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浙江工商大學(xué)胡夢(mèng)欣課題組 ACS AMI:靜電紡納米纖維膜加速益生菌生物膜的形成與富集
2022-07-09  來(lái)源:高分子科技

  生物膜是微生物在地球上最古老、最成功、也是最廣泛的一種生命形式。它由微生物自分泌的胞外聚合物(EPS)緊密包裹高度組織化的菌體組成,通常黏附于生命或非生命材料的表界面。據(jù)統(tǒng)計(jì),地球上約40-80%的微生物以生物膜表型存在。在人體中,尤其是在胃腸道中,多種微生物生物膜通過(guò)黏液層和食物顆粒的附著在消化道上皮和腔內(nèi)自然形成。最新的研究表明,腸道菌群的生物膜在腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)、定殖抵抗、菌群穩(wěn)定和恢復(fù)、宿主免疫成熟以及食物消化和化學(xué)藥物改性等方面發(fā)揮著重要的作用。然而,目前對(duì)生物膜的研究主要集中在疾病相關(guān)領(lǐng)域,如牙齦疾病、外科植入物感染、腸道疾病等。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),微生物生物膜的有益功效在極大程度上被忽略。近年來(lái),研究人員開始注意到生物膜表型的益生菌較之游離形態(tài)的益生菌在胃腸液、抗生素、以及熱等苛刻條件下具有突出的耐受性;同時(shí),還發(fā)現(xiàn)益生菌生物膜及其代謝產(chǎn)物較之游離益生菌具有更強(qiáng)的益生功效。因此,生物膜表型的益生菌也被認(rèn)為是目前最有前景的第四代益生菌。基于此,如何高效地制備生物膜表型的益生菌也成為亟需解決的問(wèn)題。胡夢(mèng)欣課題組前期相關(guān)的研究(J. Agric. Food Chem. 2019, 67, 3198?3208)發(fā)現(xiàn)Lactobacillus plantarum可在靜電紡醋酸纖維素納米纖維膜上形成致密的生物膜,作為發(fā)酵劑制備酸奶,可縮短發(fā)酵周期,同時(shí)酸奶中的益生菌在貨架期內(nèi)保持良好的存活性,解決了傳統(tǒng)菌劑及其發(fā)酵產(chǎn)品中益生菌易失活、不穩(wěn)定的難題,克服了益生菌在消化道內(nèi)存活率低的困難。然而,纖維材料促進(jìn)益生菌快速形成生物膜的關(guān)鍵機(jī)制和深層次原因仍不明晰。因此,闡明纖維材料加速益生菌生物膜形成的機(jī)制,對(duì)高效富集益生菌及其他高附加值微生物的生物膜具有重要的指導(dǎo)意義。


  近日,該課題組選擇了多種具有微米級(jí)尺寸的纖維材料,聚酯纖維、聚丙烯纖維(光滑纖維、多孔纖維、中空纖維)、碳纖維和醋酸纖維素纖維,將這類具有多種化學(xué)組成和表界面性質(zhì)的微米級(jí)纖維與靜電紡醋酸纖維素納米纖維材料進(jìn)行比較,探究纖維材料促進(jìn)益生菌生物膜快速形成的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論微米級(jí)纖維的纖維材料具有何種化學(xué)組成和表界面性質(zhì),均不能形成高度富集的Lactobacillus paracasei生物膜,而靜電紡醋酸纖維素納米纖維材料則輕松促進(jìn)了高度致密和富集的L. paracasei生物膜的形成(圖1)。與具有相同化學(xué)成分的微米級(jí)醋酸纖維素纖維材料相比,靜電紡醋酸纖維素納米纖維材料在1天內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)生物膜的快速形成,而微米級(jí)醋酸纖維素纖維材料經(jīng)過(guò)5天僅在纖維的表面形成薄層狀生物膜(圖2)。究其原因,益生菌尺寸與纖維材料的纖維尺寸和孔尺寸的匹配度在促進(jìn)生物膜形成的過(guò)程中起著決定性的作用(圖3)。


圖1 益生菌生物膜在纖維材料上的形成規(guī)律


 圖2 具有不同纖維尺寸的醋酸纖維素纖維材料對(duì)益生菌生物膜形成的影響規(guī)律


 圖3 益生菌和纖維材料的尺寸匹配度分析


  靜電紡醋酸纖維素納米纖維材料與L. paracasei在尺寸上的高度匹配使得其它可促進(jìn)生物膜形成的調(diào)控因素黯然失色,幾無(wú)用武之地。因此,在L. paracasei生長(zhǎng)的過(guò)程中,靜電紡醋酸纖維素納米纖維材料促進(jìn)了L. paracasei從游離表型向生物膜表型的快速轉(zhuǎn)換。當(dāng)材料和液體培養(yǎng)基達(dá)到合適的比例,在整個(gè)培養(yǎng)階段,近乎100%的L. paracasei以生物膜表型存在;在較低的料液比之下,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),同樣也可以實(shí)現(xiàn)近乎100%生物膜表型的L. paracasei在靜電紡醋酸纖維素納米纖維材料上的富集(圖4)。生物膜表型的L. paracasei顯示出具有長(zhǎng)時(shí)間存活的能力,保持著旺盛的新陳代謝活力,同時(shí)對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和抗生素顯示出突出的耐受能力。


圖4 靜電紡醋酸纖維素納米纖維材料促進(jìn)益生菌生物膜形成及高效富集


  浙江工商大學(xué)食品學(xué)院胡夢(mèng)欣副教授課題組以“Electrospun Nanofibrous Membranes Accelerate Biofilm Formation and Probiotic Enrichment: Enhanced Tolerances to pH and Antibiotics”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interface》上(ACS Applied Materials & Interface 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c04540),浙江工商大學(xué)為唯一完成單位。本研究獲得浙江省基礎(chǔ)公益研究計(jì)劃項(xiàng)目(LGN20C170002)的支持。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c04540

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