基于pH响应改性的马铃薯蛋白/羧甲基壳聚糖的水-油-凝胶乳液：物理化学性质与控释特性

《Food Hydrocolloids》：pH-shifted potato protein/carboxymethyl chitosan-based water-in-oil-in-gel emulsions: physicochemical properties and controlled release

　　

摘要

利用pH值调整过的马铃薯蛋白（PP）和羧甲基壳聚糖（CMCS）复合凝胶作为外在的水相，开发了水-油-凝胶（W/O/G）乳液，用于表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）的输送。外在凝胶相是通过在固定Ca²⁺交联条件下，将pH值调整过的PP与CMCS结合制备而成的。PP通过碱性（pH 12）或酸性（pH 2）处理进行pH值调整，随后制备了不同W/O:G比例（4:6、3:7和2:8）的EGCG负载W/O/G乳液。系统研究了这些乳液的结构特性、流变性质、物理化学稳定性及释放行为。结果表明，碱性pH值调整显著增强了PP的结构和功能性能，促进了其与CMCS的更强相互作用，并形成了更加稳定的外在凝胶网络。所有W/O/G乳液均表现出典型的凝胶流变特征。在相同的相比例下，经过碱性处理的组别显示出最佳的物理稳定性。具体而言，在W/O:G比例为2:8的情况下，该乳液在冻融循环后仍保持超过87.28%的溶剂保留率，同时显示出最缓慢的EGCG释放速率；在模拟的胃肠道消化过程中，零阶模型最符合整体累积释放数据。这项研究为基于改性植物蛋白的递送系统的开发提供了一种新方法。

引言

在食品、制药和化妆品领域，活性成分的有效且稳定的递送始终是研究的重点。水-油-水（W/O/W）双乳液因其分隔结构而备受关注：内部水相包裹亲水性活性物质，油相提供防氧和避光的保护，外部水相确保其水分散性（Lamba等，2015；Li, Wu等，2025）。然而，传统的W/O/W乳液常会出现液滴凝聚和絮凝现象，导致活性成分过早释放。最近，凝胶网络稳定的双乳液，特别是水-油-凝胶（W/O/G）系统，作为一种有前景的替代方案出现。通过在外在水相中形成生物聚合物凝胶网络，W/O/G乳液显著提高了物理稳定性，并提供了对活性成分释放的精确调控能力（Ryu & McClements, 2026）。

W/O/G系统的性能很大程度上取决于外在水相凝胶网络的形成和强化，这通常依赖于蛋白质和多糖等生物大分子的自我组装或相互作用。马铃薯蛋白（PP）是一种营养均衡、低过敏性的植物蛋白，由于其两亲性具有良好的乳化潜力（Roberts-Harry等，2026）。然而，其天然功能特性强烈依赖于pH值。pH值调整处理——即先将其溶液调整至极端pH值（酸性或碱性），再恢复至中性——可以诱导可控的构象重排和聚集，显著改善凝胶化性能，并提供定制蛋白质界面行为的途径（Li, Liu等，2026）。纯蛋白质凝胶有时可能缺乏足够的机械强度或环境响应性。通过蛋白质与多糖的结合，可以利用它们的相互作用形成协同作用的复合凝胶（Tang等，2024）。羧甲基壳聚糖（CMCS）是一种可溶于水的壳聚糖衍生物，具有优异的成膜和生物黏附性能，可以通过分子相互作用与蛋白质形成复合物（Cao & He，2025）。将pH值调整过的PP与CMCS结合，有望协同构建出一个兼具强界面稳定性和三维凝胶网络的外在水相，为高性能W/O/G双乳液奠定基础。此外，引入Ca²⁺作为物理交联剂可以改变蛋白质表面电荷密度，促进凝胶网络的固化（Zhao等，2026），为系统提供了另一种强化手段。与广泛使用的蛋白质系统相比，PP来源于马铃薯淀粉工业副产品，具有更高的资源利用价值和可持续性。其分子组成（主要为支链淀粉和蛋白酶抑制剂）及其界面吸附和凝胶化行为与其他蛋白质有显著差异，赋予其在W/O/G系统中独特的结构形成和稳定特性。此外，现有的关于豆类蛋白/CMCS系统的研究主要集中在优化交联剂浓度和配方参数上，而对蛋白质构象变化及其潜在的结构调控机制关注较少。对于PP而言，不同pH值调整途径引起的构象重排如何调节其与CMCS的相互作用，以及这些变化如何影响W/O/G乳液凝胶网络的形成和EGCG的释放，目前尚不清楚。特别是在固定Ca²⁺交联条件下，酸性和碱性pH值调整引起的不同构象重排及其背后的机制尚未完全阐明。

因此，本研究采用PP作为蛋白质基质，在固定Ca²⁺交联条件下，通过pH值调整和CMCS的引入来构建W/O/G乳液凝胶系统。系统研究了pH处理和W/O:G比例对结构、物理化学性质、流变性能及EGCG释放性能的影响。这项工作扩展了pH响应性植物蛋白在W/O/G系统中的应用，并揭示了pH值调整过的PP与CMCS在形成凝胶网络和调控EGCG释放方面的协同机制，为开发高性能基于植物蛋白的递送系统提供了理论基础。

部分摘录

材料

PP（纯度：91.2?±?0.6?wt%）由中国西安的山西艾博尼有限公司提供。CMCS（CAS：83512-85-0，取代度?=?91.87%，分子量?=?36.7?kDa）由中国西安的陕西朗德生物科技有限公司提供。其他所有化学品均为分析级。

W/O乳液的制备

内部水相（W）是通过将EGCG（0.5% w/v）溶解在去离子水中制备的。油相（O）由玉米油和8%（w/v）的PGPR组成，在50?°C下连续搅拌60?分钟后完全溶解。

ζ电位和粒径

如图1A所示，PC-2组的绝对ζ电位显著低于PC-7组。这归因于PP在酸性条件下的正电荷增加及其分子链的伸展。在调整回中性pH后，其结构未能完全恢复，导致PP与CMCS之间的电荷中和。PC-12组的绝对ζ电位显著较高，这是由于PP的负电荷增加

结论

本研究成功使用了pH值调整过的PP和CMCS，在不同的W/O:G比例下构建了W/O/G乳液系统。结果表明，与酸性pH值调整（pH 2）和未处理对照组相比，碱性pH值调整（pH 12）显著改善了PP的结构和功能性能，从而促进了更强的PP-CMCS复合凝胶网络的形成。此外，降低W/O:G比例提高了物理稳定性。

作者贡献声明

赵旭：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，方法学，研究，概念化。张怀杰：验证，方法学。王凯丽：资源协调，研究。李建平：验证，形式分析。田波：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。王松：方法学，研究。

声明

所有作者声明，本文所述材料未在其他期刊上发表过（摘要形式除外），也未同时被其他期刊考虑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了黑龙江省自然科学基金的支持（LH2019C020）。

赵旭|张怀杰|王凯丽|李建平|田波|王松

东北农业大学食品科学学院，哈尔滨，150030，中国