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南昌大学食品学院刘欢团队:玉米醇溶蛋白-果胶纳米颗粒的制备、表征及其在胃肠道消化过程中对益生菌微胶囊的保护作用

2026-06-25 19:31:21

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近日，南昌大学食品学院刘欢团队在国际学术期刊 International Journal of Biological Macromolecules 发表了题为《Preparation and characterization of zein-pectin based nanoparticles and its protective efficacy in probiotic microencapsulation during gastrointestinal digestion》的研究型论文。该研究旨在表征通过反溶剂沉淀和复合物聚集的协同方法制备玉米醇溶蛋白-果胶基纳米颗粒（ZNP-P），并研究其在模拟胃肠道消化过程中对益生菌微胶囊的保护作用。

研究背景

益生菌被定义为活的微生物，足量摄入可赋予宿主多种健康益处如维持肠道微生物稳态，促进营养吸收，抗肥胖等。为确保益生菌在肠道中发挥作用，益生菌到达结肠的存活数量应超过10⁶ CFU/mL。然而，恶劣的胃肠道环境，如胃酸、消化道酶降解，胆汁盐的存在会抑制益生菌定植，导致益生菌细胞的存活率与胃肠道内的粘附率显著下降。因此可以采用封装技术提高益生菌的存活率。近年来，蛋白质-多糖递送平台是益生菌封装的高效策略。复合物聚集通过弱吸引力和非特异性相互作用（静电、氢键、范德华力等）形成可溶性或不可溶性复合物。目前的研究主要集中于水溶性蛋白（如乳清蛋白和大豆蛋白分离物）。醇溶性蛋白-多糖基质在益生菌封装中的潜力尚未得到充分挖掘。

玉米醇溶蛋白是一种环保的双亲性醇溶蛋白，具有良好的生物降解性，生物相容性与粘附特性，广泛应用于封装递送。尽管如此，由于其醇溶性特征需要使用乙醇进行溶解，会对益生菌的活性造成损害并限制其应用。果胶作为一种酸性多糖，具有抗癌、益生元作用及调节血糖和胆固醇的功能，已被用于与水溶性蛋白复合以封装益生菌，果胶与醇溶性蛋白的复合保护作用机制尚被深入探索。

研究旨在通过抗溶剂沉淀和复合物聚集的协同方法制备玉米醇溶蛋白-果胶基纳米粒子（ZNP-P），并利用扫描电镜、多光谱技术及分子对接分析形态与分子结构特征。最后，评估ZNP-P对植物乳植杆菌550在模拟胃肠道消化中的保护作用。

ZNP-P的制备及表征

研究采用反溶剂沉淀法制备玉米醇溶蛋白纳米颗粒（ZNP），并通过调节pH值促进ZNP与果胶之间的静电相互作用，形成ZNP-P复合物。SDS-PAGE分析显示，ZNP与果胶之间存在非共价相互作用。ZNP颗粒在酸性条件下呈现正电荷（+30.71±2.00 mV），与果胶结合后，复合物ZNP-P的ζ电位变为负值（约-33 mV），表明果胶分子被有效吸附到ZNP表面。随着果胶浓度的增加，ZNP-P的ζ电位逐渐降低，粒径显著增大，表明更多的果胶分子被吸附，增强了颗粒的稳定性。在pH 4.0条件下，ZNP的平均粒径约为94.38 nm，而ZNP-P的粒径增至400-500 nm，表明果胶分子的吸附与缠结导致了颗粒的聚集。

ZNP颗粒为分散的球形结构，粒径约为20-90 nm，具有一定的聚集性。随着果胶浓度的增加，ZNP-P的粒径增大，表面变得更加光滑，当果胶浓度为2 mg/mL时，ZNP-P展现出最佳的分散性和光滑表面，可能是由于果胶的负电荷与ZNP表面的多价相互作用（静电力和疏水性相互作用）。

图 (A) ZNP和ZNP-P的制备方案。a. 玉米蛋白分散在80%（体积比）的乙醇水溶液中。b. 通过反溶剂沉淀法制备的ZNP。c. ZNP与果胶复合形成ZNP-P；（B）ZNP和ZNP-P的SDS-PAGE。泳道1-ZNP，泳道2-ZNP-P_0.25，泳道3-ZNP-P₁，泳道4-ZNP-P₂；（C）ZNP和ZNP-P的粒径分布和ζ电位。

图扫描电子显微镜（SEM）图像。（A）ZNP；（B）ZNP-P_0.25；（C）ZNP-P_1.0；（D）ZNP-P_2.0

ZNP和ZNP-P的分子相互作用特征

CD光谱结果显示，ZNP的二级结构随着果胶浓度的变化发生变化，ZNP中α-螺旋的特征峰在引入果胶后被抑制，无规则线圈和β-折叠结构的特征峰增加，表明果胶与ZNP之间存在静电相互作用，导致蛋白质构象变化。紫外光谱分析结果显示，果胶的加入使ZNP在220 nm和280 nm处的吸光度增加并发生红移，说明果胶和ZNP之间的静电相互作用引发了ZNP-P的构象转变，暴露出芳香残基。

同步荧光光谱进一步研究了ZNP及其复合物的三级结构变化，随着果胶浓度的增加，ZNP-P的荧光强度显著下降，且最大发射波长发生红移，表明果胶分子与ZNP的极性残基形成氢键，导致荧光淬灭。果胶浓度继续增加到2mg/mL时，ZNP的三级结构展开，酪氨酸残基嵌入暴露于极性溶剂中的疏水核心。温度依赖的荧光淬灭分析进一步验证了ZNP和果胶之间的相互作用，随着温度升高，ZNP-P的荧光强度明显减少，表明果胶与酪氨酸残基的结合促进了快速去激发。

热力学Stern-Volmer模型分析表明，ZNP-P的淬火过程属于静态猝灭，果胶与ZNP形成稳定的非发光复合物。结合常数（Kb）随着温度的升高而增大，表明ZNP和果胶之间的相互作用更为紧密。热力学分析显示，相互作用的主要驱动力为疏水作用，且该过程为自发过程。分子对接模拟结果进一步揭示了ZNP与果胶的结合位点和相互作用方式，计算得到的结合能为-6.3，主要通过氢键、疏水作用和范德华力实现相互作用。充分揭示了ZNP与果胶之间的分子相互作用及其对ZNP-P结构与性能的影响。

图 ZNP和ZNP-P的分子结构特征。（A）CD光谱；（B）二级结构比例；（C）紫外吸收光谱

图 ZNP和ZNP-P的同步和本征荧光光谱分析。（A）同步荧光光谱；298K（B）、303K（C）、308K（D）的荧光发射扫描；（E）Stern-Volmer图；（F）log[(F₀-F)/F]与log[C]的关系图；（G）热力学方程图

表拟合荧光光谱参数（在298K、303K和308K下）

图果胶与玉米醇溶蛋白模拟对接结合位点的示意图。（A）3D示意图和（B）2D示意图

负载益生菌的ZNP-P微胶囊的表征及胃肠道消化特性

ZNP纳米颗粒包封后，仍有一些益生菌暴露，这可能是由于玉米醇溶蛋白的疏水性与益生菌之间的微弱疏水相互作用导致包封效率降低。而在ZNP-P中，果胶分子与益生菌发生缠结，减少了表面暴露的益生菌数量，随着果胶浓度的增加，微胶囊表面变得更加均匀和紧凑，显示出更好的包封效果。

进一步的胃肠消化实验表明，游离细胞在消化2 h后失去活性，而负载益生菌的ZNP-P微胶囊在6 h消化后仍能保留大量活细胞（约4 log CFU/mL）。这一结果表明ZNP的疏水性和果胶分子在表面形成的保护层，阻挡了胃酸和胆汁盐的侵蚀。随着果胶浓度的增加，ZNP-P微胶囊的细胞存活率显著提高，果胶在胃酸环境中的质子化作用增强了微胶囊的抗胃酸能力。果胶分子自聚集形成更厚、致密的保护层，同时ZNP-P纳米颗粒更紧密地堆积，从而进一步增强了益生菌的保护效果。在肠道消化过程中，由于ZNP-P的果胶表面带负电荷，ZNP和益生菌间的静电排斥作用促进了胶囊化益生菌的释放，确保了益生菌能够有效进入肠道。综上，ZNP-P微胶囊具有良好的耐酸性和释放控制能力，能够有效保护益生菌免受胃肠道的降解。

图扫描电子显微镜（SEM）图像。（A）L. plantarum 550@ZNP；（B）L. plantarum 550@ZNP-P_0.25；（C）L. plantarum 550@ZNP-P_1.0；（D）L. plantarum 550@ZNP-P_2.0

图负载益生菌的ZNP-P微胶囊的胃肠道消化

结论与展望

研究通过反溶剂沉淀与复合凝聚法，成功制备了结构致密的玉米醇溶蛋白-果胶（ZNP-P）复合纳米颗粒，此递送系统具有密集的三维保护网络，显著提升了益生菌在模拟胃肠道消化过程中的存活率，且高果胶含量能进一步增强抗胃酸能力。研究不仅为益生菌的高效口服递送提供了新策略，还为开发新型益生菌功能性食品及其商业化应用提供一定的理论依据。