《Food Hydrocolloids》：Linking Specific Energy Input to Microstructure and Rheology in Microfluidized Citrus Fibre Cellulose Microfibril Dispersions
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为深入理解加工条件如何调控源自植物初生细胞壁的纤维素微纤分散体的功能特性，研究人员开展了一项将特定能量输入与柑橘纤维分散体的微观结构及流变学性质定量关联的研究。他们通过共聚焦显微成像和振荡流变学分析发现，特定能量输入主导了由絮状物和空隙组成的异质网络结构重组，并使储能模量G'呈现先增后降的非单调变化。该工作成功构建了定量框架，揭示了特定能量输入通过控制絮状物体积分数和内在微纤属性来主导网络力学性能的机制，为理性设计清洁标签食品质构改良剂提供了理论基础。
在食品、包装和化妆品等领域，对可再生、生物降解且来源可持续的生物聚合物需求日益增长。纤维素，作为自然界最丰富的生物聚合物，由其解离出的纤维素微纤因其高长径比、大比表面积和强颗粒间相互作用，能形成跨越空间的网络结构，因而在作为涂料、可食用薄膜、质构改良剂、脂肪替代品以及乳液和泡沫的稳定剂等方面展现出巨大潜力。然而，要充分实现这些功能，关键在于控制CMF的分散状态及其最终形成的三维网络结构。在众多加工方法中，微流化等超高压剪切处理是克服纤维素聚集体内吸引力、促使其解离成微纤的有效手段。
现有研究对木质纤维等体系已有一定认识，但对于柑橘纤维这类源自植物初生细胞壁的复合材料，其同时包含纤维状纤维素和大量可溶性多糖组分，在超高压剪切作用下的响应更为复杂，相关研究大多停留在定性描述，缺乏一个将加工条件、网络结构与其力学性能定量关联的通用框架。这限制了我们充分挖掘这种极具前景材料的功能潜力。为此，来自Unilever Innovation Centre Wageningen B.V.的研究人员开展了一项系统性研究，旨在为微流化处理的柑橘纤维分散体建立定量的加工-结构-性能关系。他们的研究成果已发表在《Food Hydrocolloids》期刊上。
为达成研究目标，作者团队主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们以商品化柑橘纤维为原料，制备了不同浓度的分散体，并使用实验室规模的微流化仪在不同操作压力下进行处理，同时引入了“特定能量输入”作为核心加工参数。其次，利用共聚焦激光扫描显微镜对处理后的样品网络结构进行可视化观察，并通过图像分析定量获取了网络均匀性参数、絮状物体积分数等微观结构指标。再者，采用旋转流变仪进行振荡剪切测试，包括时间扫描、振幅扫描和频率扫描，以全面表征分散体的线性粘弹性行为，关键指标为储能模量G'。最后，基于Reuss-Voigt-Hill平均化模型，将宏观流变学数据与微观结构参数相关联，以解析絮状物内部力学性质。
3.1. 微观结构表征
研究人员通过CLSM图像观察到，微流化处理显著改变了柑橘纤维分散体的微观结构。即使是在较低的特定能量输入下，也发生了明显的解聚作用，形成了由纤维素微纤絮状物和微纤贫乏的空隙区域组成的空间跨越网络。随着特定能量输入的增加，网络结构发生重组：大的细胞壁碎片减少，絮状物结构变得更加不规则，网络均匀性增加。定量分析显示，对于0.5 wt%的稀分散体系，网络均匀性参数和絮状物体积分数随特定能量输入增加而增加，表明解聚和再分布产生了更具空间填充性的网络。而对于1.0 wt%和1.5 wt%的更浓体系，在实验的能量输入范围内，微观结构参数变化不大，这可能是由于纤维拥挤限制了有效应力的传递。
3.2. 流变学
流变学测试表明，所有处理条件下的分散体均表现出凝胶状行为。储能模量G'对特定能量输入的依赖关系呈现显著的非单调性：在低至中等能量输入下，G'先增加或达到一个平台，表明网络弹性增强；而当特定能量输入超过一定值后，G'显著下降，表明网络的结构完整性被削弱。损耗模量G"也表现出类似的趋势。振幅扫描和频率扫描进一步确认了这种弱凝胶行为，并揭示了其广泛的弛豫谱。
3.3. 流变学-微观结构关联
为了深入理解上述非单调行为背后的机制，研究人员分析了G'随纤维浓度的标度关系。他们发现，宏观储能模量G'与整体纤维浓度之间遵循幂律关系，且标度指数n随微流化操作压力的增加而略有增加。然而，当将宏观G'根据絮状物体积分数进行归一化，得到絮状物模量G'floc，并分析其与絮状物内部微纤浓度的关系时，得到了一个恒定的标度指数m≈1.6。这表明，在本研究采用的加工条件范围内，特定能量输入主要改变了絮状物在介观尺度上的空间排列和连接性，而絮状物内部的局部微纤力学性质基本保持不变。
基于上述恒定的絮状物内标度指数m，研究人员将所有浓度下的G'数据通过公式G'/(?fibrem)进行归一化，并绘制为特定能量输入的函数。令人惊讶的是，所有数据点坍缩到一条单一的主曲线上。这条主曲线揭示了由阈值Ec≈7.5 kJ g-1分隔的两个区域：在阈值以下，归一化模量随能量输入轻微增加，这与絮状物致密化（即絮状物体积分数下降，内部微纤浓度升高）有关；在阈值以上，归一化模量持续下降。这不能仅用絮状物体积分数的变化来解释，研究人员推测极高能量输入可能引发了微纤本身性质的变化，例如纤维素结晶度降低或微纤长径比减小，这些都会降低材料的内在刚度因子k，从而导致宏观弹性下降。
本研究成功地将微流化过程中的特定能量输入确立为一个能够定量关联柑橘纤维纤维素微纤分散体加工强度、微观结构和流变学性能的关键参数。研究发现，增加特定能量输入会重组CMF的网络架构，具体表现为改变絮状物体积分数和网络均匀性，进而非单调地影响网络的储能模量G'。通过标度分析，研究区分了宏观网络弹性对整体纤维浓度的依赖性（指数n可变）与絮状物内部力学对微纤浓度的依赖性（指数m恒定）。利用恒定的絮状物内指数m对所有数据进行归一化，成功地将不同浓度的结果坍缩到一条由特定能量输入主导的主曲线上，清晰揭示了以Ec≈7.5 kJ g-1为界的两个不同力学区域。
这项工作的核心意义在于，它首次为源自初生细胞壁的复杂纤维素材料建立了一个连贯的、定量的“加工-结构-性能”框架。该框架表明，通过精确控制微流化过程中的特定能量输入，可以预测并调控最终分散体的微观结构及其流变学性能，例如弹性模量。这为食品科学领域理性设计具有特定质构特性（如口感、稳定性）的清洁标签配方提供了坚实的科学依据和可操作的方法论，推动了对生物基功能材料从经验探索到定量设计的转变。
