亚致死脉冲电场可增强作为益生菌递送系统的鼠李糖乳杆菌在烤燕麦饼干中的存活能力

《Food Bioscience》：Sublethal pulsed electric fields enhance Lacticaseibacillus rhamnosus robustness in baked oat biscuits as a probiotic delivery system

　　

Tatiana Beldarrain-Iznaga|José Miguel Bastias-Montes|Keyla Tortoló-Caba?as|Sandra Quilodrán-Vega

智利奇兰市康塞普西翁大学兽医科学学院动物科学系，邮编3780000

摘要

在烘焙食品中添加益生菌仍面临挑战，因为加工过程中的高温会破坏细胞活性。非热处理技术能够引发适应性反应，提升微生物对加工过程及胃肠道压力的耐受性。本研究探讨了利用脉冲电场作为预处理手段，以提高鼠李糖乳杆菌在燕麦饼干烘焙过程中的存活能力。处于对数生长期的菌株（约10⁹ CFU/mL）被置于两种不同的电场强度（2.0和3.5 kV/cm）、三种脉冲持续时间（100–300 μs）以及三种脉冲次数（5–15次）条件下进行处理。通过检测菌株的存活率、亚致死损伤情况以及在60°C下加热15分钟后的存活状况，确定了适合用于燕麦饼干生产的最佳预处理条件。低强度脉冲电场处理（2.0 kV/cm；100–200 μs；5–15次脉冲）提升了该菌株的耐热性。研究还通过主成分分析整合了菌株的存活率、亚致死损伤程度以及加热后的存活情况，从而确定了最优的预处理方案。经过这种预处理的菌株在95°C下加热15分钟时的存活率有所提升，D95°C值从1.27分钟上升至3.84分钟，且加热后的菌株数量最多可增加3个对数单位。这些结果表明，亚致死的脉冲电场处理能够引发与增强耐热性相关的膜层适应性反应。经过处理的菌株在加入饼干面团之前还与菊粉一起进行了冻干处理。在180°C下烘焙15分钟后，经过脉冲电场预处理的菌株存活率提升了约3个对数单位，其菌株数量仍保持在6个对数单位/克以上。此外，这类菌株在模拟胃肠道消化环境中的存活能力也有所提高，说明其耐受性不仅体现在耐热性方面。

引言

随着越来越多的证据表明益生菌具有健康益处，人们对其功能性食品的消费量也在不断上升（Bozzetti等人，2026年）。摄入益生菌有助于改善肠道健康、增强免疫功能，还能调节肠道与大脑之间的神经内分泌通路（Guo等人，2025年；Liu等人，2025年；Sivri等人，2025年）。益生菌的应用范围已从乳制品扩展到果汁、发酵蔬菜以及肉类产品等领域（Wang等人，2025年），这既反映了消费者的需求，也体现了相关市场的快速发展。2022年全球益生菌原料市场的价值已达663亿美元，预计到2030年这一数值还将上升至1284亿美元，复合年增长率约为8.6%（Pawar，2025年）。

益生菌被定义为“当以足够剂量摄入时，能够为宿主带来健康益处的活微生物”（Hill等人，2014年）。其作用效果因菌株而异，且取决于摄入时菌株的存活数量：每克或每毫升中至少含有10⁶–10⁷个菌落形成单位（CFU/mL或g）（Bozzetti等人，2026年；Mafe等人，2025年；Nezamdoost-Sani等人，2024年）。鼠李糖乳杆菌是一种具有黏膜粘附能力、免疫调节功能的益生菌，在科研和工业领域都具有重要意义（Leser & Baker，2024年；Neng等人，2026年）。

饼干是一种深受各类人群喜爱的烘焙食品（Arepally等人，2023年）。将益生菌作为载体放入饼干中，为传统益生菌递送方式提供了一种新的替代方案（Mani-López等人，2023年；Sadeghi等人，2024年；Uma?a等人，2024年）。此前已有研究探讨过将益生菌添加到以谷物为基础的烘焙食品中，比如面包、饼干等。这些研究表明，烘焙过程会导致益生菌的存活率大幅下降，因为菌株会面临高温、脱水以及低水分活度等恶劣环境（Roudbaneh等人，2025年；Soukoulis等人，2014年；Zhang等人，2018年、2019年）。为解决这一问题，人们提出了微囊化、使用保护性载体以及调整配方等方法，以提高益生菌在烘焙和储存过程中的存活率（C?té等人，2013年；Hadidi等人，2021年；Penhasi等人，2021年；Seyedain-ardabili等人，2016年）。不过，这些方法可能会增加配方的复杂性，而且其效果还会受到食品基质的影响。

另一种策略是通过可控的亚致死预处理来诱导微生物的适应性应激反应。研究表明，温和的热处理等方式能够激活微生物的应激反应通路（Bustos等人，2025年）。这类预处理手段能够提升唾液乳杆菌以及副干酪乳杆菌LP4的耐热性，使得它们在70°C下处理30秒后的存活率可达到90–98.2%，而在75°C下处理40秒后的存活率则可达到50.68%（Huo等人，2025年；Zhuang等人，2024年）。这些发现表明，适度的温和应激处理能够提升益生菌对后续更强烈处理条件的耐受性。

在非热处理技术中，脉冲电场不仅被用于食品保存，还被用来调控微生物在亚致死条件下的生理反应（Beldarrain-Iznaga等人，2026年）。在温和的条件下，脉冲电场可以通过形成短暂的膜孔并暂时增加膜的通透性，从而给微生物带来亚致死应力，而不会导致其永久性失活（Djuki?-Vukovi?等人，2021年；Pankiewicz等人，2020年；Vaessen等人，2018年）。在益生菌中，温和的脉冲电场处理能够提升其在热处理和冻干过程中的适应性应激反应及存活能力（Ohba等人，2016年；Peng等人，2020年）。在发酵饮料、酸奶以及冰淇淋等液态和半固态介质中，益生菌的存活率也有提升的报道（Akarca等人，2022年；Pankiewicz等人，2020年），但在烘焙食品中的相关研究仍然较少。

亚致死的脉冲电场可以作为一种可控的应激源，通过诱导适应性反应提升益生菌在加工过程以及胃肠道环境中的存活能力。不过，目前关于将亚致死脉冲电场作为预处理手段来提升固体、经热处理的烘焙食品中益生菌存活率的研究还相对较少。填补这一研究空白对于拓展益生菌在这类固体热加工食品中的应用具有重要意义。因此，本研究旨在探讨亚致死脉冲电场预处理对添加在燕麦饼干中的鼠李糖乳杆菌的存活率、耐热性以及其在模拟胃肠道消化环境中的存活能力的影响。

内容节选

材料

鼠李糖乳杆菌ATCC 7469是从智利圣地亚哥的Medica-tec公司购买的。用于体外消化实验的人类唾液α-淀粉酶、猪胃黏膜来源的胃蛋白酶A、猪胰腺来源的胰酶、猪胆汁提取物、(NH₄)₂CO₃、KCl、KH₂PO₄、NaCl、NaHCO₃（S6014型）、CaCl₂(H₂O)₂以及MgCl₂(H₂O)₆则来自智利圣地亚哥的Sigma Aldrich公司。所有化学试剂均为分析级（ACS纯度）。超纯水则来自UV Direct-Q 5设备

探究脉冲电场参数对益生菌反应的影响

本研究通过能量输入值（J/cm³）来评估鼠李糖乳杆菌对脉冲电场处理的反应。能量输入范围为3.00至82.69 J/cm³（见表1），且所有处理过程中的温度均低于30°C，因此不存在热效应的影响。研究还检测了脉冲电场处理后的菌株存活率（以对数CFU/mL表示）、亚致死损伤程度以及经过60°C下加热15分钟处理后的培养能力，以此确定与适应性反应相关的最佳预处理条件。

随着能量输入值的增加，菌株的存活率呈下降趋势（见表1

结论

本研究结果表明，通过合理设置参数的亚致死脉冲电场预处理，能够显著提升鼠李糖乳杆菌在燕麦饼干中的存活能力。特定的亚致死能量参数组合（2.0 kV/cm，100–200 μs，5–15次脉冲）不仅能够保持菌株的培养能力，还能诱导其产生适应性反应。脉冲电场预处理显著提升了菌株在95°C条件下的耐热性，使其在180°C下烘焙15分钟后的存活率提升了大约3个对数单位，同时还增强了其存活持久性

作者贡献说明

Tatiana Beldarrain-Iznaga：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法设计、实验研究、资金筹集、正式数据分析、数据整理、概念构思。José Miguel Bastias-Montes：论文撰写——审稿与编辑、研究指导、数据整理、概念构思。Keyla Tortoló-Caba?as：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究。Sandra Quilodrán-Vega：论文撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。