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在生物体系中，胶体溶液蒸发的界面机制尚不明确，尤其在乳蛋白体系。研究人员针对乳清蛋白（WPI）和酪蛋白胶束（NPC）混合液滴展开研究，发现 WPI 会在外部积累，还构建了弹性模量预测模型，这有助于控制乳粉结构和功能特性。
在日常生活中，我们常常能观察到一些有趣的现象，比如生物流体的蒸发，像汗水、眼泪干涸后留下的痕迹，还有咖啡、茶渍等。这些看似平常的现象背后，却隐藏着复杂的科学原理。在胶体体系中，液滴蒸发时会出现各种奇特的现象，如裂纹图案、有序沉积等，这些现象不仅取决于外部环境因素，还与胶体本身的物理化学性质密切相关。对于生物胶体体系，由于其成分复杂，各组分的大小、结构和电荷不同，使得其中的自排列现象更加难以捉摸。在乳制品行业，控制奶粉的功能和营养特性至关重要，例如生产含有活性益生菌的婴儿配方奶粉，但目前在生产过程中，干燥室阻碍了对液滴溶胶 - 凝胶转变和蒸发过程的直接观察，这成为了一个亟待解决的难题。
为了解开这些谜团，来自国外的研究人员针对乳清蛋白（WPI）和酪蛋白胶束（NPC）混合液滴展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》上，为我们揭示了许多重要信息。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是样本制备，他们将 WPI 和 NPC 商业粉末配制成总体浓度为 10 wt% 的悬浮液，并通过混合不同比例的 WPI 和 NPC 单蛋白悬浮液，得到具有不同 WPI 相对百分比（WPI%R）的混合物。接着，运用显微镜技术，在光学显微镜下观察液滴蒸发过程，并用扫描电子显微镜（SEM）观察干液滴的形态。此外，通过微压痕测试来测量干 WPI/NPC 混合物层的机械性能。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 胶体沉积和液滴最终形态：WPI 液滴在蒸发过程中，由于边界自钉扎，直径在实验大部分时间内保持恒定，这有利于向外的毛细管流动，导致蛋白质积累形成外部 “电晕”，最后形成径向裂纹。NPC 胶体由于其较高的体积分数，在蒸发早期快速形成外部环，且向外内部流动较弱，呈现均匀沉淀。WPI/NPC 混合液滴在蒸发结束时，随着 WPI%R的增加，形状逐渐从 NPC 样转变为 WPI 样，且能观察到两种蛋白的特征，表明存在胶体在径向方向的分离，WPI 在液滴边缘积累。
- 蛋白质径向分层研究：SEM 观察发现，WPI 溶液蒸发后形成的裂纹内部结构在边缘和中心无显著差异。而添加少量 NPC 的混合液滴（如 WPI%R = 80%）脆性增加，裂纹几何形状从边缘到中心变得不规则，边缘主要是光滑紧凑的背景表面，中心则呈现 NPC 干液滴的粗糙不规则表面，证实了蛋白质在基底上的优先自组织，NPC 在液滴中心积累。
- 蛋白质分层对干燥阶段的影响：
- 溶胶 - 凝胶转变：裂纹出现：研究发现，随着样品中 WPI 浓度的增加，裂纹出现时间逐渐提前，但 WPI%R = 100% 的液滴裂纹时间延迟。这表明 WPI 的增加使干燥结构脆性增加，而少量 NPC 的存在有助于破坏 WPI 基质的紧密结构，促进裂纹形成。同时，根据裂纹时间可将混合液分为两类，当 WPI%R高于 50% 时，裂纹时间显著缩短，这与 WPI 在液滴边界的优先分离有关。
- 从裂纹图案评估 WPI/NPC 基质的机械性能：通过测量干液滴的裂纹数量和相邻裂纹间的距离等参数，结合相关理论公式，研究人员可以预测干结构的一些机械性能，如孔隙大小（a）。他们还通过微压痕测试得到不同 WPI%R的 WPI/NPC 干膜的弹性模量（E），并发现 WPI%R = 80% 时，孔隙大小和弹性模量都出现特殊变化，这进一步证实了该比例下存在特殊的界面蛋白自排列。此外，研究人员提出了一个预测 WPI/NPC 层弹性模量的模型，该模型与实验数据具有良好的一致性。
研究结论表明，研究人员直接观察到了 WPI 和 NPC 混合液滴蒸发过程中蛋白质的自分类现象。WPI 由于较小的尺寸和液滴曲率（即表面张力），优先在边界积累，这对干基质的机械性能产生了重要影响。通过研究溶胶 - 凝胶转变和裂纹图案形成，以及测量干膜的机械响应，研究人员得到了一致的结果，并构建了第一个预测干 WPI/NPC 结构弹性模量的模型。该研究对于理解生物胶体体系中的自排列现象具有重要意义，为控制乳粉的结构和功能特性提供了理论基础，有助于推动乳制品行业向生产更仿生、高附加值产品的方向发展。不过，研究中发现 WPI%R约为 80% 时的特殊宏观行为，还需要进一步深入研究。此外，未来可以考虑蒸发速率对 WPI/NPC 基质机械性能的影响，以进一步验证和完善该预测方法。
