一、研究背景

益生菌是活的微生物，适量摄入有益于宿主的健康。益生菌分为几个种类，其中最常见的是乳酸杆菌属和双歧杆菌属，市场上还有其他益生菌，如细菌和酵母。然而，益生菌的应用往往受到加工、储存和胃肠道转运过程中不利条件的挑战。为了解决这些限制因素，人们一直在集中精力进行研究，包括使益生菌菌株适应应激因素、筛选耐酸和耐胆汁菌株、封装/固定益生菌等。具体来说，封装和固定是两种有效的方法，目的是为益生菌细胞提供一个微环境，使细菌免受破坏性条件的影响，保持其活力，并促进其在胃肠道中的稳定输送。虽然许多技术（如冷冻干燥、喷雾干燥和乳化）已被用于稳定益生菌，但它们固有的一些缺点，包括使用极端温度、多步骤程序的复杂性和有机溶剂的使用，都会严重影响益生菌的活力。因此，探索温和、简单的封装/固定策略对于保持益生菌的活力至关重要。

电纺丝和电喷射是一种电流体动力（EHD）技术，用于生产纳米/微米尺度的纤维和颗粒，这些纤维和颗粒可设计用于各种应用。与其他技术相比，电纺丝和电喷射是通用而直接的工艺，一般不涉及苛刻的条件（如温度、压力）。最近，它们在稳定和控制敏感成分（如精油、肽、蛋白质）释放方面的卓越性能受到了广泛关注。特别是，在过去几年中，利用电纺丝和电喷雾技术稳定益生菌已成为一个新兴课题。然而，目前还没有关于使用这两种技术稳定益生菌及其应用进展的系统综述。此外，电喷雾技术可根据所使用的收集器分为两种不同类型，两者在益生菌封装方面完全不同。遗憾的是，大多数研究都集中在电纺丝和电喷雾的区别上，对于电喷雾在保存益生菌活力方面的分类和应用还没有详细的信息。

因此，华南理工大学吴虹教授研究团队在本文全面介绍利用两种电流体力学技术稳定和应用益生菌的最新情况。首先，介绍了电纺丝和电喷雾的原理。特别强调了电喷雾的具体分类，以便读者区分和理解电喷雾在益生菌封装中的应用状况。随后，系统讨论了通过封装或固定开发的电纺和电喷雾益生菌稳定系统及其在恶劣条件下提高益生菌存活率的能力。此外，还总结了益生菌制剂在多个领域的应用。最后，提出并讨论了这两种用于益生菌稳定的超声波高密度辐射技术的局限性和未来的研究方向。

二、摘要

益生菌对人体健康有益。然而，在加工、储存和通过胃肠道的过程中，它们很容易受到不利影响，从而降低其活力。探索稳定益生菌的策略对于益生菌的应用和功能至关重要。电纺丝和电喷雾这两种电流体力学技术具有简单、温和、用途广泛等特点，最近越来越多的人开始关注这两种技术在包裹和固定益生菌方面的应用，以提高它们在恶劣条件下的存活率，并促进它们在胃肠道中的高存活率输送。本综述首先对电纺丝和电喷雾，尤其是干法电喷雾和湿法电喷雾进行了更详细的分类。然后讨论了电纺丝和电喷雾在构建益生菌载体中的可行性，以及各种配方对益生菌的稳定和结肠输送的功效。同时，介绍了电纺和电喷射益生菌制剂的应用现状。最后，提出并分析了电流体力学技术在益生菌稳定化方面的现有局限性和未来机遇。这项工作全面解释了如何利用电纺丝和电喷雾技术稳定益生菌，这可能有助于益生菌治疗和营养方面的发展。

三、结论

益生菌易受苛刻食品加工和胃肠道消化的影响，限制了其在食品工业中的应用，也限制了其在体内的生物利用率。近年来，电纺丝和电喷雾技术（又称电流体力学技术）作为稳定益生菌的新兴策略备受关注。然而，这两种技术在用于构建益生菌载体时在许多方面存在差异。就电纺丝而言，它可以通过将益生菌包裹在纤维中或固定在纤维毡上来稳定益生菌。一般来说，合成聚合物因其良好的电纺性而成为制备益生菌载体的主要材料。纤维的形成取决于聚合物的特性和电纺丝参数。关于电喷法，干法电喷法和湿法电喷法通过将益生菌封装在胶囊中来稳定益生菌。它们之间的区别在于材料、生产工艺和胶囊形式。干法电喷雾的设置与电纺丝相同（图 1）。胶囊可以用合成聚合物或天然聚合物制备。湿法电喷通常使用天然聚合物来生产水凝胶胶囊，值得注意的是，交联剂是形成这种胶囊的主要因素。与电纺丝和干法电喷不同，在湿法电喷过程中，由于凝胶化过程缓慢，一些益生菌细胞无法被纳入水凝胶胶囊，这将导致封装效率降低。如上文所述，电流体动力封装和固定益生菌可提供有效的保护，并在各种压力条件下保持其活力。然而，这些技术在稳定和定向输送益生菌方面的应用仍处于早期阶段，对其在食品工业下游应用的研究还很少。因此，以下几个方面是这一领域目前存在的问题和局限性，今后应加以考虑。

正如益生菌的定义所示，益生菌是能带来健康益处的活微生物。对稳定化技术的探索确保了益生菌在食品加工和人体用药过程中的稳定性和高存活率。从这个意义上说，益生菌材料的安全性对其在食品工业中的应用至关重要。目前，大多数益生菌载体都是通过电流体力学技术，特别是电纺丝技术生产的，需要使用合成聚合物（如 PVA、PEO、PCL），因为它们具有良好的电纺丝性。然而，这些合成聚合物的口服安全性仍存在争议。幸运的是，聚合物溶液的粘度和导电性是决定电纺丝和电喷雾能否成功的关键因素。尽管大多数生物聚合物（如多糖、蛋白质）的电纺丝性较差，但这些生物聚合物的合理组合可以调节混合溶液的性质，促进电纺纤维或电喷射微胶囊的生成。因此，应进一步努力探索更多食品级生物聚合物，以制备高效的益生菌稳定载体。另一方面，添加一些功能性添加剂（如益生元、保护剂）有助于提高益生菌在恶劣条件下的存活率。然而，对通过这种策略形成的保护机制还需要进行更深入的研究。

就载体结构而言，封装在多层纤维或微胶囊中的益生菌由于有额外的保护层，在严酷条件下通常会表现出更高的存活率。然而，在电纺丝领域，以往的研究主要集中在验证电纺丝对益生菌的封装和固定作用，而这通常是通过单轴电纺丝来实现的。因此，应改变电纺丝结构，如同轴电纺丝、三轴电纺丝、多喷嘴电纺丝和逐层电纺丝，以开发多层益生菌系统。此外，以往的大多数研究都侧重于构建益生菌载体，并评估其在封装过程、储存和体外模拟胃肠液过程中保护益生菌的能力。然而，载体应有助于将益生菌输送到结肠部位，使其定植并发挥作用。因此，有必要研究更有效的方法来开发结肠益生菌输送系统，并系统地研究载体结构、细胞活力、输送效率和益生菌释放动力学之间的相关机制。

总之，电纺丝和电喷雾技术为在不同的苛刻条件下稳定益生菌开辟了新的途径，并为在各个领域高效利用益生菌提供了新的视角。未来，需要在电流体力学技术的基础上制定更复杂的制备方案，并探索合适的材料或其组合，以制造更高效的益生菌输送载体。此外，还应在食品和制药行业中坚持不懈地推广应用电动流体力学益生菌制剂。

图1.支配电流体动力过程的力（fA，空气阻力；fC，库仑力；fE，电力；fG，引力；fS，表面张力；fV，粘弹性）--经授权转载自 [15]。2019, Elsevier；电纺丝和电喷雾的示意图和分类。

 

图2.用于电纺丝和电喷雾的典型喷嘴。

 

图3.通过电纺丝和电喷雾制备的益生菌纤维（A-C；a-c）和胶囊（D-F；d-f）的扫描电镜和荧光图像--转载自2011年，美国化学学会；2020年，爱思唯尔；2019年，爱思唯尔；2012年，爱思唯尔；2019年，爱思唯尔。

 

图4.通过同轴电纺丝实现益生菌的双层封装--转载自2020年，爱思唯尔

 

 

图5.制备疏水性益生菌载体的改良电纺丝方案：（A）双喷嘴电纺丝（PVA：聚乙烯醇，CA：醋酸纤维素）--经授权转载自[98]。2021 年，Elsevier；（B）逐层电纺丝（LGG：鼠李糖乳杆菌 GG）--经授权转载自 [99]。2022 年，爱思唯尔。