食源性致病菌在禽肉、蛋类、乳制品及畜肉产业链中广泛存在且污染率高，已成为食品安全的重大威胁。据统计，沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、解淀粉芽孢杆菌等病原体每年导致很多感染病例，其中沙门氏菌因其在禽肉、蛋类及乳制品中的高检出率成为防控重点。在有关零售生鸡肉沙门氏菌污染的调查中，沙门氏菌污染率在10%以上，甚至可以达到80%。沙门氏菌除了会污染禽类及禽副产品外，也会将畜肉类及相关副产品作为传播媒介，可通过屠宰交叉污染、加工环境残留或饲料携带等途径侵入畜肉产业链，对食品安全构成威胁。研究调查显示，在广东惠州及清远的10个屠宰场中采集498份猪肉样本，样本中有70份含有沙门氏菌，检出率为14.06%。同时，对屠宰场环境中的沙门氏菌污染情况进行了分析，共采集55个环境样本，沙门氏菌检出率为18.18%。因此开发高效、安全、可持续的精准抗菌技术已成为保障食品产业微生物安全的核心需求。
食品样本抗菌策略主要包括一系列的物理、化学以及管理措施。在食品生产过程中，先通过加热或冷链存储减少微生物的负荷，再通过化学措施如添加防腐剂或抗氧化剂延长保质期，还会建立一系列的质量管理体系，并且定期抽检食品样本，检测食品中的微生物含量，及时发现潜在的污染源并采取相应的措施。然而，当前技术仍面临诸多问题：部分化学抗菌剂可能产生致癌副产物，对环境和人体有毒性，长期使用易筛选出耐药菌；物理方法使用的设备可能会增加生产成本，并且可能会影响食品的口感、质地、营养成分，降低食品的感官质量。为了降低对化学合成抗菌剂的依赖，研究人员尝试开发天然抗菌剂，旨在利用天然物质或机制抑制有害微生物。依据来源可分为3类：动物源抗菌剂（主要包括壳聚糖、抗菌肽及氨基酸衍生物）、植物源抗菌剂（涵盖果蔬酚类、中草药活性成分及香辛料提取物）、微生物源抗菌剂（含细菌/真菌代谢产物及微生物衍生的抗菌药物前体）。天然抗菌剂原料可再生、保障食品品质与营养，符合可持续发展理念。然而，天然抗菌剂在实际应用中仍然面临诸多问题。部分天然提取物（尤其是植物源成分）对多重耐药菌的最小抑菌浓度显著高于合成抗菌剂，需高剂量给药才能达到有效抗菌阈值。光/热不稳定成分（如黄酮）易降解失活，导致货架期抗菌效能衰减。壳聚糖等物质在非最适pH值条件下发生电荷中和或构象变化，活性大幅降低。天然产物分离纯化流程复杂，得率低（如高纯度抗菌肽提取率常低于0.1%），规模化生产成本居高不下。上述瓶颈共同制约了天然抗菌剂从实验室研究向产业化有效转化。
噬菌体制剂因其特异性裂解细菌的天然特性，作为抗菌治疗的一种新兴手段，成为食品微生物安全领域的研究热点。噬菌体通过吸附-侵入-复制-裂解4步机制精准裂解宿主菌，其生物特异性不干扰食品感官与营养特性，可全链条应用于食品生产（种植-加工-运输-消费）实现可持续生物净化，且因靶向宿主减少持续污染风险。然而，游离噬菌体在实际应用中存在环境敏感性与释放不可控性等问题。游离噬菌体易受温度、pH值等环境因素影响导致失活；缺乏浓度调控机制，一次性释放可能引发剂量失衡。为解决上述问题，噬菌体包埋技术已成为当前研究的焦点。通过将噬菌体封装于特定的材料基质中，可显著提升其环境耐受性、实现可控释放，并延长其抗菌活性。目前，多种先进的包埋策略已被开发并应用于不同场景。例如，水凝胶体系被证明能响应特定生物信号（如感染微环境的pH值或酶）实现噬菌体的按需释放，用于治疗铜绿假单胞菌感染；自组装的纳米纤维噬菌体微凝胶可作为喷雾剂，有效靶向多重耐药细菌；而超分子水凝胶微针等技术则展示了在伤口处理中实现多重抗菌功能的潜力。这些高性能的包埋载体通常借助微流控、3D打印等精密加工技术构建，以实现对载体结构、尺寸及释放特性的精准调控。然而，目前制备技术仍然存在噬菌体载菌量低、活性稳定性差、制备工艺繁琐、耗时、耗力等问题，其在噬菌体批量化生产方面受到制约。
针对上述问题，天津科技大学食品科学与工程学院的安婷焘、王硕*和南开大学医学院的吴景旨在开发一种能够兼容噬菌体活性、适用于高通量制备且工艺简单的包埋技术，用于制备抗鼠伤寒沙门氏菌的噬菌体微凝胶，以解决当前噬菌体包埋技术载菌量低、活性稳定性差、制备工艺繁琐等问题，为食品产业链中的沙门氏菌污染控制提供一种新颖、高效的解决方案，对于推动噬菌体制剂在食品安全保障中的实际应用至关重要。
01
噬菌体微凝胶的制备
将噬菌体和交联剂混合后滴入蜂窝膜模板中制备噬菌体微凝胶。模板是一种薄而柔韧的聚苯乙烯薄膜，整个蜂窝膜表面均匀分布着球形微孔（图1A）。这种蜂窝薄膜的制备方法，可以快速地制造出具有单层结构、紧密堆积的均匀微孔模板。将噬菌体溶液滴到蜂窝膜中，置入真空干燥箱中20 min，使混合物充分填充模板微孔。随后，将薄膜转移到4 ℃的密封潮湿容器中，1 h后溶液凝胶化。可以在复合蜂窝膜表面粘贴一块胶带，以便于剥离上半部分的孔隙。从而，薄膜内的微凝胶可以暴露在底层而不会被损坏。此外，可以从蜂窝膜中分离微凝胶，并将其溶解在无菌水中制备噬菌体微凝胶喷剂。噬菌体悬浮液的凝胶化过程是基于噬菌体与化学交联剂EDC之间的交联反应（图1B）。噬菌体的蛋白质外壳含有丰富的氨基和羧基，使其成为理想的交联剂选择。EDC分子与2个噬菌体衣壳上的2个羧基反应，形成酰胺键从而连接这2个噬菌体。研究表明，向微凝胶体系中添加BSA可以将凝胶化时间从12 h缩短至30 min，而且噬菌体没有足够的时间进行自我组装。此外，BSA提供的丰富氨基和羧基可以消耗过量的交联剂分子，最大限度地减少噬菌体内的分子内交联，从而保护噬菌体的生物活性。因此，本实验最终选择BSA和EDC制备噬菌体微凝胶。
02
蜂窝膜和噬菌体微凝胶的表征
配制5%聚苯乙烯溶液并将其分布在湿度室内的载玻片上，用显微镜表征蜂窝膜，发现蜂窝膜表面有均匀的球形微孔，表明通过室温挥发可以成功制备出蜂窝状薄膜模板（图2A）。用等离子体机处理薄膜后，将含有噬菌体和交联剂的噬菌体悬浮液浇铸在薄膜上并放入低压环境下的真空干燥箱中进行凝胶化。凝胶1 h后，孔内的原始噬菌体悬浮液成功转化为有序的固态噬菌体微凝胶阵列（图2B）。用胶带将蜂窝膜的上半部分剥离后，噬菌体微凝胶留在薄膜的孔内并且没有损坏（图2C）。将薄膜浸入无菌水中并进行超声处理，可以顺利地从模板中分离出噬菌体微凝胶（图2D），这些实验证明了模板内的微凝胶阵列是可拆卸的。此外，由于交联反应产生的过程中形成的反应中间体以及蛋白质结构的变化，用EDC和BSA制备的噬菌体微凝胶在蓝色、红色和绿色通道中显示出明显的自发荧光。自发荧光现象增强了微凝胶的无损成像能力，从而可以进一步评估微凝胶计数和制备效率（图2E）。
03
噬菌体微凝胶的制备效率
首先，本研究评估了噬菌体微凝胶的抗菌活性，噬菌体分别与EDC和BSA+EDC交联。模板中未分离的微凝胶阵列直接用作感染鼠伤寒沙门氏菌的抗菌贴片（图3A）。在鼠伤寒沙门氏菌平板上，结果显示只有BSA+EDC交联的微凝胶片在边缘形成明显的裂解区，对宿主菌的感染性高于其他的噬菌体微凝胶，证实了它们的高抗菌效率，后续基于复合交联剂制备的噬菌体微凝胶进行实验。此外，通过ImageJ计算从每平方厘米模版中获得的微凝胶大小和密度，研究了与BSA+EDC交联的噬菌体微凝胶的制备效率（图3B、C）。结果表明噬菌体微凝胶的直径为（19.04±3.83）μm，显著小于模板孔的内径（（33.12±4.09）μm））。然而，真空干燥后，噬菌体微凝胶的直径减小到（13.14±3.15）μm。实验结果表明微凝胶的水合特性为包埋的噬菌体提供了保护性微环境，有效防止噬菌体干燥失活。薄膜中噬菌体微凝胶的密度达到（29.6±3.42）×104个/cm2，低于1 cm2聚苯乙烯薄膜切片中的孔密度（图3B）。这可能是由于噬菌体悬浮液部分填充到孔中或分离过程中的损失造成。根据使用的噬菌体浓度（1.1×1011 PFU/mL）和平均微凝胶大小（（19.04±3.83）μm）（图3C），可估计每个噬菌体微凝胶由超过（4.03±2.25）×102个噬菌体组成。最终结果表明，每一平方厘米模板可获得超过2.96×105个噬菌体微凝胶，其中每个微凝胶含有超过4.03×102个噬菌体，明显提高了微凝胶在局部感染位点的有效抗菌浓度。同时，微凝胶表面包含大量噬菌体结合位点，增加了噬菌体与细菌宿主细胞的接触，进而促进细菌的清除。
04
噬菌体微凝胶贴片和喷剂的靶向抗菌功能
为了确认制备的噬菌体微凝胶的感染性，本研究评估了微凝胶在固体和液体培养基中细菌的杀灭能力，具体评估方法为使用模板中未分离的微凝胶阵列作为抗菌贴剂或者将微凝胶喷剂喷涂在鼠伤寒沙门氏菌平板的表面（图4A）。微凝胶喷剂直接使用本研究制备的微凝胶悬浮液，每毫升含有超过3.10×104个微凝胶。噬菌体微凝胶保持了其感染性，相应的贴片在平板的边缘周围形成了裂解区，喷洒的微凝胶在细菌草坪上形成了噬菌斑，这些裂解区和噬菌斑表明了它的抗菌活性（图4A）。使用营养缺乏的PBS和营养丰富的胰蛋白酶大豆肉汤孵育噬菌体微凝胶，以评估它们在液体中的抗菌活性。将噬菌体微凝添加到稀释的细菌悬浮液中。鼠伤寒沙门氏菌在PBS中的初始浓度分别为107、106 CFU/mL时，加入微凝胶，在9 h后杀死了（52.62±3.2）%和（40.89±8.8）%的细菌（图4B）。在营养丰富的TSB中，噬菌体微凝胶也表现出防止细菌生长的能力。将细菌浓度维持在约107 CFU/mL，实验结果显示噬菌体微凝胶从3 h后开始抑制鼠伤寒沙门氏菌生长（图4C）。总之，无论是在营养丰富还是营养缺乏的环境下，噬菌体微凝胶都能表现出优异的抗菌能力。本研究进一步比较了噬菌体微凝胶和游离噬菌体悬浮液的抗菌活性。与噬菌体微凝胶共培养160 min后，噬菌体微凝胶的OD600达到0.08±0.001，低于噬菌体悬浮组（0.47±0.02）（图4D）。鼠伤寒沙门氏菌与噬菌体微凝胶孵育9 h的最终浓度（（38.3±8.61）×106 CFU/mL）也低于噬菌体悬浮组（（15.6±3.64）×107 CFU/mL）（图4E）。结果表明，噬菌体微凝胶的抗菌能力是游离噬菌体的（4.07±1.28）倍。噬菌体微凝胶的高感染性可能是由于BSA提供的丰富氨基和羧基消耗了过多的交联剂分子，最大限度地减少了噬菌体内的分子内交联，最终保护了噬菌体的生物活性。
05
噬菌体微凝胶的特异性
此外，为了证明本研究所制备的微凝胶的特异性杀菌活性，将噬菌体微凝胶与初始浓度为106 CFU/mL的单核细胞增生李斯特菌共同孵育。培养12 h后，含有鼠伤寒沙门氏菌噬菌体微凝胶溶液的单核细胞增生李斯特菌浓度达到2.30×107 CFU/mL，与对照溶液（1.97×107 CFU/mL）相比没有显著性差异（图5）。鉴于两组呈现出的相似增长趋势，无论微凝胶是否参与，均表明了这些微凝胶具有特异性的靶向作用。
06
噬菌体微凝胶喷剂对鸡蛋的抗沙门氏菌功效
该研究进一步使用这些噬菌体微凝胶来抑制鸡蛋样品中的细菌污染。鸡蛋样品首先被浓度为107 CFU/g的鼠伤寒沙门氏菌污染，然后喷洒噬菌体微凝胶。用无菌水污染的样品作为阴性对照组。然后用食品包装膜包裹这些样品，并在室温下置于密封的培养皿中12 h。培养12 h后，观察鸡蛋表面发现阳性组与其他组相比鸡蛋色泽呈现明显差异（图6A）。培养12 h后，未经微凝胶处理的被污染的鸡蛋样品，其平均细菌载量为1.52×107 CFU/g，显著高于经微凝胶处理的鸡蛋样品（7.54×106 CFU/g）。噬菌体微凝胶对鸡蛋样品污染的鼠伤寒沙门氏菌杀灭率达50.40%，对食品样品具有较高的抑菌活性（图6B）。
结 论
综上所述，本研究开发了一种基于聚苯乙烯的蜂窝膜模板的方法，用于高通量制备高活性的噬菌体微凝胶。每平方厘米模板中产生超过（29.6±3.42）×104个噬菌体微凝胶，每个微凝胶含有（4.03±2.25）×102个噬菌体，从而显著提高了噬菌体的产量和应用效率。相对于游离噬菌体，噬菌体微凝胶的抗菌能力是游离噬菌体的（4.07±1.28）倍。此外，噬菌体微凝胶可以杀死鸡蛋样本中受污染的鼠伤寒沙门氏菌，对食品样本表现出很高的抗菌活性。
通过采用温和的生物固定化技术，本研究建立的噬菌体微凝胶制备体系能有效维持生物活性分子及功能蛋白的天然构象与生化特性，同时完整保留噬菌体颗粒特有的靶向杀菌机制。这为食品接触表面的生物膜防控开辟了一条可持续的应用路径，有望在食品去污方面实现跨领域技术突破。
与现有依赖复杂工艺或精密设备的包埋技术相比，本研究提出的方法兼具操作简便、扩展性强与生物相容性高等优势，不仅适用于单一噬菌体的高效包埋，也为构建针对多重耐药菌的复合噬菌体微凝胶制剂提供了可行的技术路径，在食品工业微生物安全控制领域具有广泛的应用前景。
引文格式：
安婷焘, 吴景, 王硕. 噬菌体微凝胶的高通量制备[J]. 食品科学, 2026, 47(3): 101-108. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250814-100.
AN Tingtao, WU Jing, WANG Shuo. High-throughput preparation of phage microgels[J]. Food Science, 2026, 47(3): 101-108. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250814-100.
实习编辑：南伊；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、皖西学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。
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