本研究由Çiğdem Yücel Falco（哥本哈根大学食品科学系）、Peter Falkman（瑞典马尔默大学生物医学实验室科学与生物界面研究中心）、Jens Risbo（哥本哈根大学食品科学系）、Marité Cárdenas（瑞典马尔默大学生物界面研究中心）以及Bruno Medronho（葡萄牙阿尔加威大学科学与技术学院）合作完成，并于2017年发表于期刊Carbohydrate Polymers（第172卷，第175–183页）。研究主题为开发基于壳聚糖（chitosan, CH）和硫酸葡聚糖（dextran sulfate, DXS）的物理与化学交联水凝胶（hydrogels），并将其作为益生菌（probiotics）封装载体，以改善益生菌在胃肠道中的存活率。
学术背景
该研究属于生物材料与食品科学交叉领域，聚焦于功能性水凝胶的开发与应用。背景知识包括：
1. 水凝胶的特性：三维聚合物网络结构，可吸收大量溶剂而不溶解，具有生物相容性、可降解性及对外部刺激（如pH、温度）的响应性。
2. 益生菌递送的挑战：胃部低pH环境会显著降低益生菌活性，需通过封装技术保护菌群直至肠道释放。
3. 材料的局限性：合成水凝胶因监管限制需被天然材料替代，而壳聚糖（CH）和硫酸葡聚糖（DXS）因其生物相容性、可降解性及电荷特性成为理想候选。
研究目标包括：
- 开发基于CH和DXS的物理与化学交联（genipin, GP为交联剂）水凝胶体系；
- 表征水凝胶的流变学、溶胀行为及微观结构；
- 评估水凝胶封装模型益生菌（Lactobacillus acidophilus）的存活率。
研究流程
研究分为五个核心步骤：
1. 水凝胶制备与表征
- 物理水凝胶：将CH（1.5–2 wt%）与DXS（1–2.5 wt%）溶液等体积混合，搅拌19–24小时形成凝胶。电荷密度比（n+/n−）为0.95–1.4时凝胶最稳定。
- 化学交联水凝胶：在DXS溶液中预先加入GP（0.05–0.3 wt%），再与CH混合，形成共价交联的蓝色凝胶（GP与CH氨基反应）。
- 珠粒制备：通过滴加法将CH溶液滴入含GP的DXS溶液中，形成微球。
2. 流变学测试
使用Haake Mars III流变仪测定剪切黏度和动态模量（G’和G’’）。
- 结果：
- 物理凝胶呈现剪切稀化行为，G’ > G’’，符合凝胶特性；
- 化学交联后，黏度提升100倍，G’增加7倍，机械强度显著增强；
- 电荷密度比为1时流变性能最佳（图2）。
3. 溶胀行为分析
- 方法：在pH 2.0（模拟胃液）和pH 7.4（模拟肠液）中测定溶胀百分比（Q%）。
- 结果：
- 增加DXS或GP浓度会降低溶胀率，因网络结构更紧密；
- 化学凝胶在酸性环境中稳定，而物理凝胶易降解；
- 溶胀动力学符合二级动力学模型（R² ≥ 0.99）。
4. 形貌表征（SEM）
- 发现：
- 化学交联凝胶孔隙更小、表面更粗糙（图6）；
- DXS和GP浓度升高增加凝胶的交联密度（图S4）。
5. 益生菌封装与存活率测试
- 方法：将L. acidophilus掺入水凝胶，通过平板计数法和Live/Dead染色评估存活率。
- 结果：
- 物理凝胶中活菌数降低2.1 log CFU/mL，化学凝胶降低3.6 log CFU/mL；
- Live/Dead染色显示约50–80%细胞仍存活，但部分因未释放未被计数（图8）。
主要结果与逻辑关系
- 材料优化：通过流变学确定1:1电荷密度比下凝胶性能最佳，支撑后续封装实验设计。
- 化学交联的优势：GP交联显著提升机械强度和pH稳定性，验证其适合胃部环境。
- 存活率矛盾：平板计数低估存活率，因凝胶残留未检测，需结合染色法修正结论。
结论与价值
- 科学价值：
- 阐明CH-DXS水凝胶的结构-性能关系，提出电荷密度比和交联剂浓度的调控策略。
- 首次将GP交联应用于益生菌封装体系，证明其生物相容性。
- 应用价值：
- 为口服益生菌递送提供可调载体，能抵抗胃酸并靶向肠道释放。
- 珠粒制备工艺简化，适合规模化生产。
研究亮点
- 创新方法：结合物理与化学交联，实现凝胶性能的精准调控。
- 跨学科应用：将生物材料技术与食品微生物学结合，解决益生菌存活难题。
- 数据全面性：通过流变学、SEM、溶胀实验和生物学评估多维度验证体系有效性。
其他价值
研究提出了“细胞存活率低估”问题，提示未来需优化释放检测方法（如模拟肠道酶解）。此外，珠粒的形态一致性（图7）为后续微胶囊化研究奠定基础。