通过微射流均质与热处理联合制备乳清蛋白分离物/果胶微粒：果胶电荷密度与浓度的作用

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Fabrication of whey protein isolate/pectin particles through combined microfluidization and heat treatment: Roles of pectin charge density and concentration

　　

摘要

本研究通过在pH 4.5下依次进行复合、微流化（MF；100 MPa，3次通过）和热交联（85°C，15分钟），制备了乳清蛋白分离物（WPI）/果胶颗粒，并系统性地改变了果胶类型和浓度，范围从高甲氧基果胶（HMP，DE为70%）到低甲氧基果胶（LMP，DE为50%），浓度范围为0.25–1.0 wt%。在pH 4.5下形成的初始复合物在低果胶浓度（0.25–0.5 wt%）时表现出大规模的桥联驱动团聚体（直径>数微米），而较高浓度则抑制了桥联作用，产生了稳定的复合物（约3微米）。由于LMP具有更高的线性电荷密度，在相同浓度下生成了带更多负电荷（约?22 mV，而HMP为?18 mV）且更小的复合物。微流化将这些桥联驱动的宏观聚集体破碎为均匀分散的子复合物（约200–410 nm），而未改变ζ电位，表明机械处理重构了颗粒架构而未改变电离状态。随后的热处理使蛋白质核心变性和锁定，将组装体压缩为刚性颗粒（约300–500 nm）。与在pH 3.0下沉降的复合物不同，热固定颗粒在pH 3.0至6.0范围内通过果胶驱动的位阻稳定保持胶体稳定。浊度也揭示了在pH 3.0下的致密化和在pH 6.0下的水合驱动松弛现象，而微流化预处理与LMP协同限制了中性pH下的过度溶胀，提供了一种可调的pH稳定生物聚合物颗粒制备途径。这些发现表明，果胶电荷密度、微流化和热交联之间的相互作用提供了一种强大且可调控的策略，用于制备pH稳定的生物聚合物颗粒。

引言

生物聚合物是源自天然来源或生物过程的多聚体物质，其中多糖和蛋白质在食品体系中应用最为广泛（Thakur, Thakur, Raghaven, & Kessler, 2014）。由于生物聚合物基纳米颗粒能够包封功能性化合物和营养素并保护其免受不利环境条件的影响，因此已被广泛应用于食品、化妆品和制药行业的递送系统（Champagne & Fustier, 2007）。此外，纳米级球形颗粒能够赋予平滑的口感和类似脂肪的光学特性，使其成为脂肪模拟物的理想候选者（Nourmohammadi, Austin, & Chen, 2023）。通过控制胶体相互作用，如静电吸引、疏水相互作用和氢键，可以制备稳定的纳米颗粒。特别是，蛋白质-多糖复合物通常表现出比由单一生物聚合物组成的颗粒更强的结构柔韧性、物理化学稳定性和功能表现，这引发了人们对复合聚合物系统越来越多的研究兴趣（Jones, Lesmes, Dubin, & McClements, 2010; Luo, Wang, & Zhang, 2020; Schmitt, Sanchez, Desobry-Banon, & Hardy, 1998）。

蛋白质-多糖复合物的形成和性质主要受生物聚合物pH依赖性电荷行为的控制。蛋白质在等电点以下带净正电荷，在等电点以上带净负电荷（Ardestani, Asl, & Rafe, 2022），而多糖则根据其官能团的不同而呈阴离子或阳离子性质。当蛋白质和多糖带有相反电荷时，它们通过静电吸引结合，形成复合物（Babu, Shams, Dash, Shikh, & Kovács, 2024）。根据相互作用的性质，相分离可通过缔合（复凝聚）或分离机制发生（Tolstoguzov, 2003; Wang, Chen, Yan, Li, & Qi, 2025; Zheng, Van der Meeren, & Sun, 2024）。蛋白质-多糖复合物的物理化学性质受环境因素（如pH、离子强度和温度）以及配方参数（包括生物聚合物电荷密度、分子结构和混合比例）的影响。例如，增加离子强度可通过电荷屏蔽削弱静电相互作用，而热处理引起蛋白质展开和疏水基团的暴露，促进聚集和网状结构形成（Nourmohammadi et al., 2023; Weiss, Salminen, Moll, & Schmitt, 2019）。此外，较高的多糖与蛋白质比率可抑制自聚集并改善胶体稳定性（Jones & McClements, 2011）。

乳清蛋白与果胶的缔合复合物由于其结构特性，对热处理和pH变化敏感。乳清蛋白分离物是一种广泛使用的食品蛋白，具有优异的乳化和凝胶特性，但其功能性对pH和热加工高度敏感（Bryant & McClements, 2000）。在其等电点附近（pH 4.5–5.0），WPI分子间的静电排斥最小化，高于75–80°C的热处理会诱导蛋白质变性和聚集（Frydenberg, Hammersh?j, Andersen, Greve, & Wiking, 2016; Kessler & Beyer, 1991; Mohebrad, Rezaee, & Sohrabi, 2019; Prabhasankar, Molitor, Govindasamy-Lucey, & Lucey, 2024）。果胶是一种阴离子多糖，根据其酯化度被分类为高甲氧基或低甲氧基果胶，这决定了其电荷密度和与蛋白质相互作用的强度（Oakenfull & Scott, 1984）。这些差异强烈影响蛋白质-果胶复合物的大小、结构和稳定性（Schmidt, Cousin, Huchon, Boué, & Axelos, 2009）。

微流化是一种非热加工技术，通过使生物聚合物分散体经受强烈的剪切、冲击和空化力，有效改变颗粒大小、结构和界面特性（Feijoo, Hayes, Watson, & Martin, 1997; Li et al., 2015）。研究表明，微流化可破坏生物聚合物聚集体并改善蛋白质-多糖体系的稳定性和功能性，使其成为定制复合基纳米颗粒用于食品应用的理想工具（Keerati-u-rai & Corredig, 2009; Sun et al., 2016）。虽然先前的研究通过表征复合物的形成和性质，已建立了WPI/果胶相互作用的基础理解，并将其作为包封系统的材料（Cortes Morales, Sedaghat Doost, Velazquez, & Van der Meeren, 2021; Im, Jones, & Choi, 2023; Jones et al., 2010; Schmitt et al., 1998; Wijaya, Harfieyanto, Dewettinck, Patel, & Van der Meeren, 2019; Zheng et al., 2024），但它们很大程度上忽视了复合形成后应用机械加工来控制颗粒架构的作用。近期研究探索了物理加工对乳清/果胶相互作用的调控，例如应用超声或均质化来进一步促进生物聚合物缔合（Zhang, Li, Jin, Xue, & Wei, 2025）。然而，对于机械剪切如何直接重构在蛋白质等电点附近形成的已缔合静电复合物的理解仍存在显著空白。因此，微流化对已缔合WPI/果胶复合物的影响以及这种预处理对由此衍生的热诱导颗粒性质的影响尚未被研究。果胶电荷密度是否也调节WPI/果胶复合物对微流化和随后热处理的响应也尚未被检验。

因此，本研究的目标是研究微流化过程中施加的剪切力对已缔合WPI/果胶复合物的物理化学性质及其产生的热诱导颗粒的影响，重点关注果胶酯化度和生物聚合物混合比例的作用。假设微流化过程中的剪切力会破坏尺寸较大的复合物，并促进果胶在WPI表面上的保护性再分布，产生更小的复合物，经热处理后形成能够抵抗pH诱导不稳定的韧性颗粒。了解这些因素如何影响复合物形成、稳定性和颗粒特性，将为设计具有作为脂肪模拟物或功能性化合物递送系统潜在应用的生物聚合物基颗粒提供有价值的见解。

章节摘要

材料

乳清蛋白分离物（WPI；9410）由Hilmar Ingredients（Hilmar, CA, USA）慷慨提供；供应商报告的组成为93.0%总蛋白质和2.7%灰分。高甲氧基果胶（HMP；Classic CF 201）和低甲氧基果胶（LMP；GENU? Explorer pectin 65 CS）分别购自Herbstreith & Fox（Neuenbürg, 德国）和CP kelco（Grossenbrode, 德国）。HMP和LMP的酯化度分别为70%和50%。两种果胶均从柑橘皮中提取。

pH对WPI/果胶复合物的影响

为了确定静电复合物形成的最佳pH范围，在pH 3至7的范围内混合了WPI和果胶。在每种pH下测量了单个生物聚合物溶液（1 wt% WPI和0.5 wt%果胶）及其混合物的ζ电位、大小和浊度（图1）。观察到WPI的等电点（pI）约为pH 4.5。在测试的pH范围内，HMP和LMP均呈现的负ζ电位主要归因于羧基的电离

结论

本研究表明，微流化和热处理的协同应用提供了一种有效且可控的策略，用于制备结构韧性强的WPI/果胶颗粒。结果清楚地表明，这些生物聚合物体系的物理化学性质和环境稳定性受机械破碎、热交联和果胶电荷密度之间相互作用的支配。

在pH 4.5下，WPI与之间的强静电吸引

CRediT作者贡献声明

Minji Gwon：形式分析、数据管理。Chi Rac Hong：写作 – 审阅与编辑。Owen Griffith Jones：写作 – 审阅与编辑。Seung Jun Choi：写作 – 原稿、监督、经费获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由韩国国家研究基金会（NRF）资助，由韩国政府（MSIT）提供资金（RS-2024-00449404）。

Minji Gwon|Chi Rac Hong|Owen Griffith Jones|Seung Jun Choi

韩国科学技术院食品科学与生物技术系，韩国首尔 01811