《Food Chemistry: X》：Construction and characterization of food-grade pickering high internal phase emulsions co-stabilized by β-cyclodextrin and konjac gum
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本研究针对传统高内相乳液（HIPEs）依赖合成表面活性剂或高浓度动物蛋白带来的健康与可持续性问题，开发了以β-环糊精（β-CD）和魔芋胶（KGM）复合物为乳化剂的新型Pickering HIPEs。研究系统探讨了油相体积分数（φ）、复合物浓度（c）及质量比（k）对乳液性能的影响。结果表明，在最优条件（φ = 75%, c = 1.0%, k = 3:1）下，所制备的Pickering HIPEs具有最小的油滴粒径（12.37 μm）、最高的凝胶强度（73.64 g）、最佳的离心稳定性（98.44%）和最优的粘弹性。该乳液能有效替代蛋糕中20–40%的黄油，并获得良好质构。此项研究为开发新型食品级Pickering HIPEs及健康烘焙产品提供了可行方案。
在食品工业中，寻找健康、可持续的脂肪替代品一直是科研人员和产业界关注的焦点。传统的高内相乳液（High Internal Phase Emulsions, HIPEs）——即分散相体积分数超过74%的乳液体系，虽然因其类固体的流变特性在作为脂肪替代物、生物活性物质载体和3D打印基质方面潜力巨大，但其稳定通常依赖于合成表面活性剂或高浓度的动物蛋白，这不仅可能带来健康风险，也缺乏可持续性。与之相比，Pickering乳液利用固体颗粒（而非分子表面活性剂）在油水界面形成物理屏障，具有优异的抗聚结和奥斯特瓦尔德熟化稳定性，更符合清洁标签趋势。然而，现有的生物相容性颗粒难以在高内相条件下同时形成强界面稳定性和凝胶结构。β-环糊精（β-cyclodextrin, β-CD）作为一种新兴的Pickering稳定剂，其独特的“外亲水、内疏水”结构使其能够稳定油包水型Pickering HIPEs，并能包埋疏水性生物活性物质。但单独使用β-CD稳定的HIPEs界面膜不稳定，易发生重力下水析，限制了其应用。魔芋胶（Konjac Gum, KGM）是一种源自魔芋块茎的水溶性中性多糖，具有超高分子量和丰富的乙酰基，能通过强氢键形成极强的弹性水凝胶网络，其分子链的柔性提供了优异的增稠能力。将β-CD与KGM结合，有望优势互补，产生协同稳定效应。
为了验证这一设想，研究人员在《Food Chemistry: X》上发表了题为“Construction and characterization of food-grade pickering high internal phase emulsions co-stabilized by β-cyclodextrin and konjac gum”的研究论文。该研究旨在利用β-CD/KGM复合物作为乳化剂构建新型食品级Pickering HIPEs，并探究其在烘焙食品中替代黄油的可行性。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。主要包括：通过高速剪切法制备不同参数（油相体积分数φ、复合物浓度c、β-CD/KGM质量比k）的Pickering乳液；利用光学显微镜和粒度分析仪观察和测定乳液的微观结构和油滴尺寸分布；采用质构分析仪评估乳液的凝胶强度；使用旋转流变仪分析乳液的流变学特性（包括储能模量G′、损耗模量G″和表观粘度）；通过离心实验测定乳液的离心稳定性；制备β-CD/KGM复合颗粒，并利用接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和Zeta电位分析仪对其界面张力、三相接触角、分子间相互作用、形貌和表面电荷进行表征；最后，将最优条件下制备的Pickering HIPEs应用于蛋糕中，以不同比例替代黄油，并对蛋糕的质构、色泽和内部结构（使用C-CELL成像系统分析）进行系统评价。
3.1. Pickering乳液凝胶的形成
研究人员首先确定了形成稳定Pickering乳液凝胶的关键参数。固定c=1.0%和k=1:1，发现当油相体积分数φ=75%时，β-CD/KGM混合物能成功形成稳定的Pickering HIPEs乳液凝胶，即使倒置2小时也能保持稳定。而当φ=80%时，乳液则无法形成凝胶。进一步研究复合物浓度（c）和质量比（k）的影响发现，在c=1.0%且k=3:1或2:2时，乳液形成效果最佳。单独使用KGM在任何浓度下均无法形成HIPEs乳液，而单独使用β-CD则可以，但稳定性欠佳。过高浓度（c=1.5%）会导致相分离，这归因于连续相粘度过高阻碍了颗粒吸附，以及KGM可能引起的“桥联絮凝”效应。
3.2. Pickering HIPEs的光学显微镜分析
微观结构观察显示，乳液滴尺寸受c和k显著影响。当k=3:1时，随着c从0.5%增加到1.5%，乳液滴尺寸从20.15 μm减小到7.36 μm，表明更高浓度的颗粒提供了更充分的界面覆盖。在c=1.0%时，k=3:1制备的HIPEs具有最小的滴尺寸（12.37 μm），且分布最均匀。KGM的加入不仅改善了β-CD的乳化性能，还使HIPEs的微观结构更加均匀致密。
3.3. Pickering HIPEs的质构评价
凝胶强度测试表明，乳液的质构特性与c和k密切相关。当k=3:1时，凝胶强度随c增加而显著增强，在c=1.5%时达到最大值130.90 g。在c=1.0%时，k=3:1和2:2制备的HIPEs凝胶强度（分别为73.64 g和65.06 g）显著高于单独使用β-CD（25.39 g）或高比例KGM（k=1:3, 39.75 g）的乳液。这说明适量KGM的添加能显著改善HIPEs的质构特性，这得益于KGM的增稠和持水性能。
3.4. Pickering HIPEs的流变学分析
流变学测试揭示了乳液的粘弹性行为。所有样品的储能模量（G′）均大于损耗模量（G″），表现为以弹性为主的凝胶特性。应力扫描显示，k=3:1和2:2的乳液结构更稳定，G′和G″下降更缓慢。频率扫描进一步证实，在固定k时，c越高，G′和G″越大；在固定c=1.0%时，k=3:1的乳液表现出最高的G′和G″。表观粘度随剪切速率增加而降低，呈现典型的剪切稀化行为，且k=3:1的乳液在相同剪切速率下具有最高的粘度。这些结果与质构分析一致，表明k=3:1和2:2能有效提升Pickering HIPEs的结构强度和稳定性。
3.5. Pickering HIPEs的离心稳定性分析
离心稳定性是评价乳液长期储藏潜力的关键指标。结果表明，乳液稳定性随c增加而提高，c=1.0%和1.5%时稳定性均高于98%。在c=1.0%时，k=3:1和2:2的乳液离心稳定性最高（均超过97%），而k=1:3时稳定性最低（87.18%），并出现明显的油水分离。这表明适量KGM可增强乳液稳定性，但过量则会因降低乳液粘弹性而导致稳定性下降。
3.6. β-CD/KGM颗粒的润湿性分析
对复合颗粒的界面性质分析发现，β-CD/KGM复合颗粒的界面张力（31.89 mN/m）显著低于单独β-CD（35.35 mN/m），表明其能更有效地吸附在油水界面。三相接触角测量显示，复合颗粒的接触角（64.11°）优于单独β-CD（26.82°，过亲水）和KGM（55.46°），更接近90°的理想润湿状态，说明其乳化能力得到增强。
3.7. β-CD/KGM颗粒的FT-IR分析
红外光谱显示，β-CD与KGM混合后，O-H伸缩振动峰发生位移，表明二者之间形成了新的、更强的分子间氢键，但未出现新化学键的特征峰，说明其相互作用是非共价的。
3.8. β-CD/KGM颗粒的SEM分析
扫描电镜结果显示，β-CD颗粒表面粗糙不规则，结构松散；而与KGM复合后，颗粒表面变得光滑、呈块状，结构更致密。这直观证明了KGM通过氢键作用吸附在β-CD颗粒表面，填充了其表面空隙。
3.9. β-CD/KGM颗粒的Zeta电位
Zeta电位测量表明，KGM具有较高的负电性（-41.99 mV），而β-CD电位较低（-6.81 mV）。β-CD/KGM复合颗粒的Zeta电位绝对值显著高于β-CD，说明KGM的负电荷通过静电作用赋予了复合颗粒表面，改善了其分散性，有利于颗粒在到达油水界面前的稳定存在。
3.10. 稳定机制分析
综合以上表征，β-CD/KGM协同稳定HIPEs的机制得以阐明：KGM通过氢键吸附在β-CD颗粒表面形成复合颗粒，优化了颗粒的润湿性（接触角接近64.11°）和界面活性（降低界面张力）；光滑致密的复合颗粒界面层作为主要物理屏障阻止液滴聚结；KGM在连续相中构建的三维网络提供了次级稳定作用，抑制液滴迁移；适中的Zeta电位增强了颗粒分散性。这种界面稳定与连续相网络强化的双重保护机制共同赋予了HIPEs极高的宏观稳定性。
3.11. 蛋糕的外观
应用研究表明，使用最优条件（φ=75%, c=1%, k=3:1）下制备的Pickering HIPEs替代黄油制作蛋糕，随着替代比例增加，蛋糕的重量损失率显著上升，这主要是由于脂肪含量降低和持水性下降所致。蛋糕皮色泽也发生显著变化，亮度（L值）总体增加，红绿值（a）和黄蓝值（b*）的变化表明HIPEs的引入调控了美拉德反应和焦糖化反应的强度。
3.12. 蛋糕的质构
质构剖面分析（TPA）显示，随着黄油替代比例增加，蛋糕的硬度显著上升，咀嚼性在替代比例超过60%后急剧增加。当替代比例为20%-40%时，蛋糕能保持与传统产品相似的质构特性，感官接受度较好。过高替代比例会使蛋糕质地变得坚硬密实。
3.13. 蛋糕的芯部结构
C-CELL图像分析表明，替代比例显著改变了蛋糕的内部孔洞结构。随着替代比例增加，孔洞数量增多，平均孔洞面积减小，结构更细腻紧密，这与质地硬度增加相一致。高替代比例（80%和100%）下，蛋糕切片亮度增加，与表皮色泽L*值上升趋势吻合。但替代比例过高（如60%）时，切片面积减小，表明产品比容下降，可能与脂肪不足导致的结构塌陷有关。
本研究成功构建了由β-环糊精和魔芋胶协同稳定的食品级Pickering高内相乳液。研究证实，β-CD与KGM通过非共价相互作用形成复合颗粒，显著改善了颗粒的界面性质、润湿性和分散性，从而制备出具有优异微观结构、凝胶强度、流变特性和离心稳定性的HIPEs。在最优参数（φ=75%, c=1.0%, k=3:1）下，该乳液能成功替代蛋糕中20%-40%的黄油，并在该替代比例下保持良好的产品质构和结构。这项工作不仅为开发新型食品级Pickering HIPEs提供了可行策略，展示了其在健康烘焙食品中作为脂肪替代物的应用潜力，而且其构建的乳液体系因其β-CD的空腔包埋能力和KGM的凝胶网络保护作用，在生物活性物质递送和功能性食品开发方面也具有广阔前景。
