超声波与电荷共同作用对大豆蛋白分离物与κ-卡拉胶复合物形成的影响及其乳化性能

《Food Hydrocolloids》：Combined Effect of Ultrasound and Charge on the Complexation of Soy Protein Isolate and κ-Carrageenan and their Emulsion Properties

本研究通过超声处理与电荷调控协同作用，优化了SPI/κ-卡雷坦复合物的乳化性能。实验表明，能量聚集超声（150 W，15 min）显著提高复合物的亲脂性指数（227.4%）和乳化活性指数（38.3%），结合pH 6.0或25 mM NaCl可进一步增强电荷密度，使储存7天的乳液 creaming 指数最低。该协同方法为开发安全稳定的油包水乳液提供了新策略。

　　

沈家乐|陈丽红|曲璐璐|黄柳蓉|戴春华|赵一鸣|何荣海

江苏大学食品与生物工程学院，中国江苏省镇江市学府路301号，212013

摘要

本研究旨在制备一种安全稳定的水包油乳液。重点探讨了超声波和电荷对大豆蛋白分离物/κ-卡拉胶（SPI/κ-Car）复合物的形成及乳化性能的影响。实验结果表明，使用能量聚集型超声波（EU）对SPI进行预处理显著提高了SPI/κ-Car复合物的疏水性指数和乳液起霜指数。优化实验发现，当超声波功率为150 W、处理时间为15分钟时，效果最为显著：此时复合物的疏水性指数提升至3056.4，乳化活性指数达到11.2 m2/g，分别比对照组提高了227.4%和38.3%。将超声波与pH 6.0或25 mM NaCl结合使用可有效调节复合物的电荷密度并促进其形成；而超声波与pH 6结合处理（U-pH 6）时，乳化活性指数和乳液稳定性指数均达到最大值（分别为13.4 m2/g和135.8）。超声波、pH 6.0及25 mM NaCl的协同处理进一步暴露了更多的疏水基团，使得乳液在储存7天后具有最低的起霜程度。这些发现表明，超声波结合电荷处理是一种优化SPI/κ-Car复合物乳化性能的有效方法。

引言

乳液是由两种不相溶的液体（通常是油和水）组成的胶体系统，通过乳化剂稳定。根据分散相和连续相的不同，乳液可分为水包油（O/W）型或油包水（W/O）型（Jia等人，2022）。乳液具有长期稳定性，在食品科学、制药和化妆品等领域有广泛应用（Evans等人，2013）。在食品工业中，乳液不仅改善了质地、风味和口感等感官特性，还作为活性成分的载体，提高了生物活性化合物的稳定性和生物利用度（Rehman等人，2024；Shah等人，2024）。然而，传统乳液通常依赖合成乳化剂和稳定剂来保证长期物理稳定性和加工性能。但这些合成分子可能引发过敏反应并具有环境持久性。因此，开发天然、安全、可靠的乳液系统成为现代食品科学和健康营养研究的关键方向。

与合成乳化剂相比，天然生物聚合物（如蛋白质和多糖）具有更好的生物相容性、安全性和可持续性（Singh & Pulikkal，2024）。蛋白质因其两亲性能够在油水界面迅速吸附并形成粘弹性界面膜，从而稳定乳液（Hashemi等人，2025）。大豆蛋白分离物（SPI）是一种常用的植物来源蛋白质，因其高营养价值、稳定供应和低成本而备受青睐。然而，仅用SPI稳定的乳液往往不稳定，易聚集和沉淀，限制了其在食品工业中的应用（Han等人，2024）。多糖具有强亲水性和增稠能力，可提升乳液的粘度和流变性能，进一步改善系统稳定性。另一方面，大豆蛋白具有一定的致敏性，而多糖通过静电作用和氢键作用可改变蛋白质结构，从而掩盖或破坏致敏表位，降低其致敏潜力（Narciso等人，2026）。卡拉胶是一种从红藻中提取的硫酸化多糖，在食品工业中因出色的增稠、稳定性和保水性能而被广泛使用（Huang等人，2024；Wu等人，2025）。研究表明，单独使用卡拉胶的界面活性较低，通常需与蛋白质结合使用以获得协同效应（Rafe等人，2022）。因此，卡拉胶与SPI的复合使用可提高乳液的界面活性和稳定性。蛋白质-多糖相互作用受pH值、离子强度和分子结构等因素影响（Huang等人，2024）。因此，寻找合适的方法来调节这些相互作用并改变复合物结构，从而改善乳化性能至关重要。

超声波技术是一种绿色高效的物理改性方法，在制备食品乳液方面得到了广泛应用（Dabbour等人，2024；Rashid等人，2023）。超声波处理可通过空化、机械力和热效应改变蛋白质或多糖的结构，暴露疏水基团和活性位点，从而提高溶解度和乳化能力（Kang等人，2022）。根据声场分布，超声波可分为发散型超声波（DU）和能量聚集型超声波（EU）。发散型超声波设备包含多个发射器，具有较宽的处理范围和均匀的能量，但强度较低（Jacobson，1995）。能量聚集型超声波通过浸入反应浴中的探头传递能量，产生强烈的空化效应，生成高温、高压和剪切力（Dong等人，2018）。不同类型的超声波对蛋白质-多糖复合物的影响各不相同。比较能量聚集型与发散型超声波对复合物形成、稳定性和功能性能的影响对于理解其差异至关重要。

静电作用通常是促进蛋白质-多糖复合物形成的主要机制，因此调节蛋白质和多糖之间的电荷状态至关重要（Vinayahan等人，2010）。pH值变化可通过“质子化/去质子化”直接改变功能团的电荷符号和密度，从而影响它们之间的静电相互作用（Hu等人，2024）。Zhang等人（2026）的研究表明，不同pH值会影响大豆蛋白纤维与细菌纤维素复合物的相互作用，从而改善乳化和界面性能。盐离子几乎不改变功能团的“固有电荷”，但通过屏蔽和特异性结合，可改变其“有效电荷密度”和电位，进而影响复合物的溶解度、相行为和乳化稳定性（Igartúa等人，2022）。

尽管超声波和电荷各自具有独立效应，但关于它们对SPI和κ-卡拉胶（κ-Car）相互作用及其乳液性能的协同效应的研究仍较为有限。本研究首先通过检测SPI/κ-Car复合物的表面疏水性和乳化性能来探索最佳超声波处理方式，随后研究超声波和电荷对SPI与κ-Car复合的联合效应。对SPI/κ-Car复合物的表面疏水性、圆二色性和荧光光谱进行了表征，并评估了其乳化性能。本研究为开发安全、高性能、环保的生物材料乳液提供了理论基础和技术支持。

材料

大豆蛋白分离物（SPI，蛋白质含量92%，w/w）购自山东山松生物制品有限公司。κ-卡拉胶（κ-Car）和8-氨基-1-萘磺酸（ANS）分别从Aladdin生化技术有限公司（中国上海）和Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买。预染蛋白标记物（分子量范围10-180 kDa）购自南京Vazyme生物科技有限公司（中国南京）。其他所有分析级试剂亦来自相同来源。

表面疏水性和蛋白质溶解度的分析

超声波处理可改变蛋白质和多糖的结构，进而影响它们的相互作用及其复合物的性质（Sun等人，2022；Rehman等人，2025）。

表面疏水性指数可用于评估蛋白质中疏水基团的暴露程度，反映蛋白质结构的变化（Liu等人，2022）。如图1A所示，经过能量聚集型超声波处理的SPI形成的复合物（EU-0）的疏水性指数...

结论

本研究通过超声波、pH值和NaCl处理的协同作用，有效提升了SPI/κ-Car复合物的乳化性能。在不同超声波处理方式中，经EU处理的SPI和κ-Car形成的复合物表现出最佳的乳液起霜指数。经过150 W超声波处理15分钟后，所得复合物更容易在油水界面吸附，从而实现最高的乳化活性。

CRediT作者贡献声明

何荣海：撰写、审稿与编辑。赵一鸣：方法学研究。戴春华：监督、方法学指导。沈家乐：初稿撰写、实验设计、数据分析。黄柳蓉：实验设计、数据分析、概念构建。曲璐璐：实验设计、数据分析。陈丽红：撰写、审稿与编辑、实验设计、数据分析

未引用参考文献

Cao等人，2021；Huang等人，2024；Liu等人，2022；Wang等人，2023；Yan等人，2025。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号32202227）、中国博士后科学基金（项目编号2023M731380）以及江苏大学高级人才计划（项目编号21JDG044）的财政支持。