01
背景介紹
最新研究表明，乳液凝膠是脂溶性食品生物活性物質的合適載體，如維生素和礦物質。然而，蛋白質基乳液凝膠的廣泛應用往往受其較弱的力學性能的阻礙。蛋白質-多糖混合凝膠表現出更強的微觀結構特性，因此，添加多糖是改善蛋白質質構性能的有效途徑。菊粉是幾種重要經濟植物中天然存在的多糖，可被結腸細菌選擇性發酵或代謝，具有益生元效應。
本文研究了菊粉濃度對豌豆分離蛋白（PPI）乳液凝膠的流變學、力學和微觀結構性能的影響。對乳液-凝膠體系的相互作用機理進行了深入研究。此外，穩定性研究選擇了三個pH值水平，涵蓋食品和人類胃腸道中常見的范圍。旨在開發一種遞送脂溶性生物活性物質的載體。
02
研究方法
制備濃度為9%的PPI蛋白分散液（9g蛋白粉溶于100 mL去離子水中），85℃下加熱30 min。將菊粉（0、0.5、1.5、2.5和3.5 g）撒入50 mL加熱的溶液中，在25℃下立即攪拌30 min。然后，用高速剪切將PPI-菊粉溶液與10 mL大豆油混合，在11000 rpm下進行180s，在45MPa下高壓均質一遍制備乳液。隨后在25 mL燒杯中加入0.01 mol/L CaCl2在4℃條件下放置48 h，形成乳狀凝膠。最終樣品的蛋白質含量為90 g/L，菊粉含量為0 g/L, 10 g/L, 30 g/L, 50 g/L, 70 g/L，油脂含量為200 mL/L。
檢測溶于乳液凝膠的流變性能、機械性能、持水力、微觀結構、溶解度、pH穩定性等，進行分析。
03
結果與分析
如圖1所示，加入菊粉后，乳液凝膠模量增加（圖1A和B），在50 g/L菊粉時達到最大值，表明菊粉和PPI在凝膠體系中起協同作用。70 g/L菊粉的模量較低，這歸因于分子間排斥，降低了凝膠形成過程中的蛋白質聚集率。此外，相同頻率下，添加50 g/L菊粉的乳液凝膠的η*比其他樣品的η*大（圖1D）。由于較弱的凝膠具有較大的tanδ值， tanδ的降低（圖1C）表明菊粉增強了PPI凝膠的強度。
如圖2A所示，各乳液液凝膠的彈性模量均表現出較強的溫度依賴性，在加熱階段G‘逐漸增大，直至50 G /L菊粉，這與頻率掃描結果一致。凝膠的tanδ值在整個溫度范圍內小于1（圖2B），說明凝膠的流變性質主要受彈性性質的影響。
如表1所示，菊粉的存在顯著提高了PPI凝膠的凝膠強度和持水率WHC （p < 0.05），進一步證實了菊粉與PPI的協同作用。添加0 ~ 50 g/L的菊粉，凝膠強度和WHC分別為115 ~ 166 N和68 ~ 91 g/100 g。當菊粉濃度達到70 g/L時，凝膠強度和WHC均低于50 g/L時，這與流變學性質的變化趨勢一致。WHC的減少歸因于高濃度生物聚合物的不兼容性，降低了凝膠網絡通過毛細管力保持水分的能力。
不添加菊粉的乳液凝膠微觀結構（圖3a）為非均質多孔，凝膠結構內部存在大量“水通道”。菊粉的加入使凝膠微觀結構更加致密，其中添加50 g/L菊粉的凝膠微觀結構最為均勻。但加入過量菊粉（70 g/L）后，凝膠微觀結構變得更加不均勻（圖3e）。這是由于蛋白質聚集體的聚集模式和結構發生了變化，高菊粉濃度下可能形成的互穿結構破壞了凝膠的微觀結構。
選擇菊粉最適濃度為50 g/L的乳狀凝膠進行穩定性試驗。只有PPI的乳液凝膠穩定顯示凝膠強度較低，這是因為pH值遠低于PPI的等電點（pI），導致強烈的帶正電荷的蛋白質分子之間的靜電斥力。如圖6C所示，在pH為2.0時，液滴沒有發生強絮凝。由菊粉組成的PPI乳液凝膠在pH為2.0時比較穩定，這是由于PPI和菊粉的協同作用使凝膠結構更加牢固。這一結果表明，PPI -菊粉乳液凝膠比單獨PPI更能抵抗胃酸環境，這可能有利于在胃腸道內更長時間的停留而不解體。
圖1 以PPI、PPI+10 g/L、PPI+30 g/L、PPI+50 g/L和PPI+70 g/L菊粉（Inu）為原料制備的乳液凝膠的頻率依賴性：（A）貯存模量（G’）；（B）損耗模量（G“）；（C）損耗因子（tanδ）；（D）復粘度（η*）。黑色：PPI;紅色：PPI + 10 g / L;藍色：PPI + 30 g / L;綠色：PPI + 50 g / L;紫色：PPI + 70 g / L
圖2 以PPI、PPI+10 g/L、PPI+30 g/L、PPI+50 g/L和PPI+70 g/L菊粉（Inu）為原料制備的乳液凝膠的時間和溫度依賴性：（A）貯存模量（G‘）和（B）損失因子（tanδ）。黑色：PPI; 紅色：PPI + 10 g / L;藍色：PPI + 30 g / L;綠色：PPI + 50 g / L;紫色：PPI + 70 g / L
表1 乳液凝膠凝膠強度和持水率（WHC）測定
圖3 掃描電鏡下乳液凝膠圖像：（a） （PPI），紅色箭頭表示多孔構；（b）PPI+10 g/L菊粉；（c） PPI+30 g/L菊粉；（d） PPI+50 g/L菊粉；（e） PPI+70 g/L菊粉）
圖4 乳液凝膠的pH穩定性測定：（A）凝膠強度和外觀，（B）流變特性和（C）微觀結構
04
結論
在流變學水平上，PPI與菊粉有協同作用，增加了乳液凝膠強度，這些研究可能有助于食品工業和人類健康領域的發展。
日期：2021-06-15
背景介紹
最新研究表明，乳液凝膠是脂溶性食品生物活性物質的合適載體，如維生素和礦物質。然而，蛋白質基乳液凝膠的廣泛應用往往受其較弱的力學性能的阻礙。蛋白質-多糖混合凝膠表現出更強的微觀結構特性，因此，添加多糖是改善蛋白質質構性能的有效途徑。菊粉是幾種重要經濟植物中天然存在的多糖，可被結腸細菌選擇性發酵或代謝，具有益生元效應。
本文研究了菊粉濃度對豌豆分離蛋白（PPI）乳液凝膠的流變學、力學和微觀結構性能的影響。對乳液-凝膠體系的相互作用機理進行了深入研究。此外，穩定性研究選擇了三個pH值水平，涵蓋食品和人類胃腸道中常見的范圍。旨在開發一種遞送脂溶性生物活性物質的載體。
02
研究方法
制備濃度為9%的PPI蛋白分散液（9g蛋白粉溶于100 mL去離子水中），85℃下加熱30 min。將菊粉（0、0.5、1.5、2.5和3.5 g）撒入50 mL加熱的溶液中，在25℃下立即攪拌30 min。然后，用高速剪切將PPI-菊粉溶液與10 mL大豆油混合，在11000 rpm下進行180s，在45MPa下高壓均質一遍制備乳液。隨后在25 mL燒杯中加入0.01 mol/L CaCl2在4℃條件下放置48 h，形成乳狀凝膠。最終樣品的蛋白質含量為90 g/L，菊粉含量為0 g/L, 10 g/L, 30 g/L, 50 g/L, 70 g/L，油脂含量為200 mL/L。
檢測溶于乳液凝膠的流變性能、機械性能、持水力、微觀結構、溶解度、pH穩定性等，進行分析。
03
結果與分析
如圖1所示，加入菊粉后，乳液凝膠模量增加（圖1A和B），在50 g/L菊粉時達到最大值，表明菊粉和PPI在凝膠體系中起協同作用。70 g/L菊粉的模量較低，這歸因于分子間排斥，降低了凝膠形成過程中的蛋白質聚集率。此外，相同頻率下，添加50 g/L菊粉的乳液凝膠的η*比其他樣品的η*大（圖1D）。由于較弱的凝膠具有較大的tanδ值， tanδ的降低（圖1C）表明菊粉增強了PPI凝膠的強度。
如圖2A所示，各乳液液凝膠的彈性模量均表現出較強的溫度依賴性，在加熱階段G‘逐漸增大，直至50 G /L菊粉，這與頻率掃描結果一致。凝膠的tanδ值在整個溫度范圍內小于1（圖2B），說明凝膠的流變性質主要受彈性性質的影響。
如表1所示，菊粉的存在顯著提高了PPI凝膠的凝膠強度和持水率WHC （p < 0.05），進一步證實了菊粉與PPI的協同作用。添加0 ~ 50 g/L的菊粉，凝膠強度和WHC分別為115 ~ 166 N和68 ~ 91 g/100 g。當菊粉濃度達到70 g/L時，凝膠強度和WHC均低于50 g/L時，這與流變學性質的變化趨勢一致。WHC的減少歸因于高濃度生物聚合物的不兼容性，降低了凝膠網絡通過毛細管力保持水分的能力。
不添加菊粉的乳液凝膠微觀結構（圖3a）為非均質多孔，凝膠結構內部存在大量“水通道”。菊粉的加入使凝膠微觀結構更加致密，其中添加50 g/L菊粉的凝膠微觀結構最為均勻。但加入過量菊粉（70 g/L）后，凝膠微觀結構變得更加不均勻（圖3e）。這是由于蛋白質聚集體的聚集模式和結構發生了變化，高菊粉濃度下可能形成的互穿結構破壞了凝膠的微觀結構。
選擇菊粉最適濃度為50 g/L的乳狀凝膠進行穩定性試驗。只有PPI的乳液凝膠穩定顯示凝膠強度較低，這是因為pH值遠低于PPI的等電點（pI），導致強烈的帶正電荷的蛋白質分子之間的靜電斥力。如圖6C所示，在pH為2.0時，液滴沒有發生強絮凝。由菊粉組成的PPI乳液凝膠在pH為2.0時比較穩定，這是由于PPI和菊粉的協同作用使凝膠結構更加牢固。這一結果表明，PPI -菊粉乳液凝膠比單獨PPI更能抵抗胃酸環境，這可能有利于在胃腸道內更長時間的停留而不解體。
圖1 以PPI、PPI+10 g/L、PPI+30 g/L、PPI+50 g/L和PPI+70 g/L菊粉（Inu）為原料制備的乳液凝膠的頻率依賴性：（A）貯存模量（G’）；（B）損耗模量（G“）；（C）損耗因子（tanδ）；（D）復粘度（η*）。黑色：PPI;紅色：PPI + 10 g / L;藍色：PPI + 30 g / L;綠色：PPI + 50 g / L;紫色：PPI + 70 g / L
圖2 以PPI、PPI+10 g/L、PPI+30 g/L、PPI+50 g/L和PPI+70 g/L菊粉（Inu）為原料制備的乳液凝膠的時間和溫度依賴性：（A）貯存模量（G‘）和（B）損失因子（tanδ）。黑色：PPI; 紅色：PPI + 10 g / L;藍色：PPI + 30 g / L;綠色：PPI + 50 g / L;紫色：PPI + 70 g / L
表1 乳液凝膠凝膠強度和持水率（WHC）測定
圖3 掃描電鏡下乳液凝膠圖像：（a） （PPI），紅色箭頭表示多孔構；（b）PPI+10 g/L菊粉；（c） PPI+30 g/L菊粉；（d） PPI+50 g/L菊粉；（e） PPI+70 g/L菊粉）
圖4 乳液凝膠的pH穩定性測定：（A）凝膠強度和外觀，（B）流變特性和（C）微觀結構
04
結論
在流變學水平上，PPI與菊粉有協同作用，增加了乳液凝膠強度，這些研究可能有助于食品工業和人類健康領域的發展。
日期：2021-06-15
