β-环糊精在油水界面吸附行为的多尺度表征

《Journal of Food Engineering》：Multiscale characterization of the adsorption behavior at oil-water interface of β-cyclodextrin

　　β-CD在含表面活性剂和离子体系的油水界面吸附行为及多技术表征方法研究。摘要：通过分子对接模拟、QCM-D和OIRD技术，系统研究了β-CD在Sodium caseinate、Tween 20和NaCl三种不同外部条件下的竞争吸附与离子效应，揭示了其吸附行为的多尺度特性，为Pickering乳液制备提供新方法。

　　β-CD是一种具有独特结构的环状寡糖，因其内部的疏水空腔和外部的亲水表面，被广泛应用于多个领域。这些特性使其在与各种客体分子形成包合物方面表现出色，从而在药物输送、环境修复、食品科学、材料科学、矿物工程和化学工程中发挥重要作用。在这些应用中，β-CD在油水界面的吸附行为尤为重要，因为其能够有效稳定乳液体系，防止油滴聚结，提高乳液的稳定性与持久性。

在实际应用中，β-CD的吸附行为受到多种外部条件的影响。这些条件包括离子浓度的变化、其他表面活性剂或大分子的竞争吸附作用等。例如，在高离子强度的环境下，β-CD与界面分子之间的相互作用可能会减弱，从而影响其吸附能力。此外，其他物质如Tween 20和Sodium caseinate（SC）可能在油水界面占据吸附位点，进一步抑制β-CD的吸附效率。这些因素使得研究β-CD在不同环境下的吸附行为成为一项具有挑战性的课题。

目前，研究者们采用多种技术手段来探索β-CD的吸附行为。传统的观察方法如光学显微镜、原子力显微镜（AFM）、扫描探针显微镜（SPM）、透射电子显微镜（TEM）和荧光显微镜等，虽然能够提供β-CD表面形态的信息，但对吸附行为的动态变化监测能力有限。此外，这些方法通常需要较高的操作成本和严格的实验条件，限制了其在实际研究中的广泛应用。

相比之下，OIRD（斜入射反射率差）技术具有非破坏性、快速和高通量的特点。它能够准确且可靠地监测油水界面处分子行为的变化，并对界面处的细微厚度和介电常数变化进行敏感捕捉，这是传统光学方法难以实现的。OIRD技术已被广泛应用于石油和天然气开采、电化学、食品技术和生物技术等领域。在本研究中，OIRD技术被用于监测β-CD在非高速剪切油水界面处的吸附过程，特别是在离子浓度和竞争效应的影响下。

为了全面研究β-CD在不同外部条件下的吸附行为，本研究采用了一种多尺度的检测方法。首先，通过分子对接模拟技术，研究了β-CD与SC在油水界面处的相互作用机制，以及这些相互作用对油水体系稳定性的影响。分子对接模拟的目的是通过预测分子之间的结合方式，揭示β-CD与SC在界面处的吸附竞争关系。通过模拟，可以分析不同条件下分子之间的结合强度、结合模式以及可能的吸附位点分布。

其次，采用QCM-D（石英晶体微天平-耗散）技术，对β-CD与SC、Tween 20和NaCl之间的吸附行为进行了观察。QCM-D技术能够检测频率、耗散和质量的变化，从而提供关于吸附过程的详细信息。通过该技术，可以实时监测β-CD在油水界面处的吸附行为，并评估不同物质对吸附过程的影响。这一技术的优势在于其能够提供高精度的动态数据，使研究者能够更深入地理解吸附行为的变化机制。

最后，结合OIRD技术，对β-CD在实际条件下的吸附过程进行了监测。OIRD技术能够在非破坏性条件下，对油水界面处的吸附行为进行高通量、快速的检测。通过该技术，可以获取关于吸附过程的详细信息，包括吸附位点的分布、吸附时间的动态变化以及吸附效率的评估。这些数据不仅有助于揭示β-CD在不同环境下的吸附行为，也为乳液体系的制备和设计提供了重要的理论依据。

在本研究中，实验条件设定为室温（25°C），并且所有实验均在相同的条件下进行，以确保数据的可比性。β-CD的浓度设定为11.9 g/100 mL（10.5 mmol/100 mL），这一浓度低于其在25°C下的饱和极限（约18.5 g/100 mL）。这一设定使得研究者能够在接近实际应用的浓度范围内，探讨β-CD的吸附行为及其影响因素。

实验结果表明，在油水界面处，Tween 20和SC的竞争吸附作用对β-CD的吸附行为产生了更大的影响，而NaCl的离子效应则相对较小。这一发现对于理解乳液体系的稳定性具有重要意义，同时也为优化β-CD的使用条件提供了理论指导。通过本研究，不仅能够更准确地监测β-CD在不同外部条件下的吸附行为，还能够为乳液体系的科学制备和合理设计提供新的思路。

此外，本研究的成果填补了现有研究中的一个空白，即在受控外部条件下，对β-CD在油水界面处的长期和实时吸附行为进行研究。这种研究方法不仅能够揭示吸附行为的动态变化，还能够为乳液体系的稳定性提供更加全面的理解。通过结合分子对接模拟、QCM-D和OIRD等技术手段，本研究实现了对β-CD吸附行为的多尺度检测，为后续研究提供了坚实的基础。

在实验过程中，研究者们采用了多种先进的技术手段，以确保数据的准确性和可靠性。这些技术手段不仅能够提供关于吸附行为的微观信息，还能够对宏观的乳液体系稳定性进行评估。通过这些技术的整合，研究者们能够更全面地理解β-CD在不同外部条件下的吸附行为，并为相关领域的应用提供新的方法和理论支持。

本研究的成果表明，通过多尺度检测方法，可以更准确地揭示β-CD在油水界面处的吸附行为及其影响因素。这不仅有助于提高乳液体系的稳定性，还能够为食品科学、材料科学等领域的应用提供重要的参考。此外，本研究还为未来的进一步研究提供了方向，即在更复杂和真实的食品级乳液体系中扩展这些发现，以实现从模型体系到实际应用的桥梁。

在研究过程中，研究者们注重方法的科学性和实验的严谨性。通过合理的实验设计和先进的检测技术，确保了实验结果的可靠性和可重复性。同时，研究者们还关注数据的分析和解释，以揭示吸附行为背后的科学原理。这些工作不仅为当前的研究提供了新的方法，也为未来的进一步探索奠定了基础。

总之，本研究通过多技术手段的结合，成功揭示了β-CD在不同外部条件下的吸附行为及其影响因素。实验结果表明，竞争吸附作用对β-CD的吸附行为具有更大的影响，而离子效应则相对较小。这些发现不仅有助于理解乳液体系的稳定性，还为β-CD的应用提供了新的思路和方法。通过本研究，研究者们能够更全面地掌握β-CD在不同环境下的行为特性，为相关领域的研究和应用提供了重要的支持。