OPI/CS复合材料中的pH依赖性相互作用决定了乳液的稳定性以及β-胡萝卜素的生物可利用性

《Food Research International》:pH-dependent interactions in OPI/CS composites drive emulsion stability and β-carotene bioaccessibility

【字体: 时间:2026年03月14日 来源:Food Research International 8

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  oat蛋白 isolate与壳聚糖(CS)复合颗粒在不同pH和比例下的相互作用机制及对β-胡萝卜素递送性能研究。热处理使OPI结构展开,增强与CS的疏水作用,最佳比例5:1和pH 7时颗粒尺寸最小(1.55μm),emulsion稳定性优异且β-胡萝卜素生物利用率达36.78%,同时具有光热稳定性。

  
陈阳|耿东宇|孙颖|李艾彤|周增超|胡海月|乔英宁|卢英瑞|徐楠青|王琳娜|王建明
天津科技大学食品科学与工程学院,中国天津300457

摘要

本研究在不同pH值和比例条件下制备了燕麦蛋白分离物(OPI)与壳聚糖(CS)的复合颗粒,以探究它们之间的相互作用,并将其用作稳定剂来制备用于β-胡萝卜素输送的乳液。对OPI进行热处理后得到OPI′,其结构展开使得OPI′与CS的结合能力增强。随着OPI′:CS比例和pH值的增加,颗粒大小和浊度先增加后减少,同时主导作用力从静电作用转变为疏水作用。在OPI′:CS = 5:1和pH = 7的条件下,观察到最强的疏水相互作用。在此条件下制备的乳液具有最小的液滴尺寸(1.55 μm)、优异的储存稳定性,以及较高的β-胡萝卜素生物利用度(体外消化过程中为36.78%)。此外,OPI′/CS乳液在各种储存温度和紫外线照射下显著提高了β-胡萝卜素的保留率,显示出在输送脂溶性生物活性化合物方面的巨大潜力。

引言

脂溶性营养素,如维生素A、类胡萝卜素、姜黄素和虾青素(Zhang, Zhang, Liang, Jiang, & Sui, 2021),通过提供能量、抗氧化作用和维持正常生理功能在人体健康中起着关键作用(Hirota, Okamoto, Baba, & Suhara, 2025)。然而,这些脂溶性生物活性化合物在光照和温度等特定条件下极易发生降解、氧化或异构化。因此,在将其添加到食品中时需要采取保护措施以防止其变性。乳液能够模拟消化过程、调节释放部位并发挥协同效应,这使得基于生物大分子的乳液输送系统成为当前的研究重点。
关于乳液制备的研究表明,植物蛋白具有低成本、环保、高营养价值以及优异的乳化性能等优点(de Carvalho, Fazani, & Kawazoe, 2025)。燕麦蛋白分离物(OPI)具有高营养价值和独特的功能特性,如乳化性能(Liu et al., 2009)。其中,其球蛋白组分与大豆11S球蛋白的结构相似性赋予了OPI凝胶化能力。此外,热处理可将OPI六聚体分解为单体(Yang, Wang, & Chen, 2017)。这种结构转变通过暴露疏水区域并增强界面活性,使OPI成为高效的乳液稳定剂。在微酸性条件下,OPI的溶解度和乳化能力较低,限制了其在水基食品中的应用。因此,关于OPI稳定乳液的研究主要集中在将其与其他大分子结合上。
蛋白质与多糖之间的相互作用主要通过两种机制实现:共价结合和非共价结合。共价结合形成了稳定且不可逆的复合物,显著提高了系统的热稳定性和功能性能。而非共价相互作用主要通过氢键、疏水作用、静电吸引(Gentile, 2020)和范德华力等物理力来实现。这些相互作用是可逆的,并且高度依赖于溶液环境,如pH值和离子强度。在实际复杂系统中,共价和非共价机制通常协同作用,共同调节复合物的形成、结构和稳定性,从而显著影响蛋白质-多糖复合物在食品应用中的功能性能。由于非共价结构,这些复合物表现出改善的溶解度、表面活性、凝胶化能力、乳化性能和发泡性能。
复合颗粒的设计旨在结合蛋白质和多糖的固有优势,从而产生协同效应。因此,由蛋白质和多糖物理混合形成的复合颗粒比纯蛋白质颗粒具有更好的乳化性能(Gentile, 2020)。使用蛋白质-多糖复合颗粒作为乳化剂的乳液的主要稳定机制是在分散相液滴周围形成单层或多层颗粒。这一机制主要与乳液液滴之间的空间排斥和静电排斥有关(Wei & Huang, 2019)。带有相同电荷的蛋白质和多糖会导致分离;相反,相反电荷会引发静电吸引,导致形成富含生物聚合物的相和溶剂相(Wang, Chen, Yan, Li, & Qi, 2025)。复合物的稳定性受pH值显著影响,因为它决定了聚合物链与溶剂分子之间的相互作用。pH值的变化可能导致分散的生物聚合物从溶液中分离(Cortés-Morales, Mendez-Montealvo, & Velazquez, 2021)。同时,pH值通过影响多糖的电荷密度来调节凝胶网络的形成。蛋白质和多糖的净电荷受pH值的影响显著。在等电点附近,蛋白质的净电荷会发生反转(从正变为负或反之)。pH值的波动改变了静电作用的强度和性质,从而导致蛋白质和多糖之间的相分离或结合,这是由于热力学不相容性。
当前的研究主要集中在蛋白质与阴离子多糖的复合作用上,以提高乳液稳定性和包裹营养素,例如大豆蛋白分离物(Yang et al., 2025)和燕麦蛋白分离物(Wang, Liu, Zheng, Yuan, & Yang, 2024),它们与阴离子多糖结合用于营养素输送。尽管近年来蛋白质-阳离子多糖复合物在特定pH条件下的稳定性也显示出独特潜力(Moradi, Shamekhi, & Rafati, 2025),但对其相互作用机制及其在输送系统中的应用研究仍较为有限。作为天然阳离子多糖,壳聚糖具有优异的生物降解性、生物相容性和保湿性能。其带正电的分子链能够与带负电的表面活性聚合物发生反应并与其交联形成复合颗粒(Wang & Zhuang, 2022),从而提高蛋白质的稳定性并扩大其应用范围。然而,关于壳聚糖与燕麦蛋白分离物之间相互作用机制的系统研究以及将其作为输送载体的应用仍然相对较少。
因此,本研究探讨了OPI与CS之间的分子相互作用。在不同pH值和质量比条件下,研究了OPI/CS复合颗粒的特性和结合机制。此外,还考察了OPI/CS复合颗粒作为乳液稳定剂对乳液储存稳定性和流变性能的影响。利用OPI/CS乳液作为载体,包裹了β-胡萝卜素以评估其胃肠道释放速率、生物利用度和光热稳定性。这些发现为OPI/CS复合物在食品输送系统中的应用提供了理论基础。

材料

燕麦颗粒购自武昌Rainbow Rice有限公司。燕麦蛋白分离物(OPI)通过碱提取和酸沉淀法从燕麦颗粒中提取,其蛋白质含量为89.42%,分子量为237 kDa。壳聚糖购自上海豫源生物技术有限公司。大豆油(食品级)购自九三粮油工业集团有限公司(中国)。Coomassie Bright Blue(R250)购自上海阿拉丁生化技术有限公司。

OPI′/CS复合颗粒的ζ-电位、颗粒大小和浊度

评估了pH值(4–8)对OPI′/CS胶体复合物以及单独的生物聚合物(OPI′和CS)的浊度、ζ-电位和颗粒大小的影响。如图1a所示,随着pH值在4–8范围内升高,OPI′/CS的ζ-电位从?72.14 mV连续降低到8.46 mV,这是由于氨基和羧基发生质子化。在pH = 4时,OPI′和CS都带有净正电荷,导致生物聚合物之间的静电排斥,从而

结论

本研究在不同pH值和比例条件下制备了燕麦蛋白分离物(OPI)与壳聚糖(CS)的复合颗粒,以探究它们之间的相互作用,并将其用作稳定剂来制备用于β-胡萝卜素输送的乳液。热处理后,OPI′的结构展开,促进了其与CS的结合。随着OPI′:CS比例和pH值的增加,复合颗粒的颗粒大小和浊度先增加后减少,同时作用力发生了转变

CRediT作者贡献声明

陈阳:撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。耿东宇:撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据分析。孙颖:初稿撰写、方法论、数据分析、概念构思。李艾彤:方法论、数据分析。周增超:方法论、数据分析。胡海月:方法论、数据分析。乔英宁:方法论、数据分析。卢英瑞:方法论
未引用的参考文献
Hu, Liu, Zhong, Liu and Qin, 2024
Molet-Rodríguez, Torcello-Gómez, Salvia-Trujillo, Martín-Belloso and Mackie, 2023
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国博士后科学基金会(2024M762440)、天津市科技计划项目(24YDTPJC00960)、山东省基地与人才计划(博士后(SDCX-ZG-202400127)和宁夏回族自治区重点研发计划(2025BBF02018)的财政支持。作者还感谢甘肃省科技计划项目(25CXNH011)和国家自然科学基金(32001626)的财政支持。
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