性衰减最快。

**3.5 模拟胃肠环境短期稳定性**
在无酶条件下，大部分配方在4小时内保持较高滴度；但在有酶条件下，pH 8.0时活性显著下降。酸性环境（pH 2.5）导致噬菌体失活最严重，但载体溶解后部分中和酸度（如F3和F5因Tris和牛奶蛋白的缓冲作用，使pH升高）。

**3.6 肠溶胶囊体外释放**
F2装于肠溶胶囊后，在无酶酸性溶液中30分钟内无噬菌体释放，1小时后少量释放；而在含酶SIF中，30分钟即开始释放，且随时间增加（尤其pH 8.0）。SGF中噬菌体被降解。这表明肠溶胶囊可保护噬菌体通过胃部，并在肠道靶向释放。

**讨论与结论**
讨论部分指出，DASD技术结合麦芽糊精-海藻糖-阿拉伯胶载体可提供有效热保护，其机制包括海藻糖的玻璃态形成和阿拉伯胶的成膜特性。与传统SD及藻酸盐微胶囊化（低通量、难放大）相比，DASD在中试规模实现连续生产，更具工业潜力。但研究存在局限性：仅使用模型T4噬菌体，需在体内条件下验证治疗性噬菌体；下游过滤步骤需优化（如TFF）；需评估不同食品基质兼容性及免疫调节效应。结论部分翻译如下：本研究证明，T4噬菌体可通过DASD成功转化为稳定的粉末配方，DASD是噬菌体微胶囊化的有前景方法。与常规SD相比，DASD改善了噬菌体感染性的保留，同时生产出具有良好物理化学性质（低水分活度、可接受的储存稳定性）的粉末。在测试的载体系统中，基于麦芽糊精、海藻糖和阿拉伯胶的配方在干燥后噬菌体存活率和长期活性维持方面表现最佳。微胶囊化噬菌体在六个月储存后仍可检测到（尤其冷藏条件），证实了生产货架期稳定噬菌体粉末的可行性。将优化粉末装入肠溶胶囊，可在酸性胃条件下限制释放，并在模拟肠液中高效释放，展示了靶向肠道递送的潜力。结果提示，食品兼容的噬菌体微胶囊化结合控释口服递送系统可能为开发未来膳食补充剂、功能性食品及辅助性噬菌体肠道干预提供可行平台。