《Journal of Agriculture and Food Research》：Starch nanocrystals reinforce rice/soy protein-structured air-water interface to stabilize aqueous foams
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水性泡沫（aqueous foams）在食品工业中具有广泛的应用前景，但其稳定性差、寿命短的问题长期制约着相关产品的开发。本研究旨在通过构建植物蛋白与淀粉纳米晶（starch nanocrystals, SNCs）的复合体系，实现水性泡沫的高效稳定。研究人员首
水性泡沫（aqueous foams）在食品工业中具有广泛的应用前景，但其稳定性差、寿命短的问题长期制约着相关产品的开发。本研究旨在通过构建植物蛋白与淀粉纳米晶（starch nanocrystals, SNCs）的复合体系，实现水性泡沫的高效稳定。研究人员首先通过碱溶-酸沉法将米蛋白（rice proteins, RPs）与大豆分离蛋白（soy protein isolates, SPIs）共组装为水分散性良好的RP-SPI复合纳米颗粒（RSPs），随后将RSPs与SNCs简单混合制备RSP@SNCs复合物。研究结果表明，RSP@SNCs较单一RPs、SPIs或RSPs具有显著更优的发泡能力（foaming ability, FA）和泡沫稳定性（foam stability, FS）。在SNCs/RSPs质量比为1.2时，初始泡沫形成量较RSPs提升一倍；当SNCs/RSPs质量比超过0.8时，泡沫半衰期（half-life）由不足30 min延长至12 h以上，实现了约23倍的提升。机理研究表明，RSPs与SNCs通过氢键（H-bonding）非共价结合形成片状复合纳米颗粒，SNCs的高亲水性（接触角40°）显著增强了界面膜的水分保留能力，同时提高了连续相黏度并抑制了气泡间的排水（water drainage）与歧化（disproportionation）作用。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）与冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）证实RSPs与SNCs在气泡界面协同聚集形成致密物理屏障，且连续相中形成有序微结构，共同强化了界面膜的力学稳定性。本研究为植物基水性泡沫的长期稳定提供了全新的策略，在奶茶、拿铁等食品领域具有广阔的应用前景。
一、研究背景与问题提出
水性泡沫（aqueous foams）广泛存在于掼奶油、慕斯、碳酸饮料等食品中，不仅是这些食品的基础质构基质，还赋予产品丰富的感官与美学体验。然而，水性泡沫的稳定是食品科学领域长期面临的重大挑战，绝大多数水性泡沫的寿命仅为数分钟至数十分钟。泡沫失稳主要源于两种老化机制：一是界面破裂导致的聚并（coalescence），二是由拉普拉斯压力（Laplace pressure）驱动的歧化（coarsening）作用。此外，重力引起的水分排液（water drainage）是泡沫特有的失稳因素，在植物蛋白稳定的泡沫体系中尤为突出。植物来源的蛋白颗粒大多具有较强疏水性，倾向于向气相迁移，导致排液显著，单纯由植物蛋白颗粒稳定的水性泡沫寿命通常仅为数秒至数分钟。因此，增强界面膜的水分保留能力是延缓泡沫崩塌的关键。
米蛋白（rice proteins, RPs）虽具有均衡的必需氨基酸组成和低致敏性，是极具潜力的植物蛋白源，但其水溶性差、易严重聚集，难以有效扩散至空气-水界面并结构化界面膜。为克服这一局限，研究人员前期通过碱溶-酸沉途径将RPs与大豆分离蛋白（soy protein isolates, SPIs）共组装，形成水分散性良好的RP-SPI复合纳米颗粒（RSPs），其疏水基团被包埋而带电基团暴露，具备平衡的两亲性。然而，RSPs单独稳定的泡沫在静置30 min后仍有超过85%消失，远不能满足实际应用需求。基于此，本研究引入淀粉纳米晶（starch nanocrystals, SNCs）——一种具有优异力学稳定性和高亲水性的植物源晶体材料，旨在通过构建RSP-SNC复合物（RSP@SNCs）强化空气-水界面结构，实现水性泡沫的长期稳定。
二、研究内容与主要结论
研究人员通过碱溶-酸沉法将RPs与SPIs以不同质量比共组装制备RSPs，筛选出最优配比（RPs/SPIs=1:1）后，将RSPs与SNCs按不同质量比简单混合制备RSP@SNCs复合物，并以高速搅拌打发制备水性泡沫。系统表征了复合物的微观结构、相互作用机制、界面性质及泡沫性能。结果表明，RSP@SNCs的发泡能力和泡沫稳定性均显著优于RPs、SPIs和RSPs单独使用时的表现。当SNCs/RSPs质量比为1.2时，初始泡沫形成量较RSPs提升一倍；当SNCs/RSPs质量比超过0.8时，泡沫半衰期由不足30 min延长至12 h以上，实现了约23倍的提升。机理研究表明，RSPs与SNCs通过氢键非共价结合形成片状复合纳米颗粒，SNCs的高亲水性增强了界面膜的水分保留能力，同时提高了连续相黏度并抑制了气泡间排水与歧化作用。该研究为植物基水性泡沫的长期稳定提供了全新策略，在奶茶、拿铁等食品领域具有广阔的应用前景。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）表征纳米颗粒形貌；X射线衍射（XRD）分析SNCs晶体结构；傅里叶变换红外光谱（FTIR）和本征荧光光谱结合化学阻断实验（硫脲、NaCl、SDS）解析分子间相互作用力；Zeta电位和表面疏水性（ANS标记法）表征颗粒表面性质；接触角测量评估润湿性；悬滴法测定空气-水界面张力；旋转流变仪测定剪切黏度；光学显微镜、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）观察泡沫微观结构。样本来源：白米购自当地市场，SPIs（纯度90%）购自山东禹王集团，蜡质玉米淀粉购自Sigma-Aldrich。
四、研究结果
4.1 RSPs的微观结构与理化性质
TEM显示RPs呈严重聚集的纳米颗粒聚集体（特征尺寸约30 nm），SPIs呈分散良好的离散纳米颗粒（直径20–30 nm）。共组装后，RPs的聚集显著减弱，当RPs/SPIs质量比达1:1.5时，RSPs呈单分散的约40 nm纳米颗粒。Zeta电位测试表明，RPs仅-5 mV，SPIs超过20 mV，而RSPs的Zeta电位强于两者，同时表面疏水性低于两者，证实共组装过程中疏水基团被包埋而带电基团暴露。发泡性能测试显示，RPs因严重聚集导致发泡能力和泡沫稳定性均差，SPIs虽可形成75%泡沫但30 min后仅存5%，而RSPs（1:1配比）可形成100%泡沫且30 min稳定性提升至8%，但仍不满足实际应用需求。
4.2 RSPs与SNCs的缔合
AFM显示SNCs因强氢键作用严重聚集，但与RSPs混合后形成100–200 nm的片状复合纳米颗粒，表明RSPs直接与SNCs缔合而非简单共存。本征荧光光谱显示，随着SNC浓度增加，RSPs荧光强度逐渐降低，表观Stern–Volmer型分析得到质量基淬灭系数（Kapp）为1.896 mL/mg（R2=0.9677），证实RSPs与SNCs的紧密相互作用。化学阻断实验表明，硫脲（阻断氢键）显著削弱RSP-SNC相互作用，而NaCl（阻断离子力）和SDS（阻断疏水作用）仅产生轻微影响，证实氢键是驱动复合物形成的主导作用力。FTIR未出现新吸收峰或明显峰位移，证实复合物为非共价结合模式。
4.3 发泡能力与泡沫稳定性
在无SNCs条件下，RSPs浓度从0.1 wt.%增至1.0 wt.%时发泡能力和泡沫稳定性均提高，继续增加浓度则趋于平台（30 min稳定性约50%）。在固定RSP浓度为1.0 wt.%条件下，SNCs显著提高发泡能力，当SNCs/RSPs质量比达1.2时初始泡沫形成量翻倍。光学显微镜显示，随SNC比例增加，气泡尺寸减小且均匀性提高。时间依赖照片显示，RSP组泡沫在9 h内完全消失，而SNCs/RSPs质量比为1.2的RSP@SNCs组在12 h后仍保留约80%初始泡沫体积。RSPs泡沫半衰期不足30 min，而SNCs/RSPs质量比超过0.8时半衰期延长至12 h以上，实现约23倍提升。
4.4 泡沫稳定化机制
CLSM显示，RSPs单独稳定的泡沫呈异质、近毫米级大气泡且界面覆盖薄弱；RSP@SNCs稳定的泡沫气泡尺寸减小至数百微米以下，且相邻气泡间间隙显著增大，有利于抑制气泡聚并。接触角测试显示，SNCs接触角为40°（高亲水性），RSPs为79°（相对疏水），RSP@SNCs的润湿性介于两者之间，兼具两亲性。界面张力测试显示RSP@SNCs显著降低空气-水界面张力。剪切黏度测试显示，RSP@SNCs分散液黏度随SNCs/RSPs质量比增加而升高，且均呈剪切变稀行为，有利于打发时颗粒向界面扩散。CLSM证实RSPs与SNCs在气泡界面协同聚集形成物理屏障。cryo-SEM显示RSP@SNCs不仅形成包裹气泡的完整界面膜，还在连续相中排列成有序微结构，增大了相邻气泡间隙，降低了气泡歧化和水分排液。
五、讨论与结论
综合机理分析，RSP@SNCs稳定泡沫的性能提升源于三个耦合因素：其一，界面膜方面，RSPs与SNCs在空气-水界面协同聚集形成坚固的物理屏障，显著降低界面张力，使稳定剂包覆的气泡满足Gibbs稳定性判据（E > 2γ），抵抗聚并与歧化；其二，体系黏度方面，SNCs比例增加提高了分散液黏度，连续相中有序微结构进一步提升了泡沫体系黏度，延缓了气泡歧化和水分排液，同时剪切变稀行为保证了打发时颗粒向界面的高效扩散；其三，水分排液方面，SNCs的高亲水性促进了气泡间隙的水分保留并增大了相邻气泡间隙，抑制了重力驱动的排水。三方面协同作用共同实现了泡沫半衰期从不足30 min到12 h以上的约23倍提升。
本研究利用SNCs作为蛋白纳米颗粒的介导者，增强了空气-水界面膜的力学稳健性。通过共组装设计的RSPs具备平衡的两亲性，可实现稳定剂向界面的快速扩散；RSPs与SNCs通过氢键缔合形成RSP@SNC复合物，兼具两相润湿性，SNCs的亲水特性促进了气泡间隙的水分捕获。最终，气泡间隙增大、水分排液被抑制，水性泡沫半衰期从不足30 min延长至12 h以上，实现约23倍提升。该研究推进了水性泡沫的稳定化技术，可在奶茶、拿铁等食品领域获得广泛应用。
