油水比对角蛋白/明胶/黄原胶三元复合物原位稳定的纯柠檬精油皮克林乳液的响应

《Food Hydrocolloids》：Response of oil-water ratio on pickering emulsions of pure lemon essential oil in-situ stabilized by keratin/gelatin/xanthan gum ternary complex

　　

摘要

蛋壳膜（ESM）作为鸡蛋加工的副产品，具有很高的资源化利用潜力。柠檬精油具有优异的抗菌/抗氧化特性，但稳定性较差。本研究将来自废弃蛋壳膜的角蛋白和明胶与黄原胶结合，构建了三元生物稳定剂，并通过一步原位乳化法制备了高稳定性食品级柠檬精油Pickering乳液。系统探讨了油水比对乳液性质的影响。结果表明，5:5（v/v）的比例有利于形成致密界面膜、均匀的液滴分布以及具有良好的剪切变稀和自愈合行为的弹性交联网络。优化后的乳液载油量达到49.935%，能够承受严苛处理并稳定储存49天。其精油释放符合一级动力学模型，实现了有效的持续释放。过量的油相破坏了体系稳定性并导致相分离。本工作实现了蛋壳膜废弃物的高值化利用，并为精油包埋及食品相关应用提供了可行策略。

引言

食品级Pickering乳液已被广泛用作疏水性生物活性物质的有效载体，应用于功能性食品、活性包装、可食用涂层和保鲜系统，这得益于其优越的生物安全性、生物降解性和稳定的多功能特性（Li, Zhao, et al., 2025; Wang, Zhang, et al., 2024; Zhang, Guo, et al., 2025）。通过包埋不稳定的脂溶性成分，此类乳液能有效提高生物活性成分的水分散性、环境稳定性和生物利用度，并赋予食品针对性的抗菌、抗氧化和延长货架期功能（Wang, Zhang, et al., 2024; Zhang, Guo, et al., 2025）。柠檬精油（LEO）作为从柠檬皮中提取的天然绿色成分，几乎不影响食品的感官特性，并具有出色的抗菌、抗氧化和抗炎活性，在食品保鲜、风味调节和功能性食品开发方面显示出巨大潜力（Xia et al., 2024）。然而，其固有的高疏水性、强挥发性以及对光、热和氧的稳定性差严重限制了实际应用（Dhanasekaran et al., 2025）。直接将柠檬精油加入水性食品体系中容易导致快速相分离、活性成分流失和分布不均，从而降低其利用效率和功能性能。因此，开发绿色、安全、高效的乳化和包埋平台以促进柠檬精油的工业化应用至关重要。

在天然乳化剂中，蛋白质和多糖是制备食品级Pickering乳液最有希望的候选材料（Li, Zhao, et al., 2025）。明胶作为一种公认安全（GRAS）的食品级蛋白，具有优异的界面吸附能力、成膜性和乳化活性，被广泛用于乳液稳定（Talha et al., 2024）。蛋壳膜（ESM）是鸡蛋加工中大量未充分利用的农业副产品，可作为可持续的天然蛋白质资源（Payandeh et al., 2025）。富含角蛋白和胶原蛋白（明胶前体）的蛋壳膜可以低成本、可再生且与食品兼容的方式获得角蛋白-明胶二元蛋白，无需额外添加外源蛋白（Liu et al., 2024）。角蛋白是一种富含于蛋壳膜及其他农业废弃物中的纤维状结构蛋白，是一种可持续的低成本生物聚合物，具有固有的疏水性、生物相容性和成膜能力（Bhat et al., 2025）。然而，单一角蛋白在单独用作乳化剂时，存在柔韧性不足、乳化效率低和长期稳定性差的问题。黄原胶（XG）作为一种阴离子微生物多糖，能有效提高水连续相的粘度。其剪切变稀行为和水保持能力有利于加工操作并优化最终产品的感官质量（Karim et al., 2026）。它在构建疏水性生物活性载体和生物聚合物材料方面也表现出显著的协同效应，并能抑制乳液中的液滴合并、迁移和沉降（Pereira et al., 2026）。在预试验中发现，从蛋壳膜中提取的角蛋白与明胶结合后，在低pH条件下形成纤维状结构并表现出良好的乳化能力；然而，其稳定性较差。引入阴离子黄原胶显著增强了混合体系的稳定性，并促进了体系内的静电缔合。众多研究已证实，蛋白质-多糖复合物通过静电相互作用、氢键和疏水缔合发挥协同稳定作用，形成致密的界面层并增强乳液整体稳定性（Li, Zhao, et al., 2025）。然而，大多数现有研究采用由单一动物/植物蛋白与多糖匹配组成的二元稳定剂体系，如乳清蛋白微凝胶-蔗糖酯（Li, Li, et al., 2026）、大豆分离蛋白-果胶（Li, Cao, & Song, 2026）、Li, Li, et al., 2026和明胶-黄原胶（Sun et al., 2026）。其界面稳定主要依赖于单一蛋白的两亲性吸附及与多糖的弱静电络合，缺乏来自同一种生物质源两种内源蛋白的协同界面调控。既往文献表明，引入双蛋白体系可以提高蛋白质-多糖Pickering乳液的性能（Li et al., 2023）。

以往报道的Pickering乳液制备方案大多涉及繁琐的步骤，包括乳化稳定剂的预溶解、均质化和颗粒制备。例如，Li, Zhao, et al. (2025)制备的蛋清蛋白/果胶基稳定剂需要强制过夜水合和预先均质步骤。同样，Huang et al. (2026)也需要充分混合和均质才能生产蛋黄颗粒/结冷胶稳定剂。在Zhang, Guo, et al. (2025)和Zhan et al. (2024)报道的工作中，预先合成了纳米级稳定剂，进一步增加了整体制造过程的复杂性。大多数现有研究关注使用预合成的蛋白质-多糖复合物进行乳化，而具有简化步骤和低能耗的一步原位乳化策略仍较少被探索。更重要的是，据我们所知，基于蛋壳膜衍生的角蛋白-明胶/黄原胶三元体系的原位乳化和柠檬精油包埋的系统研究仍然缺乏。此外，大多数现有研究采用由大豆油与生物活性精油混合组成的混合油相，以提高油相的物理化学惰性（Wang, Zhang, et al., 2024）。例如，大多数载精油的Pickering体系用大量植物油（玉米油、向日葵油、中链甘油三酯）稀释纯精油，以改变精油的界面张力和挥发性（Yuan et al., 2026）。这种混合油相掩盖了柠檬精油独特的物理化学特性，包括高极性、挥发性抗氧化成分和强界面活性，因此以纯柠檬精油作为唯一油相的稳定化规律仍不清楚。相比之下，纯柠檬精油作为唯一油相的体积分数对所得Pickering体系的乳化稳定性具有决定性影响。这种新型绿色乳化体系的协同机制、界面组装行为、物理化学稳定性和功能特性仍不清楚。

为此，本研究旨在通过一步原位乳化策略构建新型食品级Pickering乳液，使用从废弃蛋壳膜中同步提取的角蛋白-明胶二元蛋白作为界面活性成分，黄原胶作为辅助稳定剂，以实现柠檬精油的高效包埋和保护，提高其生物活性功能的可及性。具体目标如下：(1)制备柠檬精油负载的角蛋白/明胶/黄原胶Pickering乳液；(2)探讨油水比对乳液粒径、微观结构、流变行为和储存稳定性的影响；(3)评估包埋效率、保留率和体外释放曲线；(4)评价乳液的抗氧化活性并阐明结构-功能关系。本工作为废弃蛋壳膜的高值化利用提供了可行的绿色策略，并为食品和活性包装领域天然精油递送系统的发展提供了新见解。

章节摘要

材料

黄原胶（阿拉丁，上海）：粘度600–1800 mPa·s（1% w/v于1% KCl中），Mw约1.5×10⁶ g/mol（GPC），D-葡萄糖/D-甘露糖/D-葡萄糖醛酸（2:2:1）以β-1,4键连接，带有丙酮酸/乙酸侧链。食品级柠檬精油（LEO，主要成分：柠檬烯）由江西安源植物香料有限公司供应。废弃蛋壳收集自哈尔滨当地居民。原材料用清水冲洗，浸泡于温水中进行物理分离

微观结构

如图1所示，所有红色油滴均被黑色连续相包裹，呈现典型的水包油（O/W）乳液特征。KER/GEL/XG三元体系有效抑制了油滴合并，保持了均匀且粒径较小的液滴分布。共聚焦激光扫描显微镜和光学显微镜结果均显示，油水比为5:5制备的乳液具有最高的油滴密度和最小的液滴

结论

本研究通过一步原位乳化策略，以蛋壳膜衍生的角蛋白-明胶/黄原胶三元复合物为稳定剂，成功制备了绿色食品级Pickering乳液。总结了油水（O/W）比的普适调节规律，阐明了其对乳液微观结构和多功能性能的影响。最优油水比为5:5，有利于组装致密完整的界面膜以及高度交联的

CRediT作者贡献声明

郭燕丽：写作—初稿，调查研究，形式分析，概念构思。刘立伟：验证，方法学，调查研究，形式分析。王军强：验证，方法学，形式分析。张华江：写作—审稿与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取。徐丽娜：资源，调查研究，资金获取，形式分析。黄云坡：资源，调查研究，资金获取，形式分析。李含玉：验证，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢以下资助：黑龙江省自然科学基金重点项目（ZD2023C003）；新一轮黑龙江省"双一流"学科建设协同创新成果项目（LJGXCG2024-P39）；黑龙江省现代农业产业技术体系协同创新与推广体系博士后专家项目；新一轮"双

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东北农业大学食品学院，哈尔滨，黑龙江，150030，中国