《Food Hydrocolloids》：Impact of different animal and plant proteins on the structure, rheology and texture of nanocellulose composite oleogels
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本研究通过乳液模板法结合热风干燥，探究了纳米纤维素（CNF）与不同食品蛋白（WPI、SPI、WP、Cas、Gel）复合体系的油凝胶形成特性。结果表明，蛋白质的疏水性、凝胶能力及分子尺寸显著影响油凝胶的稳定性和流变特性。其中，疏水性适中的WPI和SPI通过限制CNF在油滴中的分布，增强了油结合能力（OBC）和凝胶强度；而亲水性的Gel作为增稠剂，在保持类似OBC和凝胶强度的同时提高了体系黏度。该研究证实通过选择不同蛋白可调控油凝胶的流变特性和功能，为开发可持续脂肪替代品提供理论依据。
朱宇博|赵冰|李艾|罗佳|李建楠|盛军|田洋|李秀芬
中国云南省昆明市凤源路425号，云南农业大学食品科学与技术学院，650201
摘要
纳米纤维素（CNF）与食品蛋白质的结合为制备高性能油凝胶提供了新的策略。然而，蛋白质的化学性质和结构在这一过程中的作用仍有待探索。本研究通过乳液模板法结合热风干燥技术，研究了CNF与核桃蛋白分离物（WPI）、大豆蛋白分离物（SPI）、乳清蛋白（WP）、酪蛋白（Cas）和明胶（Gel）复合物体系的乳化特性及油凝胶形成过程。结果表明，蛋白质的疏水性、凝胶形成能力和分子大小显著影响了油凝胶的稳定性和结构强度。体积较大但疏水性适中的WPI和SPI分子限制了CNF在油滴中的分布，从而增强了CNF在油凝胶中的包裹作用，使其具有更强的油结合能力（OBC）和较高的胶体强度。而亲水性较强的明胶主要起到增稠剂的作用，保护由CNF稳定的油滴免于聚集，从而也使得油凝胶结构更加稳定，尽管其OBC和凝胶强度与其它组分相当，但粘度较高。这一实践表明，通过选择不同的食品蛋白质，可以制备出具有相似质地强度但粘弹性、流动行为和温度响应特性差异显著的油凝胶，为开发具有潜在应用价值的食品胶体提供了新的思路。
引言
随着全球健康意识和可持续性概念的增强，含有更多不饱和脂肪酸的新脂肪替代品在食品工业中逐渐受到青睐，以减少饱和脂肪或反式脂肪的使用。油凝胶作为一种有前景的固体脂肪替代品，是由不同的不饱和食用油与低分子量或高分子量凝胶剂制成的（Li等人，2022年）。可食用、可再生的高分子生物聚合物，如蛋白质、多糖或蛋白质-多糖复合物，因其广泛可用性、无毒性、优异的生物相容性、低成本和可再生性而被广泛研究用于制备油凝胶（Hu等人，2023年；Hu & Meng，2026年）。为了模仿传统固体脂肪的理想质地和口感，大规模应用油凝胶至关重要，这在很大程度上取决于所使用凝胶剂的种类和性质。
纤维素纳米纤维（CNF）是一种可再生的纳米材料，具有高比表面积、优异的机械性能和生物相容性，可从木质和非木质植物、海洋生物及细菌中提取（Li, Guo等人，2023年）。CNF表面的丰富羧基和羟基使其能够通过静电相互作用和氢键与其他CNF及油分子有效结合，从而增强乳液和油凝胶的稳定性（Li, Zou等人，2024年）。CNF已成功用于稳定皮克林乳液（Lu等人，2019年），其中CNF在油水界面吸附有效抑制了液滴的聚集（Ji & Wang，2023年）。然而，根据我们之前的观察（结果发表在另一篇期刊论文中），CNF基油凝胶在较高温度下干燥后会失去有效捕获液态油的能力。我们认为这是由于CNF在≥80°C处理后发生角化现象（Salmén & Stevanic，2018年）所致。CNF的角化会导致微纤维不可逆地聚集成絮状块或层状固体，并显著减少纳米纤维素表面的水分吸附量。羟基可及性的大幅下降（超过80%）严重阻碍了干燥后CNF的再分散性（Ding等人，2019年）。因此，需要加入第二种凝胶剂来利用蛋白质与CNF分子之间的相互作用，减少高温下纳米纤维素的聚集和脱水趋势，提高凝胶剂在油凝胶中的再分散能力，从而成功稳定CNF基油凝胶。
目前，由于动物和植物来源的蛋白质具有优异的表面活性、两亲性、构象灵活性和凝胶化性能，它们被广泛用作食品加工中的乳化剂和凝胶剂（Tang，2017年；Tang, Roos, Vahedikia, & Miao，2024年），尤其是与多糖结合使用时。例如，通过壳聚糖-明胶共轭物通过冷冻模板法制备了山茶油油凝胶（Li, Zhao等人，2023年）。利用竹笋蛋白和大豆蛋白分离物（SPI）复合物通过乳液模板法制备了茶油乳液和油凝胶（Li, Xi等人，2023年）。通过乳液模板法，SPI与高原大麦β-葡聚糖（SPI/HBG）结合制备了亚麻籽油油凝胶，其油结合能力提高了8-22倍，适用于替代午餐肉中的固体脂肪（Ma等人，2023年）。细菌纤维素纳米纤维和SPI（BCNs/SPI）复合胶体颗粒稳定了皮克林高内相乳液（Liu等人，2021年）。与动物蛋白相比，植物蛋白通常具有较低的表面活性和分子灵活性，这导致制备的乳液和油凝胶的稳定性和流变行为有所不同。
最近，借助核桃蛋白分离物（WPI），通过乳液模板法和热风干燥成功制备了CNF基油凝胶（结果发表在另一篇期刊论文中），这再次证明了在复合油凝胶中添加WPI作为第二种凝胶剂的必要性。添加0.6-0.8%的CNF和1.0-1.8%的WPI后，制备出了稳定性较高、弹性较低且更柔软的油凝胶，其油结合能力（>90%）、流变强度（G*高达>150 kPa）和质地性能均较好。然而，我们仍不确定WPI是否可以被其他动物或植物来源的可食用蛋白质替代。同时，食品蛋白质在调节CNF基复合乳液和油凝胶中的作用及其潜在机制仍需进一步研究。
因此，在本研究中，我们使用来自不同来源的蛋白质（WPI、SPI、WP、Cas和Gel）通过乳液模板法和热风干燥制备了CNF基可食用油凝胶。主要探讨了两个方面：首先，通过对比添加不同蛋白质后复合乳液和凝胶的性能，试图阐明蛋白质的化学结构和性质（如疏水性和凝胶形成能力）对油凝胶的油保持能力、稳定性和流变特性的影响。我们认为这一假设是合理的，但还需通过实验验证。其次，将CNF+蛋白质复合油凝胶的流变结果与热风干燥前的乳液结果进行比较，以解释蛋白质在CNF凝胶化过程中的作用。这些结果将为新型功能性油凝胶的开发提供理论基础，并促进植物蛋白质在脂肪替代品中的应用，这对推动可持续食品产业的发展具有重要意义。
材料
核桃蛋白分离物（WPI，批号：D20211120，干基蛋白含量93.7%）购自陕西TOSO生物科技有限公司。大豆蛋白分离物（SPI，批号：JS241548，干基蛋白含量91.9%）、酪蛋白（Cas，批号：JS244450，干基蛋白含量92.0%）和乳清蛋白（WP，批号：JS294047，干基蛋白含量90.0%）购自上海宇源生物科技有限公司。明胶（Gel，批号：3230223003，蛋白含量90.2%）
CNF及不同蛋白质的化学和结构分析
选择了五种食品蛋白质——核桃蛋白分离物（WPI）、大豆蛋白分离物（SPI）、乳清蛋白（WP）、酪蛋白（Cas）和明胶（Gel）作为共凝胶剂，用于与CNF共同制备核桃油油凝胶，因为它们具有代表性、易获取性和地域特异性。另外四种食品蛋白质——Sacha inchi蛋白（SIP）、南瓜籽蛋白（PSP）、大米蛋白（RP）和小麦面筋蛋白（WGP）也尝试用于制备油凝胶，尽管所制备的油凝胶效果不佳
结论
本研究采用乳液模板法和热风干燥技术，将纤维素纳米纤维（CNF）与食品蛋白质结合制备了油凝胶。比较了不同植物或动物蛋白质的性能及其与CNF的潜在协同效应，并验证了蛋白质多样性对复合油凝胶性能的影响。结果表明，蛋白质的作用机制
作者贡献声明
赵冰：撰写——初稿，数据分析。李艾：实验研究。朱宇博：撰写——初稿，实验研究。田洋：撰写——审稿与编辑，项目管理。李秀芬：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金筹集。李建楠：资源支持。盛军：撰写——审稿与编辑，项目管理。罗佳：撰写——审稿与编辑，数据整理
未引用的参考文献
Li等人，2023年；Li等人，2023年；Li等人，2024年；Tang等人，2024年；Zhang等人，2024年。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
科学写作中未使用生成式AI的声明
作者声明在写作过程中未使用生成式AI及AI辅助技术。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本工作得到了云南省基础研究项目（202501BD070001-010）的支持。
