东北农业大学食品学院、乳品科学教育部重点实验室、黑龙江省绿色食品研究院Wang Kaili等对海藻酸钠基益生菌凝胶的多样化改性策略及其在食品中的应用潜力进行综述。
前言
在后疫情时代，益生菌作为新兴功能因子的需求量迅速增长。然而，商业化益生菌产品往往受到加工条件、贮藏环境及宿主消化等不良因素的影响，导致益生菌活性降低，从而影响其保健功效。微胶囊化技术广泛应用于生物活性物质的递送，尤其是基于海藻酸钠的壁材设计，通过物理、化学及其协同方法将海藻酸钠与其他材料相结合，旨在最大化其优势并有效弥补不足。这些新型策略不仅实现了对凝胶结构的精细调控，还赋予了微胶囊优异的抗氧化性能与长期贮存稳定性，确保益生菌在复杂食品基质（如乳制品、饮料或面包）中的有效保持，同时在口服胃肠道递送中表现出良好的控释能力，为益生菌产品在食品工业中开辟了更广阔的应用前景。
1 海藻酸钠概述
海藻酸钠是一种天然阴离子多糖，由ɑ-L-古罗糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸通过β-1,4-糖苷键连接而成，具有广泛的分子质量。它的成膜机制依赖于分子链上的羧基和羟基，这些官能团可以与水分子形成氢键，进而形成胶体颗粒，并在二价阳离子（如Ca2+）存在时交联形成水凝胶。海藻酸钠的M/G比率、排列顺序、GG链段长度和分子质量是影响其水凝胶性质的关键因素。海藻酸钠微胶囊化方法分为外部凝胶化和内部凝胶化，前者操作简单但可能存在稳定性问题，后者形成更均匀稳定的凝胶结构。
海藻酸钠已广泛应用于食品和医药工业，特别是在生物活性物质的胃肠道递送领域。它能够提高活性分子的稳定性，实现靶向释放，并具有高生物黏附性，延长材料在结肠的停留时间。然而，单独的海藻酸钠微胶囊存在稳定性弱、阻隔性能有限等局限性，通过与新型材料结合的策略可以克服这些问题。
2 不同改性方法制备的海藻酸钠基复合微胶囊
随着新型材料的不断出现和益生菌包埋靶点的多样化，微胶囊改良的关键已转向海藻酸盐的组合效应。因此本部分概述了海藻酸钠基复合微胶囊的制备方法，包括物理和化学改性策略。物理方法涉及将海藻酸钠与非阳离子多糖如卡拉胶、果胶、阿拉伯胶以及双乳液等混合，以增强凝胶的结构强度和机械性能，提高对益生菌的保护效果。化学方法主要包括海藻酸钠与壳聚糖及其衍生物、蛋白质等的络合，通过形成多电解质复合物或互穿网络结构来提升微胶囊的稳定性和控释性能。协同改性则结合了物理和化学方法，利用多种壁材的优势互补，以实现更高效的益生菌保护和递送。这些改性方法旨在提高海藻酸钠凝胶的机械强度、稳定性、吸水性和生物相容性，以满足食品工业中不同应用的需求，并确保益生菌在复杂环境如胃肠道中的生存能力和健康益处。
3 海藻酸钠基微胶囊化益生菌的应用及挑战
在乳制品中，海藻酸钠微胶囊技术能有效提高益生菌在酸乳、干酪和黄油等产品中的存活率，同时保持产品的物理化学性质和感官属性。在饮料中，海藻酸钠胶囊化的益生菌在苹果汁和乳清基饮料中表现出良好的稳定性和活性。此外，微胶囊化益生菌也被成功应用于烘焙产品和巧克力中，显示出在热加工和贮藏过程中的耐受性。然而，研究者们仍面临确定合适微胶囊粒径、优化干燥方式和体系协同效应等挑战。例如，合适的粒径对于确保益生菌的保护效果和食品的感官接受度至关重要，而干燥过程中的存活率低是商业化应用的限制因素。此外，由于研究条件的多样性，很难总结出凝胶体系的最佳组合效应。因此，未来的研究需要关注统一的模拟程序和实验条件，以及与益生菌菌种和食物基质的匹配，以科学合理地开发出适宜的海藻酸钠基微胶囊化益生菌产品。
展望
海藻酸钠水凝胶因其与细胞外基质的结构和化学相似性、理想的生物相容性、生物降解性和成本效益，在封装益生菌与益生元方面具有巨大应用潜力。然而，除了传统乳制品和饮料外，仍需积极探索并拓展富含益生菌及相关生物活性成分的产品，并扩展适用人群，提供个性化益生菌产品。未来可以结合基因工程、分子和蛋白质组学等对益生菌的生理特性和抗逆性能进行深入研究，将海藻酸钠与其他生物聚合物进行巧妙结合，以开发更高效的益生菌水凝胶封装系统，提升封装性能与益生菌存活率。同时，对含有微胶囊益生菌的健康食品应进行详尽的感官评估，推动其商业化进程，确保生产规模的可扩展性以及实施严格的质量控制措施，这将直接影响消费者的接受度与兴趣。随着对益生菌健康益处认识的提高和益生菌递送体系的改进，海藻酸钠基微胶囊化益生菌在未来的市场比重将会越来越大，为人类肠道健康事业的进步贡献重要力量。
Abstract
Sodium alginate (SA), due to its unique biodegradability and gel-forming properties, is used as an excellent wall material. It can achieve targeted delivery of probiotics into the body for the purpose of improving human microecology. However, SA hydrogels alone tend to have weak mechanical properties and are susceptible to external environmental attack, making it difficult to adequately protect the probiotic core. In order to overcome this bottleneck, in recent years, there have been literature reports on the modification of SA-based hydrogels based on physical, chemical, and synergistic modification of both. And other novel wall materials were introduced to be blended with SA to form a composite wall material with a denser structure and superior performance, which enhances the resistance and storage period stability of probiotics. Based on this, this paper outlines the structural properties and advantages and disadvantages of SA, and systematically summarises the effects and differences of different modification methods on the performances of SA-based microcapsules. It also meticulously combs out the wide application of SA-based probiotic microcapsules in the field of food, showing its great potential in improving food quality and promoting health. Finally, this paper objectively points out the problems and challenges facing the current research on SA-based microencapsulation delivery system. It provides new perspectives and strategies for the upgrading of the wall material of SA-based microencapsulation and the improvement of the efficiency of the probiotic delivery system.
作者介绍
李艾黎 教授
东北农业大学食品学院
李艾黎，东北农业大学食品学院，教授，博士生导师，黑龙江省骨干教师，黑龙江省绿色食品科学研究院（国家乳业工程技术研究中心）特聘专家，乳品科学教育部重点实验室学术骨干，黑龙江省乳酸菌遗传与代谢工程重点实验室学术骨干，《乳业科学与技术》、《中国乳品工业》等杂志编委。
自2007年博士毕业以来主要从事乳品营养与健康、食品发酵与生物技术等领域的教学和科研工作。先后主持国家自然科学青年及面上基金、黑龙江省自然科学基金、中国博士后基金、黑龙江省教育厅基金等国家/省市级课题10余项；获得黑龙江省自然科学奖，黑龙江省高校科学技术奖等4 项；发表学术论文70余篇，其中中科院1区TOP期刊20余篇；主编及副主编出版著作10余部；获得授权发明专利及实用新型8 项，转化2 项；主持省教改课题1 项，省级一流课程1 门。
东北农业大学食品学院，博士研究生，发表学术论文10余篇，其中中科院1区TOP期刊6篇，参与出版著作2 部。
文章内容由作者团队提供。
编辑：阎一鸣； 责任编辑：刘莉
为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。
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