《LWT》：Surface modification of zein colloidal particles with different gums to stabilize Pickering emulsions
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研究人员针对天然表面活性剂替代需求，开发了基于玉米醇溶蛋白（zein）与多糖复合的胶体颗粒，通过基质法（MT）和核壳法（CS）制备，系统评估了其对Pickering乳液的稳定作用。结果表明，zein/水溶性波斯胶（WPG）/MT复合颗粒和zein/羧甲基纤维素钠（CMC）/CS颗粒在42天储存期内表现出最高的稳定性，而阿拉伯胶（GA）无明显改善作用。该研究为设计基于天然生物聚合物的稳定Pickering食品乳液提供了新策略。
在食品、化妆品、医药和农用化学品等众多工业领域中，乳液是一种不可或缺的载体系统，它将两种原本不相溶的液体（通常是油和水）分散在一起。然而，传统乳液是动力学稳定而非热力学稳定，这意味着它们在储存过程中容易发生重力分离、絮凝、聚结、奥斯特瓦尔德熟化等不稳定性现象。为了对抗这些问题，人们通常需要加入乳化剂，特别是合成表面活性剂。但随着消费者对清洁标签、安全性和可持续性的日益关注，这些合成乳化剂因其潜在的异味、毒性以及不符合清洁标签要求而应用受限。因此，寻找天然的、安全的表面活性物质来替代合成乳化剂，成为了食品和健康产业亟待解决的关键问题之一。
与此同时，由于伦理、环境、健康等多重因素，动物蛋白的消费正在减少，市场对植物蛋白的需求日益增长。在众多植物蛋白中，玉米醇溶蛋白（zein）因其易于形成胶体颗粒、低消化率、生物相容性、生物可降解性以及获得美国FDA口服批准等优点，成为研究热点。它是一种疏水性较强的醇溶谷蛋白，有望作为疏水性功能成分（如姜黄素）的载体和乳液的稳定剂。然而，未经修饰的玉米醇溶蛋白颗粒在储存时容易聚集，难以再分散，并且其自身无法有效吸附在油水或气水界面上来稳定乳液。研究表明，单独的玉米醇溶蛋白颗粒无法长期稳定Pickering乳液。一个充满希望的解决方案是将其与带负电的多糖结合，通过静电相互作用形成复合颗粒，这不仅可能改善其稳定乳液或泡沫的能力，还能在包埋应用中提高所包埋生物活性化合物的化学稳定性。
基于上述背景，一项发表在《LWT - Food Science and Technology》期刊上的研究，由Sara Esteghlal、Seyed Mohammad Hashem Hosseini等研究者共同完成，旨在开发一种由植物基颗粒稳定的、物理性质稳定的Pickering乳液体系。该研究选择玉米醇溶蛋白作为可持续植物蛋白模型，并针对其界面吸附能力有限和易聚集的缺点，创新性地采用三种不同的亲水胶体——羧甲基纤维素钠（CMC）、阿拉伯胶（GA）和水溶性波斯胶（WPG），对玉米醇溶蛋白颗粒进行表面修饰。研究采用了两种截然不同的制备方法：基质法（MT）和核壳法（CS），以探究制备步骤的顺序如何影响最终颗粒的结构与功能。研究系统评估了复合颗粒的特性（如粒径、Zeta电位、界面张力降低能力、结构变化）及其所稳定乳液的物理稳定性、流变学性质和微观形态。最终，研究者还选取了能提供最高稳定性的颗粒体系，用于包埋疏水性的功能成分姜黄素（Cu），进一步探索了该体系作为功能性稳定乳液的潜力。
本研究主要采用了以下关键技术方法：通过反溶剂法结合高速剪切均质或超声处理，制备玉米醇溶蛋白/多糖复合胶体颗粒；利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和圆二色光谱（CD）分析颗粒的化学相互作用和蛋白质二级结构变化；通过静态光散射和动态光散射技术测定颗粒与乳液滴的粒径分布及Zeta电位；使用悬滴法测定动态界面张力（IFT）；采用旋转流变仪测定分散体和乳液的粘度及动态流变学性质（G', G"）；通过光学显微镜观察乳液滴的微观形貌；并在42天的储存期内，通过测量析出相高度来定量评估乳液的物理稳定性。此外，还通过离心法测定了姜黄素在复合颗粒中的包封率。
3.1. FT-IR
傅里叶变换红外光谱分析表明，玉米醇溶蛋白与三种多糖（CMC、GA、WPG）之间均存在相互作用。在复合颗粒的光谱中，酰胺I带、酰胺II带以及多糖的特征峰（如羧基、C-O-C等）均发生了波数偏移。这些偏移表明玉米醇溶蛋白与多糖之间通过静电吸引和氢键发生了分子间相互作用。不过，制备方法（MT与CS）对zein/GA和zein/WPG复合颗粒的FT-IR光谱影响不大，但在zein/CMC样品中，MT方法制备的颗粒在1659 cm-1处多出一个与羧甲基醚基团相关的吸收带。
3.2. 颗粒的尺寸和Zeta电位
复合颗粒的粒径分布和尺寸因多糖类型和制备方法而异。含有CMC的样品粒径最大且分布最宽（D4,3约30 μm），这归因于CMC的高粘度及其线性刚性结构，限制了尺寸的减小。zein/GA/CS颗粒的尺寸最小（D4,3为2.6 μm），而zein/WPG颗粒的尺寸分布在1-3 μm之间，且对制备方法不敏感，表现最为稳定。添加姜黄素后，zein/WPG/MT颗粒的粒径分布从单峰变为三峰，平均尺寸略有变化。所有复合颗粒在pH 4下均带负电（-16.3 至 -28.7 mV），证实了多糖包裹在玉米醇溶蛋白核心表面。MT法制备的zein/WPG颗粒表面负电荷最高（-28.7 mV）。包埋姜黄素后，颗粒表面负电性降低，这可能源于玉米醇溶蛋白构象改变，疏水残基被屏蔽，更多亲水带电残基暴露并与WPG链作用，导致电荷中和。
3.3. 颗粒分散体的表观粘度
所有颗粒分散体均表现出剪切稀化的非牛顿流体行为。含有CMC的复合颗粒分散体粘度显著高于含有WPG的分散体，这源于CMC本身的高粘度、高吸水能力以及颗粒较低的表面电荷导致的更强聚集网络。zein/CMC/CS的粘度最高，是zein/CMC/MT的2.6倍。zein/WPG/MT的粘度也高于zein/WPG/CS。合成方法对粘度的影响取决于多糖类型。
3.4. 动态界面张力（IFT）
在油水界面，不同复合颗粒降低界面张力的能力不同。zein/GA颗粒的界面张力最低，zein/WPG/CS颗粒的界面张力最高。制备方法对zein/GA样品影响最小，但对zein/CMC和zein/WPG颗粒的影响因聚合物而异。界面张力值随时间推移未显著下降，这表明界面张力降低并非Pickering乳液形成的主要机制。zein/GA颗粒与油相密度差小，导致其在界面上的脱附能较低，这预示了其稳定乳液的能力可能较弱。
3.5. 圆二色光谱（CD）
圆二色光谱分析揭示了玉米醇溶蛋白与WPG及姜黄素相互作用后的二级结构变化。纯玉米醇溶蛋白颗粒在208 nm和222 nm处有两个负峰，表明其以α-螺旋结构为主。加入WPG后，α-螺旋含量从26.5%显著降至9.6%，同时β-折叠和无规卷曲含量增加，表明WPG与玉米醇溶蛋白发生了强相互作用，可能导致蛋白质解折叠或重排。加入姜黄素也使α-螺旋含量降低至17.4%。这些结果与FT-IR光谱中酰胺带的变化一致，证实了相互作用引起了蛋白质构象改变。
3.6. Pickering乳液的液滴尺寸和表面电荷
乳液滴的平均尺寸（D4,3）在微米级（10.8 至 49.7 μm）。含有CMC的乳液滴通常大于含有WPG的乳液滴，这与CMC的高粘度有关。采用CS法制备的颗粒所稳定的乳液，其液滴尺寸通常小于MT法制备的。zein/WPG/CS/E的液滴尺寸最小（10.8 μm）。包埋姜黄素后，zein/WPG/MT/E的液滴尺寸减小（从34.6 μm降至14.6 μm），但多分散性增加，这可能与颗粒表面电荷降低、在界面上堆积更紧密有关。所有乳液滴均带负电，其中zein/CMC/CS/E、zein/WPG/CS/E和zein/WPG/Cu/MT/E的表面电荷绝对值较高（>25 mV），有助于通过静电斥力稳定乳液。
3.7. 显微镜观察和Pickering乳液的物理稳定性
光学显微镜显示，所有乳液滴均为球形。由zein和zein/GA颗粒稳定的乳液滴尺寸不均，且出现絮凝。而由zein/CMC和zein/WPG颗粒稳定的乳液滴尺寸更均一，zein/WPG/Cu/E的液滴尺寸更小。42天的储存稳定性测试表明，单独的zein颗粒稳定的乳液最不稳定，第一天就出现明显的乳析和沉降。zein/GA颗粒对稳定性没有改善作用。相反，zein/CMC和zein/WPG复合颗粒显著提高了乳液稳定性。在第一天，zein/CMC/E和zein/WPG/E的稳定性均为100%。在储存期内，zein/WPG/MT/E表现出最高的稳定性，其次是zein/CMC/CS/E。添加姜黄素进一步略微提高了zein/WPG/MT/E的稳定性。乳液的稳定机制是多种因素综合作用的结果，包括连续相粘度、液滴表面电荷（影响静电和空间斥力）、未吸附多糖链引起的耗尽絮凝，以及颗粒在界面上的堆积密度等。
3.8. Pickering乳液的表观粘度和动态流变学特性
所有乳液均表现出剪切稀化行为。zein/CMC/E的粘度高于zein/WPG/E，这与颗粒分散体的粘度趋势一致，且与液滴间因表面电荷较低而可能存在的较强相互作用有关。频率扫描测试表明，除zein/WPG/MT/E在初始阶段G‘和G“几乎相等外，其他乳液均表现出G’ > G“的类凝胶弹性行为。模量值随频率增加而增加，这是胶体体系的典型特征。zein/CMC/CS/E的储能模量（G‘）和损耗模量（G“）高于zein/CMC/MT/E，可能与其较小的液滴尺寸和更大的总界面面积有关。MT法制备的zein/WPG颗粒使其稳定的乳液具有更高的G’。
4. 结论
该研究得出结论，利用CMC和WPG对玉米醇溶蛋白颗粒进行表面改性，可以显著提高Pickering乳液的稳定性，而GA则没有积极作用。玉米醇溶蛋白与多糖之间的相互作用主要是静电吸引，且与WPG的相互作用会改变玉米醇溶蛋白的α-螺旋二级结构。通过MT方法合成的zein/WPG复合颗粒，在6周的储存期内提供了最稳定的乳液。流变学研究表明，含有CMC的乳液表现为G‘ > G“的固体主导行为，而含有WPG的乳液则表现为G’ ≈ G“的粘弹平衡行为。每种颗粒制备方法的效果都依赖于所采用的多糖类型。在zein/WPG/MT复合物中添加姜黄素，进一步略微提高了乳液的稳定性。
这项研究的意义在于，它首次系统比较了在相同组成下，通过不同制备路线（MT vs. CS）得到的玉米醇溶蛋白/多糖复合颗粒，明确揭示了简单的制备步骤顺序的改变会强烈影响颗粒结构，进而决定Pickering乳液的特性和物理稳定性。研究成功筛选出zein/WPG/MT这一具有潜力的植物源复合材料与加工策略，为设计和开发基于天然生物聚合物和亲水胶体、无需合成表面活性剂的高稳定Pickering食品乳液提供了重要的理论依据和实践方案，契合了市场对清洁标签和植物基配料的增长需求。未来工作可着眼于监测储存期间液滴尺寸变化以深入理解失稳机制，评估乳液（尤其含姜黄素时）的化学稳定性、释放特性及生物可及性，以进一步拓展该体系在功能性食品中的应用前景。
