《食品科學》：東北農業大學孟祥晨教授等：一株具有高富集鈣能力乳酸菌的篩選及富集鈣菌體的結構特點

骨骼健康是人體進行正常生理活動的核心基礎，其穩態失衡與骨質疏松等疾病的發生密切相關，已成為全球關注的公共健康問題。鈣作為骨骼礦化的核心原料，是維持骨密度、促進骨形成的關鍵營養元素，其膳食攝入吸收效率直接影響骨骼健康狀態。然而，常規膳食中的鈣易受腸道pH值、膳食纖維及草酸等因素影響，存在吸收利用率低等問題。因此，如何通過膳食策略實現鈣的高效遞送與利用成為改善骨骼健康的研究熱點。腸-骨軸理論的提出揭示了腸道微生態與骨骼健康之間的密切關系。乳酸菌作為人體腸道內的核心益生菌群，可通過發酵產生短鏈脂肪酸、調節腸道pH值、優化腸道微生態結構以及促進VD等骨代謝相關營養素的合成與吸收，間接參與骨穩態調控。這一基于腸-骨軸的調控機制為開發兼具益生菌活性與營養強化功能的膳食干預方案提供了科學依據。

近年來，乳酸菌載體介導的礦物質營養元素遞送策略展現出顯著優勢，為鈣的高效利用提供了創新思路。已有研究針對鋅元素的膳食強化開展了探索：篩選獲得一株具有高富集鋅能力的乳酸菌，發現其可通過菌體自身結構將鋅高效固定并遞送至腸道吸收，該富集鋅的乳酸菌在改善結腸炎模型動物腸道炎癥、調節免疫平衡方面的效果顯著優于普通鋅制劑及未富集鋅的乳酸菌，其核心優勢在于實現了益生菌活性與鋅元素功能的協同增效，形成載體與營養功能成分的雙重增益效應。這一研究明確了富集礦物質元素的乳酸菌在營養強化與生理功能提升中的獨特價值，為同類研究提供了可參考思路。有研究表明，部分乳酸菌菌株具有較高的鈣富集能力，乳酸菌通過細胞表面的羧基、羥基等活性基團對鈣離子產生螯合、配位和靜電吸附等作用，其富集的鈣主要以蛋白質、多糖和氨基酸等的絡合物形式存在，可提高鈣的生物利用率。有研究將富集鈣的植物乳植桿菌制備成生物活性鈣制劑應用于合生元奶粉中，動物實驗結果顯示，該制劑不僅能促進機體對鈣的吸收利用率，還可通過改善缺鈣模型小鼠的骨密度與骨微觀結構，發揮顯著的骨骼健康維護作用。

鈣的膳食強化也可以乳酸菌為載體，但目前相關研究仍存在一些不足：一方面，針對高富集鈣能力乳酸菌的系統性篩選工作缺乏，可利用菌種資源較少；另一方面，乳酸菌富集鈣后的菌體結構特點尚不明確，而結構特點直接決定了鈣在腸道內的保留效率與作用機制，是解析“乳酸菌-鈣”協同增效機制的關鍵。因此，東北農業大學乳品科學教育部重點實驗室的于航、溫淼、孟祥晨*等研究通過原子吸收光譜法篩選高富集鈣能力的乳酸菌菌株，同步利用X射線光電子能譜、X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜等技術探究富集鈣后菌體的結構特點，以期為下一步評估負載鈣的乳酸菌在調節骨骼健康中的作用與機制奠定基礎。

1 菌株生長特性

在37 ℃條件下，分別測定了供試菌株在24 h內于MRS以及Ca-MRS液體培養基中的生長情況，結果表明：供試菌株在兩種培養基中均經歷了遲滯期、對數生長期和穩定期。在MRS液體培養基中，供試菌株遲滯期均較短，約2 h后即進入對數生長期，在10 h左右到達對數末期，4 個種屬之間未見明顯差異，各菌株進入穩定期后的OD600在1.47～1.84之間（圖1A）。在Ca-MRS液體培養基中，供試菌株遲滯期相比于在MRS液體培養基中延長，大部分菌株遲滯期延長至4 h左右，而L. plantarum KLDS1.0728和L. brevis KLDS1.0210的遲滯期則延長至6 h左右，L. casei KLDS1.0338的遲滯期更是延長至8 h左右。大部分菌株在12～14 h到達對數末期，相較于MRS液體培養基中到達對數末期的時間延長了2～4 h，其中L. rhamnosus KLDS1.0725、KLDS1.0386和L. plantarum KLDS1.0628、KLDS1.0391到達對數末期的時間仍是10 h左右，可見培養基中鈣離子的加入并未影響以上4 株菌生長；L. rhamnosus KLDS1.0367、L. casei KLDS1.0343、KLDS1.0381、KLDS1.0347和L. plantarum KLDS1.0702、KLDS1.0706、KLDS1.0344、KLDS1.0715、KLDS1.0704、KLDS1.0302到達對數末期的時間延長至12 h左右；L. plantarum KLDS1.0728、L. brevis KLDS1.0210和L. casei KLDS1.0338、KLDS1.0375、KLDS1.0349、KLDS1.0374到達對數末期的時間延長至14 h左右。各菌株進入穩定期后的OD600在1.41～1.80之間，稍低于相應的在MRS液體培養基中的穩定期OD600（圖1B）。由此可見在Ca-MRS液體培養基中L. casei和L. brevis兩個種屬的生長受到較為明顯的抑制作用，L. plantarum和L. rhamnosus兩個種屬生長所受到的抑制作用相對較小。以上結果表明，相比于MRS液體培養基，供試菌株在Ca-MRS液體培養基中的生長變緩慢。

2 菌株對鈣的富集能力

按照1.3.3節所述的方法，測定了不同菌株對鈣的富集能力，結果顯示，菌株對鈣的富集能力表現出較大差異。20 株菌的鈣富集量在8.21～43.94 mg/g之間，其中L. casei KLDS1.0375的鈣富集量最高，為43.94 mg/g；L. plantarum KLDS1.0344的鈣富集量最低，僅為8.21 mg/g（圖2）。因此選用L. casei KLDS1.0375用于后續實驗。

3 富集鈣菌體的結構特點

3.1 X射線光電子能譜分析

X射線光電子能譜是通過測量樣品受X射線激發所發射光電子的結合能，以確定其元素組成，并依據譜峰強度分析元素的化學狀態及其相對含量的一種有效方法。通過X射線光電子能譜儀分析了L. casei KLDS1.0375富集鈣前后4 種主要元素（C、N、O、Ca）的組成及價態分布，結果如圖3所示。菌體富集鈣前的X射線光電子能全掃描譜圖顯示，在結合能為287、401 eV和532 eV處分別出現了碳（C 1s）、氮（N 1s）和氧（O 1s）的元素特征峰，并未檢測到鈣元素的存在，碳、氮和氧3 種元素的占比分別為82.92%、4.42%和12.66%（圖3A）。菌體富集鈣后的X射線光電子能全掃描譜圖顯示，在結合能為288、399、532 eV和348 eV處分別出現了碳（C 1s）、氮（N 1s）、氧（O 1s）和鈣（Ca 2p）的元素特征峰，碳、氮、氧和鈣4 種元素的占比分別為73.32%、3.74%、20.86%和2.08%（圖3B）。鈣元素特征峰的出現證明了菌體對鈣有效富集，菌體富集鈣后氧元素的占比升高，表明鈣離子可能與菌體中的含氧基團發生了相互作用。

3.2 X射線衍射分析

對富鈣菌粉的晶體狀態進行X射線衍射分析，結果如圖4所示，以氯化鈣在X射線衍射圖譜中顯示出的晶體物質特有的尖銳衍射峰作為參照。未富集鈣的菌粉與富集鈣的菌粉均在2θ為20°附近出現1 個較強的特征衍射峰，峰形呈現出彌散狀態，相較于普通菌粉，富鈣菌粉的衍射峰變為平緩且強度降低，表明L. casei KLDS1.0375菌體與鈣離子發生了結合而不是簡單的物理混合，并未形成有序排列的晶體結構，而是非晶體狀態。

3.3 紅外光譜分析

如圖5所示，菌體富集鈣前后的傅里葉變換紅外光譜發生了明顯的變化。菌體富集鈣之后，譜峰強度下降，峰位置略向右移動。3 437.13 cm-1處為—NH—的對稱伸縮振動所產生的吸收峰，菌體與鈣發生結合后吸收峰紅移到3 418.37 cm-1，說明氨基參與了鈣離子的配位作用。在2 972.76 cm-1處的吸收峰為多糖中C—H的伸縮振動，與鈣發生結合后紅移至2 961.04 cm-1。在1 598.43 cm-1處的吸收峰為C＝O的伸縮振動，屬于蛋白酰胺I帶區域，與鈣發生結合后吸收峰紅移到1 596.09 cm-1。在1 244.29 cm-1處的吸收峰為C—N的伸縮振動，屬于蛋白酰胺III帶區域，與鈣發生結合后吸收峰紅移到1 237.26 cm-1。在1 112.96 cm-1的吸收峰對應于多糖的—OH伸縮振動，與鈣發生結合后紅移到1 105.92 cm-1。以上變化表明干酪乳酪桿菌KLDS1.0375表面的蛋白質和多糖主要與鈣發生相互作用。

3.4 菌體形態分析

通過掃描電子顯微鏡觀察了普通菌體和富鈣菌體的形態，普通菌體呈現短桿狀，表面光滑，無明顯褶皺。菌體富集鈣之后，依然呈現短桿狀，但觀察到菌體表面變粗糙，褶皺略有增加，且有顆粒狀物質附著在菌體表面（圖6）。

3.5 激光共聚焦顯微鏡圖分析

Fluo-3AM是常用檢測細胞內鈣離子的熒光探針之一，進入細胞后被細胞內的酯酶剪切形成Fluo-3滯留在細胞內，結合鈣離子后可產生較強的熒光。通過激光共聚焦顯微鏡觀察了普通菌體和富鈣菌體細胞內部的鈣熒光強度，結果如圖7所示，普通菌體只觀察到少量且微弱的綠色熒光。菌體富集鈣之后，細胞內部鈣熒光強度提高，顯示出更為密集且強烈的綠色熒光，表明鈣不僅吸附于細胞表面，還被轉運至細胞內部。

3.6 熱穩定性分析

差示掃描量熱法是一種熱分析技術，能夠測定不同樣品隨溫度變化所產生的能量差，進而反映其熱穩定性情況。熱穩定性分析結果如圖8所示，普通菌體在溫度為151.87 ℃時出現了一個明顯的吸熱峰，此時的熱焓值為84.91 J/g。菌體富集鈣之后，吸熱峰溫度提高，向右偏移至167.44 ℃，熱焓值升高至138.62 J/g。上結果表明，菌體富集鈣之后，破壞其結構需要更高的溫度以及更多的能量，L. casei KLDS1.0375富集鈣之后的熱穩定性有所提高。

4 討 論

乳酸菌的鈣富集能力在不同種屬及菌株間存在差異性。本研究測定了20 株乳酸菌的鈣富集量，從種間差異角度發現，L. casei的鈣富集能力在11.95～43.94 mg/g之間，總體情況優于本研究中的L. plantarum（鈣富集能力在8.21～36.48 mg/g之間）以及其他2 個種屬。菌株L. casei KLDS1.0375表現出最強的鈣富集能力（43.94 mg/g），該數值接近石月等篩選出的富鈣能力最強的菌株——L. plantarum CY1-1（45.41 mg/g）。本研究所篩選出來的菌株鈣富集能力雖未達到已報道的最高水平，但仍處于已報道菌株中的前列，且差異較?。▋H相差約1.47 mg/g）。然而，值得注意的是，評價一株菌的產業化應用潛力，需綜合考慮其鈣富集能力與生長性能。本研究獲得的菌株L. casei KLDS1.0375展現出了更快的生長速率。其在Ca-MRS液體培養基中到達對數生長末期的時間為14 h，相較于上述報道菌株L. plantarum CY1-1（約16 h）縮短了近2 h。更短的發酵周期意味著更高的生產效率和更低的能耗成本，這在工業化大規模生產中具有較大優勢。盡管Ca-MRS液體培養基對L. casei KLDS1.0375的生長產生了一定抑制，但該菌株仍能有效完成鈣富集過程。這一現象與前人的研究結果一致，即隨著培養基中鈣離子濃度的增加，對微生物生長的抑制也隨之增加，這可能是由于培養基成分復雜，含有多種金屬離子（如K+、Mn2+、Mg2+），高濃度鈣離子的存在會競爭性抑制乳酸菌與其他金屬陽離子的結合，導致其生長能力下降；此外，高濃度鈣離子本身也可能對菌體產生毒害或抑制作用。

乳酸菌的細胞壁是結合鈣離子的主要場所，其結構和化學組成的差異直接決定了鈣富集能力的高低。乳酸菌為革蘭氏陽性菌，細胞壁以肽聚糖為核心結構單元，其分子骨架由N-乙酰氨基葡萄糖與N-乙酰胞壁酸通過β-1,4-糖苷鍵交替連接形成線性聚合物，且通過肽橋實現高度交聯。這種復雜的三維網絡結構中，密集分布著羧基、氨基及羥基等官能團，這些官能團可通過配位鍵、氫鍵等作用與鈣離子發生特異性結合。乳酸菌細胞壁另一標志性成分為磷壁酸，它是由核糖醇或甘油殘基通過磷酸二酯鍵連接而成的線性多糖鏈，根據連接位置可分為壁磷壁酸（與肽聚糖共價結合）和膜磷壁酸（錨定于細胞膜）。磷壁酸分子中大量存在的羧基官能團，使其成為細胞壁表面負電荷的主要貢獻者之一，增強了對金屬陽離子的靜電捕獲能力。綜上，鈣離子可通過配位、螯合、離子交換及微沉淀等作用結合至乳酸菌細胞表面。

不同菌株合成磷壁酸的能力和數量有所不同，導致其表面負電荷密度和所帶基團數量有明顯差異，從而造成不同菌株間鈣富集能力的巨大差別。相較于革蘭氏陽性菌，革蘭氏陰性菌的細胞壁呈現出更為復雜的層級結構。其內層為較薄的肽聚糖層，雖同樣具備一定量的極性官能團，但交聯度較低；外層則是由磷脂雙分子層、脂蛋白、脂多糖及外膜蛋白構成的外膜結構，且該類細胞壁中不存在磷壁酸或天冬酰胺酸成分。其中，脂多糖分子的核心區域與O-特異性側鏈均富含羥基、羧基及磷酸基團，磷脂分子的磷酸頭部也帶有負電荷，這些結構共同構成了外膜表面重要的金屬離子結合位點。無論是革蘭氏陽性菌的肽聚糖與磷壁酸，還是革蘭氏陰性菌的肽聚糖、磷脂及脂多糖，其分子結構中均含有大量陰離子官能團，這使得細菌細胞表面帶有負電荷。這種帶電特性為微生物與金屬陽離子之間的相互作用提供了關鍵的物質基礎，不僅決定了細胞壁對金屬離子的結合容量，還影響著其結合特異性與動力學過程，是細菌作為金屬離子天然載體的核心分子機制。

另外，本研究通過掃描電子顯微鏡觀察菌體的微觀結構發現，相較于普通菌體形態，L. casei KLDS1.0375富集鈣后的菌體表面變粗糙、褶皺增加且有顆粒狀物質附著，這可能是由于鈣與菌體表面的蛋白質和多糖發生結合后形成了生物包裹體，表面電荷發生變化，導致蛋白質和多糖的空間構象發生改變，從而出現聚集和凝結現象，此結果進一步印證了傅里葉變換紅外光譜分析的結果。正是由于鈣與菌體表面蛋白質和多糖發生了結合，所以在X射線衍射分析中發現富集鈣的菌體為非晶體狀態存在，非晶體的有機態鈣更有利于人體吸收利用。此外，X射線光電子能譜分析發現菌體富集鈣之后鈣的相對含量增加，同樣地，激光共聚焦顯微鏡也觀察到菌體富集鈣后的鈣熒光強度有所提高。差示掃描量熱分析發現，菌體富集鈣之后吸熱峰溫度提高、熱焓值增加，此現象歸因于鈣與菌體蛋白質和多糖等生物大分子結合后，交聯形成了穩定的結構，使熱穩定性提高，這有利于其在食品加工中的應用。

本研究成功篩選獲得一株具有較高富集鈣能力的乳酸菌L. casei KLDS1.0375，其來源于傳統發酵乳制品，且已被列入公認安全名單，并初步解析了其富集鈣后的菌體結構特點，獲得了一株能遞送鈣的乳酸菌。就應用價值而言，富集鈣的L. casei KLDS1.0375有望成為一種新型的調節骨健康的乳酸菌菌種，后續實驗將進一步通過細胞以及動物實驗模型研究該負載鈣的乳酸菌在促進鈣吸收與調節骨骼健康方面的作用與機制。

作者簡介

通信作者：

孟祥晨，教授，博士生導師，食品發酵工程二級學科帶頭人，乳品科學教育部重點實驗室乳品微生物及生物技術平臺負責人。愛爾蘭科克大學（UCC）訪問學者，美國猶他州立大學高級訪問學者。中國畜產品加工研究會常務理事，國家食品藥品監督管理局食品安全專家，中國奶業協會理事，農業農村部農產品加工標準化技術委員會委員，《中國釀造》《乳業科學與技術》雜志編委；國際、國內數十種學術期刊審稿人。中國農學會青年科技獎獲得者，畜產品加工研究會駱承庠基金優秀青年教師獎獲得者。主要從事乳品科學與技術、食品微生物與生物技術、食品發酵等領域的教學和科研工作。先后主持、參加國家自然科學基金、教育部創新團隊、“863”項目、國家科技支撐計劃、省市級各類課題20余項，獲各級各類獎勵8 項。獲授權專利10余項，轉讓科技成果3 項。出版專著和教材10余部，發表學術論文200余篇，其中SCI和EI收錄50余篇。

第一作者：

于航，現就讀于東北農業大學食品工程專業碩士研究生，研究方向為食品微生物。

引文格式：

于航, 溫淼, 馬梁雨, 等. 一株具有高富集鈣能力乳酸菌的篩選及富集鈣菌體的結構特點[J]. 食品科學, 2026, 47(1): 114-121. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250730-235.

YU Hang, WEN Miao, MA Liangyu, et al. Screening of lactic acid bacteria for their calcium enrichment capacity and structural characteristics of calcium-enriched bacteria[J]. Food Science, 2026, 47(1): 114-121. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250730-235.

實習編輯:劉芯；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

為系統提升我國食品營養與安全的科技創新策源能力，加速科技成果向現實生產力轉化，推動食品產業向綠色化、智能化、高端化轉型升級，由北京食品科學研究院、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，合肥工業大學、安徽農業大學、安徽省食品行業協會、安徽大學、合肥大學、合肥師范學院、北京工商大學、中國科技大學附屬第一醫院臨床營養科、安徽糧食工程職業學院、安徽省農科院農產品加工研究所、安徽科技學院、皖西學院、黃山學院、滁州學院、蚌埠學院共同主辦的“ 第六屆食品科學與人類健康國際研討會 ”，將于 2026年8月15-16日（8月14日全天報到） 在 中國 安徽 合肥 召開。

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