生物泡沫魔芋葡甘聚糖3D多孔支架：让益生菌形成生物膜，冻干存活率提高30%

近期，南京农业大学食品科技学院的研究团队在国际著名期刊《Food Hydrocolloids》（IF 12.4，农林科学1区）上发表题为“Biofoam-derived konjac glucomannan edible 3D porous scaffolds for enhanced probiotic biofilm formation and freeze-drying tolerance”的研究论文。该研究首次采用酵母驱动的生物发泡策略，构建了食品级魔芋葡甘聚糖3D多孔支架，系统解析了其促进益生菌生物膜形成及增强冻干耐受性的结构-功能关系，为替代传统浮游态益生菌制剂提供了新型绿色载体。

益生菌冻干保护与生物膜态制剂的机遇

乳酸菌是功能食品中不可或缺的益生菌和发酵剂，但冻干过程会导致细胞膜破裂、代谢活性下降等损伤。传统冻干保护剂（如糖类、脱脂乳）保护效果有限，且可能改变产品感官与营养特性。近年来，生物膜态益生菌因其自分泌的胞外聚合物基质（EPS）而展现出更强的抗逆性。然而，生物膜的形成高度依赖于载体材料的三维空间结构。现有载体（如塑料、陶瓷、玻璃）缺乏可食性和生物相容性，而电纺纳米纤维、普通水凝胶等则存在孔径过小、孔隙不连通等问题，难以支持益生菌的深部定植与三维生物膜发育。因此，开发具有互连大孔结构的可食用3D支架成为该领域的重要突破点。

从“酵母发泡”到“生物膜高效保护”的全链条解析

研究团队采用酵母生物发泡策略，在KGM基质中原位生成CO₂气体，形成多孔结构，并系统优化了KGM浓度和发泡时间，获得了最佳支架（7% KGM，发泡2 h）。

1.结构与理化特性：孔隙率大幅提升，力学与化学结构协同优化

与未发泡对照组相比，发泡2 h支架的孔隙率从47.8%显著提升至85.5%，孔径分布从致密形态转变为具有互连大孔-微孔的分级网络结构。流变学分析表明，发泡时间延长导致KGM浆料黏度下降，有利于气泡生成与扩散。FTIR分析显示，发泡诱导了KGM的逐步去乙酰化，并加强了酰胺相互作用，证实了化学交联与物理发泡的协同贡献。

2.生物膜载量：最优支架实现高效菌群定植

在最佳支架上，植物乳杆菌JB1的生物膜载量达到8.66 log CFU/cm³，显著高于未发泡对照（7.9 log CFU/cm³）。此外，该支架对另外7株乳酸菌均显示出不同程度的生物膜增强效果，验证了该平台在多种益生菌中的普适性。

3.冻干保护效果：存活率提升约30%，膜完整性显著改善

冻干后，生物膜态细胞的存活率较浮游态提高约30%（浮游态降低36.4%，生物膜态降低15.4%）。溶菌酶敏感性实验和活/死细胞染色进一步证实，生物膜态细胞在冻干后膜损伤显著轻于浮游态，归因于EPS的物理屏障作用。

4.分子机制：应激基因上调，代谢功能保留

qRT-PCR分析显示，冻干后生物膜态细胞中冷休克蛋白基因（csp）、EPS合成相关基因（galT）、糖酵解相关基因（pfkA、ldh-1、pdhA、gtaB）、群体感应关键基因（luxS）等均显著上调（1.49–2.91倍）。酶活性测定表明，生物膜态细胞在冻干后β-半乳糖苷酶和乳酸脱氢酶活性均显著高于浮游态，证明其代谢功能保留更佳。

【总结与展望】

该研究通过酵母生物发泡策略，成功构建了食品级KGM 3D多孔支架，其优化的分级大孔网络显著促进了益生菌生物膜的形成，并通过EPS保护、应激基因激活和代谢功能保留三重机制，大幅提升了益生菌的冻干耐受性。该策略利用公认安全（GRAS）的酵母和温和的加工条件，避免了传统化学发泡剂和有毒交联剂的使用，具有良好的工业化放大潜力。

为开发基于生物膜态的下一代益生菌制剂提供了绿色、可食用的载体平台。未来研究需进一步验证该支架在其他益生菌株及规模化生产中的适用性，并评估其在功能食品、生物活性包装及细胞农业等领域的应用前景。

【参考文献】

Zhang Q Q, Qin S, Shi J, et al. Biofoam-derived konjac glucomannan edible 3D porous scaffolds for enhanced probiotic biofilm formation and freeze-drying tolerance[J]. Food Hydrocolloids, 2026, 179: 112807.