Release kinetic study of encapsulated probiotic Lacticaseibacillus rhamnosus strain NCDC 347 in double-layer matrix encapsulated by spray drying
本研究表明，通过喷雾干燥制备的脱脂奶粉与卡拉胶水凝胶双层基质能有效保护鼠李糖乳杆菌 NCDC 347 免受胃部和胆盐胁迫，并使其在肠道条件下实现受控的非菲克型释放，从而使其成为一种具有前景的功能性食品应用系统。
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益生菌是活的微生物，当摄入适量时，能为人体带来健康益处。它们经常被添加到酸奶等食物和补充剂中，以支持消化并增强免疫系统。然而，这些微小的助手在到达目的地之前面临着一段危险的旅程。为了发挥作用，它们必须在胃部的恶劣环境中生存下来，那里的强酸和消化酶旨在分解食物并杀死细菌。如果益生菌在到达肠道之前就死亡了，那么这种食物或补充剂提供的益处就会微乎其微。科学家们长期以来一直在寻找保护这些脆弱细胞的方法，就像为一位脆弱的旅行者建造护盾一样，确保他们活着到达并准备好开始工作。
一种极具前景的保护方法是微胶囊化，即通过一个过程将细菌包裹在保护层中。一种用于制造这些涂层的常用技术是喷雾干燥，它将液体混合物转化为细小的粉末。虽然这种方法高效且具有规模化潜力，但其中涉及的热量和压力有时会损伤细菌。为了解决这个问题，研究人员正在探索结合使用不同的材料，以创造更坚固、更具韧性的护盾。在这项研究中，印度国家食品技术管理学院的科学家们调查了一种由两种食品级材料组成的特定混合物：脱脂奶粉和卡拉胶。脱脂奶粉含有蛋白质和糖类，可以缓冲细菌免受热量和干燥压力的影响；而卡拉胶是一种从红海藻中提取的物质，以其形成凝胶和保持水分的能力而闻名。研究人员想要观察，将这两者混合是否能创造出一个双层护盾，不仅能在干燥过程中保护细菌，还能精确控制细菌在体内何时以及何处释放。
团队专注于一种特定的益生菌菌株，称为Lacticaseibacillus rhamnosus NCDC 347。他们将细菌与脱脂奶粉、卡拉胶以及两者的组合溶液进行混合，然后使用喷雾干燥机将这些混合物变成细小的粉末。为了测试这种新护盾的效果如何，他们模拟了通过人类消化系统的旅程。他们将粉末置于模拟胃部酸性环境和肠道中性且富含酶的环境中的液体中。他们还在纯水中测试了粉末的表现，以观察在没有消化液的情况下它的行为。通过测量随着时间的推移有多少细菌从粉末中泄漏出来，他们可以判断护盾是在维持状态还是在破裂。
结果表明，脱脂奶粉和卡拉胶的混合物创造了一个极其有效的屏障。当粉末被放入纯水中时，细菌释放得非常缓慢，这表明护盾保持完好，并未简单地溶解。然而，当粉末被移动到模拟肠道的液体中时，释放率显著增加。这表明该护盾非常“聪明”；它在胃部保持关闭，但在到达肠道时会打开，这正是细菌需要去的地方。相比之下，当研究人员将粉末放在旨在模拟胃部的强酸性液体中时，释放速度比在肠道中慢得多，证实了细菌受到了酸性的保护。
研究人员还观察了护盾在吸收水分时形状和大小的变化。他们发现，当进入肠道液体时，材料显著膨胀，吸收了自身重量两倍以上的水分。这种膨胀是过程中的关键部分，因为它有助于将细菌推向外层。有趣的是，细菌离开护盾的方式并不是简单的、稳定的流动。相反，这种释放是由材料在吸收水分后放松并改变其结构所驱动的。这不同于海绵仅仅让水滴穿过的过程；在这里，材料本身必须膨胀并发生位移，才能让细菌逃逸。这种机制确保了细菌不会一次性倾倒出来，而是以受控的方式进行交付。
或许最重要的发现是细菌在旅程中的存活情况。当研究人员将未经保护的细菌暴露在酸性胃液中时，它们的数量急剧下降，大多数在两小时内死亡。然而，隐藏在脱脂奶粉和卡拉胶护盾内的细菌表现得要强壮得多。在相同的酸性液体中放置两小时后，大部分受保护的细菌仍然存活。该护盾对胆盐（一种在肠道中发现的可能对细菌有毒的物质）也证明有效。同样，受保护的细菌在含有高水平胆盐的溶液中两小时后，仍保持着较高的存活率，而未经保护的细菌则遭受了严重损失。
研究结论是，这种脱脂奶粉和卡拉胶的特定组合是交付益生菌的强大工具。它成功地保护了细菌免受制造过程中的热量以及胃部恶劣环境的影响。最重要的是，它允许细菌在到达肠道时存活并释放它们，以便在那里发挥作用。研究人员建议，这种双层系统可以用于开发新的功能性食品和补充剂，从而可靠地将活的益生菌输送到人类肠道中，将一个困难的生物学挑战转变为一个可控的工程解决方案。
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