河南科技学院杨伟副教授等:LF、EGCG、HMP和β-CD四元复合物基高内相Pickering乳液

2023-10-27作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-

高内相Pickering乳液(HIPPEs)是内相体积分数大于74%的一类Pickering乳液。与传统Pickering乳液相比,HIPPEs仅需少量固体或胶体颗粒就能稳定油滴,所形成的乳液体系多为半固态凝胶结构,具有优异的抗聚集、抗絮凝和抗奥氏熟化等特性,在食品工业中可作为人造奶油替代物或活性物质运载体系等。研究发现,与单一颗粒或二元复合物相比,多元复合物稳定Pickering乳液的能力通常更加优异。其中,蛋白质-多酚-多糖三元复合物是目前研究热点之一。β-环糊精(β-CD)是由8个葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键连接的具有闭环结构的低聚糖,具有独特的疏水空腔,该特性使其能够包埋小分子,提高小分子的稳定性或水溶性。β-CD能够稳定Pickering乳液。目前,有关利用β-CD调控蛋白质-多酚-多糖三元复合物结构和乳化特性的研究尚鲜见报道。

河南科技学院食品学院的谢丽清、徐班萌、杨伟*等人在LF-EGCG-高甲酯果胶(HMP)三元复合物的基础上引入β-CD,以进一步调控三元复合物结构。首先,借助多种光谱学技术表征四元复合物结构;然后,制备HIPPEs并研究乳液的微观结构、流变和质构特性、3D打印特性以及冷藏稳定性;最后,提出四元复合物形成以及其稳定HIPPEs的作用机制。本研究能够为蛋白质-多酚-双多糖四元复合物的构建及其在HIPPEs中的应用提供理论依据。

1 三元及四元复合物的结构特性


实验设置2 个空白对照组:LF-EGCG-HMP三元复合物、LF-EGCG-β-CD三元复合物,分别记为MIX1和MIX2。依据β-CD的不同添加顺序,构建得到3 种四元复合物:LFβ-CD-EGCG-HMP、LF-EGCG-β-CD-HMP和LF-EGCGHMP-β-CD,分别记为MIX3、MIX4和MIX5。

由图1A可知,MIX1的浊度高达2637 NTU。随着β-CD添加,形成的四元复合物浊度进一步增加,表明复合物中分子间的聚集行为增强。当β-CD质量浓度达到0.0015 g/mL后,进一步增加其质量浓度,溶液浊度不再增加,表明此时β-CD对溶液体系的影响达到饱和。在0.0015 g/mL β-CD条件下,MIX2的浊度仅为15 NTU,溶液清澈透明。β-CD作为中性电荷,不能与LF通过静电相互作用,但能够通过其疏水空腔结合EGCG,竞争性干扰LF与EGCG的相互作用。另外,自组装顺序直接影响了加入β-CD后的四元复合物浊度,从高到低依次为MIX3>MIX4>MIX5。

由图1B可知,相较于MIX2,MIX1的荧光强度较强,表明研究所用浓度条件下,相比于β-CD,HMP对LF与EGCG相互作用的干扰能力更强,进而减弱EGCG对LF的荧光淬灭效应。与MIX1相比,四元复合物的荧光强度增强,表明β-CD的添加进一步减弱了EGCG对LF的荧光猝灭效应。这可归因于β-CD所具有的空腔结构,能够通过氢键包埋EGCG。

由图1C可知,MIX1和MIX2的酰胺A带分别位于3365.1 cm-1和3355.9 cm-1处,而在MIX3、MIX4和MIX5中分别红移至3332.1、3305.9 cm-1和3307.7 cm-1。蛋白质的酰胺I带位于1600~1700 cm-1之间,归因于多肽骨架的C=O伸缩振动,其变化也与氢键的形成密切相关。与MIX1和MIX2相比,MIX3、MIX4和MIX5中的酰胺I带出现明显蓝移。显然,氢键参与了四元复合物的形成。另外,在1057~1077 cm-1区域峰的位移进一步表明四元复合物中各物质之间发生了相互作用。

由图1D可知,与三元复合物相比,四元复合物的界面张力降低约3 mN/m,表明添加β-CD后,复合物更易于吸附在乳滴表面,表现出更强的乳化稳定性。MIX3界面张力最低,说明其乳化稳定性最强。在四元复合物中,LF、EGCG和β-CD均具有稳定HIPPEs的能力,因此,它们之间的相互作用可能是四元复合物乳化稳定性提高的原因。

由图1E可知,三元复合物和四元复合物的接触角之间差异明显,从高到低为:MIX3(89.9±0.2)°>MIX4(85.8±0.2)°>MIX5(79.5±0.2)°>MIX2(76.2±0.2)°>MIX1(74.6±0.1)°,这表明相比于三元复合物,四元复合物更易稳定HIPPEs。特别是MIX3,其接触角接近90°,显著高于MIX1和MIX2,这直接说明了自组装顺序的重要意义。即自组装顺序通过灵活调控四元复合物的结构和颗粒润湿性,显著影响着它们稳定HIPPEs的能力。这与之前强调自组装顺序对于LF-EGCG-低甲酯果胶三元复合物结构和乳化特性影响的研究结果一致。

由图1F可知,MIX1表现出典型的网络交联结构,这与其含有HMP密切相关。HMP能够通过氢键、疏水相互作用和范德华力等非共价作用力与LF和EGCG分别或共同相互作用,进而形成复杂的网络结构。相比而言,MIX3、MIX4和MIX5的网络交联行为更加明显,结构更加致密。此外,MIX2的颗粒形貌几乎无网络结构,这是因为β-CD并不具备HMP的结构特点,其所形成的“—(LF-EGCG-β-CD)n—”结构不具备相互交联特性。
综上,β-CD的添加显著影响了LF-EGCG-HMP三元复合物的结构,所形成的四元复合物可能会不同程度地影响HIPPEs的结构和稳定性。

2 CLSM分析

如图2所示,三元复合物和四元复合物用异硫氰酸荧光素染色,呈绿色;大豆油用尼罗红染色,呈红色。三元复合物和四元复合物(绿色)均吸附在乳液界面,并紧密包裹着乳滴(红色)。显然,这些乳液均为O/W体系。同时,连续相呈绿色,说明存在大量游离的(未吸附的)三元复合物和四元复合物。它们能够通过空间位阻作用抑制乳滴的聚结,有利于HIPPEs的稳定。另外,乳滴均呈非球形,表明这些乳液由Pickering稳定机制稳定,乳滴间存在强烈的挤压形变行为。

由表1可知,在这些HIPPEs中,乳滴的粒径大小和均一度存在一定差异。HIPPE1的D50、D4,3D3,2分别为(23.24±0.17)、(26.24±0.12)、(9.18±0.13)μm,HIPPE2的D50D4,3D3,2分别为(26.99±0.61)、(38.87±0.30)、(12.32±0.61)μm,均一性较差。相比而言,HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5中的D50D4,3D3,2分别在17~20、19~24、7~10 μm范围内,乳滴粒径明显减小,分布趋于均一。基于四元复合物的复杂网络结构以及优异的颗粒润湿性(接触角更接近90°),推测四元复合物通过两方面提高HIPPEs稳定性:1)更紧密吸附于油水界面;2)在连续相中形成高黏度网状结构,通过强大的空间位阻作用和高黏度有效抑制乳滴之间的聚集。

3 光学微流变分析

由图3可知,与HIPPE1和HIPPE2相比,HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的弹性因子(EI)增大,特别是HIPPE3,EI值达(4.4±0.1)×10-3 nm-2,是HIPPE1和HIPPE2的1.64 倍和1.88 倍。这表明HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的连续相中形成了更加致密的网络结构,可归因于MIX3、MIX4和MIX5致密的网络结构。


由图3可知,与HIPPE1、HIPPE2相比,HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5具有更高的宏观黏度因子(MVI)值。这说明在HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5中,乳液液滴的运动速度变慢,乳液变得更加稳定。显然,β-CD的添加增强了乳液连续相中三元复合物的黏度。由图3可知,HIPPE1的固液平衡值(SLB)值为0.50±0.001,说明HIPPE1为固液平衡体系,HIPPE2的SLB值为0.57±0.0025,大于0.5,说明HIPPE2体系更倾向于液体。相比而言,HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的SLB值减小,分别为0.45±0.001、0.46±0.001和0.47±0.001,说明β-CD的加入使HIPPE1由固液平衡体系向类固体体系转变。乳液的类固体行为较液体行为和固液平衡更有利于防止乳液体系的聚结和奥氏熟化。

4 质构特性和3D打印特性

由表2可知,HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5在硬度、黏性、内聚力、胶着性、咀嚼性指标上均优于HIPPE1和HIPPE2,这可归因于HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的致密网络结构和高黏性。




图4A为HIPPE1、HIPPE2、HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的3D打印成型效果图。通过对3D打印乳液底部直径的测定,可间接反应乳液的3D打印稳定性。初始3D打印HIPPEs为直径30 mm、高15 mm的圆柱体。但放置12 h后,HIPPE1和HIPPE2出现较为严重的坍塌,由图4B可知,乳液底部直径分别达到40.1 mm和41.0 mm。相比而言,HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5底部直径介于35.3~38.8 mm之间。这说明四元复合物基HIPPEs的支撑性能更强,表现出更加优异的3D打印特性,特别适合作为食品3D打印材料。显然,这应归因于HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的优异黏弹性和质构特性。

5 抗氧化能力分析

本研究发现,与三元复合物基乳液相比,四元复合物基乳液的抗氧化性增强。由图5可知,HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的DPPH自由基清除能力分别为82.3%、76.6%和73.3%,高于HIPPE1(41.5%)和HIPPE2(45.7%);ABTS阳离子自由基清除能力分别为54.2%、51.2%和48.5%,高于HIPPE1(40.3%)和HIPPE2(42.3%)。由于EGCG是发挥抗氧化性的主要因素,因此推测四元复合物基HIPPEs抗氧化性提高的原因是:β-CD通过氢键作用与EGCG结合,竞争性降低HMP对EGCG的“束缚”,通过形成相对松散的“—(β-CD-EGCG-HMP)n—”结构,增加EGCG的水溶性,进而提高整个乳液体系的抗氧化能力。不过,该推测仍需进一步研究加以验证。


6 乳液稳定性分析

乳析指数可以用于评价乳液的物理稳定性,其值越高,乳液物理稳定性越差,反之则越强。由图6A可知,HIPPE2在离心后表现出明显的破乳现象,说明LF-EGCG-β-CD三元复合物的乳化稳定性较差。HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5的乳析指数低于HIPPE2,说明它们的离心稳定性增强。HIPPE3的乳析指数最小,这可归因于HIPPE3较小的粒径、较致密的结构和较高的黏弹性。

由图6B、C可知,5种乳液均表现出良好的常温稳定性,但其冷藏稳定性却不相同:HIPPE1、HIPPE2出现了可见的析油现象,而在HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5中并未发生。这说明HIPPE3、HIPPE4和HIPPE5具有良好的冷藏稳定性,适合在冷藏食品体系应用。



7 四元复合物及其HIPPEs可能的形成机制

如图7所示,在MIX3中,首先形成LF-β-CD二元混合物(LF与β-CD相互作用力弱);添加EGCG后,形成浊度较低的LF-β-CD-EGCG三元复合物;之后,借助于与LF和EGCG的相互作用,HMP将LF-β-CD-EGCG三元复合物吸附于表面,促进了各成分之间的交联,形成了结构复杂的网络结构。MIX4的结构形成过程与MIX3类似,区别在于大量LF-EGCG-β-CD三元复合物存在于该结构内部,部分“掩盖”了复合物整体的乳化能力。MIX5的网络结构相对简单,主要是由LF-EGCG-HMP三元复合物及围绕在该复合物表面的β-CD组成。总之,β-CD的加入推动了复合物中各成分的重组装,优化了颗粒网络结构,使其具备更加适宜的润湿性。当MIX3、MIX4和MIX5作为连续相稳定HIPPEs时,这些颗粒通过强界面吸附能力及高黏网络结构,赋予HIPPEs优异的黏弹特性和稳定性。

结 语

与三元复合物相比,由LF、EGCG、HMP和β-CD自组装构建的四元复合物具有较低的界面张力和更加适宜的润湿性,表现出优异的稳定HIPPEs特性。四元复合物的致密交联网络赋予HIPPEs更高的黏弹性、质构特性和3D打印特性。同时,β-CD能够通过干扰EGCG与LF或HMP的结合,显著提高HIPPEs的抗氧化特性。另外,自组装顺序灵活调控着四元复合物的结构和乳化特性。本研究为蛋白质-多酚-双多糖四元复合物的构建及其在HIPPEs中的应用提供理论依据。

本文《乳铁蛋白、表没食子儿茶素没食子酸酯、高甲酯果胶和β-环糊精四元复合物基高内相Pickering乳液的构建及表征》来源于《食品科学》2023年44卷第14期54-62页,作者:谢丽清,徐班萌,梁新红,李波,杨伟。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221105-052。