高酰基结冷胶-酪蛋白酸钠乳液在不同pH条件下的界面和流变特性表征

《Foods》：Interfacial and Rheological Characterization of High Acyl Gellan Gum–Sodium Caseinate Emulsions Under Varying pH Conditions

　　

酪蛋白酸钠（SC）稳定的乳液在蛋白质等电点（pI）附近极易发生絮凝和相分离，限制了其在酸化食品体系中的应用。在本研究中，研究人员引入高酰基结冷胶（HA）来构建pH响应的蛋白质-多糖复合物，以调控SC乳液的界面组装和稳定性。结果表明，HA主要通过静电吸引和多点氢键与SC相互作用。这种相互作用诱导蛋白质构象重排，且结合结构分析和计算分析证实，促进了更致密、相互连接的复合网络的形成。HA-SC复合物的形成显著增强了界面吸附，降低了油-水界面张力。流变学和微流变学分析显示，该复合系统形成了以弹性为主导的弱凝胶网络，限制了液滴迁移并抑制了聚集。因此，与纯SC乳液相比，HA-SC乳液表现出显著改善的pH耐受性和物理稳定性，尤其是在pI附近，表现为液滴尺寸减小、Turbiscan稳定性指数降低以及微观结构更均匀。关键的是，利用固定HA和SC浓度的明确机理模型，本研究在宽pH范围内定量关联了分子相互作用、界面网络重建和宏观乳液稳定性。pH分辨描述符的秩相关分析显示，分子电荷状态与界面网络和宏观稳定性呈单调共变，并与液滴迁移率呈反向耦合。这些发现为蛋白质-多糖界面工程提供了新见解，为未来理性设计耐酸食品乳液和功能性递送系统奠定了必要的物理稳定性基础。

**论文解读：高酰基结冷胶-酪蛋白酸钠乳液的多尺度pH响应稳定机制**

**研究背景与问题**
水包油（O/W）乳液是食品工业中的常见体系，其稳定性高度依赖油-水界面的吸附层。酪蛋白酸钠（SC）作为广泛使用的蛋白乳化剂，在接近其等电点（pI≈4.6）时因净电荷趋零而失去静电排斥，导致液滴严重絮凝、分层和相分离，这极大限制了其在酸性食品（如发酵乳饮料、植物基配方）中的应用。为拓展SC乳液的pH操作窗口，将蛋白质与阴离子多糖进行静电复合是常用策略。高酰基结冷胶（HA）作为一种线性阴离子胞外多糖，在食品相关pH范围内保持均匀负电荷密度，并具备多个氢键给体和受体，被认为是SC的理想结构伴侣。然而，此前研究大多局限于局部界面现象或特定环境胁迫，缺乏从分子尺度（单链桥接、二级结构重排）到界面和宏观稳定性（液滴动力学、流变学）的系统关联。因此，研究人员旨在通过固定SC和HA浓度的简化模型体系，在完整食品级pH范围（3.0–11.0）内建立分子事件、网络形成与乳液稳定性之间的多尺度定量联系，为设计耐酸乳液提供物理稳定性基础。论文发表在《Foods》。

**关键技术与方法**
研究人员采用以下主要技术方法：
- ζ-电位和动态光散射（DLS）表征HA-SC复合物的表面电荷和粒径；
- 全原子分子动力学（MD）模拟（GROMACS/CHARMM36力场）分析HA与SC的单链桥接和氢键网络；
- 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析二级结构变化；X射线衍射（XRD）分析空间堆积；差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）评价热稳定性；
- 动态界面张力（悬滴法）测量油-水界面吸附行为；
- 小振幅振荡剪切流变学（bulk rheology）和扩散波谱（DWS）微流变学分别表征宏观和微观粘弹性及液滴动力学；
- 多次光散射（Turbiscan）和激光共聚焦显微镜（CLSM）评估宏观稳定性和微观结构。所有样品为实验室制备，无特定人群队列来源。

**研究结果**

**3.1 pH依赖的HA-SC复合物静电组装行为**
通过ζ-电位和粒径测量发现，SC在pH≈4.6发生电荷反转，而HA-SC复合物的表观pI偏移至约4.2。在pH 6.0–7.0时形成可溶性复合物（粒径123–327 nm）；pH<5.0时粒径急剧增大至902 nm，出现不溶性凝聚体（coacervates），在pH≈4.2达到最大聚集尺寸（约6858 nm）；pH<3.5时因HA羧基质子化而导致部分解离和再分散。浊度相图表明HA显著延缓并调控了SC的酸诱导聚集。

**3.2 HA-SC复合物中的分子相互作用与结构重排**
MD模拟显示HA与SC之间形成多个氢键，且单条HA链可能通过多价桥接同时结合多个SC分子。FTIR中酰胺I带解卷积表明，复合后β-折叠含量从32.02%升至42.75%，α-螺旋和无规卷曲含量下降，提示SC发生了构象重排并形成更致密的互穿网络。XRD衍射峰增强（如2θ=9.02°和19.38°）证实了更紧密的分子堆积。DSC和TGA显示复合物的热变性温度升高、热解过程延迟，表明非共价交联增强了结构刚性。

**3.3 界面吸附与粘弹性网络形成**
动态界面张力实验表明，HA-SC复合物比纯SC更快降低油-水界面张力，平衡张力从20.87 mN/m降至19.78 mN/m。稳态剪切测试显示HA-SC乳液在pH 5.0时粘度最高（与静电吸引增强相关），而纯SC乳液在pH 5.0附近粘度骤降。频率扫描中HA-SC乳液的储能模量（G'）始终高于损耗模量（G"），且tanδ在0.44–0.69之间，表明形成了以弹性为主的弱凝胶网络。DWS微流变学进一步显示，HA-SC乳液的强度自相关函数衰减更慢，均方位移（MSD）斜率小于1（如pH 5.0时为0.731），表明液滴被限制在亚扩散运动状态，微粘度升高，证实了局部笼效应和结构约束。

**3.4 乳液的pH响应稳定性与微观结构演化**
Turbiscan分析显示，纯SC乳液在pH 3.0–11.0范围内出现明显的背散射变化，尤其在pH 5.0时顶部信号上升、底部信号下降，表明严重分层。而HA-SC乳液在pH 5.0–9.0范围内背散射曲线几乎重叠，全局Turbiscan稳定性指数（TSI）显著降低。液滴粒径测量表明，在pH 5.0时，HA的加入使表面加权平均直径（D₃₂）降低96.52%，体积加权平均直径（D₄₃）降低27.90%。CLSM图像显示HA-SC乳液液滴更小、分布更均匀，无肉眼可见聚集。Spearman秩相关分析建立了从分子（ζ-电位）、界面/网络（网络弹性）到宏观稳定性（TSI和液滴直径）及液滴动力学（MSD斜率）的定量关联：分子电荷状态与网络弹性呈正相关（ρ=0.82–0.90，p<0.01），网络弹性与宏观稳定性呈正相关（ρ=0.82–0.83，p<0.01），两者与液滴迁移率呈显著负相关（ρ=?0.72至?0.83）。在极端pH（3.0和11.0）下，因HA质子化或脱酰作用导致网络失效，稳定性下降。

**总结讨论与研究结论**
讨论部分指出，HA通过静电吸引和多点氢键与SC形成致密粘弹性网络，该网络同时增强界面吸附和连续相结构，有效抑制液滴运动，从而在宽pH范围内（尤其pI附近）显著提升乳液稳定性。研究结论（翻译自原文第4节）：本研究绘制了高酰基结冷胶（HA）与酪蛋白酸钠（SC）的pH依赖性组装图谱，并将其与O/W乳液的多尺度稳定性相连接。HA的引入重塑了SC的表面电荷分布，使复合物的表观等电点从pH 4.6偏移至约4.2。在静电吸引和多点氢键驱动下，SC发生构象重排，β-折叠含量从32.02%上升至42.75%，促进了致密的分子间网络。在油-水界面，复合作用加速了生物聚合物吸附，使平衡界面张力降低至19.78 mN/m。同时，HA-SC复合体形成了以弹性为主导的弱凝胶，物理上限制了液滴运动，表现为在pH 5.0时亚扩散均方位移斜率为0.731。跨尺度秩相关分析证实，分子电荷状态与界面及宏观稳定性描述符呈单调共变（ρ=0.82–0.90，p<0.01），并与液滴迁移率呈反向耦合（ρ=?0.72至?0.83）。因此，HA补偿了SC在其等电点附近的内在不稳定性，在pH 5.0时使表面加权平均直径（D₃₂）较纯SC乳液降低96.52%，并在宽pH范围（pH 5.0–9.0）内抑制了宏观相分离。这些发现是在限定的模型体系（固定0.2% w/v SC和0.125% w/v HA，10% v/v油）以及简化的纯水相分子动力学模拟（作为局部非共价对接的定性说明，而非体相行为的定量预测器）中获得的。未来工作应探索更宽的SC/HA质量比和更高油相体积分数（如高内相乳液HIPE），评估体外胃肠道稳定性和生物可及性，并在真实食品基质（如蛋黄酱、半固体调味酱、发酵饮料）中验证其在实际加工应力下的性能。