超声辅助构建基于阿拉伯胶和低聚糖的合生元微胶囊用于丁酸梭菌递送：表征、应激耐受性及储存稳定性

《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasound-assisted fabrication of synbiotic microcapsules based on gum arabic and oligosaccharides for C. butyricum delivery: characterization, stress tolerance, and storage stability

研究人员开发了一种新型超声辅助合生元微囊化系统，该系统利用阿拉伯胶（gum arabic，GA）、复原脱脂乳（reconstituted skim milk，RSM）和益生元低聚糖（低聚果糖、低聚木糖和低聚半乳糖）来递送丁酸梭菌（Clostridium butyricum）。超声处理显著提高了活菌回收率，在低聚果糖配方中达到93.17%（p < 0.05）。结构分析表明，低聚糖类型和超声处理影响了颗粒形态、水流动性、蛋白质二级结构以及与分子间相互作用相关的溶剂可提取组分。超声处理提高了冻干制剂的应激耐受性，使对照组、XOS和GOS配方在60天储存中的存活率分别提高了10.4%、6.9%和16.6%，并显著降低了在单独胃液、肠液和胆盐耐受性测试中的活力损失（p < 0.05）。在所测试的低聚糖中，含XOS的配方表现出最均衡的整体性能。MC-XOS在热处理后存活率最高（51.3%），在模拟胃液中单独暴露3小时后仍保留27.5%的活力，而MC-XOS-US在4°C储存60天后存活率最高（60.87%）（p < 0.05）。这些发现为开发稳定的厌氧益生菌递送系统提供了有效策略。

**论文解读：超声辅助阿拉伯胶-低聚糖合生元微胶囊——丁酸梭菌递送系统的结构调控与保护机制**

**研究背景、问题与意义**

丁酸梭菌（Clostridium butyricum）作为新一代“超级益生菌”，因其独特的代谢能力而备受关注。它能高产丁酸，这是一种对维持肠道稳态、增强肠道屏障功能以及调节肠脑轴至关重要的短链脂肪酸，在缓解炎症性肠病和代谢紊乱方面潜力巨大。然而，其严格的厌氧特性使其对氧气高度敏感，并且难以耐受胃部强酸环境和高浓度胆盐，这严重制约了其在功能食品中的广泛应用。此外，该菌在工业加工中易受热和机械应力损伤。因此，迫切需要开发有效的递送系统，以屏蔽外界不利条件，提高其在加工和胃肠道转运过程中的存活率。

微胶囊化通过将益生菌包埋在保护性聚合物基质中，能够有效应对上述挑战。阿拉伯胶（GA）作为一种天然的高度支化阿拉伯半乳聚糖-蛋白质复合物，以其优异的生物相容性、高水溶性、乳化能力和成膜性成为理想的壁材。然而，单一多糖基质的微胶囊往往存在机械强度不足和结构孔隙率较高的问题。将蛋白质组分（如复原脱脂乳，RSM）与多糖复合，可通过静电和氢键相互作用构建更坚固致密的基质。此外，将益生菌与益生元结合在同一递送系统中，既能让低聚糖参与基质构建，又能为益生菌提供可发酵底物。现有益生菌微胶囊化研究多采用喷雾干燥技术，而超声技术因其机械效应能改善分散性和调控颗粒结构而被逐步引入，但此前研究多集中于乳化或壳层组装，关于超声与不同结构低聚糖在同一蛋白质-多糖基质中的联合效应报道甚少。为此，研究人员开展了本研究，旨在系统阐明低聚糖类型与超声处理对GA-RSM复合基质结构及丁酸梭菌保护效果的影响机制。相关成果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

**研究概述与关键结论**

研究人员将GA与RSM复合基质分别与低聚果糖（FOS）、低聚木糖（XOS）或低聚半乳糖（GOS）结合，并在每种配方下分别进行或不进行超声处理，制备了八种冻干合生元微胶囊配方。系统表征了微胶囊的形态、粒径、水分流动性、结晶度、蛋白质二级结构及分子间相互作用，并评估了活菌回收率、储存稳定性及多种环境应激耐受性。研究发现，超声处理与低聚糖类型能显著影响微胶囊结构，并改善其保护效能。其中，MC-FOS-US的活菌回收率最高（93.17%），而含XOS的配方展现出最均衡的整体性能，为其作为丁酸梭菌递送载体提供了理论依据。

**主要关键技术方法**

研究所用菌株为C. butyricum CB-a，来源为湖北师范大学微生物资源利用与加工实验室，保藏于中国典型培养物保藏中心（No. M202426454）。关键技术方法包括：利用超声发生器对细胞-壁材混合物进行预处理，并通过冷冻干燥制备微胶囊粉；采用光学显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜表征表面形貌；使用激光衍射粒度分析仪测定粒径分布；高效液相色谱（HPLC）用于分析碳水化合物组分的分布；傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分别用于解析蛋白质二级结构和结晶特性；同步热分析仪和低场核磁共振（LF-NMR）分别评估热稳定性和水分流动性；通过不同变性溶剂提取评估分子间作用力。最后，通过体外模拟胃液、肠液、胆盐、温度处理及长期储存测试评价制剂的应激耐受能力。

**研究结果**

* **活细胞回收率与低聚糖分布**：研究发现，低聚糖的掺入和超声处理均能显著提高丁酸梭菌的活细胞回收率，其中MC-FOS-US配方最高，达93.17%。超声处理降低了可透析碳水化合物组分，表明低聚糖更多被保留在基质中；GOS的分布受超声影响小于FOS和XOS。
* **合生元微胶囊的形态学表征**：光学显微镜和扫描电镜观察显示，所有微胶囊均呈不规则片状结构。与未超声组相比，超声处理后的配方（尤其MC-FOS-US和MC-XOS-US）表面更光滑、连续，可见孔隙和裂缝较少，暴露于表面的菌体也明显减少，表明基质重组与均匀性得到改善。
* **粒径分布与纳米尺度表面形貌**：原子力显微镜和粒径分析表明，超声处理显著降低了MC、MC-FOS和MC-XOS配方的粒径，但MC-GOS-US粒径反而增大，这归因于GOS富含羟基的独特分子结构在超声下促进了颗粒的再聚集。超声处理还使含低聚糖配方的纳米表面粗糙度降低，MC-FOS-US的峰高较MC-FOS降低37.78%。
* **结构相互作用与构象变化**：FTIR分析显示，配方化后O-H/N-H拉伸带变宽并红移，表明氢键相互作用增强。蛋白质二级结构解析表明，超声的作用效果依赖于低聚糖类型：在FOS配方中，超声使β-折叠含量轻微增加；而在原本具有高β-折叠含量的XOS和GOS配方中，超声导致结构松弛，β-折叠含量显著下降，β-转角含量上升。
* **热稳定性与结晶度**：TG和DSC分析显示，与原料相比，微胶囊的热质量损失延迟，部分超声处理配方需要更高的热能输入才能诱导相变，表明分子间结合更紧密。XRD分析表明，原料低聚糖尖锐的晶体衍射峰在微胶囊中完全消失，代之以宽泛的非晶态弥散峰，证实低聚糖以无定形状态分散于基质中。
* **分子间相互作用与水流动性**：组分提取分析显示，低聚糖的引入削弱了氢键和二硫键相关组分。超声处理显著降低了MC、MC-XOS和MC-GOS中的离子键和疏水相互作用组分，但在FOS配方中，超声处理反而使氢键和二硫键相关组分显著增加。LF-NMR分析表明，超声处理增加了固定水比例（T₂₂），并使T₂峰向短弛豫时间移动，表明水分子流动性降低，水-基质结合更强。
* **储存稳定性及环境应激耐受性**：在-80°C冷应激下，所有配方存活率均高于75%；在60°C热处理下，MC-XOS存活率最高（51.3%），超声显著改善了无低聚糖对照组的热耐受性。在4°C储存60天后，超声处理使MC、XOS和GOS配方的存活率分别提高了10.4%、6.9%和16.6%，其中MC-XOS-US最高（60.87%）。在模拟消化液耐受性测试中，低聚糖的添加改善了胃耐受性（MC-XOS达27.5%），XOS配方在肠液中表现良好，而超声对胆盐耐受性的作用因低聚糖类型而异。综合来看，XOS配方在多项评价指标中性能均衡。

**讨论总结与研究结论**

讨论部分指出，低聚糖类型和超声处理通过改变基质内部非共价相互作用（尤其是氢键、离子键、疏水相互作用和二硫键）网络，调控了蛋白质构象、水分流动性和微观结构，从而决定了微胶囊的保护功能。超声的功能角色具有取向性，在FOS体系中以增强氢键和二硫键作用为主，在GOS体系中则诱导颗粒重组装。XOS配方因具有适度的粒径、有序的结构及良好的持水能力，展现出最均衡的综合性能。研究结论（原文Conclusion部分）明确指出：研究人员采用超声辅助方法成功制备了用于递送丁酸梭菌的合生元微胶囊，超声处理与低聚糖类型共同影响了颗粒形貌、蛋白质二级结构、分子间相互作用、水流动性、热行为及结晶度。MC-FOS-US活菌回收率最高（93.17%），而含XOS配方综合性能最佳：MC-XOS在热处理（51.3%）和模拟胃液暴露（27.5%）后存活率最高，MC-XOS-US在4°C储存60天后存活率最高（60.87%）。该研究证实，将超声处理与合理选择低聚糖相结合，能有效提升丁酸梭菌递送系统的稳定性，为开发新型厌氧益生菌功能食品提供了有价值的理论与技术支撑。