通过酪蛋白-纳米纤维素复合材料并在超声辅助下稳定的高内相乳液

《Food Chemistry》：High internal phase emulsion stabilized by casein-nanocellulose composite with the aid of ultrasound

超声处理可优化乳清蛋白与纤维素纳米晶体（CA-CNC）的复合结构，降低粒子尺寸并形成均匀纤维网络，显著增强氢键作用和界面活性，使高内相乳液（HIPEs）在4℃下稳定储存15天未分层，氧化值（TBARS）降低，同时提升弹性模量（G'）和粘度，为开发高性能食品级乳化剂提供新思路。

　　

沈张月|王秀琴|徐先兵|李胜杰|刘圆圆|王玉刚|孙海荣|朱振华|潘金峰

国家海洋食品加工与安全控制重点实验室-国家海洋工程研究中心，辽宁省省部共建海洋食品深加工协同创新中心，大连中国预制食品技术创新中心，大连工业大学食品科学与技术学院，中国大连

摘要

本研究利用超声波（U）对纤维素纳米晶体（CNC）与酪蛋白（CA）进行改性。与仅使用CA-CNC相比，超声波处理（U-CA-CNC）降低了颗粒尺寸并形成了均匀的纤维网络。分析表明，由于超声波的作用，CA与CNC之间的氢键得到了增强。U-CA-CNC和CA-CNC显著改善了界面性能：接触角增大，而界面张力显著降低。因此，由这些改性颗粒稳定的高内相乳液（HIPEs），特别是在CA:CNC比例为1:1.5或1:2时，具有更小的液滴尺寸、更高的弹性（G'）和更高的粘度。这些HIPEs在4°C下放置15天后仍保持稳定，即使倒置也不会分层，并且氧化程度较低（TBARS值较低）。超声波有效改善了CA-CNC的界面性能，从而制备出了具有优异流变特性的稳定HIPEs。

引言

高内相乳液（HIPEs）是指内相体积占比超过74%的乳液。近年来，由于其卓越的自支撑性和粘弹性，HIPEs已成为化学、食品和制药行业的研究热点。特别是在食品工业中，HIPEs能够在不进行氢化的情况下将液态油转化为固态油，为改善食品的质地、营养和风味提供了新方法（Liu, Lin等人，2021）。HIPEs通常由固体颗粒稳定，这些颗粒可以不可逆地吸附在油水（O/W）界面，从而稳定乳液（Shi等人，2020）。生物来源的固体颗粒因其高安全性、可再生性和生物降解性而受到广泛关注。多糖如淀粉、壳聚糖、纤维素等以及蛋白质（包括乳清蛋白、大豆蛋白等）是食品HIPEs中常用的稳定剂。蛋白质具有较高的表面活性，具有优异的界面吸附性能，但其稳定效果容易受到温度、pH值和离子强度的影响，导致HIPEs的不稳定性（Chen等人，2018）。多糖在水相中可以形成一层致密的空间阻隔层，提供静电排斥力以防止乳液液滴聚集，但它们的乳化能力和表面活性通常有限（Ashaolu & Zhao，2020）。幸运的是，通过组合使用蛋白质和多糖可以克服单一成分作为乳化剂的局限性，从而显著提高HIPEs的结构性能和物理稳定性（Ribeiro等人，2021）。 纤维素纳米晶体（CNC）是通过化学、物理或生物酶处理去除纤维素无序部分后形成的棒状或针状纳米颗粒，具有较高的结晶度（Kargarzadeh等人，2018）。由于其高长径比和生物相容性，CNC被广泛用作皮克林乳液的稳定剂（Li等人，2023）。然而，CNC含有大量的羟基，具有较高的亲水性，这限制了其作为HIPEs稳定剂的性能。尽管如此，CNC与蛋白质的复合物在多种条件下都能增强HIPEs的稳定性（Chuesiang等人，2023）。研究表明，牛血清白蛋白与CNC的复合物具有微米级尺寸和低表面电荷，可作为HIPEs的良好稳定剂（Liu等人，2018）。Li等人还报告称，乳铁蛋白与CNC结合使用可提高皮克林乳液的稳定性（Li等人，2023）。酪蛋白（CA）主要由α1-酪蛋白、α2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白组成，这些都是具有高表面活性的线性两亲性大分子（Xu等人，2017）。其开放结构和两亲性使它们能够快速扩散并在油滴界面形成一层（Abd El-Salam & El-Shibiny，2020）。因此，CA-CNC可能是HIPEs的良好稳定剂。CA与CNC的复合物由于分子量增加和强两亲性，可以提供更稳定的复合颗粒。此外，CNC来源于可再生且丰富的纤维素资源，而CA来自牛奶，成本低廉且营养价值高，使其成为安全健康的食品级稳定剂。 作为一种非热加工技术，超声波能够改变食品材料的物理、结构和功能特性。这主要是通过空化作用实现的，空化过程中产生的微小气泡的生成和破裂会产生强烈的局部剪切力，从而导致食品物质的降解和解聚（Tian等人，2024）。研究发现，超声波可以有效地改变蛋白质的构象，使其亚单位解离或聚集，从而改善界面性能（Sun等人，2023）。Tao等人和Yu等人证明，超声波破坏了肌纤维蛋白的结构，暴露出更多的疏水区域，并增强了其在O/W界面的吸附能力（Tao等人，2024；Yu等人，2022）。超声波还能分解多糖，提高其乳化性能。有报道称，经过超声波处理的果胶表现出更高的乳化活性和稳定性（Yang等人，2020）。在一项关于豌豆蛋白和亚麻籽胶的研究中，超声波减小了豌豆蛋白和亚麻籽胶复合物的尺寸并提高了其乳化能力（Yang等人，2023）。因此，推测超声波可能改善复杂生物大分子的界面性能。 本研究旨在利用超声波探究CA与CNC之间的相互作用，并评估它们稳定HIPEs的潜力。研究了CA、CNC、CA-CNC及其经过超声波处理后的物理化学性质，并对由此稳定的HIPEs进行了表征。该研究将为利用纤维素和蛋白质复合物生产食品用HIPEs提供有益的见解。

材料与化学品

大豆油由上海亿海凯瑞金龙食品集团有限公司生产。酪蛋白购自上海阿拉丁生物化学技术有限公司。微晶纤维素（MCC）购自上海麦克林生物化学技术有限公司。其他所有化学品均为分析级，购自上海桑贡生物技术有限公司。

CNC和CA-CNC的制备

CNC是通过硫酸水解法从MCC制备的（参考文献：J-F Revol, H Bradford, J Giasson, R）

颗粒大小分布和Zeta电位

图1A显示了CA、CNC、CA-CNC及其经过超声波处理后的颗粒大小。CA呈现两个峰值，而U-CA则呈现单峰分布，且颗粒尺寸减小。这可能是由于超声波处理通过空化作用破坏了CA的大聚集体，从而消除了第二个峰值（Nascimento等人，2023）。与CNC（519 ± 40.15 nm）相比，U-CNC的颗粒尺寸显著减小。

结论

CA与CNC结合形成的CA-CNC复合物由于CA-CNC分子之间的相互作用（包括氢键、静电相互作用和疏水相互作用）而具有改善的界面性能，这可能增强了O/W界面的乳液稳定性，使得乳液液滴更加稳定且具有较好的自支撑能力。超声波处理使CA-CNC的结构更加暴露，促进了疏水相互作用的发展。

CRediT作者贡献声明

沈张月：撰写——原始稿件、数据整理。 王秀琴：数据整理。 徐先兵：方法学研究。 李胜杰：撰写——审稿与编辑。 刘圆圆：撰写——审稿与编辑。 王玉刚：方法学研究。 孙海荣：撰写——审稿与编辑。 朱振华：撰写——审稿与编辑。 潘金峰：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFD2100700）和国家自然科学基金（项目编号：32372273）的支持。