取代度依赖的界面结构调控基于OSA改性酵母膳食纤维的Pickering乳液多尺度稳定性

《Food Hydrocolloids》：Substitution degree-dependent interfacial architecture governs multiscale emulsion stabilization in OSA-modified yeast dietary fiber-based Pickering emulsions

　　

摘要

本研究探讨了辛烯基琥珀酸酐（OSA）诱导的结构调控如何决定酵母膳食纤维（YDF）的界面行为，并进一步影响多尺度乳液稳定。通过界面流变学和石英晶体微天平（QCM-D）表征界面结构的演变，并通过颗粒分析和稳定性分析阐明结构—功能关系。结果表明，OSA修饰显著改变了YDF在油-水界面的吸附行为，导致界面结构、液滴排列和网络形成发生变化。随着取代度（DS，0.0049–0.0409）的增加，吸附行为、界面粘弹性和结构组织呈现非单调变化，伴随从单链吸附到致密锚定吸附、最终到聚集体介导吸附的转变，进而决定乳液稳定性。在低DS（0.0049）下，疏水修饰不足限制了有效的界面组织。中等DS（0.0250）促进了致密且具有弹性的界面结构的形成，从而提高了液滴稳定性并增强了乳液网络结构。这些特征赋予乳液对抗上浮、聚结和Ostwald熟化的优异抗性。相比之下，较高的DS水平（DS ≥ 0.0338）引起分子聚集和异质界面吸附，尽管吸附动力学加快，但降低了界面完整性，削弱了长期稳定性。总体而言，乳液稳定性不仅取决于吸附效率，还取决于界面结构、液滴排列和体相网络结构在多个长度尺度上的协同演变。本研究建立了OSA诱导的结构调控、吸附模式演变、界面结构形成与多尺度乳液稳定之间的机制联系。

引言

随着消费者对天然、可持续和"清洁标签"食品日益增长的需求，生物基乳化剂和稳定剂作为合成表面活性剂的替代品展现出巨大前景（Bai等，2025）。乳液作为由两种互不相溶液体组成的典型分散体系，已广泛应用于食品、制药和化妆品工业，尤其是作为亲脂性生物活性化合物的有效载体（Kou等，2025；Wu等，2025）。然而，由于乳液固有的热力学不稳定性，在加工和储存过程中常发生聚结、絮凝和相分离等失稳现象（Kong等，2025；McClements & Jafari，2018）。因此，提高乳液稳定性仍是该领域的关键挑战。近年来，由固体颗粒稳定的Pickering乳液因其对聚结的优异抗性和相较于传统表面活性剂稳定体系的增强长期稳定性，已成为一种有前景的体系。

天然生物聚合物因其优异的生物相容性、可生物降解性和多样化的功能特性，越来越被认为是理想的乳液稳定剂（McClements & Gumus，2016；Yin等，2023）。其中，酵母衍生物质材料因其可持续性和丰富的可获得性而备受关注。酵母膳食纤维（YDF）是一种富含多糖的酵母蛋白加工副产品，因其可持续性和固有的界面活性而引起了越来越多的关注（Kong等，2025）。以往研究表明，YDF表现出固有的界面活性，在一定程度上可以稳定乳液（Kong等，2025）。然而，天然YDF相对有限的两亲性和较弱的界面吸附能力往往导致吸附动力学缓慢且界面组织不足，从而限制了其提供长期乳液稳定性的能力。因此，YDF稳定的乳液在储存过程中容易发生液滴聚集和相分离，严重限制了其在复杂食品体系中的实际应用。

化学修饰已被广泛用作提高多糖功能特性的有效策略，特别是在增强其两亲性和界面性能方面。在各种修饰方法中，辛烯基琥珀酸酐（OSA）酯化是最常用且最有效的方法之一（Tian Xu等，2023）。该修饰将疏水的辛烯基琥珀酸基团引入多糖主链，从而改善其两亲性和界面性能（Dai等，2026；Huang等，2024）。包括淀粉衍生物和罗望子多糖在内的OSA修饰多糖已被报道具有增强的乳化性能，其中OSA淀粉被广泛用作食品级乳化剂（Jiang等，2026；Kou等，2025；Wei等，2025）。然而，尽管OSA修饰在传统多糖中得到广泛应用，但OSA诱导的分子调控如何决定吸附行为、界面结构、液滴排列和体相乳液性能仍不够清楚。此外，将OSA修饰应用于酵母衍生的膳食纤维——一种可持续的富含多糖的生物量资源——在很大程度上尚未被探索。与传统的OSA修饰多糖不同，YDF是一种具有固有界面活性的颗粒状生物量，为调控颗粒吸附和Pickering乳液稳定提供了独特的平台。因此，阐明OSA诱导的结构调控如何引导吸附模式演变、界面结构形成和后续网络组织，对于理解YDF基Pickering乳液的多尺度稳定机制至关重要。

本研究制备了不同取代度的OSA修饰YDF，系统研究了结构调控、界面结构演变与乳液稳定之间的关系。结合界面吸附动力学、界面流变学和QCM-D来表征界面层的吸附行为和结构演变。进一步全面评估了相应Pickering乳液的物理化学特性、流变性能和失稳机制。研究特别着重于阐明OSA诱导的结构调控如何在多个长度尺度上决定界面结构、液滴排列和体相网络结构的协同演变。本研究建立了一个以界面结构为核心的机制框架，将分子结构调控与多尺度乳液稳定联系起来，为可持续多糖基乳化剂和结构化胶体递送系统的理性设计提供了新的机制见解。

各节片段

材料

酵母膳食纤维（YDF，多糖73.6%，蛋白质15.28%，水分3.7%，脂质4.1%）由安琪酵母股份有限公司（中国湖北）提供。辛烯基琥珀酸酐（OSA）购自Sigma-Aldrich（中国上海）。玉米油（山东鲁花集团有限公司，中国烟台）购自当地超市（中国武汉）。所有其他化学品和溶剂均为分析纯。

OSA修饰YDF（OYDF）的制备

配制1.5%（w/v）的多糖溶液，静置水合过夜。

OSA用量对OYDF取代度的影响

通过碱滴定法测定OSA修饰YDF的取代度，结果汇总于表1。OYDF-10、OYDF-15、OYDF-20和OYDF-25的实际取代度分别为0.0049、0.0250、0.0338和0.0409，表明随着OSA添加量的增加，OSA的接枝程度逐步提高。这些结果证实了OSA基团成功接枝到YDF主链上，并表明该修饰程序有效地调控了

结论

本研究系统建立了OSA诱导的分子结构调控、界面结构演变与酵母膳食纤维基Pickering乳液多尺度乳液稳定之间的机制关系。OSA修饰有效调控了YDF的界面行为，导致吸附模式随取代度呈现从单链吸附到致密锚定吸附、最终到聚集体介导吸附的转变。这些

CRediT作者贡献声明

黄其林：撰写—审阅与编辑，可视化，监督指导，项目管理，基金获取。陈洁玲：方法论，概念化。孔亚秋：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，软件，调查，正式分析，数据整理。

未引用参考文献

Kong等，2025；Wang等，2025；Wang等，2020；Wang等，2021；Xu等，2023；Xu等，2026。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金（31401652）和校企合作项目（2023-4201-13-000901）资助。

孔亚秋 | 陈洁玲 | 黄其林

华中农业大学食品科学技术学院、环境相关营养学教育部重点实验室，武汉 430070，中国