基于界面动量平衡模型探究植物蛋白-果胶复合物稳定高内相乳液的流变学机制及其非线性黏弹性行为

本研究针对酸性pH下植物蛋白功能性的局限，通过构建蛋白-果胶静电复合物，系统研究了油水界面剪切与扩张流变学特性（Gi′, Ed′）与高内相乳液（HIPEs）体相剪切模量（G′）的关联。创新性地建立了基于界面动量平衡的物理模型，揭示了在非线性黏弹性区域Ed′对G′的主导作用，为理性设计植物基高黏弹性乳液提供了理论依据。

　　

在食品工业迈向可持续和健康化转型的背景下，植物蛋白替代动物蛋白已成为重要趋势。羽扇豆蛋白（Lupin protein）和大麻蛋白（Hemp protein）因其高营养价值和功能性受到广泛关注，但在酸性pH环境下溶解度低、乳化性差，严重限制了其在食品体系中的应用。高内相乳液（High internal phase emulsions, HIPEs）作为油相分数超过74%的浓缩乳液，在食品、化妆品和制药领域具有广阔前景，但其流变特性高度依赖于界面性质。以往研究多集中于界面张力（σ）对乳液宏观流变的影响，而忽视了界面黏弹性模量（尤其是非线性区域）的关键作用，且缺乏能够统一描述蛋白稳定HIPEs的物理模型。

为此，研究人员在《Food Bioscience》上发表论文，系统探讨了羽扇豆与大麻的球蛋白、白蛋白及其与果胶（Pectin）形成的复合物（LPI-G-PC, LPI-A-PC, HPI-G-PC, HPI-A-PC）稳定的油水界面流变学行为与HIPEs体相流变之间的关联。研究通过界面剪切流变（SAOS/LAOS）、界面扩张流变（SAOD/LAOD）和宏观流变测试，结合Lissajous曲线、广义应力分解（GSD）和傅里叶变换流变（FTR）分析，首次建立了基于界面动量平衡的模型，揭示了在非线性大变形下界面扩张模量（E_d′）对乳液模量的主导作用。

关键技术方法包括：采用碱性提取-酸沉淀法从羽扇豆和大麻中分离球蛋白与白蛋白；通过静电复合制备蛋白-果胶复合物（混合比1:1）；使用双壁环（DWR）几何学测量界面剪切流变，液滴形态分析仪（Tracker ADT）测定界面扩张流变；通过激光散射分析乳液滴粒径（D_3,2）；采用应变扫描与频率扫描表征HIPEs的线性与非线性黏弹性；应用Herschel-Bulkley模型拟合流动曲线，并通过广义应力分解（GSD）量化非线性参数。

3.1 二维界面流变学特性

3.1.1 界面剪切流变

所有样品在低应变（<1%）下均表现出固体般的线性黏弹性（LVE）行为，G_i′ > G_i″。白蛋白-果胶复合物（LPI-A-PC和HPI-A-PC）的G_i′最高（56.2和41.6 mPa·m），表明其界面刚度最大。进入非线性区域（应变30%-100%）后，纯蛋白界面呈现Ⅰ型软化行为，而复合物界面表现出Ⅲ型行为（G_i″轻微过冲）。能量耗散比（Φ_s）分析表明，在100%应变下，除LPI-A外所有界面均接近牛顿流体耗散值（Φ_s=0.785），说明界面网络被严重破坏。

3.1.2 界面扩张流变

振幅扫描显示，所有界面E_d′ > E_d″，呈现黏弹性固体特性。LPI-A-PC和HPI-A-PC在3%振幅下E_d′最高（66.6和56.4 mN/m），显著高于球蛋白复合物（~37.6 mN/m）和纯白蛋白（27.7–30.1 mN/m）。Lissajous曲线与GSD分析进一步揭示：复合物界面在变形中具有更高的网络刚度（E_τ1）、能量耗散（U_dτ2）和抗密度变化能力（E_τ4）。这些结果表明白蛋白-果胶复合物通过减弱静电排斥增强了界面机械强度。

3.2 HIPEs的体相流变学行为

3.2.1 稳态剪切行为

所有HIPEs（φ=75%）均表现出剪切稀化和屈服特性。Herschel-Bulkley模型拟合显示，白蛋白-果胶复合物稳定的HIPEs具有更高的屈服应力和稠度指数（k），其中LPI-A-PC和HPI-A-PC的表观粘度（100 s^?1）最高。流动性指数（n<1）证实了其剪切稀化本质。粘度排序与E_d′高度一致，表明界面刚度直接决定了乳液的流动阻力。

3.2.2 动态流变学行为

频率扫描中G′ > G″且弱频率依赖性证实HIPEs为软固体。应变扫描显示，白蛋白-果胶复合物HIPEs的线性区G′最高（664和580 Pa），但临界应变较小（0.78%-0.93%），说明刚度大但脆性高；而球蛋白复合物HIPEs的G′较低（221-280 Pa）但临界应变更大（1.14%-2.17%），表明其延展性更好。非线性区域内，纯蛋白HIPEs的tanδ上升更快，说明其更快从弹性向黏性行为转变。Lissajous曲线与非线性参数（S因子、T因子）分析进一步揭示了复合物HIPEs具有更强的微观结构抗破坏能力。

3.3 界面-体相流变学的关联建模

通过关联二维界面模量（G_i′, E_d′）与三维体相模量（G′），发现在LVE区域（0.1%应变），两者均与G′显著正相关（G_i′: r=0.87; E_d′: r=0.81）。但在NLVE区域（30%应变），仅E_d′与G′保持高相关性（r=0.89），因G_i′已急剧下降至可忽略水平（1.9-4.2 mN/m）。基于界面动量平衡方程，研究者推导出新型预测模型：

G′ = a·(G_i′/R₃₂)·φ(φ-φ_c) + b·(σ+E_d′)/R₃₂·φ(φ-φ_c)

拟合参数a=1.13, b=0.12。该模型成功预测了除LPI-G-PC外所有样品的G′（残差<94 Pa），其异质性可能导致局部变形超出LVE区域。

结论与意义

本研究首次将界面动量平衡原理应用于蛋白稳定HIPEs的流变学建模，明确了在不同变形区域内界面模量对体相模量的贡献机制：线性区域由剪切和扩张模量共同主导，而非线性区域仅由扩张模量控制。白蛋白-果胶复合物凭借优异的界面刚度（高E_d′）赋予了HIPEs更高的弹性，但同时也增加了脆性；球蛋白复合物则提供了更好的变形耐受性。该模型突破了传统Laplace压力标度的局限性，为精准设计植物基高黏弹性食品体系提供了定量工具。未来研究可拓展至不同pH、离子强度及蛋白-多糖比例体系，以验证模型的普适性并优化界面性能。