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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。
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。
2 CLSM分析
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、D4,3、D3,2分别为(23.24±0.17)、(26.24±0.12)、(9.18±0.13)μm,HIPPE2的D50、D4,3、D3,2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D50、D4,3、D3,2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。
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。
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
结 语