具有抗氧化效果Pickering乳液的制备：小麦醇溶蛋白与壳聚糖相互作用的影响

背景介绍

食品乳液中油脂的氧化不仅破坏了食品的感官品质和营养价值，还会产生有毒物质，O/W型Pickering乳液中油水界面由致密的颗粒层覆盖，可以降低油相与氧气、金属离子等的接触，从而达到增强油脂氧化稳定性的目的。本研究通过改变pH制备了三种不同结构（初级络合、可溶性络合和凝聚层结构）的醇溶蛋白-壳聚糖纳米粒子（GCNPs），并研究了由不同尺寸GCNPs稳定的Pickering乳液的稳定性、流变性和抗氧化性。最终发现能够形成凝聚层结构的纳米粒子可以更好的降低油脂氧化速率和抑制姜黄素分解。

研究方法

本研究首先通过改变pH制备了三种不同结构（初级络合、可溶性络合和凝聚层）的醇溶蛋白-壳聚糖纳米粒子（GCNPs）；其次，研究了由不同尺寸GCNPs的粒径、表面电荷和润湿性；再次，测定了由不同尺寸GCNPs稳定的Pickering乳液液滴大小、包封率以及油水界面处颗粒的吸附情况；最后检测了热加速储存实验后初级和次级产物。

结果与分析

1）使用马尔文激光粒度仪（ZEN-3690）测量小麦醇溶蛋白纳米粒子（GNPs）和小麦醇溶蛋白-壳聚糖纳米粒子（GNCPs）在不同pH条件下的粒径（图1A）、ζ-电位（图1B）以及多分散性指数（PDI）（图1A）。测定结果显示pH 3.0时，颗粒粒径最小，GNCPs主要的络合结构形成。随着颗粒pH增大，颗粒粒径逐渐增大，ζ-电位逐渐下降，这是因为pH增大会使小麦醇溶蛋白和壳聚糖表面正负电荷发生中和，从而降低两者的静电斥力，增大颗粒粒径，降低ζ-电位，直到pH 7.0时，颗粒之间静电斥力最小，粒径最大（图1C）。同时还发现由于线性壳聚糖与小麦醇溶蛋白的结合，pH 3.0时GNCPs的粒径大于GNPs的粒径。pH 5.0时GNCPs的PDI最小，粒径分布均一性最高。此外，随着乳液pH增大，GNCPs的三相接触角增大（图1C），pH 5.0和7.0时接触角接近90°，更利于稳定Pickering乳液。玉米油作为分散相，用GNPs和GNCPs制备Pickering乳液，发现GNCPs稳定的乳液液滴直径比GNPs稳定的乳液液滴直径大，且随着pH的增大，由于GNCPs表面静电排斥降低和絮凝作用的增强，液滴随之增大；同时由于小麦醇溶蛋白和壳聚糖之间相互作用增大，未吸附在油水界面上的颗粒减少。

2）玉米油作为分散相，用GNPs和GNCPs制备不同pH的Pickering乳液，测定纳米粒子对玉米油的包封率和油水界面处吸附蛋白含量。结果表明GNCPs对玉米油的包封率和油水界面吸附蛋白含量均随pH的增大而增大（图2A）。这是因为体系pH不同使小麦醇溶蛋白和壳聚糖之间的静电相互作用和氢键作用力不同，从而形成不同的空间结构组织（pH 3.0，5.0，7.0分别是初级络合、可溶性络合和凝聚层结构），对玉米油有不同的包封率，油水界面上吸附的蛋白质含量也不同。图3B是不同pH条件下GNPs和GNCPs稳定新鲜Pickering乳液，其中pH 3.0时，GNPs稳定的乳液出现分层现象，而GNCPs稳定的乳液未出现分层，说明小麦醇溶蛋白与壳聚糖复合可以增强乳液的稳定性。

3）使用激光共聚焦显微镜（CLSM）观察乳液液滴微观形态（蛋白染成红色，玉米油染成绿色）（图3），发现乳液pH 3.0时，GNCPs稳定的乳液液滴周围红色荧光强度增大，这是因为壳聚糖与蛋白质复合促进了粒子在界面的吸附。随着体系pH的增加红色荧光强度增强，说明体系pH增加更有利于颗粒在油水界面的吸附；但当其pH由5.0增加到7.0荧光强度无明显增加，这是因为pH 3.0和pH 5.0时颗粒润湿性接近，在油水界面上的吸附量几乎不变。

4）使用MCR92流变仪检测乳液的粘弹性（弹性模量G’和粘性模量G”），常温进行振荡应力扫描（图4A）和频率扫描（图4B）。检测发现G’、G”以及交叉点处的应力值均随体系pH的增大而增大，这是因为pH增大使颗粒之间相互作用增强因而在油水界面的吸附量增大形成渗透网络结构或复合物凝聚层，提高了乳液的粘弹性。此外测定了Pickering乳液G’和G”的频率依赖型。测定结果发现所有乳液在给定的频率下，G’均高于G”（图4B），且G’随体系pH的增大而增大。G’越大说明样品的恢复力越强，变形越困难，体系pH 7.0时，乳液具有类固体的特性，这与在此pH条件下乳液的低电位和弱排斥力有关。此时颗粒形成的网络结构刚性和机械强度都比较高，可以有效地防止油脂氧化。

5）将有无姜黄素（Cur）负载的Pickering乳液均在60℃黑暗环境中储存15天，通过测定脂质氢过氧化物和己醛含量，评估乳液氧化稳定性。随储存时间延长，所有乳液中油脂氢过氧化物含量均增加，但相同时间由GCNPs-Cur稳定的乳液在pH 7.0时产生的脂质氢过氧化物比其他pH的乳液产生的少（图5A）。在pH 5.0条件下，分别测定GCNPsE-Cur、GCNPsE、GNPsE-Cur以及GNPsE产生的脂质氢过氧化物，测定结果发现在前150 h，未负载姜黄素的乳液，氢过氧化物产生速度较快，这是因为负载姜黄素对乳液有一定的抗氧化作用，而150 h之后，所有乳液以相同的速率产生脂质氢过氧化物（图5B）。在储存2.1 min时使用顶空气相色谱法测定油相中产生的己醛，与有利的玉米油相比，所有乳液油相产生的己醛均有所减少，这是因为pH增大复合物颗粒可同时吸附在两个及以上油滴之间形成凝聚网络结构（图5E）从而阻止了油相与氧气的接触，降低了己醛的产生（图5C，图5D）。

图1 不同pH GNCPs和GNPs的粒径（图1A）、ζ-电位（图1B）和润湿性（图1C）

图2 不同pH条件下纳米粒子对玉米油的包封率和油水界面处吸附蛋白含量（图2A）；不同pH条件下纳米粒子稳定乳液外观（图2B）

图3 不同pH条件下GNCPs和GNPs稳定乳液的CLSM图像

图4 不同pH条件下乳液的振荡应力扫描（图4A）和频率扫描（图4B）

图5 不同颗粒稳定的乳液加速氧化实验过程一级产物（图5A，图5B）和二级产物（图5C，图5D）产生速率；GCNPsE和GNPsE形成过程（图5E）

结论

研究了在不同pH条件下三种不同结构的GCNPs（初级络合、可溶性络合和凝聚层结构）稳定的Pickering乳液，结果表明在pH 7.0时形成的凝聚层结构颗粒可以更好的防止液滴聚结且具有最高的粘弹性和类固体特性，证实了当GCNPs负载姜黄素后可以延缓油脂的氧化。该研究可为使用麦醇溶蛋白-壳聚糖稳定Pickering乳液和延缓乳液油脂氧化提供思路与理论支撑。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0268005X18318472

供稿人：

李薇