利用微射流豌豆壳纤维构建高附加值植物基废弃物乳化凝胶型沙拉酱及其稳定性与流变学研究

本文推荐一项创新研究，利用微射流技术处理豌豆壳纤维（pea hull fiber）构建乳化凝胶（emulgel）型沙拉酱，显著提升植物基废弃物的附加值。该乳化凝胶以奇亚籽油为分散相，微射流豌豆纤维悬浮液为连续相，表现出优异的物理稳定性（60天以上）和剪切稀变行为（屈服应力10 Pa），为清洁标签和可持续食品开发提供了新策略。

　　

引言

消费者饮食习惯的改变推动食品行业开发基于有机成分的新配方，而使用废弃植物基原料（如豌豆壳纤维）符合可持续发展理念。膳食纤维包括多种非淀粉多糖，如纤维素、半纤维素、果胶、β-葡聚糖、树胶和木质素，具有调节肠道转运、降低血胆固醇水平、促进正常排便以及预防或治疗心血管疾病或结肠癌等重要健康益处。豌豆壳纤维因其水结合能力不足，在食品基质中的应用受限，但最近研究发现，微通道均质化处理可改善其水保留能力和流变行为，归因于粒径减小导致纤维素解纤成基本纤维单元，亲水基团暴露增加，从而增强水结合能力并促进凝胶状悬浮液的形成。微射流豌豆纤维悬浮液表现出粘弹性、剪切稀变、触变和热稳定行为，可作为乳化凝胶的优异稳定剂，其中乳化油滴嵌入基于纤维的凝胶状连续相网络。乳化凝胶作为标准乳液的替代品，因其增强的稳定性而受到越来越多的关注。

材料与方法

研究使用由Sotexpro（法国）提供的名为Cellula 90/160的豌豆纤维，该纤维是从黄豌豆（Pisum sativum）壳中生产的微颗粒去细菌化外部纤维，含有800 g kg^?1纤维、65 g kg^?1蛋白质、70 g kg^?1碳水化合物、25 g kg^?1湿度、10 g kg^?1脂肪和其他微量成分。奇亚籽油由Bidah y Chaumel S. L.（西班牙）提供，富含多不饱和脂肪酸，其中800 g kg^?1为多不饱和脂肪酸（600 g kg^?1 α-亚麻酸和约200 g kg^?1亚油酸）。其他成分包括巴氏杀菌液态蛋黄（Eurovo，西班牙）、葡萄酒醋（醋酸含量60 g kg^?1，J.R. Sabater，西班牙）、浓缩柠檬汁（45 °Brix）和山梨酸钾（Panreac，西班牙）作为防腐剂。最终研究的乳液组成为12.5 g kg^?1豌豆纤维、125 g kg^?1奇亚油、12.5 g kg^?1巴氏杀菌液态蛋黄、29.1 g kg^?1葡萄酒醋、3.75 g kg^?1盐、1 g kg^?1浓缩柠檬汁和1 g kg^?1山梨酸钾，以及所需水量以完成配方（815.15 g kg^?1）。

微射流豌豆纤维悬浮液的制备首先制备25 g kg^?1豌豆纤维水悬浮液，使用转子-定子均质器（Ultraturrax T50/G45F S50-/01.788043；德国）在2000 rpm下均质6分钟，然后在8000 rpm下最终均质3分钟，随后超声处理（Ultrasons, Selecta, Madrid, Spain）7分钟以去除气泡。最终纤维悬浮液通过微射流仪M110P（Microfluidics International Corporation, USA）进行二次均质，使用两个Z型相互作用室串联（H30Z室，最小内部尺寸200 μm，随后G10Z室，最小内部尺寸87 μm），样品在20,000 psi（138 MPa）下通过六次。

乳液制备首先通过转子-定子均质制备粗乳液，将葡萄酒醋和浓缩柠檬汁加入水相，溶解盐和山梨酸钾，加入巴氏杀菌蛋黄，均质30秒（500 rpm），加入奇亚籽油，在2000 rpm下均质2分钟，最后在4000 rpm下均质30秒。粗乳液随后在20,000 psi下通过微射流仪（M110P）一次，使用F12Y室（最小内部尺寸75 μm）随后H30Z室。

沙拉酱的制备通过将微射流乳液加入微射流豌豆纤维悬浮液中，等量混合，在1200 rpm下搅拌90秒（Ika-Visc MR-D1设备，德国），最后在相同转速下额外均质30秒，样品在4.5 °C下储存直至表征。

光学显微镜使用Axio Scope A1显微镜（Carl Zeiss, Germany）在20×和63×放大倍数下分别使用亮场照明和偏振光观察乳化凝胶（老化1天和蠕变合规性测试后）。激光衍射使用Mastersizer 2000和Mastersizer 3000（Malvern Instruments, UK）测量平均粒径，折射和吸收指数分别为1.46和0.001。多重光散射使用Turbiscan Lab Expert测量背向散射光，研究微射流豌豆纤维悬浮液、微射流乳液和乳化凝胶的失稳情况。流变学表征包括振荡剪切测试（应力扫描0.05–20 Pa，1 Hz；频率扫描2.387–0.04775 Hz）、蠕变合规性测量（恒定剪切应力2、9、10、20和30 Pa）和稳态测量（剪切应力范围1.5–100 Pa，逐步方法，每应力300秒达到稳态）。统计使用Origin 8.0进行，结果以均值±标准差表示，方差分析（ANOVA）和Fisher's最小显著差异（LSD）测试用于比较均值（P < 0.05显著）。

结果与讨论

光学显微镜

乳化凝胶的微观结构可通过光学显微镜显微照片观察。图1(A)显示使用63×物镜亮场照明观察到的油滴絮凝物，可能对应微射流乳液，后经激光衍射测量验证。此外，观察到多分散粒径分布（PSD）。微射流豌豆纤维在此配置下无法观察，需使用偏振光和20×物镜观察（图1(B)），其中机械处理后的豌豆壳纤维中的解纤纤维素发光。图1(A)和(B)提供了乳化凝胶微观结构的总体视图。

粒径分布（PSD）

图2(A)比较了微射流乳液、微射流豌豆纤维悬浮液和乳化凝胶在老化24小时后的PSD。为避免絮凝影响，样品预先在含1 wt% SDS的溶液中稀释。微射流乳液呈现双峰分布：第一峰约0.8 μm（较小），第二峰约1.2–1.5 μm（最高）。这种双峰分布可能与加工条件有关，较小峰可能由机械诱导的小滴聚并（过度加工）或机械能不足无法破碎较小滴所致。微射流豌豆纤维悬浮液呈现单峰PSD，峰值约30 μm。然而，乳化凝胶的粒径是多峰的，与其组分的PSD一致，第一和第二峰对应油滴，第三峰对应微射流纤维（图2(A)），与Wallecan等人结果一致，并通过显微镜观察证实。Kalla-Bertholdt等人使用不同制备方法和超声均质添加豌豆纤维，发现PSD形状更不规则，而纤维对乳化凝胶PSD的影响因纤维类型、溶解度、含量和制备方法而异。

为研究老化时间对PSD的影响，激光衍射测量在老化1天、1周和1个月时进行（图2(B)）。PSD保持稳定至少1个月，因为观察到的差异无统计学意义，平均直径和跨度值演变支持（表1）。

多重光散射

储存稳定性是产品配制的关键参数，决定其保质期。本研究使用多重光散射技术研究样品的物理稳定性。图3(A)–(C)显示微射流豌豆纤维悬浮液、微射流乳液和乳化凝胶的背向散射百分比随样品高度和老化时间的变化。图3(A)显示微射流豌豆纤维悬浮液在样品中间高度无清晰趋势，但在样品上部检测到背向散射百分比下降，表明该区域澄清化，由脱水收缩现象引起。图3(B)显示微射流乳液的背向散射在容器底部急剧下降，表明微射流乳液通过乳析快速失稳，油滴迁移至测量池上部。图3(C)显示乳化凝胶在整个样品高度上随时间的背向散射略有下降，根据多重光散射理论，这与粒径增加有关，可能是絮凝或聚并过程的结果。这些结果与PSD结果一起支持乳化凝胶经历了由机械能产生的解纤纤维部分再聚集的适度失稳过程。此外，在容器上部观察到背向散射轻微下降，可能由脱水收缩导致，但乳化凝胶的失稳过程比微射流乳液更慢且更温和，归因于微射流豌豆纤维在水相连续相中形成的密集网络状结构，产生空间位阻阻止颗粒迁移，从而提高物理稳定性。

为量化所有失稳过程，计算了三个样品的Turbiscan稳定性指数（TSI）（图3(D)）。微射流乳液在几小时内失稳，而乳化凝胶和微射流豌豆纤维悬浮液表现出相似的TSI值，表明乳化凝胶的物理稳定性依赖于微射流豌豆纤维悬浮液的稳定性，后者控制连续相。类似结果被He等人在竹纤维中发现。有趣的是，乳化凝胶老化2个月后的最高TSI值远低于5，表明从实用角度保持稳定。

流变学表征

小振幅振荡剪切测试

图4(A)显示老化时间对应力扫描测试的影响，以获取线性粘弹性区域，同时显示相应微射流豌豆纤维悬浮液以及含或不含蛋黄的连续相的结果。在所有情况下，储能模量（G′，与弹性分量相关）高于损耗模量（G″，与粘性分量相关）。从这些测量中，可确定非线性粘弹性响应的临界应力和应变（表2）。老化7天时，临界应力和应变值略有下降，但老化32天后无影响。含和不含蛋黄的连续水相的临界应力值在老化1天时与乳化凝胶相似，但略低于微射流豌豆纤维悬浮液的值。

图4(B)显示老化时间和连续相组成对机械谱的影响。如在应力扫描测试中，G′在所有情况下均高于G″。此外，G′对频率的双对数图线斜率较低，代表凝胶状材料。这种结构化样品的典型结果也在其他纤维如柑橘纤维或竹纤维中观察到。类似结果也见于其他类型沙拉酱，如Kaltsa等人描述含藏红花或石榴汁粉作为调味剂并用豌豆蛋白稳定的沙拉酱，这些系统使用高剪切加工（转子-定子均质器）后超声均质制备。同样，以沙拉油为分散相、玉米醇溶蛋白为乳化剂的沙拉酱，使用转子-定子均质器，表现出凝胶状材料的典型结构特征。

此外，老化1天和7天的结果无显著差异，但老化32天时G′和G″值略有下降。此结果与多重光散射结果表明微射流纤维随老化时间发生轻微再聚集。

关于水相连续相的影响，图4(B)显示微射流豌豆纤维悬浮液表现出最高的粘弹性分量，含和不含蛋黄的连续相表现出相似的频率依赖性但G′和G″值较低，而乳化凝胶显示这些粘弹性函数的最低值。这表明油滴的引入破坏了微射流纤维形成的浓厚网络，但样品的连续稀释也可解释G′和G″值的下降。

蠕变合规性测试

图5显示在乳化凝胶中，在2和9 Pa标称恒定剪切应力下，蠕变合规性（J）随剪切时间的演变。2 Pa测试结果显示出线性粘弹性区域的标准偏差值（见小标准偏差值），但9 Pa测试结果表现出高得多的J值，表明非线性粘弹性响应以及当剪切应力接近屈服应力时蠕变结果的特征变异性。

两种情况下都需要非常长的实验时间才能达到J随时间的线性变化，这与乳化凝胶的稳态响应相关。在长时间达到的非常低的斜率表明稳态粘度非常高，相应地剪切速率极低。

图6显示在10 Pa下四个不同重复的结果。图6(A)中两个测试（1和2）产生J随剪切时间变化的曲线，J值低，长时间斜率非常低。图6(B)中测试3和4产生高得多的J值和长时间斜率。后两个测试实现的剪切速率值显著更高（图6(D)）。图6(C)显示这些测试获得的粘度随时间下降。在10 Pa下四个重复的巨大差异表明该剪切应力值可视为本研究所研究乳化凝胶的实用屈服应力。此外，在更高剪切应力值（20和30 Pa）下获得的结果，导致更高的剪切速率，证实样品明显流动。如图7所示，20 Pa结果与10 Pa下最后两个重复类似。最后，30 Pa下实现的少数点（图7）证实了样品从使用的平行板测量几何中 ejection，可现场视觉检查。

流动曲线

图8显示使用逐步流动曲线和蠕变测试数据绘制的粘度对剪切应力以及剪切应力对剪切率的图。流动曲线的非牛顿区域数据已校正，考虑沿板半径的剪切率和剪切应力变化。从流动曲线以及蠕变测试获得的数据表明，研究的乳化凝胶表现出非常剪切稀变行为，其特征是在非常小的剪切应力范围内粘度急剧下降。结果表明，在逐步流动曲线中实现稳态的时间（每点210秒）不足以达到真实稳态。这证明从标准逐步流动曲线导出的粘弹性材料的稳态数据必须谨慎考虑。然而，从流动曲线计算的粘度值（图8(A)）低于从蠕变合规性测试计算的粘度值（屈服应力前测试时间5400秒，屈服应力以上测试至少2500秒）。此外，应提及使用逐步测试在给定剪切率或剪切应力下获得的结果受到由在较低剪切率下获取数据时引起的连续变形造成的剪切历史影响。如果进行蠕变测试而不是标准流动曲线，则避免此问题。此事实证明从多步流动曲线计算的粘度值低于蠕变测试实现的粘度值。如前所述，蠕变合规性测试结果表明屈服应力值为10 Pa。在多步协议中，该值略高，10.97 Pa，与粘度急剧下降前的剪切应力值一致（图8）。同样，剪切率值（图8(B)）在超过约10 Pa剪切应力时增加几个数量级。

关于临界屈服应力，定义为启动材料流动所需的最小剪切应力，应注意其准确确定高度依赖于所采用的测量方法，如García等人已证明。因此，在比较研究中的屈服应力值时，必须考虑所使用的方法，因为不一致可能来自实验设计差异而非内在材料特性。表现出此行为（实用屈服应力）的材料称为屈服应力流体，其特征是随剪切率增加粘度快速下降或在双对数尺度上绘制剪切应力对剪切率时斜率为零。粘度下降发生的剪切率范围对各种工业应用特别相关，因为在设备选择（如选择适当泵）和执行基本过程计算中起关键作用。

值得提及的是，许多文献报道的流动曲线与剪切稀变行为相关，因为使用的数据集未覆盖本工作中达到的非常低剪切率区域。

屈服应力以上的剪切应力数据作为剪切率的函数拟合到幂律方程，τ = kγⁿ，其中τ是剪切应力，k是1 s^?1时的剪切应力值，n是流动指数（表3）。在此样品中，k值为2.41 Pa，n值为0.38。Kasprzak等人研究添加Vitacel HF0010纤维对高油相乳清蛋白-黄原胶稳定乳液流动曲线的影响，发现新鲜样品具有更高粘度值（1%纤维时k = 9.63）和较低剪切率敏感性（n = 0.47）。

蠕变合规性测试中施加剪切应力值对乳化凝胶粒径分布（PSD）的影响

图9显示在小于屈服应力的剪切应力值下获得的结果表现出与未受任何剪切应力的样品相似的PSD。此外，在屈服应力值下蠕变合规性测试结果呈现的变异性也反映在PSD和平均直径值中。在10 Pa时，两个测试显示与粘度下降前相似的结果（表4）。然而，两个测试表现出与粘度下降后相似的数据，尽管它们具有较小的平均粒径，但PSD略微向较大颗粒移动。平均粒径较小的事实可能是剪切应力导致现有絮凝物破坏，这些絮凝物未被Malvern 2000应用于小于屈服应力剪切应力值的样品中的搅拌器和泵打破。

较高施加剪切应力（20 Pa）引起平均粒径增加和PSD向更大颗粒位移。最后，30 Pa剪切应力导致样品从流变仪中ejection。因此，样品在剪切前从流变仪中移除。

结论

基于含微射流豌豆纤维和奇亚籽油水纳米乳液的模型沙拉酱通过微射流制备。通过光学显微镜和激光衍射技术研究样品微观结构。使用20×物镜偏振光的显微照片显示微射流导致的豌豆纤维由解纤纤维素组成。此外，使用63×物镜亮场照明获得的图像显示样品由微射流乳液组成。此效应通过激光衍射证实，表明最终乳化凝胶PSD是微射流豌豆壳纤维和微射流乳液PSD的总和。

多重光散射证明微射流乳液在几小时内经历乳析失稳过程。将豌豆纤维悬浮液引入微射流乳液导致乳化凝胶形成，表现出增强的物理稳定性。这些结果得到激光衍射、多重光散射和粘弹性谱的协同信息支持。

在研究的乳化凝胶上进行的蠕变合规性测试与非常剪切稀变行为和10 Pa的实用屈服应力一致，因为在此剪切应力下粘度可下降几个数量级。逐步流动曲线也支持非常剪切稀变行为。在不同剪切应力值下进行的蠕变测试最适合确定粘塑性材料的屈服应力。此外，蠕变测试提供准确的剪切时间依赖性粘度数据，这对工程计算至关重要。

这项工作揭示了使用来自植物基废弃物（豌豆壳）的微射流豌豆纤维悬浮液作为沙拉酱稳定剂的可能性，因为它们提供物理稳定性和适合商业应用的流变特性。应进行进一步的感官研究以确定消费者对产品的接受度。