基于先进X射线散射技术的乳基乳液凝胶多尺度结构指纹表征

《Food Hydrocolloids》：Multi-scale structural fingerprinting of dairy emulsion gels using advanced X-ray scattering

　　

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  加工温度决定液滴大小与稳定性
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  储存期间蛋白质网络发生加固
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  不同加工条件下脂质晶体结构保持稳定
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  酪蛋白在结晶和热稳定性中发挥积极作用
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  即使在25 °C下脂质晶体结构仍保持稳定

引言

凝乳脱脂乳凝块（SMC）通过实现对成分和加工工艺的精确控制，以及促进功能性配料和无添加配方的有效整合，为现代奶酪制造提供了一种有前景的途径。同时，基于SMC的工艺流程在改善能源和用水效率方面具有优势，并相较于传统全脂乳体系在产品设计的灵活性方面表现更佳。尽管具备上述优势，SMC在加热、剪切和冷藏过程中与添加脂肪的结构相互作用机制仍不明确，尤其是在脂肪液滴组织、结晶多晶型性及其与酪蛋白网络的耦合方面。

由SMC和乳脂肪制备的乳化凝胶是一种结构复杂的材料，其中酪蛋白聚集体、脂肪球、水和矿物质形成了分级网络。虽然先前的研究已对单个组分（例如乳脂肪、酪蛋白胶束或奶酪基质）及其多晶型性或微观结构进行了表征（Pastrana et al., 2025），但关于加工温度和冷藏如何控制基于SMC的乳化凝胶的多尺度结构，特别是关于被困于酪蛋白基质中的脂肪液滴界面结晶，现有信息仍十分有限。

酪蛋白胶束是一种高度动态的结构，在不同长度尺度上表现出组织性（Ingham et al., 2016; Peyronel et al., 2020; Smith et al., 2020; Takagi et al., 2024）。在牛乳中，酪蛋白胶束以球形胶体聚集体形式存在，由四种类型的酪蛋白蛋白（α_s1-酪蛋白、α_s2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白）组成，并由胶体磷酸钙（CCP）稳定（Pedersen et al., 2022）。其结构可用纳米簇模型来描述，即酪蛋白网络由含有分散于整个体系中的CCP纳米簇（约2 nm）的均匀蛋白质基质构成。在奶酪制造过程中，酶促和/或酸化过程破坏了胶束结构，尤其是通过κ-酪蛋白的水解。这导致酪蛋白聚集并形成凝乳，即一种致密的类凝胶网络。因此，组织方式从单个胶束转变为致密的互联凝胶网络（El-Bakry & Sheehan, 2014）。

乳脂肪（MF）是一种高度复杂的脂质系统，主要由三酰甘油（TAGs）组成，其链长和饱和度各异，从而形成被称为多晶型的替代晶体结构。TAG多晶型性是指分子采用不同晶体构型的能力，受脂肪酸链长和饱和度的影响（Lopez et al., 2007）。MF可结晶为三种主要多晶型形式：α、β'和β。β'形式在乳制品中尤为重要，因为它有助于形成细腻顺滑的口感，这正是半硬质奶酪和涂抹型奶酪所期望的（P. R. Ramel & A. G. Marangoni, 2017）。奶酪脂肪结晶中观察到两种层状排列：双层（2L）和三层（3L）堆积。2L结构由两层脂肪酸链组成，与β'-多晶型相关，产生细小稳定的晶体和细腻口感。相比之下，3L结构与较不稳定的α-和β-多晶型相关，涉及三层脂肪酸链，通常与较粗糙的口感或结晶过程中的过渡相有关。这些形式之间的相互转化，尤其是在不同加工和储存条件下，会影响奶酪的微观结构和功能特性（Gliguem, 2009; Lopez et al., 2008）。最终，脂肪液滴内脂肪晶体的晶体组织在决定宏观结构方面起着重要作用，影响着口感、稳定性和功能特性（Walstra, 1983）。

尽管酪蛋白胶束在不同热条件下的结构特性已被广泛研究，但目前尚无SAXS或USAXS研究考察过奶酪或乳化凝胶体系中酪蛋白胶束/聚集体在储存期间的结构变化。相比之下，WAXS已被广泛用于表征MF的多晶型性。大多数关于乳制品体系的先前研究主要聚焦于单一组分（例如无水乳脂肪（AMF）、MF（Arita-Merino et al., 2022; Lopez et al., 2002; Pratama et al., 2022）、酪蛋白胶束（De Kruif & Holt, 2003; Takagi et al., 2024））或仅使用单一的散射技术（Ingham et al., 2016; Pratama et al., 2022; Yang et al., 2021）。据我们所知，加工温度对乳化凝胶结构的影响尚未通过联合使用USAXS、SAXS和WAXS的方法进行研究，而这些方法的结合可以为多尺度层级结构和热转变提供新的见解。此外，很少有研究关注被困于酪蛋白网络中的脂肪液滴内的脂肪结晶，如本研究中的乳化凝胶体系。增强对这类体系中脂肪液滴物理性质及其多晶型形式的理解，将为改善奶酪的特性和功能（例如熔化行为）提供重要知识。

在我们此前考察加工温度对乳化凝胶微观结构影响的工作（Pastrana et al., 2025）基础上，本研究调查了在70、80、85和90 °C下制备的乳化凝胶在不同长度尺度上长达2周的微结构和纳米结构变化。这是通过结合共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）并同步使用超小角X射线散射（USAXS）、小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）实现的。WAXS可提供脂肪多晶型性的信息，并能够对乳化凝胶基质中各组分的相对含量进行定量分析（Pratama et al., 2022），而SAXS则探测较大尺度的结构，包括酪蛋白聚集体、其空间分布和酪蛋白网络（Ingham et al., 2016; Yang et al., 2021）。USAXS将可及散射矢量范围扩展至约10^?3 ?^?1，在SAXS提供的纳米尺度信息与CLSM提供的微米尺度成像之间架起桥梁，并进一步提供乳化凝胶中酪蛋白-酪蛋白聚集的信息（Mohammad-Beigi et al., 2023; Peyronel et al., 2020; Zhang & Ilavsky, 2010）。

该方法能够全面表征跨越多个长度尺度的层级结构，并促进对乳化凝胶体系中脂肪多晶型性和蛋白质组织的深入理解。该研究推进了复杂食品基质表征的分析方法学，其影响范围超越奶酪生产，延伸至更广泛的乳制品和乳化凝胶应用。

章节摘要

材料

无盐黄油和脱脂乳凝块（SMC）购自Arla Foods（丹麦奥胡斯），以冷冻形式（-20 °C）供应。使用前，两种材料均在4 °C下解冻，并将凝块研磨至粒径约为8 mm。在其生产过程中，巴氏杀菌脱脂乳经过凝乳酶处理和酸化后进行超滤（UF）。所得UF浓缩液进一步浓缩以生产SMC。根据制造商提供的信息，SMC的组成为57%（w/w）水分、0.01%脂肪和39%

乳化凝胶微观结构

共聚焦显微镜用于可视化乳化凝胶的微观结构（图3）。CLSM结果表明第0周和第2周的凝胶微观结构之间无明显差异，证明在两周冷藏期间微观结构保持稳定。图像显示，随着加工温度从T_P70升高到T_P90，脂肪液滴大小呈进行性减小。在T_P70下，脂肪液滴直径约为35 ± 25 μm，呈多分散尺寸分布，

结论

本研究通过结合同步USAXS、SAXS和WAXS与共聚焦激光扫描显微镜，展示了乳制品乳化凝胶的多尺度结构指纹分析策略。这种基于同步辐射的集成方法能够捕捉从酪蛋白聚集体和CCP纳米簇到脂肪液滴多晶型性的层级组织，提供了单一技术研究无法达到的结构分辨率。

加工温度对液滴和

CRediT作者贡献声明

Lilia Ahrné：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，资源，项目管理，方法学，调查，经费获取，概念构思。Marta Krasowska：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，方法学。S?ren K. Lillevang：撰写——审阅与编辑，概念构思。Pablo Mota-Santiago：撰写——审阅与编辑，方法学，形式化分析，数据整理。Ester F. Pastrana：撰写——

未引用参考文献

deMan, 1992; Gliguem et al., 2009; Ramel and Marangoni, 2017a; Woodrow and deMan, 1968.

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

EFP、SKL和LA感谢Arla Foods Amba提供的经费支持。所有作者感谢MAX IV实验室在CoSAXS光束线（提案号20241027）提供的束流时间，以及澳大利亚核科学与技术组织（ANSTO）在提供SAXS/WAXS光束设施方面（提案号24744）的支持，这些设施在本研究中得到使用。CLSM图像采集于丹麦哥本哈根大学先进生物成像中心（CAB）。

Ester F. Pastrana|Pablo Mota-Santiago|S?ren K. Lillevang|Marta Krasowska|Lilia Ahrné