骆驼奶酪蛋白-寡糖美拉德反应缀合物作为乳化剂在不同环境胁迫下稳定食品乳液的研究

《International Dairy Journal》：Maillard reaction-Derived Camel Milk Casein–Oligosaccharide Conjugates as Emulsifiers for Stabilizing Food Emulsion under Various Environmental Stresses

　　

摘要专业翻译 由酪蛋白稳定的乳液在加工和储存胁迫下易发生乳析、絮凝、聚结和相分离，这限制了其作为天然蛋白基乳化剂的应用。本研究旨在通过干热美拉德反应将骆驼酪蛋白与寡糖缀合，以改善其乳化功能性和稳定性。骆驼酪蛋白分别与低聚果糖（FOS）、异麦芽低聚糖（IMO）和低聚木糖（XOS）在不同加热时间（0、3、6和9小时）下进行缀合，并将所得缀合物作为乳化剂在不同环境胁迫（pH、温度、冻融、储存和高离子强度）下进行评估。乳化活性指数（EAI）随加热时间从0小时增至9小时而显著提高，其中酪蛋白-XOS缀合物改善幅度最大（35%至55%），其次为酪蛋白-FOS（30%至45%）和酪蛋白-IMO（35%至40%），但乳液稳定性指数（ESI）未观察到显著变化。研究人员对以酪蛋白-寡糖缀合物稳定的乳液在不同环境胁迫下的粒径分布、乳析指数（CI）和微观形貌进行了分析。粒径分布结果显示，以酪蛋白-寡糖缀合物稳定的乳液液滴尺寸减小，反映出其在不同环境胁迫下乳液稳定性得到改善。与美拉德反应加热时间和环境胁迫相对应，缀合乳液的乳析指数也较低。显微分析同样揭示了缀合乳液的稳定性，与对照组相比，其呈现出更细小且紧密堆积的油滴以及更少的聚结区域。这些研究结果表明，酪蛋白-寡糖缀合物可用于设计乳液型功能性食品，在严苛环境条件下具有高稳定性，可应用于食品工业。

论文解读文章

一、研究背景与意义

乳液是食品工业中广泛应用的异质体系，用于活性成分的递送与包封，以及改善食品体系的质构和感官特性。然而，食品工业中使用的传统乳液在热力学上不稳定，在储存过程中易因絮凝、聚结、重力分离和相转化等失稳机制而破坏。为应对消费者对天然乳化剂日益增长的需求，研究界和食品工业正致力于用食品蛋白及其他天然衍生乳化剂替代合成乳化剂。食品蛋白凭借其多肽链上疏水和亲水氨基酸残基的存在，能够通过降低界面张力并在油-水界面吸附而发挥天然乳化剂的作用。

骆驼奶中总酪蛋白含量为52%-87%，低于牛乳的80%。骆驼酪蛋白包含αs1、αs2、κ和β酪蛋白组分，其中β型酪蛋白占总酪蛋白的65%（牛乳中为36%），表现出更好的功能性和营养品质。然而，蛋白稳定乳液对pH、温度、储存、热处理、冷冻、冷藏、干燥等不同环境胁迫敏感，易发生乳析、聚结、奥斯特瓦尔德熟化和絮凝等常见失稳机制，这限制了蛋白作为乳化剂的应用。

为改善蛋白的功能性和乳化性能，通过美拉德反应将蛋白与多糖缀合已成为一种有前景的修饰策略。蛋白-多糖缀合物在乳液稳定中的有效应用依赖于两种聚合物的协同效应：多糖部分提供排斥力，蛋白部分附着于油-水界面，共同实现乳液的稳定化。蛋白-多糖缀合技术是构建具有新颖功能特性、且在环境胁迫下具有改善稳定性的乳液的一种有前景的结构化方法。然而，目前关于骆驼酪蛋白与不同寡糖（XOS、FOS、IMO）通过干热美拉德反应在不同加热时间下缀合用于乳液稳定的研究信息有限。尽管Mudgil等人（2025）近期报道了骆驼酪蛋白通过美拉德缀合修饰功能特性的研究，观察到抗氧化和功能特性（包括溶解性和起泡性）显著改善，但这些缀合物作为乳化剂的潜力及其在常见环境胁迫下的综合评价尚未被探索。

二、主要技术方法

研究人员从阿联酋Al-Ain农场获取骆驼奶，采用离心技术分离酪蛋白（蛋白含量约87%）。将骆驼酪蛋白分别与低聚木糖（XOS）、低聚果糖（FOS）和异麦芽低聚糖（IMO）以1:1（w/w）比例混合，在优化条件下（60°C，79%相对湿度）通过干热美拉德反应在不同时间（3、6和9小时）进行缀合，未经缀合的骆驼酪蛋白作为对照（0小时）。以75:25（w/w）油水比制备乳液，采用激光衍射粒度分析仪测定体积平均直径（D_4,3）和表面积平均直径（D_3,2），通过乳析指数（CI）评估相分离程度，并使用光学显微镜进行微观结构观察。乳液分别经受储存（0、14、28天）、高离子强度（750 mM盐浓度）、冻融（-20°C冷冻24小时，20°C解冻2小时）、热处理（80°C水浴30分钟）和极端pH（pH 3和9）等环境胁迫。

三、研究结果

3.1 美拉德反应加热时间对缀合物乳化性能的影响

乳化活性指数（EAI）在缀合样品中较天然酪蛋白显著提高（p<0.05），并随加热时间增加而升高，在9小时时达到最大值：酪蛋白-XOS为53.07%，酪蛋白-FOS为44.08%，酪蛋白-IMO为39.27%。EAI的提高可能归因于亲水性寡糖缀合改善了蛋白溶解度，增加了蛋白在溶液中的有效浓度和迁移率。CA-XOS在分子水合作用与油-水界面吸附所需疏水区域可用性之间表现出最有利的平衡，而CA-IMO因较高的分子量和α-(1→6)/α-(1→4)支链结构限制了分子灵活性和界面重排。乳化稳定性指数（ESI）未观察到显著变化，可能归因于美拉德反应形成的大分子聚合产物促进了液滴聚集而非强化界面膜。

3.2 储存时长对乳液稳定性的影响

粒径分布分析显示，缀合乳液在美拉德加热时间3至9小时内D_4,3和D_3,2参数降低，表明糖基化程度提高使乳液液滴尺寸整体减小。在28天储存后，XOS缀合乳液表现出最低的D_4,3值（6.35至10.07 μm），其次为IMO（19.37至26.37 μm）和FOS（27.60至45.11 μm）。乳析指数方面，XOS基缀合物在0至9小时加热时间内从46.39%降至22.48%，优于FOS（51.54%至46.86%）和IMO（61.50%至38.81%），这归因于XOS短而线性的链结构使其还原端更易接近酪蛋白，形成更有效的界面层。微观分析显示，XOS和IMO基体系在6小时处理时间维持了更细小、均匀的分散状态，而对照和9小时延长处理则出现较大液滴、絮凝和明显聚结区域。

3.3 盐浓度对乳液稳定性的影响

在750 mM盐浓度条件下，XOS缀合乳液D_4,3值从12.05增至22.33 μm，FOS缀合乳液从24.79降至14.23 μm，IMO缀合乳液从14.13增至17.61 μm。FOS缀合乳液在盐胁迫下粒径减小，归因于其延伸的界面层在盐离子电荷屏蔽条件下仍维持空间分离。乳析指数方面，XOS缀合乳液从52.64%降至23.75%，IMO从56.39%降至30.49%，FOS从58.32%降至54.12%。XOS短而线性的β-(1→4)连接链促进了更高程度的酪蛋白糖基化，形成致密水合界面层，增强盐条件下的静电稳定作用。微观分析显示FOS缀合乳液呈现致密堆积和较少聚结区域，而XOS缀合乳液出现较多聚结区域。

3.4 冻融对乳液稳定性的影响

在冻融条件下，缀合乳液较对照表现出改善的稳定性，9小时加热时间显示出最佳冻融稳定性。XOS缀合乳液D_4,3值从23.41降至14.16 μm，FOS从14.61降至13.23 μm，IMO从14.95增至16.72 μm。FOS基缀合乳液表现出优于XOS和IMO的冻融稳定性，归因于β-(2→1)连接的果糖基链形成高度水合的空间屏障。乳析指数方面，XOS缀合乳液从56.35%降至21.78%，FOS从51.54%降至46.86%，IMO从61.50%降至38.81%。微观分析显示IMO稳定乳液呈现均匀稳定的微观结构，而XOS在9小时加热时间表现出更好的稳定性。

3.5 高温对乳液稳定性的影响

经80°C热处理30分钟后，缀合乳液较对照表现出更好的热稳定性。XOS缀合乳液D_4,3值从28.35降至22.07 μm，FOS从13.65降至12.91 μm，IMO从28.68增至31.84 μm。乳析指数方面，XOS缀合乳液从52.08%降至19.46%，FOS从47.93%降至43.48%，IMO从45.19%降至28.60%。XOS缀合乳液最高的热稳定性归因于其线性β-(1→4)连接结构和更大的还原端可及性，促进了糖基化并形成高度水合的空间界面层，保护界面酪蛋白免受热诱导变性。微观分析显示XOS缀合乳液在6和9小时加热时间呈现最小液滴和最大程度稳定化结构。

3.6 极端pH对乳液稳定性的影响

在pH 3和pH 9条件下，缀合乳液的粒径分布均显著不同于对照。所有乳液在pH 3时液滴尺寸大于pH 9，表明酸性条件通过减少电荷基团削弱静电排斥力而导致乳液稳定性降低，而碱性条件促进液滴更好分散。在pH 3条件下，XOS缀合乳液D_4,3值范围为20.54至22.07 μm，FOS为17.00至31.87 μm，IMO为30.35至31.13 μm。加热时间从3增至6小时改善了所有缀合乳液的稳定性，但进一步延长至9小时导致液滴尺寸显著增加，这可能归因于高糖基化程度降低了表面疏水性，从而降低了缀合物的表面活性和乳化性能。

四、讨论与结论

研究表明，通过干热美拉德反应将骆驼酪蛋白与不同寡糖缀合，能够显著改善其乳化活性和乳液稳定性。在所有寡糖类型中，XOS缀合物在大多数环境胁迫条件下（储存、盐浓度、冻融、热和pH）表现出最优异的乳液稳定效果，这归因于其短而线性的β-(1→4)连接结构促进了更高的糖基化程度和更致密的水合界面层形成。FOS缀合物在盐和冻融条件下表现良好，而IMO缀合物在冻融条件下微观结构最为均匀。研究还发现，美拉德反应加热时间对缀合物性能具有重要影响，适度的加热时间（6小时左右）通常能获得最佳性能，而过度加热（9小时）可能因表面疏水性降低而削弱乳化性能。

这些发现揭示了酪蛋白-寡糖缀合物在乳液稳定中的巨大潜力，为设计具有高环境胁迫稳定性的乳液型功能性食品提供了理论依据和技术支撑。该研究拓展了骆驼奶蛋白的高值化利用途径，所制备的缀合物可作为食品级乳化剂应用于食品工业，在严苛加工和储存条件下维持乳液稳定性，具有重要的应用前景和产业价值。