pH驱动的卵白蛋白微凝胶/果胶复合颗粒自组装技术用于稳定高内相皮克林乳液

《Food Research International》:pH-driven self-assembly of egg white protein microgel/pectin composite particles for stabilizing high internal phase Pickering emulsions

【字体: 时间:2026年09月09日 来源:Food Research International 8.8

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  •研究了蛋清蛋白微凝胶(EWPM)与高甲氧基果胶(HMP)之间的相互作用、形成机制以及结构演变。•pH值和HMP浓度均影响了EWPM-HMP微凝胶颗粒的形成。•EWPM-HMP微凝胶颗粒表现出较低的界面张力和更好的润湿性。•在pH为5.0、HMP浓度为0.2%的条件下制备的EWP

  
  • 研究了蛋清蛋白微凝胶(EWPM)与高甲氧基果胶(HMP)之间的相互作用、形成机制以及结构演变。
  • pH值和HMP浓度均影响了EWPM-HMP微凝胶颗粒的形成。
  • EWPM-HMP微凝胶颗粒表现出较低的界面张力和更好的润湿性。
  • 在pH为5.0、HMP浓度为0.2%的条件下制备的EWPM-HMP具有最佳的乳化性能。
  • 添加HMP可以提高HIPPEs的稳定性,并促进乳液凝胶网络结构的形成。

引言

乳液是指由两种或两种以上不相溶的液相(油相和水相)混合形成的分散系统。通常,这些系统会通过物理化学过程(如凝聚、絮凝、奥斯特瓦尔德熟化)发生相分离,并且被认为在热力学上是不稳定的,这严重限制了它们在工业生产中的应用。目前,食品乳液系统正朝着环保、可持续、高稳定性和多功能性的方向发展。因此,人们对皮克林乳液的研究越来越重视。皮克林乳液是由纳米级或微米级的软质/固体颗粒稳定的胶体系统,这些颗粒不可逆地吸附在液-液或气-液界面,替代了传统的乳化剂。与传统乳液相比,皮克林乳液具有更强的抗凝聚性、抗奥斯特瓦尔德熟化能力,并且功能特性得到增强。当分散相的体积分数超过0.74时,会形成高内相皮克林乳液(HIPPEs)。由于其较高的内相体积分数和半固态特性,HIPPEs在食品工业、药物递送和脂肪替代方面具有广泛的应用潜力(Li, Liu等人,2023;Li, Guo, Dong, & Yang, 2023;Rehman等人,2024)。研究表明,界面层结构是维持乳液稳定性的关键因素(Cai等人,2023;Zhang, Zhang等人,2024;Zhang, Li等人,2024)。界面层增强了液滴密度,并降低了与连续相的密度差异,从而防止了相分离(Langevin,2023;Wang等人,2022)。此外,界面层提供了空间阻碍,抑制了液滴聚集,进一步提高了稳定性。在食品工业中,蛋白质、多糖和蛋白质-多糖复合物是最常用的界面稳定剂(Ribeiro, Morell, Nicoletti, Quiles, & Hernando,2021)。然而,传统的蛋白质和多糖往往难以在界面上保持其天然完整结构。在油-水界面上的吸附和重排可能导致它们从原始的紧凑构象中展开,从而暴露活性位点,进而导致稳定性降低(Lam & Nickerson,2013;Sun等人,2022)。因此,增强界面结构的稳定性对于提高乳液稳定性至关重要。
蛋清蛋白(EWP)是一种丰富且成本低廉的资源,由于其发泡和凝胶化特性,被广泛用于烘焙食品和肉制品中。然而,其乳化功能尚未得到充分研究(He, Xiao等人,2021;He, Liu, Zhao, Li, & Wang,2021)。在稳定的水环境中,大多数疏水性氨基酸被埋藏在全球蛋白质结构内部,限制了其天然的乳化能力(Yi等人,2024)。此外,表面活性分子的固有两亲性不平衡会增加界面吸附层的无序性,暴露出活性基团。这些界面膜中的结构缺陷促进了液滴的絮凝和凝聚,从而破坏了乳液系统的稳定性。因此,改进EWP的乳化性能至关重要。最近的研究表明,由适度交联的聚合物形成的软凝胶颗粒不仅保持了传统皮克林固体颗粒在油-水界面的不可逆吸附特性,而且还具有界面变形能力,能够形成致密、无缺陷的微凝胶界面层,且没有颗粒间隙。此外,微凝胶系统的三维网络结构有效地保护了蛋白质和多糖的天然构象。因此,研究人员越来越多地探索将其作为乳液中的皮克林稳定剂使用,取得了显著的稳定效果(Meshulam & Lesmes,2014;Sarkar等人,2016;Xiao, Li, & Huang,2015)。
随着微凝胶研究的进展,为了提高其乳化性能,人们越来越探索对其进行修饰或组合使用多种成分。研究表明,在基于蛋白质的乳液形成过程中加入多糖会对稳定乳液系统产生积极影响。多糖可以吸附在油-水界面或参与复合物的形成,从而对液滴提供空间阻碍。或者,它们可能会增加乳液的粘度(Shao等人,2020),有效限制液滴运动,防止系统不稳定。高甲氧基果胶(HMP)是一种经济可行且容易获得的植物来源的多糖,广泛用作食品系统中的增稠剂或凝胶剂,以增强连续相的粘度并达到所需的产品质地(Bouyer, Mekhloufi, Rosilio, Grossiord, & Agnely,2012)。研究表明,HMP可以通过静电吸附与各种蛋白质形成复合物,从而抑制蛋白质颗粒的聚集并改善其界面特性,这拓宽了其在乳液中的应用潜力。此外,蛋白质-HMP界面层的形成对乳液中油滴的结构组织具有保护作用。通过非共价相互作用形成的蛋白质-多糖复合物在最近的研究中作为乳化剂受到了广泛关注(Heidari-Dalfard, Tavasoli, Assadpour, Miller, & Jafari,2025)。这些复合物的功能特性取决于多种因素,包括所涉及的特定类型蛋白质和多糖、表面电荷的分布和密度、两种生物聚合物的浓度和比例,以及环境条件(如pH值)(Han, Zhu, Zhang, Liu, & Wu,2024;Schmitt & Turgeon,2011)。仔细考虑这些控制生物聚合物相互作用的关键因素对于引导它们成功自组装成稳定的复合物至关重要。
当前的研究主要关注传统的蛋白质-多糖复合物,而关于蛋白质微凝胶-多糖系统的研究仍然有限。在这项研究中,通过热均质化方法制备了蛋清蛋白微凝胶(EWPM)颗粒,并与HMP复合,以不同的pH值和HMP浓度构建了EWPM-HMP系统。系统地研究了pH值和HMP浓度对复合物形成的影响。使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、圆二色性(CD)和内源性荧光光谱分析了EWPM与HMP之间的相互作用机制以及HMP引起的EWPM构象变化。通过扫描电子显微镜(SEM)表征了系统的形态。此外,还根据乳化性能、微观结构和流变行为评估了乳液的稳定性。这项工作为开发由蛋白质微凝胶-多糖复合物颗粒稳定的乳液系统提供了简单而可持续的理论基础。

章节片段

材料

蛋清蛋白粉由湖北盛世农业科技有限公司(中国湖北荆门)提供。高甲氧基果胶(酯化度65%,柑橘皮提取)购自武汉特菲生物技术有限公司(中国武汉)。大豆油来自益海肯瑞食品营销有限公司(中国上海)。所有其他化学品和试剂均为分析级,购自新华化学试剂有限公司(中国上海)。

EWPM/EWPM-HMP的制备

储备液的制备:

浊度

生物大分子之间的相互作用可能导致聚集,可以通过浊度测量直接监测,以反映溶液中颗粒的组装程度(Li等人,2017)。为了研究EWPM和HMP是否相互作用形成颗粒复合物,评估了它们混合溶液的浊度(Souza, Souza, Heckert Bastos, & Garcia-Rojas,2018)。如图1A所示,复合溶液的浊度首先急剧上升,随后

结论

在这项研究中,通过pH驱动的自组装成功制备了新型食品级复合颗粒。最佳复合发生在pH为5.0时,主要是由带负电荷的HMP与EWPM表面的局部正电荷斑块之间的静电相互作用驱动的,同时氢键和疏水相互作用也起到了协同作用。与天然EWPM相比,EWPM-HMP复合颗粒表现出更好的结构

CRediT作者贡献声明

丁倩颖:撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化。张怡婷:数据分析。李兵:软件、数据分析。姚轩:验证、数据分析。胡赣:撰写——审核与编辑、资金获取、数据分析、概念化。金永国:撰写——审核与编辑、资源获取、资金获取。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物实验。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了现代农业科技研究专项基金(CARS-40-K24)、国家重点研发计划(2024YFF1106202)、成都科技计划(2024-YF05-01096-SN)和四川科技计划(2026NSFSC1028)的财政支持。
丁倩颖|张怡婷|李兵|姚轩|胡赣|金永国
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