通过控制蛋白质颗粒的干燥过程来提高其分散性，从而促进油凝胶的形成

《Food Hydrocolloids》：Controlled Drying of Protein Particles to Improve Oil Dispersibility for Oleogelation

　　迪克·格鲁特·尼贝尔林克（Dieke Groot Nibbelink）|玛丽特·沙普（Marit Schaap）|康斯坦丁诺斯·V·尼基福里迪斯（Constantinos V. Nikiforidis）|埃尔克·肖尔滕（Elke Scholten）

**食品的物理与物理化学**
瓦赫宁根大学与研究中心，荷兰瓦赫宁根

**摘要**
蛋白质油凝胶是固体脂肪的有前景的替代品，但目前主流的油凝胶化方法都是间接的，并且需要多个步骤将蛋白质从水相转移到油相中。根据所使用的方法，也难以控制油凝胶的具体性质，因为蛋白质的含量和结构并不总能被精确控制。因此，本研究的目标是制造可以直接分散在油中的蛋白质粉末，从而形成蛋白质油凝胶。这就需要一种流动性良好的蛋白质颗粒粉末，该粉末是通过使用非极性溶剂进行干燥方法制备的。随着极性逐渐降低的溶剂（例如水、异丙醇和己烷的不同比例混合物），溶剂的可润湿性和伴随的毛细力降低，从而减少了蛋白质颗粒之间的吸引力。研究使用了两种蛋白质：乳清蛋白分离物（WPI）和马铃薯蛋白分离物（PoPI），并通过珠磨法直接将它们分散在油中，成功制备出了蛋白质油凝胶。只有使用极性最低的溶剂混合物才能获得稳定的蛋白质油凝胶，以确保蛋白质颗粒足够小，能够适当形成油凝胶结构。对于WPI，50%（体积比）的水和50%（体积比）的异丙醇的混合物就足够了；而对于PoPI，则需要25%（体积比）的水和75%（体积比）的异丙醇的混合物。这种低极性有助于将蛋白质颗粒大小降低到1微米以下，从而实现强韧的网络结构。对于极性较高的溶剂，蛋白质在干燥过程中容易聚集，较大的蛋白质聚集体无法形成所需的3D蛋白质网络。总之，研究表明，通过使用非极性溶剂进行干燥可以防止颗粒聚集，从而得到适合直接分散的蛋白质颗粒，简化了油凝胶化的过程，并提供了调整蛋白质油凝胶性质的潜力。

**引言**
脂肪是食品中的重要成分，在提供风味和口感方面起着关键作用（Lucca & Tepper, 1994）。脂肪的固体特性对不同食品的质地也有重要影响（Vieira et al., 2015），例如为巧克力提供特定的熔化特性（Podchong et al., 2022）、各种烘焙食品的松软度和酥脆性（Devi & Khatkar, 2018; Mamat & Hill, 2014; Nutter et al., 2023; Vieira et al., 2015），以及黄油和奶油的涂抹性（Marangoni et al., 2020; Patel et al., 2020）。因此，脂肪的固体特性在不同食品中具有不同的重要性。

脂肪可以来源于动物（如黄油、猪油）和植物（如棕榈油、椰子油）（Gumus-Bonacina et al., 2024; Manzoor et al., 2022）。然而，动物来源的固体脂肪对环境影响较大（Nilsson et al., 2010; Smetana et al., 2020）。虽然植物基固体脂肪（如棕榈油和乳木果油）被推荐使用，但它们与温室气体排放增加、森林砍伐和生态系统退化有关（Cazzolla Gatti et al., 2019; Meijaard et al., 2020; Nounagnon et al., 2024; Parsons et al., 2020）。从可持续性的角度来看，不提倡使用固体脂肪，而是更倾向于使用其他替代品，如液态油（Anushree et al., 2017）。然而，液态油的性质限制了它们作为结构和质地改良剂的用途（Patel et al., 2020）。近年来，研究表明可以通过液态油的构型来获得固体特性（Marangoni et al., 2020; Patel et al., 2020），这类系统被称为油凝胶。已经确定了几种可作为油凝胶剂的化合物，称为油凝胶化剂（Scholten, 2019）。低分子量的油凝胶化剂包括蜡（Thakur et al., 2022; Zulim Botega et al., 2013）、植物甾醇（Matheson et al., 2018; Y. Wang et al., 2024）和单甘酯（Li et al., 2021）。一些相对疏水的生物聚合物也被研究作为油凝胶剂，如乙基纤维素（Ahmadi et al., 2022; Armijo et al., 2025）和壳聚糖纳米纤维（Nikiforidis & Scholten, 2015; Zhang et al., 2025）。除此之外，蛋白质也是一种有前景的油凝胶剂，因为它具有高营养价值，受到消费者的欢迎（Scholten, 2019）。

由于蛋白质是相对亲水的分子，不易分散在油中，因此提出了多种方法来制备蛋白质油凝胶。目前大多数蛋白质油凝胶化方法都属于间接方法（Feichtinger & Scholten, 2020）。例如乳液模板法和泡沫模板法，先将蛋白质通过界面吸附引入乳液或泡沫中，然后通过干燥去除水分（Abdollahi et al., 2020; Patel et al., 2015）。这种方法会产生高内相乳液（HIPE）或泡沫支架，能够通过扩散吸收油（Feichtinger & Scholten, 2020）。由于在这两种情况下油仍然是分散相，因此需要剪切步骤才能使油成为连续相并形成凝胶。由于这个剪切步骤，很难控制最终油凝胶的网络结构和性质（Scholten, 2019）。另一种间接方法是溶剂转移法（de Vries, Wesseling et al., 2017），通过多次使用中等极性溶剂清洗将蛋白质聚集体转移到油中。虽然最初该方法用于乳清蛋白分离物（WPI）（de Vries, Wesseling et al., 2017），但后来也成功应用于植物基蛋白质（Feichtinger et al., 2022）。尽管这些间接油凝胶化方法已在实验室规模上进行应用，但由于耗能高且过程繁琐，难以扩大规模。此外，间接方法难以控制最终油凝胶的性质，因为难以调节蛋白质的含量和网络结构（Scholten, 2019）。为了在工业规模上使用蛋白质油凝胶，需要能够直接将蛋白质分散在油中的方法。然而，如前所述，蛋白质的亲水性使得它们难以以干燥粉末的形式直接分散在油中（Scholten, 2019）。为了提高蛋白质粉末的分散性，需要使用颗粒小且流动性好的粉末（de Vries, Wesseling et al., 2017）。较大的颗粒或聚集体由于总表面积较小，难以在油中形成跨越空间的网络。目前的蛋白质粉末，尤其是植物基蛋白质，通常会严重聚集（Burger et al., 2022），因此不适合直接分散。这种聚集现象在粉末干燥过程中发生，常用的方法是喷雾干燥（van Boven et al., 2024），但这会导致颗粒聚集，使得喷雾干燥的蛋白质粉末不适合直接分散在油中。为了获得适合直接分散的细粉，需要寻找替代的干燥方法。一种可能性是使用超临界CO2干燥酒精凝胶，从而生成气凝胶颗粒（Plazzotta et al., 2020）。De Vries, Lopez Gomez等人（2017）也表明，无需使用超临界CO2干燥，仅从低极性溶剂中干燥蛋白质也能得到亚微米级的蛋白质颗粒。然而，从不同极性溶剂中干燥蛋白质的效果及其在油中的分散性尚未得到进一步研究。

**研究目的**
本研究旨在探讨溶剂极性对干燥蛋白质粉末直接分散在油中形成油凝胶能力的影响。研究使用了两种类型的蛋白质：乳清蛋白分离物（WPI）和马铃薯蛋白分离物（PoPI），前者作为最常用的油凝胶剂，后者作为可溶性、更疏水的植物蛋白质的代表（Feichtinger et al., 2022）。通过混合水、异丙醇（IPA）和己烷来调节干燥所用溶剂的极性。根据具体的极性，这些系统分别通过冷冻干燥或单纯蒸发溶剂进行干燥。干燥后的蛋白质粉末被分散在油中形成油凝胶，并通过添加水增强蛋白质颗粒间的毛细力来加强网络结构（de Vries et al., 2018）。

**蛋白质分散性**
由于蛋白质在干燥过程中会大量聚集（Brishti et al., 2020; Joshi et al., 2011），其分散性受到限制。在喷雾干燥和空气干燥过程中，随着溶剂蒸发，蛋白质浓度增加，颗粒间会形成液体桥，导致颗粒间距减小。这些液体桥对颗粒产生毛细力（Cuq et al., 2013; Willett et al., 2000）。这种毛细力很强，由桥液与空气之间的表面张力和桥内的压力差产生（Seville et al., 2000; Willett et al., 2000），其计算公式为：
\[ F_c = \frac{\sigma_{liquid-air} \cdot r^2}{1 - \cos(\theta)} \]
其中 \( r \) 是颗粒半径，\( \sigma_{liquid-air} \) 是桥液与空气之间的表面张力，\( \theta \) 是液体在固体颗粒上的接触角。这种毛细力足以将颗粒拉在一起，导致进一步干燥时颗粒聚集，最终形成固体桥（Cuq et al., 2013）。干燥过程中的强烈相互作用常常阻碍干燥粉末的重新分散，尤其是在低极性溶剂中。

**结论**
通过改变干燥过程中的毛细力可以限制颗粒聚集，从而提高蛋白质的分散性。这可以通过影响液体在颗粒界面的接触角和液体与空气之间的表面张力来实现。改变溶剂的极性可以改变这两个因素（de Vries, Lopez Gomez et al., 2017）。对于极性较低的溶剂，接触角较大，颗粒间的吸引力较低，从而减少聚集，形成颗粒小、流动性好的粉末（如图1所示）。我们推测，所得颗粒的大小与干燥过程中使用的溶剂极性有关。因此，本研究探讨了溶剂极性对粉末性质及其作为高效油凝胶剂使用能力的影响。

**材料**
乳清蛋白分离物（BiPro 9500）购自Agropur（加拿大朗格维尔）。马铃薯蛋白分离物（Solanic 200）购自Avebe（荷兰芬丹）。红葵花油（Vandemoortele，比利时根特）从当地超市购买。HCl（Actu-All Chemicals，荷兰奥斯）和NaOH（Sigma-Aldrich，美国密苏里州圣路易斯）用于调节pH值。丙酮和己烷来自Actu-All Chemicals（荷兰奥斯），异丙醇来自同一家公司。通常，具有较低极性的干燥溶剂混合物通过防止蛋白质颗粒聚集来形成更小的蛋白质颗粒。作者贡献声明：Dieke Groot Nibbelink：撰写原始稿件、数据可视化、方法选择、实验设计、数据分析、数据整理及概念构建；Marit Schaap：实验设计及数据整理；Constantinos V. Nikiforidis：撰写稿件修订与编辑、项目监督及概念构建；Elke Scholten：撰写稿件修订与编辑、项目监督、资金筹措及概念构建。参考文献：de Vries等人，2017年；Wang等人，2024年。利益冲突声明：作者声明没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢：作者感谢Incredo公司提供的财务支持。