超声调控鹰嘴豆蛋白纳米颗粒制备及其Pickering乳液稳定机制研究

本研究针对植物蛋白Pickering乳液稳定性不足的问题，系统探究了不同超声功率（0–600 W）对鹰嘴豆分离蛋白（CPI）结构改性及乳液稳定性的影响。研究发现450 W超声处理可显著降低CPI粒径至150.13 nm，提升zeta电位至50.53 mV，并改善乳化活性指数（EAI）和稳定性指数（ESI）。该研究为开发高效植物基乳化剂提供了理论依据和技术支撑。

　　

在食品工业中，乳液体系广泛应用于酱料、饮料和乳制品等领域。传统乳液依赖小分子表面活性剂实现稳定，但存在潜在毒性和环境残留问题。Pickering乳液以固体颗粒作为稳定剂，具有更高的物理稳定性和生物相容性，成为近年来食品胶体领域的研究热点。然而，当前食品级Pickering稳定剂种类有限，且植物蛋白因其致密结构和低界面活性，往往难以有效稳定乳液体系。鹰嘴豆分离蛋白（Chickpea Protein Isolate, CPI）虽具有高营养价值和低致敏性，但其乳化性能较差，限制了实际应用。因此，开发高效改性技术提升CPI的乳化性能具有重要意义。

超声处理作为一种绿色物理改性技术，通过空化效应、微流和机械振动等机制，能够改变蛋白质结构并增强其功能特性。尽管已有研究证实超声可改善某些植物蛋白的溶解性和起泡性，但其对CPI纳米颗粒（CPIN）结构调控及Pickering乳液稳定性的系统性研究尚属空白。尤其缺乏对超声改性CPI在不同食品加工条件（如热处理、冻融循环）下稳定性的深入评估。为此，本研究系统探究了不同超声功率（0、150、300、450、600 W）对CPI结构特性及其稳定Pickering乳液性能的影响，相关成果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

本研究主要采用以下技术方法：通过扫描电子显微镜（SEM）和激光粒度分析仪表征CPIN的形貌和粒径分布；采用圆二色谱（CD）和荧光光谱分析蛋白质二级和三级结构变化；通过紫外吸收光谱和表面疏水性（H₀）测定揭示结构修饰机制；以大豆油为油相制备O/W型Pickering乳液，并测定乳化活性指数（EAI）、乳化稳定性指数（ESI）和Turbiscan稳定性指数（TSI）；通过光学显微镜和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察乳液微观结构；最后评估乳液的热处理（90°C, 30 min）和冻融（-20°C, 24 h）稳定性。

3.1. Characterization of CPI

3.1.1. Particle size and zeta potential of CPI

超声处理显著降低了CPI粒径（p < 0.05），450 W时粒径最小（150.13 ± 0.94 nm），较未处理组降低73%。但600 W时因蛋白再聚集导致粒径回升。Zeta电位绝对值在450 W时最高（28.1 mV），表明静电排斥力增强，有利于颗粒分散稳定。

3.1.2. Secondary structure

CD分析显示，450 W超声使α-螺旋含量从16.21%增至20.25%，β-折叠含量从25.34%降至22.98%（p < 0.05），表明超声诱导了蛋白质解折叠和结构重组。

3.1.3. Fluorescence spectra

内源荧光光谱显示450 W处理使最大荧光强度增加36.4%，且发射波长红移2 nm，表明色氨酸残基暴露于极性环境。600 W时强度下降，提示蛋白再聚集导致荧光团埋藏。

3.1.4. Ultraviolet absorption spectroscopy

280 nm处紫外吸收强度呈双相变化，低功率时因疏水基团暴露而降低，600 W时因交联聚集而升高，与荧光结果一致。

3.1.5. Surface hydrophobicity

450 W超声使表面疏水性显著提升20.29%（p < 0.05），但600 W时下降，可能与过度聚集导致疏水基团埋藏有关。

3.1.6. SEM

SEM图像显示未处理CPI呈不规则大颗粒，450 W处理后变为均匀多孔纳米颗粒，600 W时出现不规则再聚集。

3.2. Mean particle size and zeta potential of Pickering emulsions

450 W超声处理的CPIN稳定乳液液滴尺寸最小（27.91 ± 0.01 μm），zeta电位绝对值最高（50.53 ± 0.35 mV），表明静电排斥力增强有效抑制了液滴聚集。

3.3. EAI and ESI

450 W处理使EAI从18.72 ± 0.09 m²/g提升至26.67 ± 0.19 m²/g，ESI同步改善（p < 0.05），归因于粒径减小和界面吸附能力增强。

3.4. TSI

450 W超声乳液TSI值最低（3.654），表明分散稳定性和抗相分离能力最强。

3.5. Microstructure of freshly prepared Pickering emulsions

光学显微镜和CLSM显示450 W处理乳液液滴尺寸小、分布均匀，且界面蛋白层致密，而未处理组液滴大且易聚集。

3.6. Heat and freeze–thaw treatment of Pickering emulsions

热处理后，450 W超声乳液液滴尺寸增长最小；冻融处理后其粒径仅增41.87%，显著低于对照组。表明适度超声处理增强了乳液对极端条件的耐受性。

本研究结论表明，450 W超声处理通过优化CPI纳米颗粒的粒径、表面电荷和结构特性，显著提升了其Pickering乳液稳定性能。该处理使α-螺旋含量增加、疏水基团暴露，增强了界面吸附能力，并形成静电排斥屏障，从而改善乳化活性和稳定性。研究不仅为植物蛋白在食品乳液体系中的应用提供了技术方案，也为开发新型食品级Pickering稳定剂奠定了理论基础。未来需进一步建立超声参数与功能性质的量化模型，并推动该技术的工业化应用。