基于孢粉素微膠囊的共包埋、保護(hù)及遞送益生菌和乳糖酶的體系

鄧紫玙，丁 一，侯欣堯，李 斌，梁宏閃*

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，環(huán)境食品學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

全球有超過(guò)70%的人口患有不同程度的乳糖不耐癥，該病癥是由于人體內(nèi)缺乏乳糖酶（-galactosidase，-Gal）所致。-Gal制劑和益生菌制劑均可以有效治療乳糖不耐癥，且它們均不會(huì)引起食品質(zhì)量或營(yíng)養(yǎng)狀況的改變，因此上述補(bǔ)充劑法是極有前景的治療乳糖不耐癥方法。然而，補(bǔ)充劑中的-Gal和益生菌在加工、運(yùn)輸、貯存和攝食過(guò)程中均會(huì)面臨許多不利環(huán)境，例如溫度變化、凍干處理、極端pH值和各種消化酶，導(dǎo)致-Gal和益生菌的活性大幅度降低，這將極大地影響這類(lèi)補(bǔ)充劑的使用效果。為了降低這些不利因素的影響，研究人員已設(shè)計(jì)多種遞送系統(tǒng)，例如納米顆粒、膠束、乳液、微膠囊和脂質(zhì)體等，用于保護(hù)-Gal制劑和益生菌制劑。盡管相關(guān)研究已取得了一些進(jìn)展，但是依舊存在許多問(wèn)題，一方面，仍缺乏成本效益高的遞送系統(tǒng)，并且作為食品補(bǔ)充劑，遞送載體需要由食品級(jí)成分構(gòu)成，且具備良好的穩(wěn)定性以滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。另一方面，目前幾乎沒(méi)有報(bào)道過(guò)益生菌和-Gal的共包埋材料，其可以同時(shí)提高益生菌和-Gal的胃腸道穩(wěn)定性、貯存穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

花粉中提取的孢粉素外壁膠囊（sporopollenin exine capsules，SECs）被認(rèn)為是一種安全、可食用的天然植物基微膠囊。SECs具有結(jié)構(gòu)形貌均一、內(nèi)腔大、彈性好、抗物理化學(xué)性、紫外線屏蔽能力和抗氧化活性等優(yōu)點(diǎn)。因此，SECs可以抵抗pH值、離子強(qiáng)度、溫度、光、氧和機(jī)械應(yīng)力的變化。此外，SECs的黏膜黏附特性有助于延長(zhǎng)負(fù)載物在體內(nèi)的停留時(shí)間，從而提高負(fù)載物的生物利用度。綜上，由于SECs具有經(jīng)濟(jì)成本效益和獨(dú)特的性質(zhì)，因此它被認(rèn)為是口服遞送載體的熱門(mén)候選者。但SECs表面存在許多孔洞，這些孔洞就像一把雙刃劍，既為負(fù)載物進(jìn)入SECs提供通道，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致負(fù)載物的泄露。

針對(duì)SECs存在的問(wèn)題，可以利用核殼結(jié)構(gòu)包裹SECs上的孔洞并調(diào)節(jié)負(fù)載物在胃腸道中的釋放行為。常用于構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)的海藻酸鈣（Ca-alginate，Ca-Alg）凝膠具有pH值響應(yīng)性，但它在胃腸道中的穩(wěn)定性較差。研究表明Alg與其他聚合物結(jié)合制備的復(fù)合凝膠比Ca-Alg凝膠在胃腸道中具有更好的穩(wěn)定性。之前的研究結(jié)果表明：羧甲基茯苓多糖（carboxymethylpachymaran，CMP）是一種益生菌的凍干保護(hù)劑，并且具有pH值響應(yīng)性，因此可以考慮采用Alg與CMP制備復(fù)合凝膠構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)，提高體系凍干穩(wěn)定性和pH值響應(yīng)性能力。核殼結(jié)構(gòu)雖然可以解決SECs存在孔洞的問(wèn)題，但前期研究發(fā)現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)不能提高負(fù)載物的熱穩(wěn)定性能，因此可以嘗試采用熱致凝膠對(duì)核殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次包裹，從而進(jìn)一步提高負(fù)載物的熱穩(wěn)定性。

本研究設(shè)計(jì)一種益生菌和-Gal共包埋的遞送體系，該體系以SECs為核，Ca-Alg/CMP凝膠為殼，旨在同時(shí)提高益生菌和-Gal的胃腸道、凍干和貯存穩(wěn)定性；并嘗試使用熱致凝膠對(duì)體系進(jìn)行二次包裹，旨在進(jìn)一步提高益生菌和-Gal的熱穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)研究核殼結(jié)構(gòu)對(duì)益生菌和-Gal的釋放行為、凍干和貯存穩(wěn)定性的影響，并研究CMP的引入對(duì)凝膠殼層形貌、質(zhì)構(gòu)和水分分布的影響。最后研究熱致凝膠的二次包埋對(duì)益生菌和-Gal熱穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)熱致凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和流變性能闡明其熱穩(wěn)定機(jī)理，以指導(dǎo)體系在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。本研究旨在提供酶和益生菌制劑共包埋的遞送體系，其可以應(yīng)用在醫(yī)療食品、功能食品或食品補(bǔ)充劑等領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海藻酸鈉（alginate，Alg）、羥丙基甲基纖維素（hydroxypropylmethylcellulose，HPMC）、甲基纖維素（methylcellulose，MC） 阿拉丁試劑公司；CMP武漢潤(rùn)歌生物科技有限公司；向日葵花粉 貝兒蜂蜜有限公司；植物乳桿菌（）CICC 6240 中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏管理中心；-半乳糖苷酶（-galactosidase，-Gal，250～600 U/mg）上海源葉生物有限公司；二醋酸羧基熒光素琥珀酰亞胺酯（carboxyfluorescein diacetate succinimidyl ester，CFDA-SE） 碧云天生物科技有限公司；異硫氰酸酯（isothiocyanate，F(xiàn)ITC） 美國(guó)Sigma公司；模擬胃液（simulated gastric fluid，SGF）為pH 2.0的HCl溶液，含3.20 mg/mL胃蛋白酶和9.0 mg/mL氯化鈉，模擬腸液（simulated intestinal fluid，SIF）為pH 7.4的磷酸鹽緩沖液，含1.60 mg/mL胰蛋白酶。

1.2 儀器與設(shè)備

BSA124S-CW電子分析天平 德國(guó)Sartorius公司；DNP-9162恒溫培養(yǎng)箱、DZF-6050真空干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；FE28 pH測(cè)定儀 瑞士Mettler Toledo公司；MultskanGo酶標(biāo)儀 美國(guó)Thermo Fisher公司；DF-101S水浴鍋 上海立辰邦西儀器有限公司；DY04-14滅菌鍋 上海東亞壓力容器制造公司；SU8010掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）日本日立公司；LSM880激光共聚焦顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM） 德國(guó)Zeiss公司；MesoQMR23-060H低場(chǎng)核磁共振分析儀 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀、R2000ex型流變儀 美國(guó)TA公司。

1.3 方法

1.3.1 口服遞送體系的制備與表征

1.3.1.1 SECs的制備

按照之前研究工作中所優(yōu)化的制備方法，提取SECs。簡(jiǎn)而言之，將向日葵花粉與磷酸混合，在70 ℃處理5 h，然后依次用水、丙酮、鹽酸和乙醇洗滌。

1.3.1.2 益生菌和-Gal的共包埋

首先將100 mL MRS（De Man, Rogosa and Sharpe）肉湯與100 mg SECs混合，121 ℃滅菌15 min。冷卻后接種1 mL菌株，將混合物在30 ℃培養(yǎng)15 h。然后將過(guò)濾得到的SECs與-Gal（2 mg/mL）混合，將混合物置于30 ℃的真空干燥箱中2 h，得到包埋益生菌和-Gal的SECs（SECs-encapsulatedand-Gal，SLG）。

將一部分SLG置于10 mL SIF中，100 r/min、37 ℃恒溫?fù)u床中孵育480 min。然后收集1 mL溶液，采用10 倍稀釋梯度法進(jìn)行計(jì)數(shù)，在MRS瓊脂平板上測(cè)定溶液中的活菌數(shù)。益生菌負(fù)載量按式（1）計(jì)算：

將另一部分SLG置于12 000 r/min離心4 min獲得游離的-Gal。按照之前研究方法測(cè)定-Gal活性。簡(jiǎn)而言之，1 mL-Gal（27～95 U）與5 mL 2.5 mg/mL鄰硝基苯--半乳吡喃糖苷溶液混合反應(yīng)10 min，隨后快速加入2 mL 0.5 mol/L NaCO溶液以終止反應(yīng)。使用全自動(dòng)酶標(biāo)儀在420 nm波長(zhǎng)處測(cè)定樣品的吸光度。通過(guò)酶活力保留率表示-Gal的負(fù)載量，如式（2）所示：

1.3.1.3 核殼凝膠的制備

SLG均勻分散在多糖溶液中，該多糖溶液由不同比例的CMP（6 g/100 mL）和Alg（5 g/100 mL）組成。采用擠壓法，用5 mL無(wú)菌注射器吸取SECs/多糖混合物逐滴加到CaCl（0.05 mol/L，50 mL）溶液中，將獲得的核殼凝膠用無(wú)菌去離子水洗滌。將Ca-Alg包裹的SLG樣品命名為復(fù)合凝膠-0。復(fù)合凝膠-1、復(fù)合凝膠-2和復(fù)合凝膠-3代表Ca-Alg/CMP包裹的SLG樣品，其Alg-CMP的體積比分別為1∶1、2∶1、3∶1。

1.3.1.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

樣品的圖像在SEM（加速電壓10.0 kV）觀察。將SECs浸入液氮中1 min，使用鋼制手術(shù)刀片對(duì)其進(jìn)行切割，用于拍攝SECs的橫截面圖片。

負(fù)載菌的SECs置于2 mL無(wú)菌生理鹽水中，加入10 μL CFDA-SE染料，然后在4 ℃冰箱中避光放置20 min，將染色后的載菌SECs與FITC標(biāo)記的-Gal混合（1 mL的-Gal溶液中加入50 μL FITC染料，避光攪拌30 min），將混合物置于30 ℃的真空干燥箱中2 h，得到熒光染色后SLG。樣品在CLSM上拍攝成像。

1.3.2 體外模擬消化實(shí)驗(yàn)

將樣品置于SGF中2 h（恒溫?fù)u床37 ℃、100 r/min），然后轉(zhuǎn)移至SIF（恒溫?fù)u床37 ℃、100 r/min）進(jìn)一步釋放。在固定時(shí)間點(diǎn)取出1 mL釋放的溶液，測(cè)定-Gal活性，并用稀釋分離計(jì)數(shù)法測(cè)定釋放溶液中的活菌數(shù)。

1.3.3 復(fù)合凝膠殼層的表征

多糖溶液由不同比例的CMP（6 g/100 mL）和Alg（5 g/100 mL）組成，用5 mL注射器吸取多糖溶液，逐滴加到CaCl（0.05 mol/L，50 mL）溶液中，將獲得的凝膠用去離子水洗滌。Ca-Alg凝膠殼層命名為AG，作為對(duì)照。ACG-1、ACG-2和ACG-3代表Ca-Alg/CMP凝膠殼層，其Alg-CMP的體積比分別為1∶1、2∶1、3∶1。參考Shang Longchen等的方法，使用低場(chǎng)核磁共振分析成像系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定，采用低場(chǎng)核磁共振分析儀。將約1 g樣品放入圓柱形玻璃管（直徑15 mm）中，插入核磁共振分析儀中，測(cè)定樣品的自旋-自旋弛豫時(shí)間。

為測(cè)定經(jīng)過(guò)不同pH值處理對(duì)復(fù)合凝膠硬度的影響，將上述得到的濕凝膠在pH 2.0的HCl溶液和pH 7.4的磷酸鹽緩沖液中分別浸泡2 h后過(guò)濾得到不同pH值處理的樣品。使用TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定樣品的硬度，測(cè)定條件如下：TPA模式；鋁質(zhì)圓柱形探頭（P/36R）；測(cè)試觸發(fā)力1 g；形變壓縮率50%；測(cè)前速率1 mm/s；測(cè)試速率1 mm/s；測(cè)后速率1 mm/s。

采用SEM觀察復(fù)合凝膠殼層的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.4 貯存穩(wěn)定性

在4 ℃和25 ℃條件下，探究樣品貯存穩(wěn)定性。貯存30 d后，測(cè)定樣品菌數(shù)和酶活力損失率，如式（3）、（4）所示：

1.3.5 熱穩(wěn)定性

1.3.5.1 熱保護(hù)體系的制備

1 g復(fù)合凝膠-2分別加入5 mL的HPMC（10 g/100 mL）、MC（10 g/100 mL）和蛋清。濕樣混合物分別在45、55、65 ℃熱處理30 min和80 ℃熱處理1 min，測(cè)定樣品的菌數(shù)和酶活力損失率。

1.3.5.2 熱致凝膠的表征

使用AR2000ex型流變儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，在1 Hz下進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描測(cè)定，以確定在25 ℃時(shí)應(yīng)變范圍為0.01%～100%的線性黏彈性范圍。然后，在25 ℃以0.2%的恒定應(yīng)變進(jìn)行0.1～100 rad/s的動(dòng)態(tài)掃頻。探究不同溫度和時(shí)間對(duì)樣品的黏彈特性的影響，測(cè)試溫度和時(shí)間分別為45 ℃（30 min）、55 ℃（30 min）、65 ℃（30 min）和80 ℃（1 min）。添加樣品后，在平板間隙添加甲基硅油防止水分蒸發(fā)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次以上，使用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件分析所有測(cè)定結(jié)果，利用Origin 2020作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 口服遞送體系的表征

2.1.1 SECs的表征

將脫脂向日葵花粉（defatted sunflower pollen，DSPs）和酸解向日葵花粉（SECs）進(jìn)行對(duì)比分析。由圖1 SEM圖像可知，DSPs和SECs具有相似的表觀形貌，但SECs表面上存在的孔洞數(shù)量比DSPs表面存在的孔洞數(shù)量多，這可能是由于酸解處理進(jìn)一步去除了附著在孔洞上的蛋白質(zhì)等物質(zhì)，從而使更多的孔洞暴露出來(lái)。SEM橫截面圖表明，DSPs內(nèi)腔中含有胞內(nèi)物質(zhì)而SECs內(nèi)腔干凈，證明酸解處理成功去除花粉的胞內(nèi)物質(zhì)。該結(jié)果與CLSM圖像結(jié)果一致：DSPs內(nèi)腔中觀察到由于胞內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生的自發(fā)熒光，但SECs內(nèi)腔中沒(méi)有觀察到熒光。綜上SECs具有多孔結(jié)構(gòu)和干凈的空腔，可為所負(fù)載的物質(zhì)提供更大的空間。

圖1 脫脂、提取和益生菌-β-Gal負(fù)載后SECs的SEM和CLSM圖Fig.1 CLSM and SEM images of defatted, acid-hydrolyzed, and L.plantarum-β-Gal-loaded SECs

2.1.2 益生菌和-Gal的共包埋

由SEM圖像（圖1）可知，負(fù)載后大量富集在SECs內(nèi)部；采用FITC標(biāo)記-Gal、CFDA-SE標(biāo)記，由CLSM圖像可知，SLG內(nèi)觀察到桿狀益生菌的熒光和綠色熒光背景，進(jìn)一步證實(shí)了和-Gal 成功封裝到SECs中。負(fù)載處理后，益生菌負(fù)載量達(dá)到9.63h10CFU/g，酶活力保留率達(dá)到80.72%。研究結(jié)果表明，SECs可以為和-Gal提供良好的生物相容性環(huán)境，這可能歸因于SECs具有空腔和親水性，可以將足夠的MRS培養(yǎng)基吸收到空腔中以供給生存所需的營(yíng)養(yǎng)，利于益生菌的代謝和增殖。值得注意的是，和-Gal可以共存，的存在不會(huì)影響-Gal的活性。此外，SEM圖表明負(fù)載前后SECs具有相似的形貌和結(jié)構(gòu)，這對(duì)于封裝系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用非常重要。

2.1.3 復(fù)合凝膠殼層表征

盡管和-Gal成功負(fù)載到SECs中，但SECs表面存在孔洞，則無(wú)法避免負(fù)載物泄漏。采用復(fù)合凝膠（Ca-Alg/CMP）作為外殼包裹SECs的孔洞以防止和-Gal泄漏。圖2顯示，復(fù)合凝膠-0可以完全覆蓋SECs表面納米級(jí)的小孔和部分覆蓋微米級(jí)的大孔，而復(fù)合凝膠-1、復(fù)合凝膠-2和復(fù)合凝膠-3均可完全覆蓋所有孔洞。

圖2 包裹復(fù)合凝膠涂層SECs的SEMFig.2 SEM images of SECs coated with Ca-Alg or Ca-Alg/CMP systems

2.2 體外釋放行為

對(duì)比研究不同樣品在模擬胃腸條件中的釋放行為。負(fù)載的SECs（即沒(méi)有形成凝膠的樣品）和負(fù)載的Ca-Alg（其不含SECs）作為對(duì)照組。不同樣品的體外釋放曲線見(jiàn)圖3。在模擬胃腸條件中，SECs體系中的釋放量一直為0 CFU/mL。對(duì)于Ca-Alg體系，在SIF中處理5 min，的釋放量大幅度增加，達(dá)到2.07h10CFU/mL，在60 min達(dá)到峰值，約為6.72h10CFU/mL；然而，復(fù)合凝膠-0體系在SIF中5 min，釋放量約為1.92h10CFU/mL，在120 min達(dá)到峰值，約為7.42h10CFU/mL。與復(fù)合凝膠-0體系相比，復(fù)合凝膠-1、復(fù)合凝膠-2和復(fù)合凝膠-3體系在SIF中處理5 min，釋放量均低于10CFU/mL，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，釋放量逐漸增加并在第480分鐘達(dá)到最大值，分別為8.60h10、9.61h10CFU/mL和7.87h10CFU/mL。由圖3b可知，在模擬胃腸條件下，SECs體系中-Gal累積釋放率一直為0%。Ca-Alg體系在SIF中處理5 min，-Gal的累積釋放率約為7%，在第60分鐘達(dá)到峰值，約為8%；然而，復(fù)合凝膠-0體系，在SIF中處理5 min，-Gal的累積釋放率約為5%，在第240分鐘達(dá)到峰值，約為15%。相比之下，復(fù)合凝膠-1、復(fù)合凝膠-2和復(fù)合凝膠-3體系中-Gal的累積釋放率隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在第480分鐘達(dá)到最大值，分別為58.26%、61.67%和54.62%。

圖3 不同體系中L.plantarum（a）和β-Gal（b）的體外消化模擬釋放曲線Fig.3 In vitro release profiles of L.plantarum (a) and β-Gal (b) from different systems

對(duì)于SECs體系，由于SECs表面存在孔洞，使和-Gal在SGF中暴露，從而導(dǎo)致益生菌細(xì)胞的死亡和-Gal失去活性。與Ca-Alg體系相比，復(fù)合凝膠-0系統(tǒng)具有可持續(xù)的釋放能力，這可能是由于復(fù)合凝膠-0中形成了核殼結(jié)構(gòu)，因此負(fù)載物質(zhì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能從核殼結(jié)構(gòu)中釋放出來(lái)。此外，復(fù)合凝膠-2比復(fù)合凝膠-0不僅具有更好的緩釋能力，而且和-Gal均表現(xiàn)出更大的釋放量，表明CMP的加入可提高體系的pH值響應(yīng)特性，從而增強(qiáng)體系在SGF中的穩(wěn)定性。CMP與Ca結(jié)合具有pH值響應(yīng)特性在之前的研究中已經(jīng)報(bào)道。

圖4顯示，在SGF處理后，復(fù)合凝膠-0系統(tǒng)只能包裹SECs上的部分孔洞；而復(fù)合凝膠-1、復(fù)合凝膠-2和復(fù)合凝膠-3均包裹SECs上的全部孔洞，表明CMP的引入可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗消化酶性能。SIF處理后，所有樣品的殼層都完全溶解，SECs表面孔洞均暴露。此結(jié)果與釋放研究結(jié)果一致，證實(shí)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)和-Gal的靶向遞送和持續(xù)釋放。

圖4 不同樣品SGF孵育2 h（a）和SGF孵育2 h后SIF孵育8 h（b）的SEM圖Fig.4 SEM images of different samples incubated for 2 h in SGF (a),2 h in SGF and 8 h in SIF (b)

2.3 復(fù)合凝膠殼層的表征

2.3.1 低場(chǎng)核磁與微觀結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合凝膠中不同組分水分子的遷移率和比例是反映凝膠特性的重要指標(biāo)，通過(guò)低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定復(fù)合凝膠中不同狀態(tài)的水分分布，結(jié)果如圖5所示。、和代表峰頂點(diǎn)時(shí)間，表征該相態(tài)水的分子運(yùn)動(dòng)性，峰頂點(diǎn)時(shí)間越大，則表示該相態(tài)水的運(yùn)動(dòng)性越強(qiáng)，被束縛的程度越弱，復(fù)合凝膠中結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水可分別用、和表示。一般而言反映與大分子緊密結(jié)合的水，反映凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)的水，對(duì)應(yīng)凝膠結(jié)構(gòu)外的水。、和是相應(yīng)的峰比例分?jǐn)?shù)，表征該相態(tài)水占該樣品總水分的含量，峰比例分?jǐn)?shù)越大，表示該相態(tài)水占比越多。

圖5 不同樣品的T2圖譜（a）、不同相態(tài)水的分布比例（b）和SEM圖像（c）Fig.5 T2 relaxation time spectra of different samples (a), proportion of water distribution in different samples (b), and low-field nuclear magnetic resonance and SEM images of different samples (c)

由圖5a可知，所有樣品均為信號(hào)幅度最大，其次是、的信號(hào)幅度最小。與AG相比，ACG中的信號(hào)幅度增加，的信號(hào)幅度減少；其中ACG-2的的信號(hào)幅度最大，的信號(hào)幅度最?。辉撗芯拷Y(jié)果表明CMP的引入可以改變凝膠中不同狀態(tài)的水分分布強(qiáng)度。由圖5b可知，所有樣品均為值最大，其次、值最小。與AG相比，ACG中值增加，值減少；其中ACG-2的值最大，值最小。值降低表明CMP的引入導(dǎo)致ACG對(duì)水結(jié)合能力增強(qiáng)，更多的自由水轉(zhuǎn)化為不易流動(dòng)水，表明ACG的凝膠網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)比AG更加致密，可以包裹更多的水分子。圖5c不同顏色表示不同的流動(dòng)態(tài)氫質(zhì)子密度，紅色代表流動(dòng)態(tài)氫質(zhì)子分布更密集，其流動(dòng)態(tài)水更多，為高水分含量的區(qū)域，藍(lán)色表示低水分含量的區(qū)域。紅色區(qū)域在AG凝膠中占比較ACG大，說(shuō)明AG凝膠中流動(dòng)態(tài)水更多，與峰比例分布圖結(jié)果一致。

由圖5c SEM可知，ACG平均孔徑小于AG，因此ACG的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)比AG更加致密；隨著復(fù)合凝膠中CMP含量的增加，平均孔徑呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，相應(yīng)凝膠空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)更加緊湊。此結(jié)果與低場(chǎng)核磁測(cè)定結(jié)果一致。結(jié)果表明復(fù)合凝膠中CMP含量可以通過(guò)影響凝膠中的水分分布情況，調(diào)節(jié)凝膠殼層的微觀結(jié)構(gòu)，這可能歸因于CMP的加入不僅可以和Ca通過(guò)配位鍵結(jié)合，也可以與Alg 之間形成氫鍵，從而使聚合物鏈彼此更加接近，減小了凝膠孔徑，形成更致密的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。值得注意的是，凝膠的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其釋放行為有顯著影響（圖3），因?yàn)楦o密的凝膠網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)不僅可以作為屏障減少和-Gal直接暴露于SGF，還有助于減慢和-Gal在SIF的釋放速率。

2.3.2 硬度與微觀結(jié)構(gòu)分析

由圖6a可知，不同處理后，所有樣品硬度均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，與未處理的樣品相比，經(jīng)過(guò)酸處理后，樣品的硬度增加；經(jīng)過(guò)堿處理后，樣品的硬度減少。在未處理和酸處理的條件下，ACG-2的硬度均大于AG，且ACG-2和AG均經(jīng)過(guò)酸處理后硬度顯著增大；而經(jīng)過(guò)堿處理后，硬度顯著減小。由圖6b所示，處理后，所有樣品的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。與未處理的樣品相比，經(jīng)過(guò)酸處理后的樣品的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)更致密；而經(jīng)過(guò)堿處理的樣品觀察到相反的趨勢(shì)。且相比于AG，ACG的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)更加致密。結(jié)果表明復(fù)合凝膠具有pH值響應(yīng)能力，與模擬消化（圖3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。復(fù)合凝膠殼層具有pH值響應(yīng)性可能是由于酸性條件促進(jìn)多糖的羧基的質(zhì)子化從而增強(qiáng)氫鍵相互作用，并且堿性條件下Alg和CMP中羧基之間的靜電排斥作用增強(qiáng)，該特性使復(fù)合凝膠殼層適合作為口服遞送材料。

圖6 不同處理凝膠的硬度（a）和SEM圖（b）Fig.6 Hardness (a) and SEM images (b) of different gels with different treatments

2.4 貯存穩(wěn)定性

貯存穩(wěn)定性是評(píng)判所遞送系統(tǒng)是否適合工業(yè)化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此探究復(fù)合凝膠-2體系經(jīng)過(guò)凍干處理后的貯存穩(wěn)定性。由表1可知，凍干處理后，純菌液的菌數(shù)損失率達(dá)到99.31%，純酶液的酶活力損失率達(dá)到28.32%，而復(fù)合凝膠-2體系中菌數(shù)損失率為14.37%、酶活力損失率為0.92%。結(jié)果表明復(fù)合凝膠-2體系可以提高和-Gal的凍干穩(wěn)定性，這可能是由于SECs和Ca-Alg/CMP 凝膠之間的協(xié)同作用。由圖7可知，對(duì)于所有樣品，隨著貯存溫度的升高，菌數(shù)和酶活力損失率均增大，這歸因于益生菌細(xì)胞在較高溫度下代謝更旺盛和蛋白質(zhì)在高溫下易變性；對(duì)于而言，復(fù)合凝膠-2體系可以降低其在4 ℃貯存條件下的菌數(shù)損失率（＜0.01）；對(duì)于-Gal而言，復(fù)合凝膠-2體系可以降低其在25 ℃貯存條件下的酶活力損失率（＜0.01）。結(jié)果表明核殼結(jié)構(gòu)的引入可以提高該體系中和-Gal的貯存穩(wěn)定性。

表1 凍干后樣品中的菌數(shù)損失率和酶活力損失率Table 1 Loss rates of viable cell counts and enzyme activity in samples after freeze-drying process

圖7 冷凍干燥后不同樣品中L.plantarum（a）和β-Gal（b）在4 ℃和25 ℃條件下的貯存穩(wěn)定性Fig.7 Storage stability of L.plantarum and β-Gal in different lyophilized samples at 4 and 25 ℃

2.5 熱穩(wěn)定性

2.5.1 熱穩(wěn)定性表征

如圖8所示，總體而言，隨著熱處理溫度的上升，所有樣品中的菌數(shù)損失率和酶活力損失率均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在45 ℃條件下處理30 min后（圖8a），相比于對(duì)照組（純菌液）的菌數(shù)損失率（95.20%），MC體系的菌數(shù)損失率降低了92%，為3.77%。其他體系的菌數(shù)損失率分別為12.11%（復(fù)合凝膠-2體系）、7.65%（HPMC體系）、12.78%（蛋清體系）；相比于對(duì)照組（純酶液）的酶活力損失率（8.89%），其他體系除蛋清體系的酶活力損失率均減小，分別為4.51%（復(fù)合凝膠-2體系）、1.20%（MC體系）和2.97%（HPMC體系）。在55 ℃條件下處理30 min后（圖8b），對(duì)照組（純菌液）的菌數(shù)損失率（98.81%）和復(fù)合凝膠-2體系的菌數(shù)損失率（97.99%）無(wú)顯著差異，而熱致凝膠進(jìn)行二次包裹后可以降低菌數(shù)損失率（＜0.05）；相比于對(duì)照組（純酶液）的酶活力損失率（25.91%），其他體系除蛋清體系的酶活力損失率均減小，分別為11.39%（復(fù)合凝膠-2體系）、2.41%（MC體系）和2.19%（HPMC體系）。在65 ℃條件下處理30 min（圖8c）和80 ℃條件下處理1 min（圖8d）后，其菌數(shù)損失率和酶活力損失率的整體變化趨勢(shì)與55 ℃條件下處理30 min的變化趨勢(shì)相同。

圖8 不同處理后不同樣品中L.plantarum和β-Gal的熱穩(wěn)定性Fig.8 Thermal stability of L.plantarum and β-Gal in different samples after different treatments

在不同處理?xiàng)l件下，蛋清體系的酶活力損失率總是接近100%，這可能是由于蛋清中的某種成分與-Gal發(fā)生了相互作用，從而破壞-Gal活性，導(dǎo)致其失活。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱致凝膠的二次包裹，可以提升和-Gal的熱穩(wěn)定性，其中MC的熱穩(wěn)定效果最佳。這可能是由于在加熱條件下，MC形成的凝膠具有更加致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，起到隔絕溫度的效果，減小和-Gal所處微環(huán)境的溫度變化，從而提升其熱穩(wěn)定性。

2.5.2 熱致凝膠的表征

HPMC、MC和蛋清是3 種常見(jiàn)的熱致凝膠。為了進(jìn)一步探索熱致凝膠提升體系熱穩(wěn)定性的機(jī)理，測(cè)定了熱致凝膠的黏彈特性，其中2 個(gè)重要參數(shù)分別為儲(chǔ)能模量（’）與損耗模量（”）。如圖9a所示，當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，所有樣品的’和”基本保持穩(wěn)定，直至應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ǔ潭?，所有樣品的’和”突然下降，這表明樣品的結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，由線性行為轉(zhuǎn)變到非線性行為。如圖9b所示，隨著角頻率的增加，所有樣品的’和”值均呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明所有樣品都具有頻率依賴(lài)性。圖9c～f顯示，在不同的溫度下，MC的’在所有樣品中最大，’值越大代表了較高的凝膠強(qiáng)度和相應(yīng)更加致密空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)果可以解釋MC具有最佳熱穩(wěn)定效果的原因。在45 ℃，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，MC和蛋清”和’迅速增大，然后增速逐漸變緩，最終到達(dá)平臺(tái)區(qū)，且’始終大于”，表明在MC和蛋清凝膠中，彈性行為占主導(dǎo)；而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，HPMC的”大于’，表現(xiàn)出黏性行為。在55 ℃和65 ℃，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，所有樣品的’大于”，表明所有樣品均具有彈性行為占主導(dǎo)的凝膠態(tài)特性。在80 ℃，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，MC和HPMC均從黏性行為占主導(dǎo)（”＞’）轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥孕袨椋ā保肌┱贾鲗?dǎo)的凝膠態(tài)特性。進(jìn)一步解釋?zhuān)诩訜釛l件下，MC、HPMC和蛋清形成凝膠狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，該結(jié)果與熱穩(wěn)定性結(jié)果一致。由圖10可知，MC和HPMC凝膠均為空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，蛋清表現(xiàn)為層狀結(jié)構(gòu)；且MC平均孔徑小于HPMC，因此MC的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)比HPMC的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)更加致密。該結(jié)果與黏彈性的測(cè)試結(jié)果一致。

圖9 不同樣品的應(yīng)變掃描（a）、頻率掃描（b）和45、55、65、80 ℃應(yīng)變掃描（c～f）Fig.9 Strain scan curves (a), frequency scan curves (b), and time scan curves (c, d, e, f) of different samples

圖10 不同樣品的SEM圖像Fig.10 SEM images of different samples

3 結(jié) 論

開(kāi)發(fā)了一種用于益生菌和-Gal共包埋、保護(hù)和遞送的新型核殼結(jié)構(gòu)載體，不僅可以實(shí)現(xiàn)益生菌和-Gal在胃腸道中持續(xù)和靶向釋放，還可以同時(shí)增強(qiáng)益生菌和-Gal的貯存、凍干和熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，該體系中益生菌的負(fù)載量達(dá)到9.63h10CFU/g、酶活力保留率達(dá)到80.72%。值得注意的是，復(fù)合凝膠-2對(duì)和-Gal的緩釋能力優(yōu)于復(fù)合凝膠-0，其在模擬胃腸條件中600 min后活細(xì)胞數(shù)量約為10CFU/mL，酶活力保留率約為62%。相比于純菌液和純酶液，復(fù)合凝膠-2體系可以減少凍干后的菌數(shù)損失率和酶活力損失率（＜0.05），分別減少84.94%和27.40%。復(fù)合凝膠-2體系可以降低4 ℃貯存條件下的菌數(shù)損失率（＜0.05）和25 ℃貯存條件下的酶活力損失率（＜0.05），提高該體系中和-Gal的貯存穩(wěn)定性。此外，在Ca-Alg/CMP殼中，CMP引入可以改變體系對(duì)水的結(jié)合能力，促進(jìn)凝膠形成更加致密的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；同時(shí)其可以提升殼層凝膠的pH值響應(yīng)能力，進(jìn)而調(diào)節(jié)包埋物質(zhì)在SCG中的釋放行為。最后利用MC的熱致凝膠特性對(duì)核殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次包埋，可以提高（＜0.05）益生菌和-Gal的熱穩(wěn)定性，綜上所述，本研究為食品工業(yè)中益生菌和酶制劑的共包埋、保護(hù)和輸送提供了一種新的思路。進(jìn)一步的研究可能集中在制劑的感官評(píng)價(jià)和口服功效的體內(nèi)評(píng)價(jià)上。