东北农业大学李晓东教授课题组：苦瓜多糖/乳清分离蛋白复合凝胶的研制、表征及其对益生菌包埋能力的研究
学科团队：乳品营养组学及功能性乳制品开发团队
期刊名称：International Journal of Biological Macromolecules
中科院分区：中科院一区
影响因子：8.025
研究背景
具备生物相容性聚合物递送材料的开发逐渐受到人们的关注。随着消费者对产品需求的增加，生物相容性聚合物除了作为传递载体的作用外，还应该能够承受环境变化（温度、pH值、物理压力等），同时还能带来促进健康的益处。生物相容性聚合物应用最广泛的一个领域就是益生菌包埋，对益生菌进行包埋可提高其活性，并确保其在肠道的有效传递。益生菌包埋壁材的选择至关重要，从本质上决定包埋的成功与否。乳清分离蛋白（WPI）作为包埋壁材具有营养价值高、凝胶形成能力强、生产成本低等优点。同时WPI在改善益生菌的肠道输送方面表现出了良好的能力。苦瓜多糖（MP）具有一定的抗氧化活性，抗糖尿病、抗肥胖、抗癌等健康功效。同时，研究表明MP作为潜在的碳水化合物生物聚合物具有良好的胶体特性。虽然MP已成功用于包埋氯苯醌，但其作为靶向结肠输送的益生菌载体或潜在的食品应用潜力尚未被探索。此外，有研究指出益生菌可以增强MP的生物活性，表明二者可能存在协同效应。因此，MP作为一种新型胶凝剂在增强WPI结构、功能和耐热性能等方面具有一定潜力。本研究采用提取自苦瓜的生物活性多糖及乳清分离蛋白的热诱导凝胶化制备新型复合凝胶，将其用于嗜酸乳杆菌的包封。
研究内容
本研究首先制备了 WPI 与不同浓度MP（0.5%、1%、2% 和 4%）复合凝胶，并对其功能、微观结构和质地特性进行了研究；将MP-WPI复合凝胶用于包埋益生菌（嗜酸乳杆菌），研究冷藏过程中包埋后益生菌的稳定性；研究由MP-WPI复合凝胶包埋益生菌的体外消化活性；评估包埋益生菌的体外生物活性。
研究方法
通过扫描电子显微镜（SEM）和激光共聚焦显微镜（CLSM）观察MP的添加对WPI微观结构的影响；通过傅里叶红外光谱仪（FTIR）和Zeta-电位研仪研究了复合凝胶分子间变化；通过同步热分析仪（TGA-DSC）评估了添加MP对WPI耐热性的影响；使用体外消化模型 研究包埋益生菌的体外消化活性；通过抗氧化活性、抗糖尿病活性、抗血脂和降胆固醇活性评价包埋益生菌的体外生物活性。
关键结论
（1）MP-WPI复合凝胶功能特性：当MP浓度为2%时，综合指数最高，MP-WPI的保水性和乳化性均优于WPI凝胶(P<0.05)。此外，MP-WPI在2%时乳化指标达到最大值，说明MP可以浓度依赖的方式改善WPI的乳化性能。
图1. MP-WPI复合凝胶功能特性
综合指数(A)、持水能力(B)、乳化活性(C)、乳化稳定性(D)
（2）MP-WPI复合凝胶质构和结构表征：含有0.5%到2%MP浓度的复合凝胶比天然WPI凝胶具有更优良的质构特性。此外，含有2%MP的复合凝胶具有最高的硬度、粘附性、弹性、粘聚性和回弹性。扫描电子显微镜显示，MP-WPI呈现出多孔性的三维网络结构，并且MP可以浓度依赖的方式显著降低孔隙率。
图2. MP-WPI复合凝胶微观结构表征
扫描电子显微镜(A)、激光共聚焦扫描显微镜(B)
（3）MP-WPI复合凝胶的分子间作用：FTIR分析表明，MP与WPI主要通过静电、疏水和氢键相互作用成键；Zeta-电位结果表明，随着复合凝胶中MP浓度的增加，复合凝胶电荷增加，这表明MP与WPI之间发生了静电相互作用，并且这种相互作用依赖于MP的浓度。
图3. MP-WPI复合凝胶的分子间作用结果
傅里叶红外光谱（A）、Zeta-电位（B）
（4）MP-WPI复合凝胶的热稳定性：所有受试样品的热重分析曲线均呈现两个典型的失重区，第一个失重区发生在60℃-130℃左右，第二个失重区在大约255℃-490℃。当MP浓度为2%时，MP-WPI复合凝胶失重率最低，与天然WPI相比，复合微凝胶的热稳定性提显著提高。
图4. WPI (A) 和不同浓度MP (0.5%、1%、2%、4%) B、C、D、E复合凝胶的热重和差示扫描量热分析
（5）MP-WPI复合凝胶的包埋特性：MP-WPI成功提高了嗜酸乳杆菌在冷冻干燥时的存活率，具有高的包埋率（98%）和良好的储存稳定性。MP-WPI在消化后提高了嗜酸乳杆菌的存活率。
图5. MP-WPI复合凝胶的封装特性 不同浓度MP (0.5%、1%、2%、4%)的WPI和MP-WPI复合凝胶的包封率(A)、储存稳定性(B)、体外消化(C)、细胞表面疏水性(D)
（6）MP-WPI复合凝胶封装益生菌的体外生物活性：如图A所示，包埋壁材对样品的抗氧化活性有显着影响 (P < 0.05)。所有 LA-MP-WPI 的抗氧化活性（63%–87%）显著高于LA-WPI的抗氧化活性（49%），其中4% LA-MP-WPI 表现出最高的抗氧化活性（87%）；如图B所示，LA-WPI 显示出较低的抗糖尿病活性（39%），LA-MP-WPI抗糖尿病活性显著增加（55%-84%），并呈浓度依赖性；如图C所示，含MP的包埋壁材（68%–79%）表现出比 LA-WPI更高的脂肪酶抑制活性；如图D所示，与 LA-WPI（19%）相比，复合包埋的LA-MP-WPI显示出最高的胆固醇保留率（41%–68%），这与脂肪酶抑制分析中获得的结果一致。
图6. MP-WPI复合凝胶封装益生菌的体外生物活性 抗氧化活性 (A)、α-淀粉酶抑制活性 (B)、脂肪酶抑制活性 (C) 和降胆固醇活性 (D)
创新点/应用前景
本研究通过对WPI和不同浓度MP的热诱导凝胶化，成功地制备了一种新型MP-WPI复合凝胶，制备的MP-WPI新型复合凝胶在功能和结构上具有良好性能，可用于包埋嗜酸乳杆菌。因此，MP-WPIs是一种有效的益生菌递送载体，并且具有治疗代谢综合征的潜力。
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.11.097
团队介绍
李晓东，博导，教育部食品工业职业教育教学指导委员会委员，黑龙江省教学名师，东农杰出学者JC2，美国佛蒙特大学访问学者。现任黑龙江省高值化食品生物加工及功能性产品开发工程技术研究中心主任，乳品营养组学及功能性乳制开发品团队负责人。兼任中国畜产品加工研究会理事，中国食品科学技术学会乳酸菌分会理事，省发酵工程学会副理事长，省科顾委食品专家组专家，省食品科学技术学会常务理事。《乳品科学与技术》、《Food Science of Animal Products》杂志编委，《Foods》、《Frontiers in Nutrition》客座主编。主要从事乳品科学与技术，特别是干酪及乳基料、婴幼儿配方粉、功能性乳制品等领域的科研和教学工作。
主持、参加国家科技支撑、国家重点研发计划项目、国家教育部创新团队、教育部博士学科点基金、黑龙江省重点研发计划项目、黑龙江省重大专项、黑龙江省百千万工程重大专项等各类课题30余项。获黑龙江省科学技术奖3项，厅局级奖励6项，中国食品科学技术学会奖励1项。授权专利17项。主编出版教材、专著《乳品工艺学》、《新型干酪食品加工技术》12部，共发表学术论文300余篇，发表SCI/EI论文80余篇。
刘璐，硕导，副教授，东农学术骨干。主要从事乳品科学与技术，特别是干酪、婴幼儿配方粉、功能性乳制品等领域的科研和教学工作。
主持、参加黑龙江省重点研发计划项目、黑龙江省自然科学基金项目、黑龙江省重大专项、黑龙江省百千万工程重大专项等各类课题11项。以第二完成人获黑龙江省科学技术奖1项，厅局级奖励2项，中国食品科学技术学会奖励1项。参与授权专利10项。主编出版专著1部，副主编出版教材1部，共发表学术论文60余篇，其中SCI 论文30余篇。