中尺度分形乳清蛋白颗粒的界面特性与热稳定性研究：基于微尺度线性组装体的泡沫性能分析

本研究针对乳清蛋白在食品泡沫体系中的应用局限性，通过液相反溶剂沉淀技术构建了中尺度分形乳清蛋白颗粒（WPP），系统评估了其空气-水（A-W）界面吸附动力学、扩张流变学特性及泡沫性能。研究发现WPP虽界面吸附速率低于乳清蛋白分离物（WPI），但可通过增强泡沫膜机械强度和阻滞排液显著提升泡沫稳定性（75%-体积寿命延长约14倍），同时表现出优异的热稳定性（95℃处理5min后粒径分布与浊度无显著变化）。该研究为开发高稳定性蛋白基泡沫食品提供了新思路。

　　

在冰淇淋、慕斯等日常食品中，绵密细腻的泡沫质感是决定消费者喜好的关键因素。乳清蛋白作为优质的食品泡沫稳定剂，其应用却长期受限于热稳定性差、泡沫易塌陷等技术瓶颈。特别是在高温处理或长时间储存过程中，传统乳清蛋白分离物（Whey Protein Isolate, WPI）稳定的泡沫体系容易出现析水、气泡合并等现象，严重影响产品品质。近年来，通过调控蛋白质组装体结构来改善功能特性成为食品科学领域的研究热点，但如何精准构建兼具良好泡沫性和热稳定性的蛋白颗粒仍面临挑战。

为解决上述问题，北卡罗莱纳州立大学的Hanyu Shi和Haotian Zheng研究团队在《Journal of Dairy Science》发表了创新性研究。他们基于前期开发的液相反溶剂（Liquid Antisolvent, LAS）沉淀结合微流体化技术，成功制备出具有分形结构的中尺度乳清蛋白颗粒（Whey Protein Particles, WPP），并系统揭示了其独特的界面行为和功能特性。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先通过控制蛋白溶液注入反溶剂体系的速率（0.05 mL/min和0.25 mL/min）制备两种WPP样品；利用悬滴法分析A-W界面吸附动力学，通过振荡滴模式测定扩张流变学参数；采用动态泡沫分析仪量化泡沫性能（过跑率和75%-体积寿命）；最后通过动态光散射和紫外可见分光光度法评估热处理（95℃/5min）前后的粒径分布（Particle Size Distribution, PSD）和浊度变化。

界面吸附动力学研究

通过监测10,800秒内表面压力（Π）变化发现，WPI在初始吸附阶段（10秒）即达到11.49 mN/m的表面压力，显著高于WPP的6.64-7.41 mN/m（P < 0.05）。但经过3小时吸附后，所有样品均达到约18 mN/m的准平衡状态。扩散速率常数（k_diff）分析表明WPP的初始吸附较慢，而穿透速率常数（k_p）在样品间无显著差异（约2.3-2.5×10^-4 s^-1）。这表明WPP较大的粒径和表面电荷构成了吸附能垒，但一旦克服能垒后其界面穿透能力与WPI相当。

扩张流变学特性

频率扫描（0.01-0.1 Hz）显示WPI的弹性模量（E′）始终高于WPP，特别是在高频区（0.05-0.1 Hz）差异更为明显。对数坐标下弹性模量-频率曲线的斜率分析表明，WPI覆盖的界面遵循"扩散交换机制"，而WPP界面则表现出更弱的频率依赖性，提示其与界面结合更牢固。振幅扫描（2%-11%）进一步证实所有界面膜均呈固状粘弹性特征，且WPP界面在变形过程中保持稳定的机械响应。

泡沫性能分析

WPP的泡沫过跑率（142%-158%）显著低于WPI（248%），但泡沫稳定性显著提升：WPP的75%-体积寿命达到1,374-1,517秒，而WPI仅97秒。泡沫结构演变观察发现，WPI泡沫在300秒时已出现大面积气泡塌陷，而WPP泡沫在1,800秒后仍保持完整的层状和Plateau边界结构。这种增强的稳定性归因于WPP在泡沫液膜中的锚定效应，其分形结构和亚微米尺寸既避免了Plateau边界的毛细压缩，又通过粒子间相互作用形成网络结构，有效阻滞液体排放和气泡合并。

热稳定性评估

热处理后WPI的粒径分布主峰从2.5 nm迁移至100 nm，而WPP的PSD曲线基本不变。浊度测定显示WPI在500 nm处的吸光度（OD₅₀₀）从0.08升至0.33，而WPP仅从0.12微增至0.13。这种优异的热稳定性与WPP的高表面电荷（-37 mV）、分形内部结构等胶体特性密切相关。

该研究通过多尺度结构调控策略，成功开发出兼具优异泡沫稳定性和热稳定性的乳清蛋白颗粒。WPP在界面吸附过程中的强粘附特性、在泡沫液膜中的空间阻滞作用，以及抵抗热诱导聚集的能力，为开发新型蛋白基食品配料提供了理论依据和实践方案。特别是在需经热处理或长期贮存的泡沫食品（如蛋白饮料、搅打奶油等）中，WPP展现出替代传统WPI的巨大潜力，有望推动乳清蛋白在高端食品制造中的应用升级。