烷基链调控Pickering泡沫的界面工程用于藜麦蛋白分级分离：机理与功能升级

《Food Research International》：Interfacial engineering of alkyl-chain-tailored Pickering foams for quinoa protein fractionation: mechanisms and functional upgrading

　　

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  烷基定制碳酸钙用于藜麦蛋白分离中可调节的皮克林泡沫。
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  C12 月桂酸钠优化了润湿性和脱附能，抑制了聚并。
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  解决回收率 - 富集度悖论：94% 回收率，15 倍富集。
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  高效蛋白质分离与升级的可扩展策略。

引言

全球对可持续、高质量植物蛋白的需求使藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）成为营养科学和食品工程的前沿（Quevedo-Olaya 等，2025）。藜麦蛋白以其卓越的营养概况而著称，拥有可与动物来源相媲美的完整必需氨基酸谱（Singh 等，2021），其无麸质特性使其成为特殊饮食的重要组成部分。然而，要释放藜麦蛋白在功能性食品应用中的全部潜力，需要高效且温和的提取和纯化技术（Sharma 等，2025）。传统提取方法通常依赖极端的等电点沉淀或剧烈的热处理，这会从根本上损害蛋白质的结构完整性（Marques 等，2025），从而降低其水溶性和下游技术功能特性。相比之下，泡沫分离提供了一种优雅、节能的替代方案，在温和条件下操作，能保持蛋白质的结构和功能（Naderi 等，2026）。虽然这项技术已用于高表面活性蛋白，但仍面临一个严峻的挑战：如何使泡沫分级适应于藜麦等蛋白质，这些蛋白质本身表面活性低，产生的泡沫热力学不稳定且短暂（Van de Vondel 等，2023）。

将泡沫分离应用于低活性植物蛋白的主要障碍是泡沫柱的不稳定性，这对于实现同时的高回收率和富集至关重要。泡沫分级中存在一个根本性的悖论：虽然需要高泡沫稳定性以确保蛋白质回收，但泡沫内过多的液体保留（量化为高持液量）不可避免地会稀释泡沫液相并降低富集比（Kumar & Brooks, 2025）。当前策略通常涉及添加共同表面活性剂，这些物质缺乏特异性，并且经常竞争性地取代目标蛋白质从界面（Hou 等，2026）。传统上，向系统中添加小分子表面活性剂以通过增强起泡性来克服这一悖论。然而，这些传统表面活性剂在食品系统中的应用因其潜在毒性和严格的监管限制而受到严重限制。此外，化学表面活性剂通常通过强疏水相互作用诱导目标蛋白质的不可逆变性，并且臭名昭著地难以从最终浓缩产品中分离（Hering 等，2020）。一种更先进的方法是利用纳米粒子创建“皮克林泡沫”，其中固体粒子提供针对气泡聚并的卓越稳定性（Han 等，2023）。然而，未解决的科学问题是这些稳定粒子的润湿性是否可以精确调节以控制泡沫的持液量（Chen 等，2021），这是决定泡沫液相中目标蛋白质富集的关键因素（Wang 等，2025）。

本研究通过系统研究使用经不同烷基链长的生物基脂肪酸钠盐修饰的碳酸钙（CaCO₃）纳米粒子作为可调节稳定剂用于藜麦蛋白泡沫分离来解决这一差距（Oliver-Cuenca 等，2024）。在各种食品级皮克林稳定剂中，碳酸钙纳米粒子（CNPs）提供了独特且有说服力的优势。它们成本效益极高，易得，并且作为全球公认的安全食品添加剂具有卓越的生物相容性。此外，CNPs 的多功能表面化学允许通过简单的烷基链接枝实现快速、高效和精确的疏水定制，使其成为工程设计高可调性皮克林气 - 液界面的理想且卓越的平台。我们的创新在于系统地应用这种修饰以阐明基本的结构 - 界面 - 性能关系。我们假设脂肪酸的烷基链长直接控制碳酸钙纳米粒子的疏水性和界面吸附能。这种可调的润湿性将允许我们将泡沫从高不稳定状态转变为具有精确控制持液量特性的状态（Zhu & Wang, 2021）。通过改变链长（从 C4 到 C12），我们可以识别出一个最佳的“界面最佳浓度范围”，其中泡沫足够稳定以防止塌陷（确保高回收率），但允许足够的排水以最小化持液量（最大化富集）。

为了验证这一假设，我们用同系脂肪酸盐系列原位修饰了碳酸钙纳米粒子。通过 Zeta 电位、XPS 和 FTIR 确认了该功能化的成功（Barhoum 等，2015）。通过测量表面张力、接触角、泡沫半衰期和持液量，建立了修饰剂的分子结构与宏观泡沫行为之间的关键联系。最后，这些基本的界面特性与藜麦蛋白的回收百分比和富集比直接相关联。这项工作提供了一种机理理解，说明如何利用单一分子变量（烷基链长）理性设计纳米粒子稳定泡沫系统，以高效纯化具有挑战性的低活性功能蛋白。

虽然我们之前的工作（Hu 等，2025）证明了使用 C10 修饰纳米粒子的可行性，但它并未解决由不受控制的液体排水引起的根本回收率 - 富集度悖论。本工作的科学新颖性体现在三个方面。首先，我们引入了使用同系烷基链修饰剂（C4, C8, C12）的系统界面工程策略，以精确调节纳米粒子润湿性。其次，我们利用此工程化泡沫排水动力学，物理分离泡沫稳定性与持液量以克服分离悖论。第三，我们从根本上探索这种受控过程是否能诱导分级蛋白的结构重塑和功能升级。

章节片段

材料与试剂

本研究使用的材料，包括藜麦种子、原始碳酸钙纳米粒子（CNPs）、丁酸钠（SB）、辛酸钠（SC）、月桂酸钠（SL）、1,8 - 氨基萘磺酸（ANS）、其他分析级化学品和去离子水，以及它们各自的来源和规格，详见附录 S2。藜麦蛋白的提取程序提供在附录 S3.1。

CNPs 的原位表面功能化

为了系统研究修饰剂链长对

改性 CNPs 的表面功能化与理化表征

为了确凿地确认疏水官能团化学连接的成功的成功，并阐明烷基链长对粒子性质的影响，对原始 CNPs 和功能化变体（SB-CNPs、SC-CNPs 和 SL-CNPs）进行了全面的形态学、光谱和电动力学表征。

结论

在本研究中，我们利用理性工程的烷基链调控皮克林纳米稳定剂，成功地解耦了低表面活性植物蛋白泡沫分级中固有的持续回收率 - 富集度悖论。我们的多尺度调查得出了三个关键科学结论：

• (1)
  功能化碳酸钙纳米粒子的界面行为严格遵循特劳贝规则。将脂肪族尾链延伸至 C12（SL-CNPs）呈指数级放大

CRediT 作者贡献声明

Jiaqi Li: 写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念构思。Liuxuan Li: 可视化，验证，调查。Han Hu: 方法论，调查，正式分析。Yazhu Pei: 监督，调查，正式分析，概念构思。Yanfei Li: 验证，资源，方法论，调查。Nan Hu: 写作 - 原稿，监督，资源，方法论，调查，资金

未引用参考文献

Anoop, Pillai, Nickerson and Ragavan, 2023

Fiorito et al., 2022

Han, Zhu and Hua, 2025

Yan and Zhu, 2026

Zuo et al., 2016

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到山西省自然科学基金（编号 202503021211101）和山西省研究生创新项目（编号 2025XS434）的支持。

Jiaqi Li|Liuxuan Li|Han Hu|Yazhu Pei|Yanfei Li|Nan Hu