《Current Research in Food Science》：Valorization of Corn Silk Protein: pH-Driven Structural Modulation for Emulsion-Templated Oleogel Fabrication
编辑推荐：
玉米须（corn silk）是一种未被充分利用的农业副产物，是极具开发潜力但尚未被充分探索的植物蛋白来源。本研究通过碱溶酸沉法提取玉米须蛋白，并系统考察了pH调节（pH 3–11）对其结构和功能性质的影响。扫描电子显微镜（SEM）结果显示，对照组玉米须蛋白呈相
玉米须（corn silk）是一种未被充分利用的农业副产物，是极具开发潜力但尚未被充分探索的植物蛋白来源。本研究通过碱溶酸沉法提取玉米须蛋白，并系统考察了pH调节（pH 3–11）对其结构和功能性质的影响。扫描电子显微镜（SEM）结果显示，对照组玉米须蛋白呈相对均一的亚球形颗粒，直径约为1.5–1.6 μm；二级结构分析表明β-折叠（β-sheet）和β-转角（β-turn）为其主要构象。此外，pH 11处理可改善蛋白的溶解性和乳化性能，这可能有助于增强界面稳定作用。具体而言，C11组表现出较对照组及其他处理组更高的溶解度（75.8%）、乳化活性指数（EAI，15.11 m2/g）和乳化稳定性指数（ESI，214.11 min），从而改善了乳液稳定性。研究人员采用乳液模板法（40 °C烘箱干燥24 h）制备了不同水油体积比（5/5、4/6、3/7、2/8、1/9）的玉米须蛋白基油凝胶。在水油体积比为3/7时，玉米须蛋白形成了相对均匀的蛋白网络，能够有效包封并稳定油相，所得油凝胶具有软固体结构、较高的硬度及优异的持油能力（OHC，98%）。本研究证明了从玉米须中提取蛋白并利用其制备玉米须蛋白基油凝胶的可行性。
一、研究背景与问题
随着全球对食品中更健康脂质组成的需求日益增长，以结构化液态油替代饱和脂肪和反式脂肪已成为食品科学领域的重要研究方向。油凝胶（oleogel）作为一种半固态体系，通过油凝胶因子形成的三维网络将液态油固定其中，被认为是解决这一挑战最有前景的策略之一。在多种油凝胶制备方法中，乳液模板法因其操作简单、可控性高而受到广泛关注。该方法首先利用合适的乳化剂制备水包油乳液，再通过脱水去除水相，最终获得油凝胶。相较于冷冻干燥，烘箱干燥在脱水步骤中具有能耗低、设备要求简单、可避免冰晶引起的结构损伤等优势，有利于形成致密连续的网络结构，适合大规模食品生产。
在乳液模板法制备油凝胶的过程中，乳化剂的选择至关重要，因为它同时决定乳液的稳定性和最终凝胶网络的形成。植物蛋白因其两亲性，能够自发吸附于油水界面形成黏弹性界面膜，且符合消费者对清洁标签、可持续性和低致敏性食品成分的需求，因而受到广泛关注。目前，大豆蛋白是研究最为深入的植物蛋白，但存在界面活性相对较低、需添加多糖等生物聚合物增强网络、豆腥味及致敏性等固有局限。玉米醇溶蛋白虽也被探索用于油凝胶制备，但其水溶性差，需添加外源表面活性剂。相比之下，来源于农业副产物的蛋白资源尚未得到充分开发。
玉米须是玉米加工过程中大量产生的农业副产物，富含多糖、多酚及具有天然乳化能力的蛋白组分。然而，天然植物蛋白往往具有较为致密的结构，可能限制其界面和功能特性。尽管已有研究对玉米须蛋白的组成、结构特征和技术功能性质进行了表征，但关于加工条件（如pH处理）如何影响其结构和功能，以及能否利用其乳化特性构建乳液模板油凝胶，仍不清楚。为此，研究人员开展了本研究。
二、研究内容与结论
研究人员采用碱溶酸沉法从玉米须中提取蛋白，系统考察了pH处理（pH 3、5、7、9和11）对玉米须蛋白结构和功能性质的影响，并进一步评估其作为天然乳化剂构建乳液模板油凝胶的潜力。研究假设pH处理能够改变玉米须蛋白的结构和功能特性，从而影响其乳化性能、乳液模板形成及后续油凝胶的形成。结果表明，pH 11处理显著改善了玉米须蛋白的溶解性和乳化性能，使其成为制备油凝胶的适宜乳化剂。以pH 11处理的玉米须蛋白为乳化剂，在不同水油体积比条件下制备的油凝胶中，水油体积比为3/7时形成的蛋白网络最为均匀连续，所得油凝胶具有最高的硬度（hardness）和持油能力（OHC，98%），并表现出良好的流变学特性和氧化稳定性。该研究不仅为玉米须蛋白这一未被充分利用的蛋白资源提供了增值利用途径，也为植物蛋白基油凝胶在食品体系中的应用奠定了基础。
三、主要关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：碱溶酸沉法提取玉米须蛋白（原料采自中国广西南宁的新鲜玉米）；pH调节处理（pH 3–11）；游离巯基含量测定（Ellman’s试剂法）；傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合酰胺I带去卷积和高斯峰拟合分析二级结构；扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌；BCA法测定溶解度；浊度法测定乳化活性指数（EAI）和乳化稳定性指数（ESI）；差示扫描量热法（DSC）测定热稳定性；Zeta电位及粒径分析；激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）观察油凝胶微观结构；质构仪测定硬度；流变仪测定黏度、储能模量（G′）和损耗模量（G″）；离心法测定持油能力；硫氰酸铁法和硫代巴比妥酸法分别测定初级氧化产物（POV）和次级氧化产物（TBARS）。
四、研究结果
4.1 结构表征
游离巯基含量测定结果表明，酸性条件（C3和C5）下游离巯基含量较对照组（C，2.33 μmol/g）有所增加（分别为2.98和4.44 μmol/g），主要归因于蛋白部分去折叠使原本埋藏的巯基暴露。pH 9时游离巯基含量进一步显著增加至5.64 μmol/g，表明结构展开更为明显。而pH 11时游离巯基含量下降至1.07 μmol/g，可能与强碱环境下巯基氧化和巯基-二硫键交换反应有关。
FTIR分析显示，酸性和碱性处理后酰胺A带向低波数移动，表明氢键环境发生变化。酰胺II带在碱性条件（C9和C11）下发生蓝移，提示肽骨架局部环境改变。酰胺I带去卷积结果表明，玉米须蛋白以β-折叠和β-转角为主要二级结构，pH处理后β-折叠含量降低而β-转角含量增加，表明蛋白二级结构发生重排。
SEM观察显示，对照组玉米须蛋白呈相对均一的亚球形颗粒（直径约1.5–1.6 μm）。强酸处理（pH 3）导致球形结构丧失并形成聚集体；pH 5时天然结构被破坏并伴随蛋白聚集；pH 7时蛋白基本保留天然椭球形结构；pH 9时蛋白颗粒基本保持原有形态，分子间聚集程度降低；pH 11时特征颗粒形态消失，出现不规则碎片状结构，表明蛋白发生广泛的结构破坏，这可能增强其界面活性。
4.2 功能性质
溶解度方面，C9和C11的溶解度（分别为72.3%和75.8%）高于对照组（69.7%），这可能与碱性条件下静电排斥增强和结构展开有关。C3溶解度最低（57.5%），与接近等电点（约pH 3.5）导致蛋白聚集有关。
乳化性能方面，C11表现出最高的EAI（15.11 m2/g）和ESI（214.11 min），这可能归因于pH处理诱导的结构展开和分子分散性增加，促进了蛋白在油水界面的快速吸附和重排，形成连续稳定的界面膜。C9的EAI（13.08 m2/g）和ESI（50.23 min）低于C11，可能与结构展开不完全或聚集体形成有关。
热稳定性方面，所有pH处理组的变性温度（Td）均较对照组（125.84 °C）有所降低。C7（124.69 °C）和C9（123.95 °C）与对照组接近，而C3（115.98 °C）和C11（122.02 °C）显著降低，表明强酸和强碱处理削弱了蛋白的热稳定性。
4.3 乳液Zeta电位和粒径
基于C11的优异界面性能，研究人员在不同水油体积比下制备了乳液（E5–E9）。E7具有最高的Zeta电位绝对值（49.51 mV），表明液滴间具有较高的能量屏障，乳液稳定性优异。乳液粒径随油相体积增加而增大，E8和E9因蛋白不足以覆盖增大的油水界面面积而发生絮凝和聚结。
4.4 共聚焦激光扫描显微镜观察
CLSM结果显示，O5中蛋白形成连续但不规则的支架状三维网络，油相分布不均匀。O6呈现更连续多孔的蛋白支架，但仍存在明显蛋白聚集和油滴聚集。O7中蛋白网络更为连续和完整，油相分布更均匀。O8和O9中未观察到三维蛋白网络结构，乳液不稳定导致干燥过程中无法形成连续网络，油凝胶形成失败。倒置瓶测试表明，O5、O6和O7呈软固态，而O8和O9仍具流动性。O7在倒置后保持形状不流动，间接表明其网络结构更为稳定。
4.5 硬度
硬度随油相体积增加而增大，O7在O5–O7中硬度最高。这可能归因于O7中形成了更致密的蛋白网络，限制了连续油相的流动性，而O5和O6中更疏松多孔的结构提供了较弱的结构支撑。
4.6 持油能力
O7表现出最高的持油能力（98.00%），显著高于O5（84.73%）和O6（85.08%）。这可能与油相体积为70%时蛋白形成了更有序和机械强度更高的网络有关，蛋白在油水界面形成更均匀的界面层，稳定了乳液模板并减少了油脂泄漏。
4.7 流变学性质
所有油凝胶均表现出剪切变稀行为。O7具有最高的黏度，表明该水油比可能提供了界面覆盖和蛋白网络形成之间更有利的平衡。所有油凝胶的G′在整个频率范围内始终大于G″，表明形成了具有固态特征的三维网络结构。O7在整个频率范围内保持较高且相对稳定的G′，表明形成了更连续的蛋白网络。O5在低频时G′低于O7但在高频时高于O7，可能与蛋白聚集体的存在有关。
4.8 氧化稳定性
所有油凝胶的POV随储存时间延长而增加。第1天时所有油凝胶的POV显著高于液态玉米油（O），这可能与高速均质化促进氧扩散和局部升温加速脂质氧化有关。但从第3天至第7天，所有油凝胶的POV均低于O，表明三维蛋白网络作为物理屏障限制了氧扩散和脂质迁移。TBARS方面，第1天至第5天所有油凝胶的TBARS值高于液态玉米油，这可能与氢过氧化物更易分解为次级氧化产物有关。O7在第7天表现出最低的TBARS含量，与其形成了更稳定、连续和均匀的蛋白网络结构有关。
五、讨论与结论
研究人员提出了乳液模板法制备植物蛋白基油凝胶的潜在机制：首先，玉米须蛋白依靠其两亲性吸附于油水界面，疏水基团朝向油相、亲水基团朝向水相，形成界面蛋白膜。pH 11处理通过部分展开蛋白结构改善了乳化性能，有利于形成稳定的水包油乳液。其次，在干燥过程中，随着水分逐渐去除，分子间距离减小，促进了蛋白-蛋白相互作用（包括疏水相互作用、氢键、静电相互作用以及可能的二硫键交换/形成），使吸附于油水界面的蛋白膜逐渐相互连接，形成连续的三维网络。液态油通过残余界面吸附、毛细管截留和蛋白-油疏水相互作用被固定于网络之中。油相体积是影响油凝胶形成的关键因素：油相体积过低时蛋白网络较为疏松，物理截留能力不足；油相体积适中（70%）时蛋白可形成更稳定连续的界面膜和三维网络；油相体积过高时蛋白覆盖不足，导致界面膜变薄、油滴聚集和网络结构不连续。
本研究从玉米须这一未被充分利用的农业副产物中提取蛋白，系统研究了pH处理对其结构和功能性质的影响。pH 11处理改善了与乳液稳定相关的功能性质，并成功制备了油凝胶。水油体积比为3/7时制备的玉米须蛋白基油凝胶性能最佳，形成了稳定均一的蛋白网络。然而，当油相超过70%时油凝胶形成失败，可能归因于蛋白不足以支撑网络形成。此外，碱溶酸沉法获得的玉米须蛋白仍含有残留的非蛋白组分（特别是碳水化合物），可能影响其乳化、氧化稳定性和油凝胶形成。进一步纯化蛋白将有助于更精确地阐明结构-功能关系和油凝胶形成机制。未来可采用圆二色谱、内源荧光和分子量分布等分子水平分析手段验证pH诱导的结构变化。总体而言，本研究探索了未被充分利用的植物蛋白来源，研究了植物蛋白基油凝胶的结构和性质，为其在食品体系中的应用奠定了基础，特别是在减脂、营养强化和脂溶性生物活性物质递送方面具有广阔前景。
