羧甲基壳聚糖分子量对改性豌豆蛋白分离物-羧甲基壳聚糖复合物性能的影响及其作为高内相乳液稳定剂的潜力

《Food Hydrocolloids》：Effect of molecular weight of carboxymethyl chitosan on the properties of modified pea protein isolate-carboxymethyl chitosan complexes and its potential as stabilizer for high internal phase emulsions

豌豆蛋白 isolate (PPI) 通过热/热超声处理与不同分子量羧甲基壳聚糖 (CMCS) 复合，显著提升溶解性、乳化性和高内相乳液 (HIPEs) 稳定性，其中高分子量 CMCS (300 kDa) 形成最佳界面网络结构，油滴尺寸<10 μm，界面张力<10 mN/m。

　　随着全球对健康饮食和可持续发展的关注日益增加，植物蛋白在食品工业中的地位不断提升。与动物蛋白相比,植物蛋白具有低脂肪、无胆固醇、富含膳食纤维等优势,在满足环境保护需求的同时,也符合现代消费者对健康食品的追求。其中,豌豆蛋白分离物(PPI)因其成本低廉、低致敏性、营养丰富以及潜在的功能性应用,被认为是植物蛋白中最具代表性的品种之一。然而,尽管PPI展现出广阔的应用前景,其在实际应用中仍面临一些挑战,如溶解性差、乳化能力弱以及对温度敏感等问题,这些因素限制了其在食品和饮料中的广泛应用。

在食品科学领域,蛋白质的功能特性与其结构密切相关。研究表明,通过改变蛋白质的内在结构可以显著提升其功能特性,从而拓展其在食品中的应用范围。近年来,研究人员采用多种方法对天然蛋白质进行改性,包括物理改性(如加热、冻融、高压均质和超声波处理)、化学改性(如酰化、糖基化和磷酸化)以及生物改性(如酶解和发酵)。其中,物理改性因其成本低、操作简便、无毒副产物以及对蛋白质营养成分影响较小,成为一种广受欢迎的改性方式。已有研究指出加热和超声波处理均能对PPI的理化性质和功能特性产生积极影响,而同时采用多种改性方法可能会进一步提升蛋白质的性能。然而,目前尚不清楚,将加热与超声波处理结合是否能比单独使用其中一种方法更有效地提升蛋白质的功能特性。

此外,单个蛋白质的乳化能力仍然有限,由单一蛋白质稳定的乳液往往不够稳定,容易发生分层和乳化破裂。为了克服这一问题,研究人员开始探索将额外的多糖引入蛋白质乳液中,以增强其稳定性。这些多糖通常通过非共价键与蛋白质相互作用,优化油水界面的结构,从而提高乳化效果。在众多多糖中,羧甲基壳聚糖(CMCS)因其良好的生物相容性和化学灵活性而被广泛应用于生物医学领域。CMCS是一种线性聚合物,具有优异的增稠和保水能力。其分子中保留的壳聚糖乙酰氨基基团和部分未取代的葡萄糖环提供了疏水微区域,而羧甲基基团则提供了亲水微区域,使CMCS具有两亲性特征,具备良好的乳化应用潜力。此外,CMCS的疏水区域可以通过疏水作用与蛋白质在水溶液中的疏水表面结合,从而增强乳化性能。当油滴紧密排列时,部分未被吸收或延伸的CMCS链会聚集在连续相中,这些链相互缠绕并与其他油滴界面通过静电作用和氢键相互作用,形成具有弹性的桥接结构,将油滴连接成一个弹性网络,从而提高乳液的稳定性。

基于以上研究背景,本研究旨在探讨不同分子量的CMCS对改性后的PPI/CMCS复合物理化性质的影响,并开发适合于低添加量下稳定高内相乳液(HIPEs)的植物资源复合物。HIPEs是一种新型的半固态材料,其内部相体积分数超过74%,在替代固体脂肪、输送生物活性物质以及开发植物基食品产品(如蛋黄酱、人造黄油和沙拉酱)方面展现出巨大潜力。然而,传统上稳定HIPEs通常需要大量常规表面活性剂(5-50 wt%),这些表面活性剂在油水界面形成高强度的界面膜,以防止油滴聚集导致的变形、合并和乳化破裂。然而,这种做法与当前消费者对“清洁标签”和健康食品的需求相悖,因此迫切需要开发能够高效乳化并以低添加量稳定HIPEs的生物大分子。

本研究通过结合加热或加热-超声波处理与CMCS复合的方法,对PPI的功能特性进行了改性。CMCS的分子量分别为60 kDa、100 kDa和300 kDa,分别代表了不同疏水和亲水微区域的结构特征。实验结果表明,氢键、静电作用和疏水相互作用驱动了H-PPI/HU-PPI与CMCS的组装,改变了蛋白质的二级结构,使其形成更加有序的构型。这一过程显著提升了PPI的溶解性、接触角和乳化性能,同时降低了界面张力,其中HU-PPI-CMCS300的界面张力低于10 mN/m,表现出最佳的乳化效果。通过使用改性后的PPI/CMCS复合物作为乳化和稳定剂,成功制备了低添加量下的HIPEs。进一步的分析表明,高分子量的CMCS复合物在HIPEs中表现出更高的蛋白质吸附能力、更紧密的油滴排列以及更小的油滴尺寸(HU-PPI-CMCS300的油滴尺寸小于10 μm),从而显著提高了HIPEs的稳定性。这些发现强调了CMCS分子量在改性PPI/CMCS复合物功能特性中的重要性,同时也为蛋白质-多糖复合物在稳定HIPEs中的应用提供了理论支持。

在材料和试剂方面,本研究使用了高纯度的PPI(≥80%)和不同分子量的CMCS(60 kDa、100 kDa、300 kDa)。PPI由上海一家生物技术公司提供,而CMCS则由安徽合肥的一家生物科技公司供应。大豆油从广州本地市场采购,荧光染料(尼罗红和FITC)则从美国Sigma-Aldrich公司获得。实验过程中还使用了其他化学试剂和仪器设备,以确保实验的准确性和可重复性。

为了评估改性后的PPI和PPI/CMCS复合物的性能,本研究通过粒径和ζ电位分析来考察其分散性和界面特性。结果表明,未经改性的PPI具有较大的粒径,这可能与其溶解性差和分子严重聚集有关。即使是在新鲜的PPI溶液中,大量蛋白质仍会沉淀在玻璃瓶底部。而经过加热和加热-超声波处理后,PPI的平均粒径显著减小,表明其分散性和界面特性得到了改善。此外,ζ电位的变化也反映了改性后PPI表面电荷状态的改变,从而影响其与CMCS的相互作用。

在乳液的微观结构和流变特性方面,本研究通过显微镜观察和流变仪测试来分析HIPEs的稳定性。结果显示,高分子量的CMCS复合物在HIPEs中表现出更优异的稳定性,这主要归因于其对蛋白质的吸附能力更强,油滴排列更紧密,以及油滴尺寸更小。同时,CMCS的两亲性特性使其能够在油水界面形成稳定的结构,从而有效防止油滴的合并和乳化破裂。此外,流变特性分析表明,改性后的PPI/CMCS复合物在低添加量下能够形成具有良好弹性和粘弹性的乳液结构,从而提高HIPEs的物理稳定性。

本研究还探讨了不同分子量的CMCS对PPI/CMCS复合物结构和界面特性的影响。结果表明,CMCS的分子量对复合物的形成机制和性能具有显著影响。高分子量的CMCS能够更有效地与PPI结合,形成更加稳定的复合物结构。而低分子量的CMCS则可能在界面处形成不稳定的结构,导致乳液的不稳定性增加。因此,在选择CMCS分子量时,需要综合考虑其与PPI的相互作用能力和乳液的稳定性需求。

本研究的结论表明,通过结合加热或加热-超声波处理与不同分子量的CMCS复合,可以显著提升PPI的功能特性,包括溶解性、乳化能力和界面稳定性。改性后的PPI/CMCS复合物能够形成稳定的HIPEs结构,为开发低添加量的植物基食品产品提供了新的思路和方法。此外,本研究还揭示了蛋白质-多糖复合物在乳液稳定中的作用机制,为相关领域的进一步研究奠定了基础。

总之,本研究通过系统的实验设计和分析,探讨了不同分子量的CMCS对改性PPI/CMCS复合物功能特性的影响,并成功制备了具有良好稳定性的HIPEs。研究结果不仅为PPI在食品工业中的应用提供了理论支持,也为开发新型植物基食品产品提供了实际指导。未来的研究可以进一步探讨不同改性方法对PPI/CMCS复合物性能的影响,以及如何优化CMCS的分子量和添加量以实现最佳的乳液稳定性。同时,也可以探索其他多糖在乳液稳定中的应用潜力,以满足消费者对健康和环保食品的需求。