《Food Hydrocolloids》：Low Pressure Cold plasma-induced structural reinforcement of pea protein-alginate complexes to improve encapsulation and stability of cinnamon essential oil-loaded microcapsules
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本文探讨了低压冷等离子体（CP）作为一种非热技术改性豌豆蛋白分离物（PPI），用于增强PPI-海藻酸盐（AG）复合物的结构，旨在解决肉桂精油（Cin）因高挥发性、氧化不稳定性和光热敏感导致的稳定性难题。研究人员优化了PPI:AG比例与CP处理条件，证实了CP处理能够改善复合物的胶体特性、热力学结合和结构，从而提升了Cin微胶囊的包封效率、储存稳定性、抗氧化性和抗菌活性。本研究为开发基于植物蛋白的稳定递送系统提供了新策略。
在食品、医药和营养品工业中，源自植物的生物活性化合物因其抗氧化、抗菌和治疗特性而备受关注。肉桂精油（Cinnamon essential oil, Cin）是其中极具前景的代表，其主要活性成分肉桂醛含量高，生物活性强。然而，其实际应用却受到高挥发性、氧化不稳定性以及在光、热、氧气暴露下快速降解的严重限制。微胶囊化技术被公认为是保护这类敏感活性物质的可靠方法，它能够减少挥发、掩盖强烈气味，并在储存和消化过程中实现可控释放。该技术的效果在很大程度上取决于所使用壁材的结构特性和兼容性。蛋白质和多糖因其可生物降解、安全、可持续的特点，被广泛研究作为包封材料。其中，豌豆蛋白分离物（Pea protein isolate, PPI）和海藻酸钠（Sodium alginate, AG）的组合颇具潜力，PPI提供乳化能力和两亲性相互作用，AG则赋予凝胶、稳定和强成膜能力。然而，天然的PPI往往存在溶解度低、在其等电点附近易聚集、界面柔韧性有限等问题，这可能导致弱凝聚和包封效率降低。传统的化学交联或热改性方法可能引入营养损失或化学残留。因此，开发一种绿色、非热的改性技术，在保持壁材天然属性的同时强化其功能，成为构建高效递送系统的关键。
为了应对这一挑战，研究人员Prashant Kumar、Dhananjay Dahatonde等人开展了一项研究，探索利用低压冷等离子体（Cold plasma, CP）作为一种非热、无化学试剂的表面改性技术，对PPI进行预处理，以促进其与AG的分子间相互作用，从而改善基于肉桂精油的微胶囊的包封、稳定性和功能性能。这项研究发表在《Food Hydrocolloids》期刊上。
本研究采用了一系列关键技术方法来验证假设。首先，研究人员筛选了PPI与AG的不同质量比例（1:1至7:1），基于粒子大小和多分散性指数确定了最优的3:1配比作为壁材。核心处理技术是低压冷等离子体处理，研究人员使用一套Femto等离子体系统，在低气压条件下对PPI干粉进行处理，系统性地优化了处理功率（10-80 W）和处理时间（2-16 min）。随后，将处理后的PPI与AG按3:1比例复合，并负载肉桂精油，最终通过冷冻干燥制备成微胶囊粉末。为了全面表征CP处理的效果，研究综合运用了多种分析手段：利用动态光散射和Zeta电位分析仪评估了复合物的粒子尺寸、多分散指数、表面电荷和电导率；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）及其酰胺I区去卷积分析了蛋白质的二级结构变化；采用等温滴定量热法（Isothermal titration calorimetry, ITC）直接测定了PPI与AG相互作用的结合亲和力、焓变、熵变等热力学参数；通过十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）验证了CP处理对蛋白质一级结构的影响；利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察了微胶囊的微观形貌。此外，研究还系统评价了微胶囊的理化特性（水分含量、水分活度、吸湿性、溶解度、颜色）、包封效率（EE%），以及在不同离子强度、pH、长期储存下的稳定性。通过热重分析（TGA）、过氧化值测定和紫外光照射实验评估了微胶囊的热稳定性、氧化稳定性和光稳定性。抗菌活性则通过琼脂扩散法针对大肠杆菌（Escherichia coli）和李斯特菌（Listeria monocytogenes）进行了测试。最后，利用静态INFOGEST体外胃肠道消化模型评估了微胶囊在模拟消化环境中的结构完整性。
3.1. 豌豆蛋白粉末的特性
研究首先对商业PPI粉末进行了近似组成和功能特性分析，结果显示其蛋白质含量高达80.98%，脂肪吸收容量和水结合能力良好，颜色呈浅黄色，符合作为高效包封载体的基本要求。
3.2. 粒径和多分散性指数
在筛选不同PPI:AG比例时，研究发现3:1的比例在粒子大小和分布均匀性之间取得了最佳平衡。随后的CP处理显示出双相效应：在中等条件（60 W, 4 min）下，PPI:AG复合物的粒径和多分散性指数均有所下降，表明分散均匀性得到改善；但过度的处理（更高功率或更长时间）则会导致粒径增大和分布变宽，这归因于蛋白质过度变性或再聚集。
3.3. ζ-电位和电导率分析
在酸性pH 3.0条件下，纯PPI带正电，而AG带负电，为复合物形成提供了静电驱动力。CP处理（60 W, 4 min）显著增加了PPI:AG复合物表面负电荷的绝对值，并提高了电导率。这表明CP诱导了表面氧化，暴露了更多的极性/带电基团，从而增强了颗粒间的静电排斥力和胶体稳定性。
3.4. 二级结构
FTIR光谱和酰胺I区去卷积分析表明，CP处理引起了PPI二级结构的重排。在优化条件下（60 W, 4-6 min），β-折叠含量增加，而β-转角和无规卷曲含量相对稳定，这表明CP诱导了适度的蛋白质解折叠和结构重排，增强了氢键网络，优化了PPI与AG的界面相容性，而未导致严重的蛋白质变性。
3.5. 等温滴定量热分析
ITC结果提供了CP处理增强PPI-AG相互作用的热力学直接证据。与未处理样品相比，CP处理后的复合物具有更高的结合常数（Ka）和更负的吉布斯自由能变（ΔG），表明结合更自发、亲和力更强。整个过程是焓驱动的，表明静电作用和氢键是主要作用力。CP处理使得结合过程的熵罚（不利于结合的熵变）显著降低，意味着蛋白质构象的调整降低了复合形成时的结构限制。
3.6. SDS-PAGE分析
SDS-PAGE图谱显示，在不同CP处理条件下，PPI的主要蛋白条带（如豌豆球蛋白和豆球蛋白）均未出现明显的降解或产生新的高分子量交联条带。这表明优化的CP处理主要引起蛋白质构象和表面性质的改变，而基本保持了蛋白质的一级结构完整性。
3.7. 负载肉桂精油的PPI:AG复合物在不同条件下的稳定性行为
对负载Cin的微胶囊进行的环境稳定性测试表明，CP处理显著增强了其耐受性。在升高离子强度（NaCl浓度）、宽范围pH变化以及长达56天的储存过程中，CP处理样品的Zeta电位绝对值始终高于未处理样品，显示出更强的抵抗电荷屏蔽、pH诱导聚集和长期储存老化的能力。
3.8. PPI:AG-Cin复合物的FTIR分析
FTIR光谱分析证实了PPI、AG和Cin在复合物中成功结合。与未处理复合物相比，CP处理后的样品在酰胺I、酰胺II以及多糖相关峰位上发生了进一步位移，表明CP处理增强了PPI与AG之间的氢键等相互作用，并可能改善了Cin在基质中的整合。
3.9. PPI:AG-Cin颗粒的扫描电镜观察
FE-SEM图像显示，未处理的冷冻干燥微胶囊表面粗糙、多孔且有不规则裂纹。而经CP处理后，微胶囊呈现出更致密、更光滑、孔隙更小的形态。这种结构致密化表明CP处理强化了聚合物链间的相互作用，形成了更连贯的网络，有助于更好地包封和保护芯材。
3.10. PPI:AG-Cin微胶囊的理化与功能特性
对微胶囊粉末的理化性质分析显示，CP处理略微降低了样品的水分含量和水分活度（aw），并显著降低了吸湿性，这有利于提高储存稳定性。同时，CP处理提高了粉末的水溶性。最重要的是，包封效率（EE%）从未处理的74.33%显著提升至处理后的82.15%，证明CP处理通过优化界面结构有效提升了Cin的包载能力。
3.11. 琼脂扩散法抗菌分析
抗菌测试表明，纯Cin具有最强的即时抑菌圈。包封后，由于壁材的控释作用，抑菌圈直径减小。重要的是，CP处理后的包封样品与未处理的包封样品抑菌效果无显著差异，表明CP处理在提升包封和稳定性的同时，并未破坏Cin的抗菌活性，其抗菌功能得以保留。
3.12. PPI:AG-Cin微粒的稳定性分析
3.12.1. 颜色稳定性
在60天的储存期间（25°C和45°C），CP处理样品的总色差（ΔE）始终低于未处理样品，表明CP处理有效减缓了因氧化和挥发导致的颜色变化，提升了产品的视觉稳定性。
3.12.2. 热稳定性
TGA分析显示，CP处理略微提高了微胶囊的最大热降解温度，表明其热稳定性有所增强。
3.12.3. 氧化稳定性
在不同温度下储存90天，通过测定过氧化值评估氧化稳定性。结果发现，在所有测试温度下，CP处理样品的过氧化值增长均慢于未处理样品，证明CP处理显著增强了微胶囊对Cin的氧化保护作用。
3.12.4. 肉桂精油的光稳定性
在UV-A光照射下，CP处理样品中Cin的保留率高于未处理样品，表明CP处理形成的更致密基质能更有效地屏蔽光线，保护Cin免于光降解。
3.13. 体外胃肠道消化
利用INFOGEST模型进行体外消化模拟发现，在胃消化阶段，CP处理增强了微胶囊的结构完整性。这可能是由于更紧密的PPI-AG网络能够更好地抵抗胃蛋白酶的水解和低pH环境的影响。
本研究系统论证了低压冷等离子体作为一种高效、绿色的非热改性技术，用于强化植物蛋白-多糖复合物基递送系统的可行性。研究得出的核心结论是：优化的CP处理（60 W, 4 min）能够诱导PPI发生选择性和可控的结构修饰，包括适度的解折叠、表面带电基团的暴露以及二级结构的重排。这些分子层面的变化并未破坏蛋白质的一级结构，但显著增强了PPI与AG之间的静电、氢键等非共价相互作用，这一点被ITC热力学数据所证实。这种强化的分子相互作用，直接转化为PPI:AG复合物及其所负载Cin微胶囊在多个层面性能的全面提升。
具体而言，CP处理使得复合物胶体分散性更均匀、表面电荷更高，从而显著提升了微胶囊在不同离子强度、宽范围pH以及长期储存下的环境稳定性。同时，CP处理诱导形成了更致密、孔隙更少的微观结构，这不仅将Cin的包封效率提升了约8个百分点，还为其提供了更强的保护屏障，使其抗氧化性、热稳定性和光稳定性均得到显著改善。尽管包封过程本身会减缓Cin的即时释放（表现为琼脂扩散抑菌圈减小），但CP处理在实现上述稳定性提升的同时，完全保留了Cin固有的抗菌活性。此外，体外消化实验表明，CP处理还有助于微胶囊在胃部恶劣环境中保持结构完整，这可能有利于实现活性物质的肠道靶向释放。
综上所述，这项研究的重要意义在于，它提供了一种清洁、可持续的策略，即通过冷等离子体技术对植物蛋白进行精准的界面工程改造，从而构建出高性能的生物聚合物基递送系统。这种方法无需化学交联剂，避免了残留问题，特别符合“清洁标签”的食品工业发展趋势。该研究不仅为肉桂精油这类高价值但易损的挥发性活性物质提供了有效的稳定化方案，其揭示的CP处理强化蛋白-多糖相互作用的普适性机理，也为开发其他基于植物蛋白的食品、药品或化妆品递送载体开辟了新的技术途径。
