酸碱与热处理调控大麻籽蛋白界面行为及乳化稳定性的物理化学机制研究

《Microplastics》：Impact of Microplastics on Copper Electrodeposition: Morphological and Electrochemical Insights

本研究系统探讨了pH值（2、7、10）和热处理（80°C，30分钟）对大麻籽蛋白分离物（HPI）油水（o/w）界面行为的影响。通过评估蛋白分散体的物理化学性质、界面吸附、流变学及乳化特性，发现碱性条件（pH 10）下HPI具有最高水溶性（60%）、最大净电荷（-27 mV）和最低疏水性（~5 a.u.），显著提升界面压力（π）和界面粘弹性；酸性条件（pH 2）下蛋白呈现高溶解度（40%）、高正电荷（21 mV）和强疏水性（46 a.u.），形成高弹性界面层（E*= 25 mN/m）；中性条件（pH 7）因溶解度低（18%）、表面电荷弱（-18 mV）和疏水性差，无法形成稳定乳液。热处理显著增强中性和碱性蛋白的电荷与疏水性（分别达~30 mV和~10 a.u.），增大粒径分布，降低界面层弹性（E*分别降至20和13 mN/m）。酸性条件蛋白表现出高热稳定性，热处理可提升碱性条件下的乳化稳定性，但进一步削弱中性条件稳定性。HPI在酸性和碱性pH下均能形成稳定乳液，其中pH 2条件下乳液液滴尺寸更小、稳定性更优。

　　

引言

随着消费者对天然、健康和清洁标签产品的需求增长，食品工业越来越多地采用蛋白质等天然乳化剂。大麻（Cannabis sativa L.）籽作为一种新兴可持续食品资源，富含蛋白质、膳食纤维和多种生物活性成分。大麻籽蛋白分离物（HPI）主要由65%的麻仁球蛋白（edestin）和33%的白蛋白组成，具备良好的营养和界面稳定潜力。然而，pH和热处理等外在物理化学参数对HPI界面行为的影响尚不明确。本研究系统评估了HPI在不同pH（2、7、10）和热处理（80°C，30分钟）条件下的物理化学性质、界面吸附动力学及乳化性能，为其作为天然乳化剂的应用提供理论依据。

材料与方法

HPI通过碱溶酸沉法从脱脂大麻籽粕中提取，蛋白含量为91±0.5%。将HPI粉末（1.0% w/w）分散于Milli-Q水，调节pH至2、7或10，分别标记为HPI2、HPI7和HPI10；热处理样品在80°C加热30分钟后迅速冷却，标记为HHPI2、HHPI7和HHPI10。测定指标包括可溶性氮指数（NSI）、zeta电位、表面疏水性（H₀）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）二级结构、粒径分布、界面张力、界面流变学及乳液稳定性。

结果与讨论

物理化学性质

可溶性氮指数（NSI）呈现典型U型曲线：HPI10和HPI2的NSI分别为60%和41%，而HPI7仅为18%。热处理未显著改变NSI。zeta电位在酸性条件下为正值（HPI2: 21.6 mV），中性和碱性条件下为负值（HPI7: -18.8 mV；HPI10: -27.1 mV）。热处理后，HHPI7和HHPI10的负电荷显著增强（分别达-29.0 mV和-32.4 mV），而HHPI2无显著变化。表面疏水性以HPI2最高（46 a.u.），HPI7和HPI10较低（~5 a.u.），热处理使HHPI7和HHPI10的疏水性升至10 a.u.。FTIR显示HPI以β-折叠结构为主（66-77%），酸性条件下α-螺旋（29%）和聚集链（5.5%）比例较高。热处理后，HHPI10的β-折叠减少，聚集链增加。粒径分布显示HPI2和HPI7为单峰分布（峰值13.5和17.5 μm），HPI10为双峰分布（0.1 μm和10 μm）；热处理使HHPI10峰值移至10 μm，HHPI7粒径增至200 μm以上，HHPI2保持稳定。

界面吸附与重组

界面压力（π）随时间增加趋于平衡，HPI10达到最高值（12 mN/m），HPI2和HPI7分别为9 mN/m和8 mN/m。热处理降低HHPI7的π值（5.7 mN/m），对HHPI2和HHPI10无显著影响。扩散速率常数（k_diff）以HPI10最高，热处理后HHPI10的k_diff降低，HHPI2升高。展开常数（k_u）在各条件下无显著差异；重组常数（k_r）以HPI7最高，热处理后HHPI2和HHPI7的k_r降低，HHPI10升高。界面粘弹性模量（E^*）显示HPI2和HPI10形成高弹性界面层（25 mN/m），HPI7较低（15 mN/m）；热处理提升HHPI2的E^*至32.1 mN/m，降低HHPI7和HHPI10至19.6 mN/m和12.8 mN/m。

乳化性能与稳定性

乳液液滴尺寸以HPI2最小（d_4,3= 6.7 μm），HPI10和HPI7较大（7.6 μm和13 μm）。热处理后HHPI10和HHPI7液滴显著增大（分别达17.6 μm和290 μm），HHPI2保持稳定。共聚焦显微镜（CLSM）显示HPI2乳液液滴均匀且蛋白界面层致密，HPI7出现絮凝，HPI10部分絮凝。加速稳定性测试表明，HPI2乳液抗乳析能力最强（不稳定性指数CI = 0.013），HPI10和HPI7较差（CI分别为0.685和0.707）；热处理改善HHPI10和HHPI7的CI（降至0.257和0.239），但HHPI7出现沉淀。动力学拟合显示HPI2乳液乳析速率最慢（θ > 2900 s），协同系数（α）最低，表明其界面屏障稳定性最佳。

结论

pH和热处理显著调控HPI的物理化学性质及界面行为。酸性和碱性条件通过高溶解度、适宜电荷与疏水性促进界面吸附和弹性层形成，中性条件因溶解度过差而功能受限。热处理可增强碱性条件下HPI的乳化稳定性，但酸性条件HPI表现出优异的热稳定性。本研究为HPI作为清洁标签乳化剂在复杂食品体系中的应用提供了理论支撑。