《Sustainable Food Technology》：Bio-based Schiff base-crosslinked dialdehyde cellulose/protein amyloid fibril hybrid emulsion gels for sustainable solid flavor carriers with improved freeze–thaw stabilityOpen Access
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本研究开发了一种基于双醛纤维素纳米原纤维（DAC）和乳清蛋白淀粉样原纤维（W-APFs）的席夫碱交联乳液凝胶，用于薄荷油的封装和冻融稳定化。DAC具有高醛基含量和优异的乳化能力，能够有效稳定Pickering乳液。光谱分析以及耐变性剂、醛基还原和游离氨基测定均
本研究开发了一种基于双醛纤维素纳米原纤维（DAC）和乳清蛋白淀粉样原纤维（W-APFs）的席夫碱交联乳液凝胶，用于薄荷油的封装和冻融稳定化。DAC具有高醛基含量和优异的乳化能力，能够有效稳定Pickering乳液。光谱分析以及耐变性剂、醛基还原和游离氨基测定均证实了DAC与W-APFs之间通过席夫碱介导形成了共价网络。与水凝胶体系相比，所得乳液凝胶表现出增强的粘弹性和结构强度。经过三次冻融循环后，乳液凝胶保持了良好的稳定性，未出现明显的相分离或漏油现象，液滴尺寸仅略有增加。电子鼻分析表明，该乳液凝胶保留了薄荷油的特征香气轮廓，同时调节了整体顶空挥发性响应。这些结果表明，DAC/W-APFs乳液凝胶是可持续的固态风味载体系统，具有改善的冻融稳定性和可调节的顶空挥发性响应。
**论文解读：基于席夫碱交联的双醛纤维素/蛋白质淀粉样原纤维乳液凝胶——面向可持续固态风味载体的冻融稳定化策略**
**一、研究背景与现存问题**
食品乳液作为疏水性风味化合物及其他亲脂性生物活性物质的递送载体，在食品工业及相关递送系统中具有广泛应用，因其能够改善油相在水相体系中的分散性。然而，乳液仅具有动力学稳定性，在加工和储存过程中极易发生物理化学失稳。特别是冻融等环境胁迫常诱导液滴絮凝、聚结、乳析、析油及相分离等现象，极大限制了乳液体系的实际应用。从可持续食品技术角度出发，这种不稳定性还会导致风味损失、品质劣化、货架期缩短及产品浪费增加。
冻融引起的乳液失稳通常涉及多个同步发生的事件：冷冻过程中水分结晶减少了未冻连续相的体积，迫使油滴相互靠近，从而增加液滴碰撞和聚集的概率；同时冰晶的形成可破坏液滴周围界面膜，导致部分聚结或不可逆聚结；此外，未冻相的冷冻浓缩改变了局部离子强度、渗透压、粘度和pH值，进一步削弱液滴间排斥力，加速乳液破坏。因此，提高乳液抵抗冻融诱导的界面损伤和液滴迁移的结构耐受性，是设计稳定乳液体系的重大挑战。
将乳液转化为乳液凝胶被认为是克服上述局限性的有效策略。乳液凝胶兼具乳液的封装能力与凝胶网络的机械支撑作用，液滴被固定于三维基质中。该网络可作为物理屏障，限制液滴运动、减少液滴碰撞并抑制絮凝、聚结和漏油。近年来研究表明，强化界面结构或本体凝胶网络均可通过减少脱水收缩、限制水分迁移以及保护液滴免受冰晶形成造成的机械损伤，显著改善乳液凝胶的冻融稳定性。
由固体颗粒稳定的Pickering乳液因其颗粒在油/水界面具有强烈且往往不可逆的吸附特性，能够提供有效的物理屏蔽和空间位阻以阻止液滴聚集而受到越来越多的关注。然而，仅靠界面稳定往往不足以完全抵抗冻融损伤，仍需额外的结构约束来进一步提高颗粒稳定乳液的稳定性。可反应的生物聚合物组合能够先稳定乳液，再形成共价交联的凝胶网络，此类体系尤为引人注目。
**二、研究目的与创新策略**
基于上述背景，研究人员采用双醛纤维素纳米原纤维（DAC）以薄荷油为模型油相制备Pickering乳液，随后添加乳清蛋白分离物来源的淀粉样蛋白原纤维（W-APFs），通过席夫碱反应诱导凝胶化，旨在构建一种DAC界面稳定与DAC/W-APFs凝胶基质本体网络约束协同稳定乳液液滴的乳液凝胶体系。该策略的核心创新在于"先稳定、后凝胶化"的两步法：首先利用DAC的Pickering界面稳定能力形成乳液，再通过席夫碱共价交联将液滴锁定在三维网络基质中，实现界面稳定与本网络约束的协同增效。该工作为利用可再生多糖/蛋白质构筑单元开发结构稳健的乳液凝胶以稳定亲脂性活性物提供了可持续策略。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用了多种关键技术手段：通过高碘酸钠氧化纤维素纳米原纤维制备DAC，通过热酸诱导乳清蛋白分离物自组装形成W-APFs；采用超声乳化法制备DAC稳定的水包油Pickering乳液；通过醛基-氨基席夫碱反应在40°C、pH 4.5条件下形成凝胶。表征手段包括原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、流变学测量、扫描电子显微镜（SEM）、动态光散射（DLS）、茚三酮法测定游离氨基含量、耐强变性剂实验及电子鼻气味分析。
**四、研究结果**
**4.1 DAC的制备与表征**
AFM图像显示DAC呈短纤维形态，在水云母表面分散均匀，纤维长度主要分布在105–270 nm之间，多数集中在170–180 nm。动态光散射测得DAC分散液的平均流体动力学直径（Dh）为182.07 ± 3.67 nm。ζ-电位为?1.90 ± 0.47 mV，表明其表面电荷接近中性，分散稳定性主要依赖空间位阻和水化作用。盐酸羟胺法测得DAC醛基含量为12.02 mmol g?1，与文献报道的完全氧化DAC醛基含量（11.7 mmol g?1）接近，表明本研究制备的DAC具有高氧化度。XRD分析显示，经高碘酸钠氧化后，DAC仍保留部分纤维素I型晶体结构，但衍射峰明显宽化，相对结晶度（CrI）从CNF的81.6%降至DAC的38.9%。FTIR光谱中，DAC在1730 cm?1处出现新的C=O伸缩振动峰，直接证实了醛基的形成；β-糖苷键相关谱带从896 cm?1移至879 cm?1，与高碘酸盐氧化纤维素中半缩醛结构的形成一致。
**4.2 W-APFs的微观结构**
TEM图像显示，所得W-APFs呈柔性长纤维状结构，长度达数微米，部分区域存在重叠和轻微缠结。凭借高长径比和微米级长度，W-APFs能够跨越凝胶基质，作为水凝胶和乳液凝胶体系中有效的网络构建元件。其表面暴露的氨基可通过席夫碱反应与DAC的醛基反应形成共价交联，同时还可通过氢键和疏水相互作用等非共价作用进一步增强凝胶结构。
**4.3 DAC的乳化能力**
表面覆盖度分析表明，不同DAC浓度制备的乳液界面覆盖度均高于99%，表明DAC在所有测试条件下均能有效覆盖薄荷油/水界面。荧光显微镜观察证实，经FB 28染色后液滴表面出现明显蓝色荧光层，经尼罗红染色后油相呈橙黄色荧光，直接证实DAC在油/水界面的吸附行为，确认其可作为Pickering乳化剂。DAC浓度对乳液液滴尺寸有显著影响：D(3,2)从0.8 mg mL?1时的44.8 μm降至20.0 mg mL?1时的3.9 μm，表明较高DAC浓度改善了界面覆盖度，促进形成更小且更稳定的乳液液滴。
**4.4 水凝胶与乳液凝胶**
SEM观察显示，冻干水凝胶呈交错层状结构，具有不规则孔隙；乳液凝胶则呈现更粗糙和多孔的结构，具有大量圆形空腔，这些空腔可能是冻干及SEM样品制备过程中薄荷油液滴移除后形成的，进一步表明薄荷油液滴被有效固定在乳液凝胶网络中。冻干后乳液凝胶形成淡黄色粉末，表明其作为固态风味添加剂的潜在应用价值。
化学交联的验证通过多方面证据完成：FTIR光谱中，水凝胶中醛基峰显著减弱，同时在1632.4 cm?1处出现明显吸收峰，归属于W-APFs酰胺I带与席夫碱C=N伸缩振动的重叠贡献；W-APFs酰胺II峰从1528 cm?1移至1518 cm?1。XPS分析显示，水凝胶C 1s谱中286.40 eV处出现可归属于C-O、C-N和C=N物种重叠的组分，N 1s主峰从399.72 eV移至399.86 eV，高结合能组分从401.53 eV移至401.81 eV，表明与DAC相互作用后W-APFs中酰胺氮、氨基或质子化氨基的电子环境发生变化。耐强变性剂实验表明，W-APF凝胶在8.0 M尿素、6.0 M盐酸胍和10.0 mg mL?1 SDS处理后出现不同程度的结构破坏，而DAC/W-APFs水凝胶在所有三种强变性介质中浸泡24小时后仍保持完整，倒置时仍能自支撑。醛基还原实验显示，经NaBH?还原后DAC醛基含量从12.02降至0.73 mmol g?1，降幅达94.0%，此时rDAC与W-APFs混合无法形成自支撑水凝胶。茚三酮分析表明，DAC/W-APFs体系中仅保留13.2%的初始游离氨基，而rDAC/W-APFs体系中保留了68.7%。这些结果共同证实DAC醛基与W-APFs氨基通过醛-胺缩合反应参与席夫碱介导的网络形成。
流变学结果表明，DAC、W-APFs及DAC/W-APFs水凝胶均表现出明显的剪切稀化行为。水凝胶和乳液凝胶在整个频率范围内G′均高于G″，且无交叉现象，表明形成了稳定的弹性凝胶网络。乳液凝胶在整个频率范围内的G′值持续高于水凝胶，这归因于油滴在凝胶网络中的增强效应：DAC吸附在油/水界面后，其残余醛基可进一步与W-APFs上的氨基反应，在分散油滴与连续纤维网络之间建立界面连接，使强耦合的油滴充当活性填料和应力传递节点，限制纤维运动并增强乳液凝胶抵抗动态变形的能力。
**4.5 乳液凝胶的冻融稳定性**
经一次冻融循环后，阴性对照（仅DAC稳定的Pickering乳液）即出现明显相分离，表明虽然DAC单独足以稳定新鲜制备的Pickering乳液，但无法形成连续凝胶网络，不足以防止冻融处理过程中的乳液失稳。相比之下，乳液凝胶在三次冻融循环后仍保持均质外观，无可见相分离或漏油现象。粒径分析证实，液滴尺寸仅随冻融循环次数略有增加，可能归因于冰晶形成和融化对油滴界面层和连续相凝胶网络的有限局部破坏。总体而言，乳液凝胶在连续三次循环中有效限制了冻融诱导的液滴增长和宏观相分离。
**4.6 电子鼻风味分析**
电子鼻雷达指纹图谱显示，薄荷油和乳液凝胶样品中传感器S2、S7、S8、S9和S13表现出相对较强的响应，其中S8对总体信号贡献最大。乳液凝胶样品保留了薄荷油的主要挥发性特征，但总体响应强度弱于纯薄荷油，表明乳液凝胶网络对挥发性化合物的释放具有一定调控作用。主成分分析（PCA）显示，PC1和PC2的方差贡献率分别为93.66%和3.34%，累计贡献率达97.00%。沿PC1方向，纯薄荷油与乳液凝胶呈重叠分布，表明其总体气味特征相似；沿PC2方向存在一定分离，主要与传感器响应强度差异相关，而非主导气味组成的变化。
**五、讨论与结论**
研究表明，DAC具有高醛基含量和良好的纳米级分散性，能有效吸附在油/水界面稳定薄荷油液滴，并提供反应性醛基位点。DAC与W-APFs通过席夫碱反应形成复合交联网络，有效固定油滴。所得乳液凝胶在连续三次冻融循环中表现出改善的抗宏观相分离和液滴增长能力，同时保留薄荷油的主要风味特征并调节其顶空挥发性响应。该研究为基于多糖-蛋白质纤维复合网络构建精油负载乳液凝胶提供了可持续策略，为风味化合物的稳定封装和可控释放提供了参考。该工作主要契合联合国可持续发展目标SDG 2、SDG 9和SDG 12，通过增值化利用纤维素和食品蛋白质构筑单元，增强风味递送系统的耐久性，支持更资源高效的食品配制和储存方式。
