基于反溶剂法制备的玉米醇溶蛋白纳米颗粒在多糖体系中的流变学与表面活性研究

《Foods》：Zein Protein Nanoparticles: Fabrication and Rheology of Their Dispersions in Polysaccharides

　　

摘要 玉米醇溶蛋白（zein）纳米颗粒通过反溶剂法（anti-solvent method）在两种阴离子多糖——羧甲基纤维素钠（sodium carboxymethyl cellulose, CMC）和黄原胶（xanthan gum, XG）中制备。研究人员对zein纳米颗粒在多糖中的分散体系的流变学行为及表面活性进行了研究。实验设计了两组：第一组固定zein浓度为1 wt%，多糖浓度从0至1 wt%以0.2 wt%梯度递增；第二组固定多糖浓度为0.5 wt%，zein浓度从1至5 wt%变化。SEM图像清晰显示zein纳米颗粒在多糖中的形成。多糖溶液及zein纳米颗粒-多糖分散体系均表现出剪切变稀（shear-thinning）流变行为，并符合幂律模型（power-law model）。加入zein后，与纯CMC溶液相比，zein纳米颗粒-CMC分散体系稠度系数（consistency index）增大，剪切变稀程度增强。在固定CMC浓度下，随zein浓度增加至4 wt%，稠度系数急剧上升，而进一步增加zein浓度后稠度系数显著下降。zein加入XG溶液表现出更复杂的流变行为：当XG浓度低于0.7 wt%时，稠度系数随zein的加入而降低；在更高XG浓度下，稠度系数随zein的加入而增大。在固定XG浓度下，随zein浓度增加，稠度系数在整个研究浓度范围内持续显著下降。zein纳米颗粒的加入显著影响CMC溶液的表面张力，使表面张力大幅下降。zein纳米颗粒-XG分散体系的表面张力行为与zein纳米颗粒-CMC分散体系类似。zein纳米颗粒-多糖分散体系在流变学及表面活性上的转变可通过分散体系的微观结构加以解释。

论文解读

一、研究背景与问题

玉米醇溶蛋白（zein）是一种来源于玉米的疏水性醇溶蛋白（prolamin），近年来因其可生物降解特性在食品和生物聚合物领域受到广泛关注，尤其在包封和结构化递送系统方面具有应用潜力。zein的两亲性分子结构使其能够在选择性溶剂条件下自组装形成胶体颗粒，特别是通过反溶剂沉淀法实现。然而，zein中高含量的非极性氨基酸导致其水溶性差、分子间疏水相互作用强，在水性环境中易发生聚集，胶体稳定性有限。这些固有缺陷显著限制了其在需要稳定性和可调流变性能的食品体系中的广泛应用。

为应对上述挑战，多糖被广泛引入作为功能改性剂，以改善zein体系的分散稳定性和流变性能。羧甲基纤维素钠（CMC）和黄原胶（XG）是食品配方中常用的两种代表性阴离子多糖。CMC是一种柔性水溶性纤维素衍生物，其流变行为由链缠结和静电排斥共同决定，具有中等但高度可调的黏度；XG则是一种高分子量半柔性多糖，具有刚性螺旋构象和强剪切变稀行为，即使在低浓度下也能产生高黏度。由于结构差异，CMC和XG与蛋白质的相互作用机制不同，与zein复合后可能产生根本不同的宏观行为。此外，CMC和XG均具有公认的食品级功能角色，zein则作为天然稳定剂和亲脂性生物活性化合物包封载体被广泛探索。然而，现有研究大多聚焦于颗粒形成、界面行为或乳液稳定化，对体系整体流变性能的系统研究相对不足，特别是在不同浓度范围内黏度演化的详细规律尚缺乏全面认识。

二、研究内容与意义

本研究旨在通过反溶剂沉淀法系统考察zein-多糖复合体系的浓度依赖性流变行为。研究人员将zein与CMC和XG两种结构不同的多糖结合，构建性能可调的胶体分散体系。通过系统改变多糖类型和浓度，全面评估所得体系的稳态剪切流动行为和黏度演化规律，重点阐明CMC和XG的分子特性如何转化为zein基分散体系的宏观流动行为和相稳定性。该比较分析为蛋白质-多糖复合物的结构-性能关系提供了重要见解，为预测其加工性能和优化其在先进食品及生物聚合物应用中的结构稳定性提供了理论指导。

三、关键技术方法

本研究采用反溶剂沉淀法制备zein-多糖复合体系。首先将zein粉末溶于90%（w/w）乙醇水溶液制备10 wt% zein储备液；随后将zein储备液逐滴加入多糖溶液中，在1200 rpm磁力搅拌下触发zein快速去溶剂化并自组装形成纳米颗粒。实验设计两组：第一组固定zein浓度1 wt%，CMC或XG浓度从0.2至1.0 wt%变化；第二组固定多糖浓度0.5 wt%，zein浓度从1至5 wt%变化。XG溶液在混合前用0.1 M HCl将pH预调至4.0以促进与带正电zein（等电点约6.2）的强静电相互作用，CMC体系不调节pH。制备后在通风橱中持续搅拌过夜使乙醇完全蒸发，再用去离子水补回至原总质量400 g。流变学测量采用Fann和Haake同轴圆筒黏度计，表面张力测量采用基于智能手机的悬滴张力计，微观形貌采用扫描电子显微镜（SEM）表征。

四、研究结果

4.1 zein纳米颗粒在羧甲基纤维素钠中分散体系的流变学

纯CMC溶液在0.2至1 wt%浓度范围内均表现出剪切变稀行为，黏度-剪切速率双对数图呈线性，符合幂律模型。随CMC浓度增加，流动行为指数（flow behavior index）线性下降，稠度系数（consistency index）非线性增大，归因于聚合物链缠结和网络结构的形成。zein-CMC分散体系同样为剪切变稀，其黏度显著高于纯CMC溶液，稠度系数在整个CMC浓度范围内均高于纯CMC溶液，且两者差距随CMC浓度增加而增大。流动行为指数低于纯CMC溶液，表明剪切变稀程度更大。SEM图像显示低CMC浓度（0.4 wt%）下zein纳米颗粒直径约400至600 nm，高CMC浓度下多数颗粒直径约150 nm，部分达微米级（约3.5 μm）。ζ电位测量显示0.6 wt% CMC+zein分散体系平均值为?55.8 ± 1.5 mV，表明CMC链吸附并包覆zein纳米颗粒表面，支持zein纳米颗粒与CMC链之间的桥接作用。

4.2 zein浓度对zein-CMC分散体系流变学的影响

固定CMC浓度0.5 wt%，随zein浓度从0增至4 wt%，稠度系数显著增大，尤其在2至4 wt%区间，流动行为指数同步下降，剪切变稀程度增强。这归因于zein纳米颗粒体积分数的增加以及纳米颗粒与CMC链桥接作用的加强。然而，zein浓度从4 wt%增至5 wt%时稠度系数急剧下降，可能与高zein浓度下纳米颗粒聚集导致微观结构破坏有关，但分散体系仍保持均匀，未出现相分离。

4.3 zein纳米颗粒在羧甲基纤维素钠中分散体系的表面张力

纯CMC溶液的表面张力不随CMC浓度变化，表明纯CMC不具有表面活性。加入1 wt% zein后表面张力大幅下降，说明zein纳米颗粒具有表面活性，zein来源的表面活性物种吸附于气液界面。随CMC浓度增加，表面张力回升，可能因纳米颗粒被截留在体相中，吸附于气液界面的数量减少。固定CMC浓度0.5 wt%时，表面张力随zein浓度从0增至1 wt%急剧下降，随后缓慢下降并在3 wt%以上趋于平稳，表明界面达到饱和。

4.4 zein纳米颗粒在黄原胶中分散体系的流变学

纯XG溶液在0.2至1 wt%浓度范围内均为剪切变稀，稠度系数在XG浓度高于0.4 wt%后急剧上升，流动行为指数在0.2至0.6 wt%区间急剧下降后趋于平稳。XG溶液比CMC溶液黏度高约8倍（1 wt%时），剪切变稀程度更强。zein-XG分散体系在XG浓度低于0.2 wt%时为牛顿流体，高于0.2 wt%后均为剪切变稀。与zein-CMC体系不同，zein-XG分散体系在XG浓度约0至0.7 wt%范围内稠度系数低于纯XG溶液，而在XG浓度高于0.7 wt%后高于纯XG溶液。低XG浓度下，XG吸附于zein纳米颗粒表面，降低了可用于链缠结的有效聚合物浓度；高XG浓度下，zein纳米颗粒可能作为连接XG链的交联点，导致黏度急剧增大。SEM图像显示0.4 wt% XG下zein纳米颗粒直径约175至600 nm。

4.5 zein浓度对zein-XG分散体系流变学的影响

固定XG浓度0.5 wt%，随zein浓度从0增至5 wt%，稠度系数在整个浓度范围内持续下降，流动行为指数上升，剪切变稀程度减弱，与zein-CMC体系行为相反。zein浓度高于4 wt%时发生相分离。SEM图像显示5 wt% zein下出现zein纳米颗粒团块，表明zein纳米颗粒的聚集破坏了XG分子的缠结网络。

4.6 zein纳米颗粒在黄原胶中分散体系的表面张力

纯XG溶液具有表面活性，表面张力随XG浓度增加而下降。加入1 wt% zein后表面张力大幅下降。固定zein浓度1 wt%时，表面张力在XG浓度0至0.6 wt%范围内保持不变，随后随XG浓度进一步增加而下降。固定XG浓度0.5 wt%时，表面张力随zein浓度从0增至1 wt%急剧下降，随后缓慢下降并在3 wt%以上趋于平稳，与zein-CMC体系行为一致。

五、讨论与结论

研究结果表明，纯CMC和XG溶液在所考察浓度范围内均呈现剪切变稀行为，XG溶液比CMC溶液更黏稠且剪切变稀程度更强。zein纳米颗粒可通过反溶剂沉淀法在CMC和XG溶液中成功制备。zein-CMC分散体系比纯CMC溶液更黏稠且剪切变稀程度更大，稠度系数随zein浓度增加至4 wt%时显著上升，随后急剧下降。zein-XG分散体系在XG浓度低于0.7 wt%时比纯XG溶液黏度更低，而在高于0.7 wt%时黏度更高；稠度系数随zein浓度增加持续下降。zein纳米颗粒的加入显著降低CMC和XG溶液的表面张力。这些流变和表面活性性质的转变可通过分散体系的微观结构加以解释。研究结论为：纯聚合物溶液（CMC和XG）在0.2至1 wt%浓度范围内呈现剪切变稀行为，XG溶液比CMC溶液更黏稠且剪切变稀程度更强；zein纳米颗粒成功在CMC和XG溶液中制备，SEM图像清晰证实其存在；zein-CMC分散体系为剪切变稀非牛顿流体，符合幂律模型，比纯CMC溶液更黏稠且剪切变稀程度更大，稠度系数随zein浓度增加至4 wt%时显著上升，随后急剧下降；zein-XG分散体系同样为剪切变稀非牛顿流体，符合幂律模型，但在XG浓度0至0.7 wt%范围内比纯XG溶液黏度更低，高于0.7 wt%时黏度更高，且稠度系数随zein浓度增加持续下降，与zein-CMC体系行为相反；zein纳米颗粒的加入显著降低多糖溶液的表面张力；流变和表面活性性质的转变可通过分散体系微观结构加以解释。