《Food Chemistry: X》：Elucidating interfacial-function relationships of lactoferrin-cellulose nanofibril complexes via multidimensional spectroscopy and QCM-D: interfacial anchoring and bulk stabilization mechanisms in robust Pickering emulsions
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相较于传统乳液，Pickering乳液因其由固体颗粒界面稳定化带来的优异物理稳定性和良好生物相容性，在食品、制药、化妆品和材料科学等领域引起了广泛关注。随着对“清洁标签”产品和可持续发展的日益重视，基于天然生物聚合物的颗粒在该领域吸引了大量研究兴趣。然而，单一
相较于传统乳液，Pickering乳液因其由固体颗粒界面稳定化带来的优异物理稳定性和良好生物相容性，在食品、制药、化妆品和材料科学等领域引起了广泛关注。随着对“清洁标签”产品和可持续发展的日益重视，基于天然生物聚合物的颗粒在该领域吸引了大量研究兴趣。然而，单一组分往往难以同时实现强界面吸附和稳健的空间屏障。本研究旨在合成乳铁蛋白（LF）-纤维素纳米纤丝（CNF）复合物，并系统探究其形成机制、界面性质及乳化性能。具体而言，研究人员采用一维和二维傅里叶变换红外光谱等技术阐明LF与CNF之间的相互作用机制。此外，应用石英晶体微天平（QCM-D）结合界面张力测量，揭示了复合物在油水界面的吸附特性。最终，研究人员以LF-CNF复合物为稳定剂制备了水包油（O/W）型Pickering乳液，系统研究了其微观结构、流变学特性和长期物理稳定性，并评估了环境变量的影响。研究表明，LF-CNF复合物在pH 6、质量比1:1时形成最佳。与单一组分相比，LF-CNF复合物在油水界面表现出更高的吸附量（287.04 ng/cm2），并能形成更厚、更致密的界面层。由其稳定的乳液呈现剪切稀化行为，并展现出改善的粘弹性和长达28天的稳定性。浓度为1.0 wt%的LF-CNF复合物可形成均匀的液滴，并在pH 4–10及≤100 mM NaCl条件下保持稳定。本研究为开发高性能、环境友好的“清洁标签”乳液产品提供了创新的材料选择和理论基础。
论文解读文章
1. 研究背景与目的
在食品、制药和化妆品等领域，Pickering乳液因其由固体颗粒稳定而具有优于传统表面活性剂稳定乳液的物理稳定性和生物相容性，因而备受关注。随着“清洁标签”和可持续发展理念的普及，基于天然生物聚合物（如蛋白质和多糖）的颗粒成为研究热点。乳铁蛋白（LF）是一种具有高营养价值和多种生物活性的糖蛋白，但其单独使用时在极端pH、高温或高离子强度下易发生构象变化，导致乳液失稳。纤维素纳米纤丝（CNF）作为一种可再生绿色纳米材料，虽可用于稳定水包油（O/W）乳液，但其较大的尺寸和强亲水性使其在稳定Pickering乳液方面表现不佳。因此，单一组分难以同时满足强界面吸附和构建稳健空间屏障的需求。尽管已有关于蛋白质-多糖复合物的研究，但对于LF与CNF之间的相互作用机制、复合物在油水界面的吸附动力学及其对Pickering乳液稳定性的系统调控原理仍缺乏深入阐释。为此，本研究旨在构建LF-CNF复合物，从分子水平协同调控界面行为和空间稳定作用，揭示其形成机制、界面性质及乳化性能，为开发高性能、环保的“清洁标签”乳液产品提供理论依据和创新材料选择。
2. 研究方法概述
本研究主要采用了以下关键技术方法：
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多维光谱技术：利用一维和二维相关傅里叶变换红外光谱（2D-COS-FTIR）阐明LF与CNF之间的非共价相互作用机制。
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界面表征技术：采用悬滴法测定界面张力，并使用石英晶体微天平（QCM-D）实时监测LF、CNF及LF-CNF复合物在模拟油水界面上的吸附动力学和质量变化。
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微观结构与性能表征：使用场发射透射电子显微镜（FETEM）、激光粒度仪、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）观察复合物及乳液的微观结构；使用流变仪评估乳液的粘弹性；利用乳液稳定性分析仪评价其物理稳定性。
3. 研究结果
3.1. LF、CNF及LF-CNF复合物的体相分析
通过Zeta电位测量发现，LF在pH低于8时带正电，CNF在整个测试pH范围（2-9）内均带负电。LF-CNF复合物在pH 6.0时表现出最高的绝对Zeta电位值（33.10 mV）和最佳的宏观稳定性，因此被确定为最优形成条件。接触角测量表明，当LF与CNF的质量比为1:1时，复合物的接触角最大（72.3°），显示出最佳的润湿性，并且其物理稳定性指数最小，综合性能最优。
3.2. LF与CNF间的相互作用
内在荧光光谱显示，与CNF复合后，LF的最大发射波长未发生位移，表明其三级结构未发生显著改变，但荧光强度增强，这归因于静电吸引引起的局部构象重排。FTIR分析表明，复合物的形成主要由氢键和静电相互作用等非共价作用驱动。二维相关光谱（2D-COS-FTIR）分析进一步揭示，在浓度扰动下，CNF的C-O-C伸缩振动（1055 cm-1）的变化先于羧酸根中C=O的不对称伸缩振动（1590 cm-1）。
3.3. 界面活性
界面张力测量结果显示，在整个浓度范围内，LF的界面张力始终低于CNF，表明在LF-CNF复合物体系中，界面行为可能由LF主导。LF-CNF复合物展现出的油水界面张力低于单独的LF或CNF，表明其相互作用产生了具有更强界面活性的体系。
3.4. QCM-D分析
QCM-D实验证实，LF和CNF可通过静电相互作用进行有效的逐层吸附，且这种相互作用足够强，使得吸附过程近乎不可逆。在模拟油水界面上，LF-CNF复合物的最终表观吸附量达到287.04 ng/cm2，分别是单独LF和CNF的约1.8倍和12倍，表明复合物形成了更稳定的界面层。
3.5. 吸附行为与界面厚度
通过聚苯乙烯乳胶微球模型系统定量评估界面层厚度。结果表明，所有LF-CNF复合物形成的界面层均比单一组分更厚，且在1.0 wt%浓度时达到最大值2195.23 nm。这归因于LF和CNF通过静电结合形成了更致密的复合界面层，增强了乳液抵抗外部环境压力的能力。
3.6. LF-CNF稳定的Pickering乳液
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稳定性与粒径：预制的LF-CNF复合物比简单的物理混合物能更有效地促进形成更小的液滴并提高乳液稳定性。乳液稳定性呈浓度依赖性，1.0 wt% LF-CNF复合物稳定的乳液在28天储存期内保持均一，液滴尺寸增长最小（从1.42 μm增至2.34 μm）。
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流变行为：所有乳液均表现出典型的剪切稀化行为。粘度随复合物浓度的增加而增大。频率扫描结果显示，损耗模量（G″）在所有频率范围内均高于储能模量（G′），表明体系以粘性行为为主，粘度的增强主要归因于连续相中未吸附的复合物。
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微观结构：CLSM图像确认了O/W乳液的形成，并观察到LF和CNF共同吸附在油滴表面。Cryo-SEM观察到乳液呈现规则的多层平行层状结构和液滴间纤维网络连接，证实了未吸附的LF-CNF在连续相中构建的三维网络结构。
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pH和离子稳定性：1.0 wt% LF-CNF复合物稳定的乳液在pH 4.0-10.0范围内和≤100 mM NaCl条件下表现出良好的储存稳定性，但在强酸性条件（pH 2.0）下稳定性下降。
4. 总结与结论
本研究的讨论部分指出，LF-CNF复合物稳定乳液的可能机制包括：（1）复合物吸附在油/水界面形成结构化界面层，作为保护屏障减少液滴聚结；（2）连续相中过量的LF-CNF复合物通过纤维间相互作用构建三维网络结构，限制液滴运动，从而有助于乳液的长期稳定。
研究结论部分翻译如下：本研究成功通过静电相互作用制备了具有优异乳化性能的LF-CNF复合物，并系统探讨了其形成机制、界面行为以及在稳定Pickering乳液中的结构-功能关系。结果表明，在pH 6.0、LF与CNF质量比为1:1时，复合体系表现出最佳稳定性。FTIR和2D-COS-FTIR进一步表明，在LF与CNF相互作用过程中，LF的酰胺II带发生了最显著的构象变化。QCM-D和界面厚度分析显示，与单一组分相比，LF-CNF复合物在油水界面表现出更高的吸附量，并在更高浓度下形成更厚、更致密的界面层，意味着界面膜具有更强的机械鲁棒性。当应用于稳定Pickering乳液时，这些复合物似乎促进了坚固界面涂层的形成，从而有助于提升所得体系的物理稳定性。在1.0 wt%浓度下，乳液呈现出致密均匀的液滴分布和良好的粘弹性。此外，所制备的乳液在宽pH范围（4.0-10.0）和离子强度条件（≤100 mM NaCl）下保持稳定，展示了其在不同环境条件下的潜在适应性。总体而言，本研究从分子相互作用、界面吸附行为到宏观乳液性能，对作为天然Pickering稳定剂的LF-CNF复合物进行了全面表征。尽管获得的实验证据支持所提出的稳定机制，但仍需进一步的直接分子层面研究（如分子动力学模拟或原位界面光谱技术）来阐明LF-CNF复合物在界面上的精确排列和相互作用。除了作为乳液稳定剂，LF-CNF复合物为构建功能性Pickering乳液提供了一个有前景的天然界面平台。未来的研究应进一步探索LF-CNF稳定的Pickering乳液在封装和递送敏感生物活性化合物方面的应用，包括其包封效率、胃肠道稳定性和控释行为。此外，在实际食品基质中进行结构优化和评估对于进一步推动基于LF-CNF的乳液体系在功能性食品配方中的应用是必要的。
