水吸收性蛋白颗粒构建油基毛细悬浮体系的流变行为调控机制及其应用研究

本研究针对油基毛细悬浮体系中水吸收性生物聚合物颗粒与无机颗粒的流变特性差异，系统探究了水桥形成对蛋白/二氧化硅(SiO2)油凝胶的临界应变(γ0)和结构恢复能力的影响。通过小/大振幅振荡剪切(SAOS/LAOS)测试结合Lissajous曲线分析，发现过量水分可显著提升水吸收性颗粒体系的γ0和恢复率，揭示了颗粒内部水分作为"水库"延缓水桥断裂的新机制，为食品/化妆品等领域的功能凝胶设计提供新思路。

　　

在食品和化妆品工业中，油基凝胶的质构调控一直是技术难点。传统使用无机颗粒（如二氧化硅SiO₂）构建的毛细悬浮体系虽能通过水桥增强网络强度，但存在脆性大、应变恢复差等问题。而具有水吸收能力(WAC)的生物聚合物颗粒可能通过独特的"水库效应"改善这些缺陷，然而其流变行为机制尚不明确。荷兰瓦赫宁根大学(Wageningen University & Research)的Annika Feichtinger团队在《Food Hydrocolloids》发表的研究，首次系统比较了水吸收性蛋白颗粒与非吸收性SiO₂颗粒构建油凝胶的流变特性差异。

研究采用乳化-热凝胶法制备不同粒径(1/10μm)和WAC的乳清蛋白(WPI)颗粒，与商业SiO₂颗粒(0.8/5μm)对比。通过扫描电镜(SEM)表征表面形貌，静态光散射分析粒径分布，结合振幅扫描和阶跃应变测试获取存储模量(G′)、屈服应力(σ_y)、临界应变(γ₀)等参数，并利用Lissajous-Bowditch曲线解析LAOS行为。

3.1 颗粒表面结构
SEM显示蛋白颗粒表面粗糙度显著高于SiO₂，低WAC蛋白颗粒具有更明显的凹凸结构。这种差异在无水条件下导致蛋白油凝胶初始G′比SiO₂高2-3个数量级，证实表面粗糙度促进颗粒互锁。

3.3 凝胶强度与屈服应力
水添加使所有体系G′先增后降，但蛋白凝胶达到最大强度需更高水量(0.5-2.0 g/g)而非SiO₂(0.015-0.3 g/g)。有趣的是，尽管初始G′差异显著，最大G′值却趋于相近，说明毛细力主导后表面粗糙度影响减弱。低WAC蛋白凝胶的σ_y在无水时异常升高，可能与剪切增稠效应相关。

3.4 临界应变
γ₀仅在水分过量时显著提升，大粒径蛋白凝胶γ₀达15%（小颗粒10%），远超SiO₂凝胶(约3%）。高WAC颗粒表现更优，支持"水库效应"假说：变形时颗粒内部水分可补充拉伸的水桥。

3.5 结构恢复
SiO₂凝胶恢复率达80-120%，优于蛋白凝胶(40-60%)，可能与SiO₂更强亲水性有关。但所有体系均显示：仅当水分超过饱和桥形成量时，恢复率才显著提升。

3.6 LAOS行为
蛋白凝胶在低水量(≤0.2 g/g)显示真实的应变硬化(S>0)，而高水量时转为表观硬化（塑性变形）。相反，SiO₂凝胶始终呈现真实硬化，证实水吸收能力改变了网络破坏模式。

该研究创新性揭示：① 毛细悬浮体系性能调控存在"水分阈值"现象——网络强度由桥数量决定，而γ₀和恢复能力依赖过量水分；② 水吸收性颗粒通过内部水分补充机制，可突破传统SiO₂体系的应变限制。这些发现为设计兼具高强度和良好口感的食品凝胶提供了新策略，例如通过调控蛋白颗粒WAC和水分添加量，可独立优化产品的硬度(G′)与咀嚼耐受性(γ₀)。在化妆品领域，该机理指导开发的膏霜可能实现更优的涂抹顺滑度与结构复原性。