近日，中国海洋大学食品科学与工程学院、海洋食品加工与安全控制国家重点实验室薛长湖院士团队课题组的研究成果“Silkworm cocoon-like nanocoatings for single-cell encapsulation of probiotics:Construction,mechanism and characterization”在《Food Bioscience 》期刊上发表。
本研究以植物乳杆菌（L. plantarum）为模型，首次结合全自动高通量微生物液滴培养系统（Microbial Microdroplet Culture system ， MMC），在pH 3.0-6.0条件下筛选多糖/蛋白材料：羧甲基壳聚糖 （CMCS）、壳寡糖 （COS）、支链淀粉 （AP） 和果胶 （PE） 四种多糖，以及明胶 （GE）、乳清分离蛋白 （WPI）、卵清蛋白 （OVA） 和大豆分离蛋白 （SPI） 四种蛋白质等，构建厚度为100-150 nm的蚕茧状涂层。通过MMC实时监测涂层对益生菌生长的影响，随后，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）等分析表明，静电相互作用、氢键和疏水相互作用是涂层与植物乳杆菌之间的主要驱动力。此外，COS 涂层促进了植物乳杆菌的生长和繁殖，而 CMCS 和 OVA 则抑制了植物乳杆菌的生长和繁殖。最后，COS 、 WPI 和 GE 涂层作为屏障都提高了植物乳杆菌在巴氏杀菌、冻融循环和贮藏条件下的存活率。其中，COS 作为一种海洋低聚糖，由于其优异的性能和形成的致密涂层，对植物乳杆菌的保护效果最好。
一、研究背景
1.益生菌
益生菌通过定植肠道调节菌群，改善免疫、代谢疾病及胃肠道功能，但其在加工、储存中易受温度、pH等环境胁迫失活。
2.封装技术
传统多细胞封装存在颗粒大、效率低等问题，而单细胞封装可直接递送活性益生菌至靶点，同时减少对食品感官的影响。
3.封装材料
可食用蛋白（如WPI、GE）和多糖（如CMCS、COS）因生物相容性、安全性及功能多样性成为理想包材，但其在益生菌封装中的应用机制尚不明确。
二、方法与技术平台
1.材料筛选
本研究同时测试了8种涂层材料，包括四种多糖 (CMCS、COS、AP和PE) 以及四种蛋白质 (GE、WPI、OVA和SPI) 作为包衣材料。筛选结果显示，PE和SPI都不能在植物乳杆菌表面形成涂层，选择CMCS、COS、AP、GE、WPI和OVA等6种材料作为后续实验的涂层材料。
考虑到酸性环境不利于植物乳杆菌的生长，而在pH 5.0和pH 6.0下，大多数涂层材料携带相对较少的正电荷并且不能通过静电相互作用与植物乳杆菌很好地结合。因此，pH 4.0被选为最合适的制剂研究其余部分的环境。
2.高通量评估涂层生物相容性
为了更好地验证在pH 4.0条件下不同材料的包封效果，本研究采用了全自动高通量微生物液滴培养系统（MMC），MMC具备连续监测能力，可精准捕捉涂层对菌体不同生长阶段的调控（如延滞期、对数期、稳定期）。通过MMC自动生成实时生长曲线（每30分钟记录OD600值，持续14小时），根据生长曲线的结果选择合适的涂层材料进行后续实验。
结果如图所示，PL@GE、PL@WPI和PL@AP的生长与游离L. plantaurum的生长没有显著差异；GE、WPI和AP涂层的存在不会影响植物乳杆菌的正常生长和增殖。而PL@COS的生长明显优于游离的植物乳杆菌，推测归因于COS在改善肠道有益菌增殖方面的作用。相反，PL@CMCS 和PL@OVA的生长比游离L. plantaurum差。因此在接下来的研究中，选择WPI、GE、COS和AP作为下一阶段实验的涂层材料。
3.涂层-菌体动态互作机制解析
本研究设计了一种类似蚕茧结构的纳米涂层，旨在通过这种结构为益生菌提供保护。该涂层能够有效保护益生菌免受胃酸、胆汁盐以及消化酶等胃肠道内环境的不利影响。
通过电荧光显微镜和TEM进一步证实了纳米涂层的存在和蚕茧状结构。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR） 分析显示，静电吸引、氢键和疏水相互作用参与PL@CMCS、PL@COS、PL@GE、PL@WPI和 PL@OVA的形成，而PL@AP的形成仅包括氢键和疏水键相互作用。此外，研究发现COS涂层可以促进植物乳杆菌的生长，而CMCS和OVA涂层对植物乳杆菌具有抑制作用。
结果表明，涂层对植物乳杆菌冻融稳定性的提高程度依次为COS、AP、GE、WPI。多糖涂层对植物乳杆菌冻融稳定性的影响优于蛋白质涂层，因为多糖具有很强的持水能力，可以阻碍水分迁移。这四种涂层作为物理屏障可以有效地隔离不利的环境条件。
其中，COS涂层对提高植物乳杆菌在4℃下的贮藏稳定性效果最好。以COS为代表的功能性低聚糖不仅可以作为抵抗不利外界环境的物理屏障，还可以作为益生元进一步扩大功能性低聚糖的应用范围。COS作为一种涂料具有阻隔和益生元的双重性能，比其他涂料具有更好的保护作用。
这是第一篇研究不同包膜材料和pH值对蚕茧状纳米包膜植物乳杆菌制备的影响，并阐明了包膜形成机制的论文。所得结果将为新型包衣益生菌的开发及其在功能食品工业中的应用提供理论依据。、
关于MMC
关于天木生物
天木生物专注于生物育种领域的高端仪器装备的开发与应用，致力于通过高效的突变技术和高通量筛选技术，改造提升产业传统菌种开发模式，为生物制造产业提质增效，提升我国生物产业的核心竞争力。
致力于为行业“细胞和菌种开发与筛选效率低”、“相关装备成本昂贵”、“产业化落地困难”等难题提供优秀的解决方案。
近日，中国海洋大学食品科学与工程学院、海洋食品加工与安全控制国家重点实验室薛长湖院士团队课题组的研究成果“Silkworm cocoon-like nanocoatings for single-cell encapsulation of probiotics:Construction,mechanism and characterization”在《Food Bioscience 》期刊上发表。
本研究以植物乳杆菌（L. plantarum）为模型，首次结合全自动高通量微生物液滴培养系统（Microbial Microdroplet Culture system ， MMC），在pH 3.0-6.0条件下筛选多糖/蛋白材料：羧甲基壳聚糖 （CMCS）、壳寡糖 （COS）、支链淀粉 （AP） 和果胶 （PE） 四种多糖，以及明胶 （GE）、乳清分离蛋白 （WPI）、卵清蛋白 （OVA） 和大豆分离蛋白 （SPI） 四种蛋白质等，构建厚度为100-150 nm的蚕茧状涂层。通过MMC实时监测涂层对益生菌生长的影响，随后，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）等分析表明，静电相互作用、氢键和疏水相互作用是涂层与植物乳杆菌之间的主要驱动力。此外，COS 涂层促进了植物乳杆菌的生长和繁殖，而 CMCS 和 OVA 则抑制了植物乳杆菌的生长和繁殖。最后，COS 、 WPI 和 GE 涂层作为屏障都提高了植物乳杆菌在巴氏杀菌、冻融循环和贮藏条件下的存活率。其中，COS 作为一种海洋低聚糖，由于其优异的性能和形成的致密涂层，对植物乳杆菌的保护效果最好。
一、研究背景
1.益生菌
益生菌通过定植肠道调节菌群，改善免疫、代谢疾病及胃肠道功能，但其在加工、储存中易受温度、pH等环境胁迫失活。
2.封装技术
传统多细胞封装存在颗粒大、效率低等问题，而单细胞封装可直接递送活性益生菌至靶点，同时减少对食品感官的影响。
3.封装材料
可食用蛋白（如WPI、GE）和多糖（如CMCS、COS）因生物相容性、安全性及功能多样性成为理想包材，但其在益生菌封装中的应用机制尚不明确。
二、方法与技术平台
1.材料筛选
本研究同时测试了8种涂层材料，包括四种多糖 (CMCS、COS、AP和PE) 以及四种蛋白质 (GE、WPI、OVA和SPI) 作为包衣材料。筛选结果显示，PE和SPI都不能在植物乳杆菌表面形成涂层，选择CMCS、COS、AP、GE、WPI和OVA等6种材料作为后续实验的涂层材料。
考虑到酸性环境不利于植物乳杆菌的生长，而在pH 5.0和pH 6.0下，大多数涂层材料携带相对较少的正电荷并且不能通过静电相互作用与植物乳杆菌很好地结合。因此，pH 4.0被选为最合适的制剂研究其余部分的环境。
2.高通量评估涂层生物相容性
为了更好地验证在pH 4.0条件下不同材料的包封效果，本研究采用了全自动高通量微生物液滴培养系统（MMC），MMC具备连续监测能力，可精准捕捉涂层对菌体不同生长阶段的调控（如延滞期、对数期、稳定期）。通过MMC自动生成实时生长曲线（每30分钟记录OD600值，持续14小时），根据生长曲线的结果选择合适的涂层材料进行后续实验。
结果如图所示，PL@GE、PL@WPI和PL@AP的生长与游离L. plantaurum的生长没有显著差异；GE、WPI和AP涂层的存在不会影响植物乳杆菌的正常生长和增殖。而PL@COS的生长明显优于游离的植物乳杆菌，推测归因于COS在改善肠道有益菌增殖方面的作用。相反，PL@CMCS 和PL@OVA的生长比游离L. plantaurum差。因此在接下来的研究中，选择WPI、GE、COS和AP作为下一阶段实验的涂层材料。
3.涂层-菌体动态互作机制解析
本研究设计了一种类似蚕茧结构的纳米涂层，旨在通过这种结构为益生菌提供保护。该涂层能够有效保护益生菌免受胃酸、胆汁盐以及消化酶等胃肠道内环境的不利影响。
通过电荧光显微镜和TEM进一步证实了纳米涂层的存在和蚕茧状结构。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR） 分析显示，静电吸引、氢键和疏水相互作用参与PL@CMCS、PL@COS、PL@GE、PL@WPI和 PL@OVA的形成，而PL@AP的形成仅包括氢键和疏水键相互作用。此外，研究发现COS涂层可以促进植物乳杆菌的生长，而CMCS和OVA涂层对植物乳杆菌具有抑制作用。
结果表明，涂层对植物乳杆菌冻融稳定性的提高程度依次为COS、AP、GE、WPI。多糖涂层对植物乳杆菌冻融稳定性的影响优于蛋白质涂层，因为多糖具有很强的持水能力，可以阻碍水分迁移。这四种涂层作为物理屏障可以有效地隔离不利的环境条件。
其中，COS涂层对提高植物乳杆菌在4℃下的贮藏稳定性效果最好。以COS为代表的功能性低聚糖不仅可以作为抵抗不利外界环境的物理屏障，还可以作为益生元进一步扩大功能性低聚糖的应用范围。COS作为一种涂料具有阻隔和益生元的双重性能，比其他涂料具有更好的保护作用。
这是第一篇研究不同包膜材料和pH值对蚕茧状纳米包膜植物乳杆菌制备的影响，并阐明了包膜形成机制的论文。所得结果将为新型包衣益生菌的开发及其在功能食品工业中的应用提供理论依据。、
关于MMC
关于天木生物
天木生物专注于生物育种领域的高端仪器装备的开发与应用，致力于通过高效的突变技术和高通量筛选技术，改造提升产业传统菌种开发模式，为生物制造产业提质增效，提升我国生物产业的核心竞争力。
致力于为行业“细胞和菌种开发与筛选效率低”、“相关装备成本昂贵”、“产业化落地困难”等难题提供优秀的解决方案。
