壳聚糖在奇亚籽油水包油（O/W）乳液中的双重功能：界面行为与短期物理稳定性

《Foods》：Dual Functionality of Chitosan in Chia Oil-in-Water Emulsions: From Interfacial Behavior to Short-Term Stability

　　

研究人员考察了壳聚糖（chitosan, CH）基乳液的物理稳定性，并将其与采用传统食品乳化剂蛋黄（egg yolk, EY）配制的乳液进行比较。此外，研究人员还考察了两者的混合物，以评估其改善乳液性能的潜力。乳液质量通过评价界面性质（包括界面张力和界面流变学性质）以及奇亚籽油水包油（oil-in-water, O/W）乳液中液滴粒径分布（droplet size distribution, DSD）的演变来表征，所用技术包括激光衍射、光学显微镜、目视检查和多重光散射。尽管蛋黄表现出更高的界面张力降低能力，但仅由壳聚糖稳定的乳液对乳析（creaming）和聚并（coalescence）表现出显著更高的抵抗能力。相反，CH/EY混合体系相较于仅含CH的乳液并未表现出改善的稳定性。这些观察表明，乳液稳定性不仅受界面性质控制，还受连续相中稳定化机制的影响。总体而言，研究结果表明，克氏原螯虾来源的壳聚糖可在真实多组分酸性食品乳液中有效发挥多功能配料作用，同时提供乳化和稳定能力，并突出其在清洁标签（clean-label）食品应用中的潜力。

研究背景：水包油（O/W）乳液广泛用于调味汁、酱料、饮料和功能食品，但属于热力学不稳定体系，贮存中可发生乳析、絮凝、聚并、Ostwald熟化或相分离。传统食品乳化剂尤其蛋白质可吸附于油水界面、降低界面张力并形成黏弹保护层，但乳液稳定性还受吸附动力学、界面流变性质和连续相理化性质影响。壳聚糖（CH；甲壳素脱乙酰化得到的阳离子多糖）因静电相互作用和增黏可提高乳液稳定性，但多数研究集中于模型体系及其稳定剂角色，对CH在真实食品配方中兼具界面活性与稳定化功能的双重作用，以及界面行为与乳液稳定性之间的关系认识不足。奇亚籽油富含α-亚麻酸和生物活性物质；克氏原螯虾（Procambarus clarkii）入侵及加工可产生大量虾壳废弃物，从中提取甲壳素/壳聚糖兼具环境与资源利用意义。蛋黄（EY；传统食品乳化剂）常用于稳定乳液，但CH与EY在真实多组分酸性食品乳液中的联合行为研究有限。因此，研究人员在含小龙虾来源CH和EY的真实多组分酸性O/W乳液中研究稳定性机制，而非仅将CH视为增稠剂。研究人员制备不同CH浓度单独或与EY混合的奇亚籽油O/W乳液，并开展界面表征和乳液稳定性评价；结论是CH虽界面活性低于EY，但CH-only乳液抗乳析和聚并显著优于EY及混合体系，混合CH/EY未改善稳定性，CH具有乳化和稳定双重功能。其意义在于为清洁标签食品乳液设计提供依据，强调连续相稳定机制，并揭示混合表面活性组分复配的复杂性。

关键方法（不超过250字）：界面张力采用Wilhelmy板法；界面剪切流变采用双壁环（DWR）几何；乳液由转子-定子低能乳化制备；DSD用激光衍射，微观结构用光学显微镜，相分离用目视观察，整体稳定性用多重光散射；统计采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD。原料来源：CH由克氏原螯虾生物废弃物分离；商业EY由Eurovo提供；有机奇亚籽油由Bidah Chaurel提供；水相含白葡萄酒醋、柠檬汁、山梨酸钾和NaCl。

研究结果：
3.1 界面性质：通过平衡界面张力和界面剪切流变研究CH、EY及50:50混合体系。界面张力测定（3.1.1）显示，吸附效率约CH 0.3 wt.%、混合0.0125 wt.%、EY<0.00313 wt.%；EY界面效率最高并主导混合体系界面吸附，CH呈表面活性亲水Pickering剂行为，未精炼奇亚油和配方杂质可影响低浓度结果。界面剪切流变性质（3.1.2）显示，CH界面膜G′_s和G″_s随时间基本不变，快速达伪平衡；EY和混合体系模量快速增加，约2500 s发生交叉，随后G′>G″，形成弱黏弹网络而非强凝胶；混合体系早期似CH，长时间后与EY相似，表明EY主导界面层。
3.2 乳化能力研究：EY-only乳液制备后迅速宏观相分离、聚并和油析，与pH接近EY蛋白等电点、电解质屏蔽静电排斥、EY剂量低及连续相黏度不足有关；需CH提供稳定化。CH兼具界面活性和连续相网络双重功能。
乳液稳定性评价：激光衍射、光学显微镜、目视和多重光散射显示，CH/EY初始粒径较小（D[4,3]=5.52–7.27 μm），但第1天出现双峰和聚并，0.5%和0.6% CH/EY的D[4,3]分别达276.18±10.60 μm和309.1±38.92 μm，0.6% CH混合体系第二群约1500 μm。CH-only保持单分布，D[4,3]<11 μm；0.5%和0.6% CH无可见乳析，0.4% CH可见乳析；背散射显示0.6% CH仅轻微乳析且中间区无液滴增长，混合体系各CH浓度均乳析，增加CH仅略减。CH使乳析速率降低，最高较EY-only对照降低4.2倍。

讨论部分总结：界面性质不能完全解释乳液稳定性，连续相稳定机制同样关键；CH并非被动增稠剂，而是表面活性组分。混合CH/EY并非简单加和，两种生物聚合物的静电和空间不相容、竞争吸附及界面组织变化可能弱化界面膜，使聚并成为主要失稳机制，早期界面失效和液滴增长又加速重力分离。该结果与Rodríguez Patino and Pilosof及Dickinson关于蛋白-多糖界面相互作用和竞争吸附的报道一致。CH过量时还可结构化连续相，兼具界面与体相稳定作用。

结论部分翻译：CH因其在酸性食品乳液条件下兼具天然稳定剂和乳化剂的双重功能，成为食品应用中极具前景的生物聚合物。从商业角度看，其在食品乳液模型中替代合成添加剂的能力，使其成为开发具有改善物理稳定性的清洁标签产品的有前景候选物。尽管EY表现出更优的界面活性，CH稳定体系对乳析和聚并表现出显著增强的宏观稳定性。界面表征表明，EY主导吸附并控制界面膜的流变性质，而CH快速到达界面但形成较弱的界面网络。尽管如此，仅由CH稳定的乳液表现出更高的物理稳定性，突出连续相结构效应的关键作用。在CH/EY混合体系中，两种组分同时存在导致的失稳程度高于仅CH乳液，提示两种表面活性组分同时存在时可能发生界面组织变化。相反，在单一生物聚合物乳液中增加CH含量可延迟乳析并几乎抑制聚并，使乳析速率相对EY对照降低4.2倍。这些发现突出食品乳液中组合表面活性组分的复杂性，并表明在所研究条件下加入EY未提供额外稳定化。本工作是一项更广泛、正在进行的研究计划必要的起点。证明该基线性能使研究人员能够针对CH的未来化学修饰（例如两亲性衍生化），优化其界面能力，从而即使在苛刻真实条件下也优于经典乳化剂。未来研究还可包括先进显微技术，如扫描电子显微镜（SEM）、冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）或共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），以直接可视化微观结构组织，并为本研究提出的机制提供补充证据。