利用蛋白质-多糖复合物优化乳液稳定性：大豆蛋白与海藻酸钠的比例以及均质化方法的影响

《Food and Bioproducts Processing》：Optimization of emulsion stability with protein-polysaccharide complexes: Effects of soy protein/sodium alginate ratio and of homogenization methods

　　大豆蛋白 isolate 与藻酸盐的复合体系在不同比例及超声/高压均质化下的相互作用与乳液稳定性研究。评估了SPI:ALG（1:1-5:1）体系在pH3.5下的复合行为，超声处理减少复合物尺寸但导致乳液不稳定，而高压均质化（400bar）显著降低油滴粒径（D_3,2≈38μm）并提高稳定性。SPI与ALG通过静电作用形成稳定复合物，超声促进电荷平衡但未完全抑制 creaming，高压处理通过物理破碎改善乳液结构。研究揭示了pH、生物聚合物比例及均质化方法对乳液稳定性的关键影响，为功能性食品和微胶囊开发提供理论依据。

　　本研究探讨了大豆分离蛋白（SPI）与海藻酸钠（ALG）在不同比例下形成超分子结构的相互作用，并评估了这些结构在不同处理方式下的物理特性。此外，还研究了不同油含量（15%、20%和25%）的油水（O/W）乳状液在使用SPI:ALG比例为1:1和4:1时的稳定性。通过两种均质化方法——超声波（US）和高压均质化（HPP）制备乳状液，结果表明超声波和高压均质化对乳状液的形态、滴度大小和流变学特性产生了显著影响，同时也对乳状液的分层稳定性产生了不同的效果。

### 复合物的形成

在pH 3.5条件下，SPI和ALG之间表现出最强的相互作用。通过浊度测量可以观察到，随着SPI的比例增加，复合物的形成更加明显，而超声波处理则显著减小了复合物的尺寸。所有经过超声波处理的乳状液都表现出不稳定性，出现了奶油相，伴有较大的滴度大小、剪切变稀行为以及G’ > G’’的特征，表明形成了具有结构的材料。然而，当使用较高的ALG比例（1:1）时，乳状液表现出更长的稳定性。高压均质化的乳状液则完全稳定，滴度大小约为38 μm。温度变化和生物聚合物的比例对乳状液的稳定性也有显著影响。共聚焦显微镜的观察结果显示，乳状液的不稳定是由于絮凝和聚并现象。超声波处理的乳状液在7天内表现出更好的属性和稳定性，而高压均质化则能够稳定乳状液，从而使其适用于食品工业中的多种应用。

### 材料与方法

本研究使用了从不同来源获得的材料，包括海藻酸钠（Dupont? Danisco?巴西有限公司）、大豆分离蛋白（含91%蛋白质，Tovani Benzaquen Ingredients）、商业大豆油（Liza?）和麦尔维因缓冲液（Morita and Assump??o, 2007）用于生物聚合物储备液的制备。SPI储备液的制备分为两步：首先，将蛋白质分散在去离子水中（占总溶液重量的三分之一），并用NaOH（1N）调节pH至11.0 ± 0.05，保持磁力搅拌24小时；然后加入麦尔维因缓冲液（pH 3.5）以完成总溶液重量，确保蛋白质的完全溶解。海藻酸钠溶液在pH 3.5 ± 0.05下制备。

SPI:ALG复合物的制备通过两种方法进行：有无超声波处理。对于超声波处理的系统，储备液在20 kHz频率、320 W功率下处理5分钟。为了防止样品过热，使用了玻璃外套冷却系统，保持系统温度在20°C左右。随后，通过混合适当质量的储备液，得到SPI:ALG比例为1:1、2:1、3:1、4:1和5:1的混合系统。样品被转移到试管中，并在24小时内静置以促进生物聚合物之间的相互作用。

油水乳状液的制备使用SPI:ALG复合物，比例为1:1和4:1，按照之前的工作方法进行（Albano and Nicoletti, 2018）并进行修改。生物聚合物含量设定为2.0%（w/w），大豆油含量设定为15%、20%和25%（相对于总乳状液质量）。大豆油通过高剪切均质器（Ultra Turrax T-25，IKA，德国）在15,000 rpm下均质化4分钟。之后，加入所需的海藻酸钠溶液（w/w）并继续搅拌4分钟。乳状液通过两种均质化方法制备：一种是超声波处理（Sonic Rupter 4000，Omni International，美国），在20 kHz频率和120 W功率下持续处理1分钟；另一种是两阶段高压均质器（Lab Series APV-2000，SPX Flow Technology，美国），第一阶段为400 bar，第二阶段为40 bar。最后，将乳状液转移到试管中，并静置48小时。

### 研究结果与讨论

SPI和ALG的复合物在pH 3.5下表现出最显著的相互作用。在pH 3.5时，生物聚合物的电荷差异最大，增强了静电相互作用，这有助于形成双层复合物并促进乳状液的稳定。通过浊度测量发现，随着SPI比例的增加，复合物的形成更为显著，而超声波处理显著降低了复合物的尺寸，使其更均匀和不浑浊。此外，超声波处理的样品在pH 3.5下表现出更低的吸收值，表明其具有更好的均质化效果。

光学显微镜图像显示，随着SPI比例的增加，复合物的形成更加明显，特别是在SPI:ALG比例大于3:1时，出现了明显的相分离现象。这表明生物聚合物之间的相互作用增强，导致了更明显的聚集。同时，超声波处理有效减小了复合物的尺寸，这有助于降低剪切作用对微结构的影响，从而减少絮凝现象。这种效果类似于高压均质化，后者通过湍流、空化和剪切作用减小了复合物的尺寸。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）分析，可以观察到SPI和ALG之间的化学相互作用。SPI的FTIR-ATR谱图显示了蛋白质的特征化学基团，如C=O（酰胺II）在约1530 cm?1处的伸缩振动，以及C=O（酰胺I）在约1630 cm?1处的伸缩振动。ALG的FTIR-ATR谱图则显示了O-H伸缩振动在3600–3100 cm?1范围内的特征，以及C=O伸缩振动在1720 cm?1和1590 cm?1处的特征。这些结果表明，SPI和ALG之间的相互作用通过化学基团的相互作用实现，而超声波处理并未显著改变这些基团的结构，仅对某些伸缩振动的峰强度产生影响。

流变学分析显示，所有SPI:ALG比例的生物聚合物富集相均表现出剪切变稀行为（n < 1），且随着SPI比例的增加，n值减小而K值增加。这种行为在SPI:ALG比例为3:1、4:1和5:1时尤为显著，因为这些比例下相分离更明显，形成了更紧密的网络结构。然而，超声波处理显著降低了这些行为，因为其减小了复合物的尺寸，提高了其均匀性。相比之下，高压均质化处理的乳状液表现出更小的滴度大小，这有助于提高乳状液的稳定性。

### 乳状液的稳定性

通过视觉评估，所有经过超声波处理的乳状液均表现出分层现象，无论油含量如何。在SPI:ALG比例为4:1时，底部相（乳清）是水性的且透明，而顶部相（奶油）是奶油状且不透明。然而，在SPI:ALG比例为1:1时，乳清相的分离量较少，且表现出一定的稳定性。这表明，较高的ALG比例有助于提高乳状液的稳定性，因为它能够增加连续相的粘度，防止乳状液的滴度聚并。此外，超声波处理虽然减小了滴度大小，但未能完全防止乳状液的分层。

在SPI:ALG比例为1:1的乳状液中，高压均质化处理表现出最佳的稳定性，所有油含量下的乳状液均未出现分层。这表明，高压均质化能够有效减小滴度大小，形成更小的单个滴度表面，从而提高乳状液的稳定性。此外，高压均质化处理的乳状液在视觉评估中表现出更清晰的底部相，这表明其稳定性更好。

通过共聚焦显微镜观察，发现超声波处理的乳状液中存在较大的滴度和絮凝现象，这表明乳状液的不稳定性主要由滴度的聚并和絮凝引起。相比之下，高压均质化处理的乳状液在所有油含量下均表现出更小的滴度大小和更稳定的结构，这可能与其更均匀的滴度分布和更紧密的网络结构有关。

### 结论

本研究发现，SPI和ALG在pH 3.5下形成了较强的复合物，这种相互作用在不同比例下表现不同。超声波处理有效减小了复合物的尺寸，使其更均匀和紧凑，但未能完全防止乳状液的分层。相比之下，高压均质化处理的乳状液表现出更好的稳定性，滴度大小显著减小，且未出现分层现象。这些结果表明，超声波处理和高压均质化在不同的应用场景中具有各自的优势。超声波处理的乳状液在7天内表现出更好的稳定性，而高压均质化则能够有效减小滴度大小，提高乳状液的稳定性。因此，这两种均质化方法在食品工业中具有重要的应用价值。