海藻酸钠-纳米纤维素胶粒对乳酸菌胃肠液耐受性的影响

近年来，乳酸菌作为一种功能性益生菌，被广泛用于发酵果汁以及各种奶制品（软硬奶酪、冰淇淋、酸奶、冷冻乳制品甜点）加工。乳酸菌不仅赋予食品特殊的发酵风味，同时也通过改善肠道微生物群落平衡，有效抑制有害菌生长从而有益于宿主健康。有研究表明，至少需要106～107CFU/g的乳酸菌定植于肠道才可以发挥其对人体的益生效应。然而，人体摄入活性乳酸菌产品时，菌体在经过低pH值胃酸以及高胆汁酸盐肠液环境后活性损失相当严重。因此，如何提高乳酸菌在胃肠液中的耐受性受到越来越多研究人员的关注。

纳米纤维素是直径为纳米尺寸、具有一定长径比的线性或颗粒状高分子聚合物。根据微观形态的差异，可分为纤维素纳米微晶（CNC）以及纤维素纳米微纤丝（CNF）。
福建省农业科学院农业工程技术研究所，福建省农产品（食品）加工重点实验室的陈秉彦、林晓姿、何志刚*等人以果蔬加工副产物豆渣为原料，通过酸法与机械法分别制备豆渣纤维素纳米微纤丝（SCNF）与豆渣纤维素纳米微晶（SCNC），利用不同种类的纳米纤维素协同钙离子诱导海藻酸钠溶液形成微胶粒，研究两种复合微胶粒的包埋率、表面形态、胶体结构；进一步考察两种微胶粒对乳酸菌胃肠液逆环境存活率的影响。本研究有利于拓展果蔬纳米膳食纤维在乳酸菌等益生菌保护领域中的应用，可为构建新型载菌递送体系以提高乳酸菌的胃肠道耐受性提供新思路。

1、海藻酸钠-纳米纤维素胶粒对乳杆菌R37的包埋率

不同类型的海藻酸钠-纳米纤维素胶粒对副干酪乳杆菌R37的包埋率如图1所示。所有凝胶样品的初始菌量基本一致，活菌量为9.41（lg（CFU/g））。当凝胶与Ca 2＋ 交联后，不同胶粒对乳酸菌的包埋程度存在差异。海藻酸钠胶粒的包埋率为87.51%。当海藻酸钠体系中加入SCNC与SCNF后，胶粒的载菌量与包埋率显著提高。当SCNC或SCNF添加质量浓度为10 g/L时，SA-SCNC与SA-SCNF的包埋率分别为92.77%与96.80%。此结果高于Darjani等报道的海藻酸钠-多糖复合胶粒的包埋率（约90%）。进一步研究发现，提高SCNC与SCNF的添加量对副干酪乳杆菌R37的包埋率影响不显著。这些结果说明SCNF的加入能更好地提高海藻酸钠胶粒的包埋率，这可能与CNF具有更高的比表面积，能够较大程度地黏附菌体有关。

2、海藻酸钠-纳米纤维素胶粒的微观形态

不同类型的海藻酸钠-纳米纤维素胶粒的微观形态如图2所示。副干酪乳杆菌R37呈现乳酸菌典型的棒状形态，菌体表面平整，尺寸约为2～5 μm（图2A）。海藻酸钠胶粒呈现扁球状，表面粗糙且伴有孔状间隙，经海藻酸钠胶粒包埋的乳杆菌R37主要分布于胶粒的表面。当SA体系中加入纳米纤维素后，胶粒呈现圆球状，但表面形态发生明显变化，变化程度与纳米纤维素的种类有关。与海藻酸钠胶粒相比，SA-SCNC胶粒表面缺少孔隙结构，呈现粗糙的表面形态，大量的乳杆菌R37聚集黏附在胶粒表面。当SCNC的添加量为30 g/L时，SA-SCNC胶粒的表面裂纹消失。另一方面，当海藻酸钠中添加SCNF后，SA-SCNF胶粒表面的粗糙起伏程度变弱，呈现出更加致密的表面形态，只有少量的乳酸菌在表面上可观察到，说明大量的乳杆菌R37被包裹在胶粒的内部。

3、海藻酸钠-纳米纤维素胶粒的官能团结构及氢键结合状态

不同类型的海藻酸钠-纳米纤维素胶粒的官能团结构如图3A所示。海藻酸钠胶粒显示出4 个明显的 特征峰（ 1 030 、 1 430 、 1 600 、 3 400 cm －1 ），其中 1 030 cm －1 处的特征峰表示钙离子盐桥上醚键（— O —）的拉伸振动， 1 430 cm －1 与 1 600 cm －1 处的特征峰表示海藻酸钠羧酸基团（— COOH ）的不对称振动与对称拉伸振动，而 3 400 cm －1 处的特征峰表示海藻酸钠分子间羟基的伸缩振动，其强度反映体系中氢键的缔合程度。所有样品的傅里叶变换红外光谱图在 1 700 cm －1 处均显示出一个明显的羰基振动吸收峰，但该吸收峰可能是来源于酸度调节剂柠檬酸的羧基。

海藻酸钠-纳米纤维素胶粒中水分的T 2 弛豫时间如图3B所示。所有胶粒都展现出唯一的单峰形态，说明胶粒的水分分布均一，从而能够有效束缚溶剂中的水分子。与海藻酸钠胶粒相比，SA-SCNC胶粒的水分分布向低弛豫时间转移，且偏移程度随纳米纤维素的添加量增加而增大，SA-SCNF胶粒较SA-SCNC胶粒具有更低的弛豫时间。当SCNF的添加量为30 g/L时，SA-SCNC胶粒的弛豫时间为25.53 ms。这些结果表明纳米纤维素的多羟基结构可提高海藻酸钠体系的成氢键能力，从而增强对自由水的有效束缚。

4、海藻酸钠-纳米纤维素胶粒经胃肠液消化后的硬度变化

不同类型的海藻酸钠-纳米纤维素胶粒经胃肠液消化后的硬度差异如表1所示。海藻酸钠胶粒在模拟胃液消化过程中结构稳定，胶粒的硬度未发生明显变化。然而，海藻酸钠胶粒经模拟肠液消化后，硬度下降为初始值的31.1%，这可能是海藻酸钠分子链的—COOH在碱性条件下电离程度下降，分子链趋向展开所致。纳米纤维素可显著增加海藻酸钠胶粒的硬度并表现出浓度依赖性，SA-SCNC（30 g/L）胶粒与SA-SCNF（30 g/L）胶粒的硬度分别为海藻酸钠胶粒的153.8%与215.1%。

5、海藻酸钠-纳米纤维素胶粒在胃肠液消化过程中的活菌数量变化

不同类型的海藻酸钠-纳米纤维素胶粒经模拟胃肠液消化后活菌损失量如图4所示。乳酸菌R37经模拟胃肠液消化后活菌数量出现大量损失，由9.27（lg（CFU/g））下降为5.43（lg（CFU/g））。与裸菌相比，海藻酸钠载菌胶粒经模拟胃肠液耐受后活菌数量由9.25（lg（CFU/g））减少为6.26（lg（CFU/g）），下降了2.99（lg（CFU/g））。此结果与许多研究报道相似，证实了单纯采用海藻酸钠胶粒负载乳酸菌对提高其胃肠道耐受能力十分有限。当纳米纤维素的添加质量浓度为30 g/L时，SA-SCNC胶粒经模拟胃肠液消化后活菌数量由9.37（lg（CFU/g））减少为7.21（lg（CFU/g）），下降了2.16（lg（CFU/g））；然而，SA-SCNF胶粒的活菌数量变化幅度更小，由9.32（lg（CFU/g））减少为7.81（lg（CFU/g）），下降了1.51（lg（CFU/g））。

结 论

豆渣纳米纤维素可改善海藻酸钠胶粒的表面形态与分子间作用力，进而影响胶粒对乳酸菌的保护作用，其中SCNF较SCNC表现出更好的改性效果。SCNF的加入不仅提高了海藻酸钠胶粒的包埋率，同时也降低了胶粒表面的粗糙度，抑制了孔隙产生，赋予胶粒更加致密平整的微观形态，这与SCNF能够提高海藻酸钠分子链的氢键缔合能力以及增加与Ca 2＋ 之间形成盐桥数量有关。进一步研究发现，这些结构致密的SA-SCNF胶粒经模拟胃肠液消化后能够更好地维持原有的机械强度，并对乳酸菌胃肠道逆环境起到良好的保护效果。另一方面，SCNF的添加对增加乳酸菌胃肠道逆环境耐受性具有积极影响。SCNF复合胶粒经模拟胃肠液消化后活菌数量超过10 7 CFU/g，显著高于海藻酸钠载菌胶粒的10 6 CFU/g。

本文《海藻酸钠-纳米纤维素胶粒对乳酸菌胃肠液耐受性的影响》来源于《食品科学》2021年42卷3期179-185页，作者：陈秉彦，林晓姿，李维新，林晓婕，郑宝东，何志刚。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200214-141。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

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修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

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