豌豆蛋白颗粒对可可脂结晶行为及流变特性的调控机制研究

本研究针对植物蛋白颗粒在脂肪基食品体系中应用潜力不明的问题，通过机械研磨制备不同粒径的豌豆蛋白分离物（PPI）颗粒，系统探究了其对可可脂（CB）结晶动力学、晶体结构及流变特性的影响。研究发现PPI颗粒可作为异相成核位点加速CB结晶，并显著提升早期结晶阶段的弹性模量，同时保持CB多晶型转变路径不变。该成果为开发低饱和脂肪含量且具有理想质构特性的糖果产品提供了新思路。

　　

在巧克力和其他糖果制品的制造领域，可可脂（cocoa butter, CB）的结晶行为始终是决定产品最终质构和口感品质的核心因素。这种天然脂肪独特的结晶特性使其能够形成六种不同的晶体多晶型物（polymorphs），每种晶型都具有截然不同的机械性能和热力学稳定性。传统糖果生产过程中，糖和可可颗粒等固体成分的添加会显著影响脂肪结晶动力学，但关于植物蛋白颗粒——特别是随着植物基食品兴起而备受关注的豌豆蛋白——在脂肪结晶体系中作用机制的研究仍存在巨大空白。

当前研究面临双重挑战：一方面，植物蛋白颗粒在油相中的分散稳定性及其与脂肪晶体的相互作用机制尚未明确；另一方面，现有蛋白改性技术多采用复杂的间接法（如乳液模板法），难以直接应用于工业化生产。《Food Structure》发表的这项研究首次系统揭示了机械研磨处理的豌豆蛋白分离物（pea protein isolate, PPI）颗粒对CB结晶行为与流变特性的调控规律，为植物蛋白在脂肪体系中的创新应用提供了理论依据和实践指导。

研究团队采用搅拌介质研磨（stirred media milling, SMM）技术直接在CB中制备了两种不同粒径等级的PPI颗粒（粗颗粒17-18μm，细颗粒1-3μm），通过激光散射技术（Mastersizer 3000）精确表征了颗粒粒径分布。采用旋转流变仪（Anton Paar MCR 302）分析了熔融态CB-PPI混合体系的流动特性，结合小角/广角X射线散射（SAXS/WAXS）技术解析了结晶过程中的晶体结构演变，并通过脉冲核磁共振（pulsed NMR）定量监测了等温结晶过程中固体脂肪含量（solid fat content, SFC）的动态变化。偏振光显微镜（polarised light microscopy, PLM）和共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy, CLSM）被用于直观观察晶体形态和蛋白颗粒的分布状态。

3.1 PPI颗粒粒径特征

通过SMM技术成功将PPI颗粒的体积加权平均直径（D_4,3）从57.0μm减小至2.9μm，且延长研磨时间会导致粒径分布从单峰型转变为双峰型，表明产生了亚微米级和微米级两个粒子群。CLSM图像证实了粒径分布的差异性，且高温处理未引起蛋白质结构变化。

3.2 PPI对熔融CB流变学的影响

细颗粒PPI（3μm）使体系的低剪切粘度提升一个数量级，表现出显著的剪切稀化（shear-thinning）行为。动态振荡测试发现，20wt%粗颗粒和10wt%细颗粒PPI均能形成弹性网络（G' > G''），且细颗粒网络具有更宽的线性黏弹区（γ₀=0.9%），表明其网络结构更具变形耐受性。

3.3 等温结晶行为

3.3.1 PPI对CB晶体结构的影响

SAXS/WAXS分析显示所有样品均遵循相同的多晶型转变路径：α→β'-IV→β-V，PPI的添加未改变CB的晶型结构特征。Scherrer方程计算表明，在α相结晶阶段，PPI的存在使晶体域尺寸减小，层状堆叠数减少（纯CB为13层，含PPI体系为8-10层），表明PPI可能通过异相成核（heterogeneous nucleation）促进更多晶核形成。

3.3.2 PPI对CB晶体形态的影响

PLM观察发现，含PPI的CB体系结晶分布更均匀，纯CB中出现的无晶体区域显著减少。7天后结晶观察显示，PPI体系中的球晶（spherulites）显色区域更小，且大尺寸蛋白颗粒会被生长中的晶体包裹，形成结构缺陷。

3.3.3 蛋白颗粒对CB结晶动力学的影响

脉冲NMR数据显示，PPI使第二次结晶事件的诱导时间显著缩短（p<0.05），但结晶速率无统计学差异。改性Gompertz模型拟合表明，PPI通过提供成核位点加速结晶启动，而体系粘度的增加则抑制晶体生长，两种效应共同决定了最终结晶行为。

3.3.4 蛋白颗粒对CB晶体网络形成的影响

振荡流变学监测发现，在结晶初期（SFC较低时），含PPI体系的弹性模量（G'）比纯CB高一个数量级。这种强化效应源于PPI颗粒既作为异相成核点促进细小晶体生成，又作为活性填料（active filler）增强网络连接。当SFC升高至形成贯通网络后，所有体系的G'达到同一数量级。

本研究突破性地证实了机械研磨处理的PPI颗粒可直接作为CB结晶调节剂和流变改良剂使用。细颗粒PPI（1-3μm）在10wt%浓度下即能形成稳定的弹性网络，使熔融CB体系呈现显著的剪切稀化特性。更重要的是，PPI颗粒通过提供异相成核位点，将CB结晶诱导时间缩短了21%-34%，并促使α相晶体域尺寸减小28%-38%，但完全不改变CB固有的多晶型转变路径和最终固体脂肪含量。

从应用视角看，这些发现具有三重意义：其一，证明了植物蛋白颗粒可通过简单机械法直接应用于脂肪体系，避免了复杂的多步处理工艺；其二，揭示了蛋白颗粒可通过调控结晶动力学来改变脂肪网络结构，为设计低饱和脂肪含量但保持良好口感的糖果产品提供了新方案；其三，发现了蛋白颗粒在结晶早期对弹性模量的增强效应，这为开发具有特殊质构特性的新型食品创造了可能。

该研究不仅填补了植物蛋白-脂肪相互作用机制的理论空白，更开创了"结构-功能"一体化设计的新范式，使食品制造商能够通过精确控制蛋白粒径和浓度来定制产品的流变特性与结晶行为，这对推进糖果行业向更健康、更可持续的方向发展具有重要指导价值。