乳液浓度对豆腐柴果胶/乳清浓缩蛋白冷固型乳液填充凝胶理化性质的影响

宋苗苗; 王军辉

doi:10.13386/j.issn1002-0306.2024060114

乳液浓度对豆腐柴果胶/乳清浓缩蛋白冷固型乳液填充凝胶理化性质的影响

宋苗苗^1,,
王军辉^{1, 2, ,}

1.
合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽合肥 230601
2.
合肥工业大学农产品生物化工教育部工程研究中心，安徽合肥 230601

基金项目: 安徽省重点研究与开发计划项目（2023n06020034）。

详细信息

作者简介:
宋苗苗（1999−），女，硕士研究生，研究方向：食品工程，E-mail：2929828335@qq.com

通讯作者:
王军辉（1976−），男，博士，教授，研究方向：食品胶体大分子的结构与功能研究，E-mail：junhuiwang@hfut.edu.cn。

中图分类号: TS201.2
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出版历程
- 收稿日期: 2024-06-10
- 网络出版日期: 2025-03-19

Effects of Emulsion Concentration on Physicochemical Properties of AOP/WPC Cold Set Emulsion-filled Hydrogels

SONG Miaomiao^1,,
WANG Junhui^{1, 2, ,}

1.
School of Food and Biotechnology Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230601, China
2.
Engineering Research Center of Bio-process of Ministry of Education, Hefei University of Technology, Hefei 230601, China

摘要

摘要: 乳液填充凝胶具有乳液和水凝胶的优点，本研究将皮克林乳液嵌入豆腐柴果胶/乳清浓缩蛋白冷凝胶中，随后凝胶化形成冷固型乳液填充凝胶，旨在探究皮克林乳液浓度对乳液填充凝胶膨胀性、凝胶强度、持水性、流变特性和微观结构的影响。结果表明，乳液填充凝胶为完整性良好的自支撑凝胶，在皮克林乳液浓度为15%时形成高凝胶强度的凝胶网络。氢键是乳液填充凝胶形成的主要驱动力。皮克林乳液提高乳液填充凝胶的白度（55.29±0.52）、持水性（90.03%±0.82%）、凝胶强度（72.58±6.32 g）和冻融稳定性（26.93%±0.47%），有助于形成更紧凑的凝胶网络，确保乳滴在冷凝胶中稳定、均匀的分布。流变学表明皮克林乳液在乳液填充凝胶中作为活性填料，储能模量（G'）>损耗模量（G''），二者表现较弱的频率关联度。体外消化表明，与皮克林乳液和玉米油相比，乳液填充凝胶显著提高游离脂肪酸释放率和姜黄素的生物可及率。总体而言，添加适量的乳液有利于改善乳液填充凝胶的凝胶特性，有助于指导凝胶类食品封装递送系统的开发。
- 豆腐柴果胶 /
- 乳清浓缩蛋白 /
- 玉米醇溶蛋白 /
- 皮克林乳液 /
- 乳液填充凝胶
Abstract: Emulsion-filled hydrogels have the advantages of emulsions and hydrogels. In this study, Pickering emulsions were embedded into a pre-AOP and WPC hydrogel polymer solution, which were subsequently gelatinized to form cold set emulsion-filled hydrogels to explore the influence of different emulsion concentrations on the swelling degrees, hydrogel strength, water-holding capacity, rheological properties and microstructural of emulsion-filled hydrogels. The results showed that emulsion-filled hydrogels were self-supported hydrogels with good integrity, and the hydrogel network with a high hydrogel strength was formed at the emulsion concentration of 15%. Hydrogen bonding was the main driving force for the formation of emulsion-filled hydrogels. Pickering emulsions could significantly improve the whiteness (55.29±0.52), water-holding capacity (90.03%±0.82%), hydrogel strength (72.58±6.32 g), and freeze-thaw stability (26.93%±0.47%) of emulsion-filled hydrogels, helping to form a tighter hydrogel network and ensure that emulsion droplets are stable and evenly distributed in the hydrogel. Rheological measurements showed that the emulsion acted as an active filler in the emulsion-filled hydrogels. The storage modulus (G') of the emulsion-filled hydrogels was higher than the loss modulus (G''), and the two moduli were weakly dependent on frequency. Emulsion-filled hydrogels significantly increased the free fatty acid release rate and the bioavailability of curcumin compared to Pickering emulsions and corn oil during in vitro digestion. Overall, the addition of a suitable concentration of emulsion was beneficial for improving the hydrogel characteristics of emulsion-filled hydrogels and guiding the development of encapsulated delivery systems for hydrogel food products.
- ammonium oxalate extraction pectin /
- whey protein concentrate /
- zein /
- Pickering emulsions /
- emulsion-filled hydrogels

HTML全文

乳液填充凝胶是由水凝胶和乳液液滴组成，具备乳液和水凝胶的双重优良特性，与乳液相比，乳液填充凝胶的三维网络结构将乳液固定在内部空隙，抑制油滴的聚集与絮凝，保护内部包载活性成分的递送^[1−2]。常见的乳液填充凝胶常通过物理或化学方式诱导，主要是酸化剂、离子诱导、酶促交联以及戊二醛、碳二亚胺介导的偶联处理等^[3]。然而，常见的漆酶、转谷氨酰胺酶等酶促交联后需要高温灭酶，此环节易造成可溶性蛋白聚集、热敏性营养物质损失、降低乳液稳定性，同时使用戊二醛、碳二亚胺等交联剂会对人体产生细胞毒性作用，限制其在食品领域的应用^[4]。而非共价物理诱导制备的乳液填充凝胶可表现刺激响应特性，例如响应温度、pH或盐浓度变化的膨胀或收缩，因此，采用非共价结合方式制备不含化学交联剂的冷固型乳液填充凝胶成为目前食品加工领域首选^[5−6]。

目前乳液填充凝胶的制备主要是单个蛋白质乳液加入多糖凝胶或蛋白质/多糖凝胶复合物，较少有研究报道使用蛋白质/多糖复合物皮克林乳液和水凝胶混合制备乳液填充凝胶，特别是冷固型乳液填充凝胶体系中蛋白质和多糖之间的相互作用较少受到关注。豆腐柴果胶（Ammonium oxalate extraction pectin，AOP）是线性低甲氧基果胶，具有良好胶凝、增稠、乳化特性，目前主要局限于提取工艺优化、结构表征、理化特性研究，在食品应用领域前景广阔。基于前期研究豆腐柴果胶和乳清浓缩蛋白（Whey protein concentrate，WPC）在质量比为1:5时，依赖氢键相互作用力形成最佳冷凝胶^[7]。本文采用物理方法将玉米醇溶蛋白（zein）/豆腐柴果胶皮克林乳液填充在预制豆腐柴果胶/乳清浓缩蛋白冷凝胶中制备乳液填充凝胶，探究皮克林乳液浓度对豆腐柴果胶/乳清分离蛋白冷凝胶的凝胶特性影响，利用质构分析仪、流变仪、扫描电镜、激光共聚焦显微镜等技术方法对不同乳液浓度的乳液填充凝胶的质构、微观结构和流变特性进行表征。此外，以冷固型乳液填充凝胶作为姜黄素的包封递送载体，评价模拟胃肠道条件下游离脂肪酸释放率和姜黄素（Curcumin，Cur）的生物可及率。本研究可拓展玉米醇溶蛋白/豆腐柴果胶皮克林乳液的应用价值，同时为冷固型乳液填充凝胶作为封装脂溶性营养成分的递送系统提供理论基础。

1. 材料与方法

1.1 材料与仪器

乳清浓缩蛋白　美国希尔玛乳酪公司；豆腐柴果胶　实验室草酸铵法提取；玉米醇溶蛋白　美国Sigma-Aldrich公司；姜黄素　北京索莱宝试剂有限公司。尼罗红（Nile red）、耐尔蓝（Nile blue）　上海BBI生命科学有限公司。

IKA-T18高速剪切均质机　德国IKA公司；TCS-SP5激光共聚焦显微镜　德国Leica公司；HAKKE RS6000旋转流变仪　德国Thermo公司；Gemini 500扫描电子显微镜　德国卡尔蔡司公司；Spectrum Two傅里叶变换红外光谱仪　美国铂金埃尔默公司；ZE7700色差仪　日本电色公司；TA-XTPLUS物性测试仪　英国Stable Micro System公司；Multiskan Go 1510酶标仪　美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 实验方法

1.2.1 豆腐柴果胶的提取

豆腐柴果胶的提取采用史强^[8]的方法。称量200 g的豆腐柴叶粉末，通过丙酮索氏循环抽提法除去色素和脂质。室温下，将豆腐柴粉末和95%乙醇以1:30（w/v）混合均匀，并在4 ℃下静置过夜，室温抽滤后得醇不溶性固体。醇不溶性固体和0.1 mol/L草酸铵一水合物溶液以1:30（w/v）混合均匀，70 ℃恒温萃取30 min，然后四层纱布过滤，滤液经11000 r/min离心10 min。上清液和95%乙醇以1:30（v/v）混合，静置24 h，抽滤后复溶于水，以透析带8000 Da透析48 h，透析液经旋蒸浓缩后冷冻干燥，得草酸铵可溶性果胶（AOP）。

1.2.2 皮克林乳液的制备

将0.5 g玉米醇溶蛋白（zein）溶解于25 mL 85%乙醇溶液，混合均匀，然后将玉米醇溶蛋白醇溶液缓慢注射于75 mL超纯水，在45 ℃下使用旋转蒸发仪除去乙醇，并加水补充总体积至100 mL，获得zein纳米颗粒储备液。将0.3 g豆腐柴果胶溶于30 mL超纯水，获得豆腐柴果胶储备液。将10 mL zein纳米颗粒储备液在磁力搅拌下注入20 mL已稀释的豆腐柴果胶溶液中，获得zein和AOP质量比为1:1的zein/AOP复合纳米颗粒。以zein/AOP复合纳米颗粒为乳化剂，玉米油为油相，制备纳米颗粒浓度0.7%（w/v）、油相体积分数60%（v/v）的皮克林乳液，即高速剪切过程中将玉米油注入复合纳米颗粒溶液中，经高速剪切分散装置25000 r/min剪切乳化3 min，获得皮克林乳液。同理，将0.5 mg/mL姜黄素和玉米油充分混合均匀，并以此作为皮克林乳液的油相，制备纳米颗粒浓度0.7%（w/v）、油相体积分数60%（v/v）的负载姜黄素的皮克林乳液。

1.2.3 乳液填充凝胶的制备

将WPC、AOP粉末溶解于超纯水中配制成5%WPC、1%AOP溶液，以质量比AOP:WPC=1:5复配混合，获得AOP/WPC冷凝胶储备液。将不同含量的zein/AOP纳米颗粒稳定的皮克林乳液缓慢注入AOP/WPC冷凝胶中，充分混合，并在4 ℃下储存24 h，获得乳液浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%（w/w）的乳液填充凝胶。与此同时，制备乳液浓度为15%的负载姜黄素的乳液填充凝胶。

1.2.4 外观与色差测试

将不同乳液浓度的乳液填充凝胶在4 ℃环境下储存3 d，拍摄乳液填充凝胶的外观。采用色差仪表征不同乳液浓度对乳液填充凝胶颜色的影响^[9]。使用标准白板校准，在三个不同位置扫描乳液填充凝胶，分别获得凝胶的L^*、a^*和b^*，乳液填充凝胶的白度根据公式（1）计算：

$\mathrm{白}\mathrm{度}=100-[(100-{L}^{\text{*}}{)}^{2}+{{a}^{\text{*}}}^{2}+{{b}^{\text{*}}}^{2}{]}^{\tfrac{1}{2}}$

(1)

式中：L^*为亮度，a^*为红色/绿色，b^*为黄色/蓝色。

1.2.5 凝胶强度测试

凝胶强度的测定参考Pan等^[10]的实验方法并稍作修改。采用质构分析仪检测不同乳液浓度对乳液填充凝胶的凝胶强度影响。乳液填充凝胶置于10 mL烧杯，以GMIA模式、P 0.5探头、1 mm/s测试速度、5 g的触发力、4 mm的检测距离为检测参数，测量其凝胶强度。

1.2.6 持水性测试

持水性（Water holding capability，WHC）的测定参考杜童申等^[11]的方法并稍作修改。将4 g乳液填充凝胶放置于10 mL离心管内，随后以8000 r/min离心10 min，滤纸吸收析出的水分，称量乳液填充凝胶离心前后质量，持水性的结果根据式（2）计算：

$\mathrm{W}\mathrm{H}\mathrm{C}(\text{%})=\frac{{\mathrm{M}}_{\mathrm{a}}}{{\mathrm{M}}_{0}}\times 100$

(2)

式中：M₀为乳液填充凝胶离心前的质量（g）；M_a为乳液填充凝胶离心后的质量（g）。

1.2.7 冻融稳定性测试

冻融稳定性参考李小敏^[12]的实验方法并稍作修改。采用冻融循环法表征乳液浓度对乳液填充凝胶脱水收缩率的影响，将4 g乳液填充凝胶在−20 ℃下冷冻20 h后室温解冻4 h，直至冰晶全部融化，重复三次，经高速离心机1000 r/min离心10 min后，滤纸吸附水分，称量冻融前后乳液填充凝胶的质量，脱水收缩率的结果根据式（3）计算：

$\mathrm{脱}\mathrm{水}\mathrm{收}\mathrm{缩}\mathrm{率}(\text{%})=\frac{{\mathrm{M}}_{0}-{\mathrm{M}}_{1}}{{\mathrm{M}}_{0}}\times 100$

(3)

式中：M₀为乳液填充凝胶冻融前的质量（g）；M₁为乳液填充凝胶冻融三循环后的质量（g）。

1.2.8 膨胀性测试

参考Salahi等^[13]的实验方法并稍作修改，将不同乳液浓度的乳液填充凝胶置于pH7.0的超纯水中浸泡48 h，称量浸泡前后乳液填充凝胶的质量，膨胀性的结果根据式（4）计算：

$\mathrm{膨}\mathrm{胀}\mathrm{性}(\text{%})=\frac{{\mathrm{M}}_{2}-{\mathrm{M}}_{0}}{{\mathrm{M}}_{0}}\times 100$

(4)

式中：M₀为乳液填充凝胶浸泡前的质量（g）；M₂为乳液填充凝胶浸泡后的质量（g）。

1.2.9 傅里叶变换红外光谱分析

参照薛山等^[14]的方法并稍加修改，采用ATR模式，取适量冻干样品置于样品台，样品在650~4000 cm⁻¹范围检测，分辨率为4 cm⁻¹，扫描次数6次。

1.2.10 微观结构观察

1.2.10.1 扫描电镜观察

采用扫描电镜（Scanning electronic microscopy，SEM）表征乳液浓度对乳液填充凝胶微观结构的影响。参照吕铭守等^[15]的方法并稍加修改，从其横截面积切下小块冻干样品，并涂上一层薄薄的金，在15.0 kV加速电压下对乳液填充凝胶进行呈像。放大倍率100×、500×。

1.2.10.2 激光共聚焦显微镜观察

采用激光共聚焦显微镜（Confocal laser scanning microscope，CLSM）观察乳液填充凝胶的微观结构。参照邵添等^[16]的方法并稍加修改，分别称取0.002 g尼罗红和耐尔蓝溶于2 mL乙醇，形成1 mg/mL的混合染料，将40 μL染液和1 g乳液填充凝胶混合均匀，室温下避光储存，取10 μL染色的乳液填充凝胶置于载玻片，盖上盖玻片，置于显微镜下观察，激发波长为633 nm和488 nm。

1.2.11 流变学测试

参考Xu等^[17]的实验方法并稍作修改，温度25 ℃，采用平板探头（直径40 mm）的RS6000流变仪检测乳液填充凝胶的流变特性。在0.1~100 s⁻¹的剪切速率范围内，测定乳液浓度为0~25%乳液填充凝胶的表观粘度。在固定应变振幅为0.1%，在0.1~10 Hz范围内进行动态频率扫描测试，获得乳液浓度为0~25%乳液填充凝胶的储能模量（G'）和损耗模量（G''）。

1.2.12 体外消化测试

参考Li等^[18]的实验方法并稍作修改。胃部阶段：取皮克林乳液和模拟胃液各10 mL，混合均匀，模拟胃液由3.2 mg/mL胃蛋白酶、2 mg/mL氯化钠配制而成，调节pH2.0，37 ℃恒温振荡消化2 h。肠部阶段：取胃消化产物和模拟肠液各15 mL，混合均匀，模拟肠液由43.74 mg/mL CaCl₂、34 mg/mL NaCl、8 mg/mL胰蛋白酶、8 mg/mL脂肪酶、25.2 mg/mL猪胆盐配制而成，37 ℃恒温振荡消化2 h，消化期间始终用0.2 mol/L NaOH滴定使溶液pH维持在7.0。

1.2.12.1 游离脂肪酸（Free fatty acids，FFA）测试

在模拟小肠消化过程中，采用0.2 mol/L NaOH维持pH7.0，记录在5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min时消耗NaOH的体积。游离脂肪酸释放率根据式（5）计算：

$\mathrm{F}\mathrm{F}\mathrm{A}(\text{%})=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}\times {\mathrm{M}}_{\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}}{{\mathrm{m}}_{\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}\times 2}\times 100$

(5)

式中：V_NaOH表示消耗NaOH体积（L）；C_NaOH表示NaOH浓度（mol/L）；M_oil表示玉米油的平均分子量（872 g/mol）；m_oil为玉米油的总质量（g）。

1.2.12.2 生物可及率测试

肠消化液以12000 r/min高速离心30 min，取上清液备份，以1 mL上清液和4 mL乙醇混合，以5000 r/min离心10 min，上清液在421 nm吸光度处检测Cur含量，Cur生物可及率的结果根据式（6）计算：

$\mathrm{生}\mathrm{物}\mathrm{可}\mathrm{及}\mathrm{率}(\text{%})=\frac{{\mathrm{M}}_{\mathrm{a}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{A}}}\times 100$

(6)

式中：M_a为胶束中Cur的含量；M_A为初始Cur的总量。

1.3 数据处理

以上实验均重复3次，采用SPSS 23.0对所得实验数据进行显著性分析，P<0.05则表示具有显著性差异，实验数据以平均值±标准差表示，采用Origin 2023绘图。

2. 结果与分析

2.1 乳液填充凝胶的外观与色差分析

不同乳液浓度的乳液填充凝胶的视觉观察图如图1所示，不同乳液浓度下乳液填充凝胶未出现乳液分离现象，为良好完整性的自支撑凝胶。不同乳液浓度对凝胶色泽影响的结果见表1所列，当乳液浓度从0%提高到40%时，乳液填充凝胶的颜色由黄色透明状逐渐转为乳白色不透明状。亮度L^*由27.52±0.20增加至68.66±0.32，a^*先降低后增加，b^*呈逐渐增加趋势，白度由27.51增加至67.46，皮克林乳液有利于提高乳液填充凝胶的白度，改善凝胶制品的外观，这可能是光散射效应作用的结果^[19−20].

图 1 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的外观

Figure 1. Images of emulsion-filled gels with different concentrations of emulsions

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表 1 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的颜色参数L^*、a^*和b^*

Table 1. Color parameters L^*, a^*, and b^* of emulsion-filled gels with different concentrations of emulsions

乳液浓度（%）	L^*	a^*	b^*	白度
0	27.52±0.20ⁱ	−0.87±0.10^cd	−0.6±0.07^f	27.51±0.20ⁱ
5	44.26±0.11^h	−0.62±0.02^b	2.98±0.05^e	44.17±0.11^h
10	49.66±0.28^g	−0.59±0.07^a	4.36±0.04^d	49.47±0.28^g
15	55.62±0.51^f	−0.71±0.05^b	5.44±0.13^d	55.29±0.52^f
20	58.05±0.32^e	−0.78±0.05^c	6.75±0.04^c	57.50±0.31^e
25	63.56±0.79^d	−0.76±0.05^cd	7.41±0.09^bc	62.81±0.79^d
30	65.99±2.14^c	−0.85±0.04^de	8.81±0.32^ab	64.85±1.99^c
35	66.52±0.08^b	−0.87±0.01^e	9.22±0.03^a	65.25±0.07^b
40	68.66±0.32^a	−0.77±0.03^c	8.72±0.06^b	67.46±0.32^a
注：同列标有不同小写字母（a~i）表示差异显著（P<0.05）。

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2.2 乳液填充凝胶的傅里叶红外光谱分析

采用傅里叶变换红外光谱表征乳液填充凝胶中玉米醇溶蛋白/豆腐柴果胶稳定的皮克林乳液和豆腐柴果胶/乳清浓缩蛋白水凝胶的分子间相互作用。红外光谱结果如图2所示，在玉米油中，2924 cm⁻¹是CH₂不对称伸缩振动模式，2854 cm⁻¹是CH₂对称伸缩模式，1464 cm⁻¹是-CH₂弯曲振动峰，3009 cm⁻¹是C-H拉伸振动，1745 cm⁻¹处与C=O伸缩振动有关，1162 cm⁻¹是C-O-C伸缩振动^[21]。AOP在3203 cm⁻¹、1736 cm⁻¹、1584 cm⁻¹依次对应于O-H拉伸振动、酯化羧基（C=O）、非酯化的羧基（离子羧酸盐键，C-O）^[22]。WPC在3279 cm⁻¹处的宽吸收峰由-OH伸缩振动引起，1634 cm⁻¹特征峰为酰胺I区C=O拉伸振动，1537 cm⁻¹特征峰为酰胺II区C-N拉伸和N-H弯曲^[23]。在AOP/WPC凝胶的光谱中，O-H峰变为3275 cm⁻¹，WPC中酰胺I的特征峰从1634 cm⁻¹至1632 cm⁻¹，酰胺II的特征峰由1537 cm⁻¹移至1541 cm⁻¹，以上表明，AOP/WPC水凝胶中AOP和WPC之间存在氢键和静电相互作用。乳液填充凝胶发现，在2924 cm⁻¹和2854 cm⁻¹处观察到新的峰，其对应于玉米油中CH₂键的拉伸振动，多条乳液特征峰在乳液填充凝胶出现，表明乳液成功包封在水凝胶中。此外，AOP/WPC水凝胶的羟基峰由3275 cm⁻¹移至3283 cm⁻¹，酰胺I和酰胺II带分别从1632 cm⁻¹移至1642 cm⁻¹、1541cm⁻¹移至1542 cm⁻¹，可能是乳液和水凝胶之间的氢键相互作用。以上结果表明，氢键相互作用是乳液填充凝胶形成的主要驱动力，与Li等^[24]通过傅里叶变换红外光谱探究乳液填充凝胶中米糠油乳液与亚麻籽胶之间的分子相互作用的研究结果一致。

图 2 油、zein、AOP、WPC、乳液填充凝胶、AOP/WPC凝胶和皮克林乳液的红外光谱图

Figure 2. Fourier transform infrared spectra of oil, zein, AOP, WPC, emulsion-filled gels, AOP/WPC gelation, and Pickering emulsions

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2.3 乳液填充凝胶的凝胶强度分析

乳液填充凝胶的凝胶强度是决定其凝胶性能重要的因素。如图3所示，乳液填充凝胶的凝胶强度随着乳液浓度的增加先增加后降低，在乳液浓度15%时，乳液填充凝胶的凝胶强度达到最高72.58±6.32 g。这可能是低乳液浓度时，乳液填充凝胶内部乳液液滴与凝胶相互作用，低浓度乳液嵌入凝胶网络内的孔隙，充当增强凝胶的活性填充剂，有助于提高乳液填充凝胶的凝胶强度，形成高度紧密的凝胶网络结构。然而，随着乳液浓度进一步增加，高浓度的乳液达到AOP/WPC水凝胶所能容纳的极限，乳滴无法再嵌入水凝胶孔隙，反而降低凝胶内部分子交联，不利于致密凝胶网络的形成，从而降低凝胶强度^[25−26]。

图 3 不同乳液浓度对乳液填充凝胶凝胶强度的影响

注：同组数据以不同小写字母表示样品间差异（P<0.05）；图3~图6、图10同。

Figure 3. Effects of different emulsion concentrations on gel strength of emulsion-filled gels

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2.4 乳液填充凝胶的持水性分析

持水性代表乳液填充凝胶在高速离心环境下保持水分的能力，在食品领域影响食品的嫩度与多汁。图4表示不同乳液浓度对乳液填充凝胶持水性的影响，当乳液浓度由0%增加至40%时，乳液填充凝胶持水性由88.28%±0.62%逐渐增加至95.48%±0.17%。低乳液浓度下形成的乳液填充凝胶具有高凝胶强度，紧密的凝胶网络有助于提高其持水性。然而，高乳液浓度的乳液填充凝胶持水性并未因其较低的凝胶强度受到影响，其原因如下，一方面，当乳液作为外部填充物嵌入AOP/WPC水凝胶空隙中，引发的填充效应促进乳液液滴与AOP/WPC水凝胶之间的相互作用，提高AOP/WPC水凝胶网络结构密度和紧密凝胶分子间交联，在高速离心力作用下抵抗塌陷，束缚凝胶原本凝胶空隙的水分迁移。此外，由于乳液是纳米颗粒制备的水包油乳液，亲水性多糖分布在乳液界面层和凝胶层，其与水结合力度强，同时豆腐柴果胶的高粘度也阻碍水分流动，所以提高乳液填充凝胶的持水性^[27]。另一方面，在高浓度乳液下，乳液中油脂含量较高，水相含量较低，高浓度乳液具有高粘度，可以阻碍水分流动，所以高乳液浓度的乳液填充凝胶在离心前后的持水性差异弱。因此，推测豆腐柴果胶/玉米醇溶蛋白复合纳米颗粒稳定的皮克林乳液是潜在的凝胶内部填料，添加皮克林乳液有利于降低AOP/WPC水凝胶内部水分的流动。

图 4 不同乳液浓度对乳液填充凝胶持水性的影响

Figure 4. Effect of different emulsion concentrations on water holding capacity of emulsion-filled gels

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2.5 乳液填充凝胶的冻融稳定性分析

冻融稳定性是评价食品凝胶冷冻存储过程中的重要指标之一，冻融过程中，冰晶的冻融和凝胶结构的破坏导致内部水分损失，常通过脱水收缩率表征其冻融稳定性。结果如图5所示，与AOP/WPC水凝胶相比，随乳液浓度从5%增加15%，乳液填充凝胶的脱水收缩率由34.65%±3.22%逐渐降低至26.93%±0.47%，表明凝胶结构逐渐趋于稳定，此时也对应着最高的凝胶强度，这一发现归因于乳液液滴充当填充AOP/WPC水凝胶孔隙，直接与凝胶相互作用，促进凝胶致密网络结构的形成，以便保留更多的水分来限制乳滴运动，抵抗温度差异下水分的流失。在乳液浓度20%时，乳液填充凝胶的脱水收缩率增加至28.50%±2.37%，随后随乳液浓度增加逐渐降低至18.80%±0.20%，这可能是在乳液浓度20%后，乳液处于主导地位，过量乳液的添加导致乳液填充凝胶内部油相含量上升，水相降低，并且乳液具有一定冻融稳定性，在凝胶内部锁定部分水分，抵抗低温水结晶对凝胶结构的破坏，提高乳液填充凝胶的冻融稳定性^[28]。

图 5 不同乳液浓度对乳液填充凝胶脱水收缩率的影响

Figure 5. Effect of different emulsion concentrations on syneresis of emulsion-filled gels

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2.6 乳液填充凝胶的膨胀性分析

膨胀性是凝胶重要特性之一，代表吸收水分的能力，反映凝胶网络的强度和紧密性。乳液填充凝胶的膨胀性结果如图6所示，随着乳液浓度由0%提高到40%，乳液填充凝胶的膨胀性从1.36%±1.12%逐渐增加至7.25%±0.42%。研究表明，凝胶的膨胀性主要与凝胶内部网络结构和凝胶制备物有关。在0%~15%乳液浓度范围内，乳液填充凝胶的膨胀性并未由于致密的凝胶网络结构而无法吸收水分，这可能是乳液填充凝胶由高含量的强亲水性多糖AOP制备，高含量羟基和水分子易发生氢键相互作用，导致乳液浓度0%~15%时乳液填充凝胶的膨胀性提高。在高于15%乳液浓度以上的乳液填充凝胶中，由于高浓度乳液超出AOP/WPC水凝胶负载范围而降低凝胶网络结构密度与均匀性，并且较低的凝胶强度和疏松的凝胶结构为水分的渗透提供通道，同时增加内部多糖和水接触位点，有效提高乳液填充凝胶的膨胀性^[29]。

图 6 不同乳液浓度对乳液填充凝胶膨胀性的影响

Figure 6. Effect of different emulsion concentrations on swelling ratios of emulsion-filled gels

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2.7 乳液填充凝胶的微观结构分析

2.7.1 乳液填充凝胶的激光共聚焦显微镜分析

采用激光共聚焦显微镜可视化研究不同乳液浓度对乳液填充凝胶内部乳滴油水界面的影响，结果如图7所示，乳液填充凝胶微观结构整体上呈现蛋白质/多糖网络复合物和油滴的结合，皮克林乳滴分散在乳液填充凝胶内部，呈现红色纳米颗粒界面层包裹绿色油滴，说明O/W型皮克林乳液被完整的成功包载在水凝胶中^[30]。相较于单独皮克林乳液微观结构而言，随着乳液浓度增加，乳液填充凝胶图像亮度变暗、乳液液滴尺寸逐渐增加，但始终低于原始乳液液滴尺寸。当乳液浓度超过15%后，凝胶内部乳液液滴分布出现不规则形状的液滴聚集体且分布不均匀。这可能是低乳液浓度的乳滴作为活性填料，参与凝胶网络的形成，作为物理支撑来提高凝胶网络结构，稳定填充乳滴的结构。但高乳液浓度超过AOP/WPC水凝胶负载乳滴的能力，溢出的乳液降低微观结构亮度，削弱凝胶网络结构的强度，凝胶内部空隙加大、结构松弛，部分油滴无法被蛋白质/多糖复合物稳定的包裹，出现液滴团聚现象。

图 7 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的激光共聚焦图

注：重叠图像（a）、蛋白质/多糖复合物染色为红色（b）、油相染色为绿色（c）。比例尺：50 µm。

Figure 7. CLSM of the emulsion-filled gels under different concentrations of emulsions

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2.7.2 乳液填充凝胶的扫描电镜分析

采用扫描电镜观察不同皮克林乳液浓度对乳液填充凝胶微观结构的影响，结果如图8所示，未添加乳液时，水凝胶网络疏松、碎片状堆积、表面粗糙不平整。乳液添加到水凝胶后，乳滴填补凝胶空隙。随着乳液浓度增加至15%时，凝胶网络结构空隙变小、致密，凝胶结构更均匀，这可能是乳液破坏豆腐柴果胶和乳清浓缩蛋白之间的氢键相互作用，渗入凝胶空隙，凝胶致密结构增加^[1]。凝胶空隙的缩小直接将水稳定固定在凝胶网络内，这也是之前研究结果显示持水性增加的原因。乳液浓度超过20%后，凝胶微观结构差异不大，一方面是因为蛋白质和多糖相互作用，另一方面可能是乳液含量过高，水相过低，部分油脂未能稳定包载在凝胶内部，溢出部分既影响凝胶外观，而且过大的液滴也影响凝胶网络强度。

图 8 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的扫描电镜图

注：放大倍数a：100×，b：500×。比例尺：500 µm（a），100 µm（b）。

Figure 8. SEM of the emulsion-filled gels under different emulsion concentrations

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2.8 乳液填充凝胶的流变分析

不同乳液浓度的乳液填充凝胶流变通过测定表观粘度、储能模量（G'）和损耗模量（G''）。如图9A所示，乳液填充凝胶的表观粘度随剪切速率增加逐渐降低，呈现剪切稀化现象，这可能是剪切导致凝胶结构破裂，导致流动阻力降低^[31]。乳液浓度5%~15%时，乳液填充凝胶的表观粘度与乳液浓度呈正相关，致密网络结构是乳液填充凝胶表观粘度增加的主要原因。此外，乳液本身具有一定粘度，也可以达到增稠效果。当乳液浓度超过15%后，乳液填充凝胶的表观粘度降低，其于乳液填充凝胶的结构有关，表明添加适量乳液有利于增强凝胶表观粘度。G'通常与样品的凝胶强度相关，其值越高说明凝胶网络致密、凝胶强度高^[29]。动态频率扫描如图9B所示，乳液填充凝胶样品G'始终大于G''，表明均为弹性凝胶，并且G'和G''表现出较弱的频率关联度，其值随频率的增加而缓慢增加^[32]。与水凝胶相比，不同乳液浓度的乳液填充凝胶均优于AOP/WPC水凝胶。在5%~15%的乳液浓度范围内，G'随乳液浓度增加而增加，表明乳液浓度增加有利于改善凝胶网络结构强度，这可能是乳液作为活性填料填充凝胶网络空隙，乳液的zein/AOP纳米复合物既参与稳定乳液油水界面的形成，同时和乳滴协同参与凝胶之间的非共价相互作用，有助于凝胶内部形成稳定的三维网络结构，提高凝胶的机械强度，从而增加凝胶的G'。G'在乳液浓度为15%时最大，表明在该乳液浓度下形成的凝胶网络最稳定。当过量的乳液浓度超过凝胶空隙载荷量，乳液填充凝胶以乳液为主导，凝胶含量整体稀释，既不利于稳定乳滴结构，又阻碍凝胶网络交联，降低乳液填充凝胶的凝胶强度，而G'很大程度上反映凝胶强度变化，因此乳液填充凝胶的G'降低^[33]。以上表明乳液浓度不仅提高水凝胶网络结构，而且还与其相互作用，增加乳液填充凝胶的粘度。

图 9 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的流变特性

注：A：表观粘度，B：储能模量（G'）、损耗模量（G''）。

Figure 9. Rheological properties of emulsion-filled gels with different emulsion concentrations

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2.9 乳液填充凝胶的体外消化分析

游离脂肪酸的释放率如图10A所示，与皮克林乳液、乳液填充凝胶相比，玉米油在整个肠道消化过程中游离脂肪酸释放率相对较低，这主要由于油滴大而聚集，降低油脂与脂肪酶的有效接触面积，所以降低游离脂肪酸释放速率^[34]。乳液填充凝胶的游离脂肪酸释放率随着消化时间的增加而增加，并且在三者中游离脂肪酸释放率最高。这可能是乳液在模拟胃液阶段，可能出现较大乳滴聚集，由于乳滴较小的表面积而降低与脂肪酶接触频次，抑制脂肪分解，导致游离脂肪酸释放较低。乳液填充凝胶由于具有双层保护层，有效抵抗胃消化酶对其酶解，同时多糖增加液滴之间静电斥力和空间阻力，在胃消化阶段未出现乳滴聚集，乳液液滴尺寸较小，使其具有较大的表面积与脂肪酶结合，促进脂肪分解为游离脂肪酸。此外，AOP/WPC水凝胶可能在乳液表面存在新的脂肪酶裂解点，提高油脂与脂肪酶接触频率，促进游离脂肪酸释放^[35]。

图 10 乳液填充凝胶的体外消化。

注：A：游离脂肪酸的释放率，B：姜黄素的生物可及率。

Figure 10. In vitro digestion of the emulsion-filled gels

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在体外肠道消化后，测量胶束中溶解的姜黄素含量来评价姜黄素的生物利用度。姜黄素的生物可及率如图10B所示，游离脂肪酸、胆盐等消化物质可以整合混合胶束的形成，有利于姜黄素溶解，所以姜黄素的生物利用度与脂肪分解程度呈正相关^[36]。玉米油的姜黄素生物可及率最低，其原因是在直接暴露于加热环境下，无任何界面保护，此外，低表面积的油脂难以与脂肪酶结合。乳液填充凝胶的游离脂肪酸释放率高于皮克林乳液，其较高的游离脂肪酸释放率有利于溶解较多姜黄素，提高姜黄素的生物可及率。这可能是乳液内部油滴表面存在纳米颗粒界面层和AOP/WPC水凝胶层，可有效保护内部的姜黄素，同时多糖提供较高的静电斥力抑制乳滴聚集，有利于增加液滴表面积，加速脂质分解。

3. 结论

本研究将zein/AOP复合纳米颗粒稳定的皮克林乳液填充至AOP/WPC水凝胶中，成功制备出冷固型乳液填充凝胶。最佳的乳液填充凝胶的皮克林乳液浓度为15%。乳液作为活性填料参与乳液填充凝胶的形成，氢键是乳液填充凝胶形成的主要驱动力。在乳液浓度0%~15%时提高乳液填充凝胶的白度、持水性、凝胶强度、冻融稳定性，有助于形成更紧凑的凝胶网络，但过高乳液浓度会削弱凝胶网络结构的强度。流变学表明乳液填充凝胶呈剪切稀化、弹性凝胶。体外消化表明，与皮克林乳液相比，乳液填充凝胶改善了游离脂肪酸释放率、姜黄素的生物可及率。本研究进一步拓展皮克林乳液的应用范围，证明乳液填充凝胶具有作为一种新性载体的潜力，可将有价值的活性成分作为营养因子封装在乳液填充凝胶，提高亲脂性化合物的生物可利用性。

图 1 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的外观

Figure 1. Images of emulsion-filled gels with different concentrations of emulsions

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图 2 油、zein、AOP、WPC、乳液填充凝胶、AOP/WPC凝胶和皮克林乳液的红外光谱图

Figure 2. Fourier transform infrared spectra of oil, zein, AOP, WPC, emulsion-filled gels, AOP/WPC gelation, and Pickering emulsions

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图 3 不同乳液浓度对乳液填充凝胶凝胶强度的影响

注：同组数据以不同小写字母表示样品间差异（P<0.05）；图3~图6、图10同。

Figure 3. Effects of different emulsion concentrations on gel strength of emulsion-filled gels

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图 4 不同乳液浓度对乳液填充凝胶持水性的影响

Figure 4. Effect of different emulsion concentrations on water holding capacity of emulsion-filled gels

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图 5 不同乳液浓度对乳液填充凝胶脱水收缩率的影响

Figure 5. Effect of different emulsion concentrations on syneresis of emulsion-filled gels

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图 6 不同乳液浓度对乳液填充凝胶膨胀性的影响

Figure 6. Effect of different emulsion concentrations on swelling ratios of emulsion-filled gels

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图 7 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的激光共聚焦图

注：重叠图像（a）、蛋白质/多糖复合物染色为红色（b）、油相染色为绿色（c）。比例尺：50 µm。

Figure 7. CLSM of the emulsion-filled gels under different concentrations of emulsions

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图 8 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的扫描电镜图

注：放大倍数a：100×，b：500×。比例尺：500 µm（a），100 µm（b）。

Figure 8. SEM of the emulsion-filled gels under different emulsion concentrations

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图 9 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的流变特性

注：A：表观粘度，B：储能模量（G'）、损耗模量（G''）。

Figure 9. Rheological properties of emulsion-filled gels with different emulsion concentrations

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图 10 乳液填充凝胶的体外消化。

注：A：游离脂肪酸的释放率，B：姜黄素的生物可及率。

Figure 10. In vitro digestion of the emulsion-filled gels

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表 1 不同乳液浓度下乳液填充凝胶的颜色参数L^*、a^*和b^*

Table 1 Color parameters L^*, a^*, and b^* of emulsion-filled gels with different concentrations of emulsions

乳液浓度（%）	L^*	a^*	b^*	白度
0	27.52±0.20ⁱ	−0.87±0.10^cd	−0.6±0.07^f	27.51±0.20ⁱ
5	44.26±0.11^h	−0.62±0.02^b	2.98±0.05^e	44.17±0.11^h
10	49.66±0.28^g	−0.59±0.07^a	4.36±0.04^d	49.47±0.28^g
15	55.62±0.51^f	−0.71±0.05^b	5.44±0.13^d	55.29±0.52^f
20	58.05±0.32^e	−0.78±0.05^c	6.75±0.04^c	57.50±0.31^e
25	63.56±0.79^d	−0.76±0.05^cd	7.41±0.09^bc	62.81±0.79^d
30	65.99±2.14^c	−0.85±0.04^de	8.81±0.32^ab	64.85±1.99^c
35	66.52±0.08^b	−0.87±0.01^e	9.22±0.03^a	65.25±0.07^b
40	68.66±0.32^a	−0.77±0.03^c	8.72±0.06^b	67.46±0.32^a
注：同列标有不同小写字母（a~i）表示差异显著（P<0.05）。

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[36]	YANG Z Y, YAN J K, DUAN Y H, et al. Hydrolyzed rice glutelin nanoparticles as particulate emulsifier for Pickering emulsion:Structure, interfacial properties, and application for encapsulating curcumin[J]. Food Hydrocolloids,2023,134:108105. doi: 10.1016/j.foodhyd.2022.108105

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图(10) / 表(1)

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1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 豆腐柴果胶的提取
1.2.2 皮克林乳液的制备
1.2.3 乳液填充凝胶的制备
1.2.4 外观与色差测试
1.2.5 凝胶强度测试
1.2.6 持水性测试
1.2.7 冻融稳定性测试
1.2.8 膨胀性测试
1.2.9 傅里叶变换红外光谱分析
1.2.10 微观结构观察
1.2.10.1 扫描电镜观察
1.2.10.2 激光共聚焦显微镜观察
1.2.11 流变学测试
1.2.12 体外消化测试
1.2.12.1 游离脂肪酸（Free fatty acids，FFA）测试
1.2.12.2 生物可及率测试
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 乳液填充凝胶的外观与色差分析
2.2 乳液填充凝胶的傅里叶红外光谱分析
2.3 乳液填充凝胶的凝胶强度分析
2.4 乳液填充凝胶的持水性分析
2.5 乳液填充凝胶的冻融稳定性分析
2.6 乳液填充凝胶的膨胀性分析
2.7 乳液填充凝胶的微观结构分析
2.7.1 乳液填充凝胶的激光共聚焦显微镜分析
2.7.2 乳液填充凝胶的扫描电镜分析
2.8 乳液填充凝胶的流变分析
2.9 乳液填充凝胶的体外消化分析
3. 结论

1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 豆腐柴果胶的提取
1.2.2 皮克林乳液的制备
1.2.3 乳液填充凝胶的制备
1.2.4 外观与色差测试
1.2.5 凝胶强度测试
1.2.6 持水性测试
1.2.7 冻融稳定性测试
1.2.8 膨胀性测试
1.2.9 傅里叶变换红外光谱分析
1.2.10 微观结构观察
1.2.10.1 扫描电镜观察
1.2.10.2 激光共聚焦显微镜观察
1.2.11 流变学测试
1.2.12 体外消化测试
1.2.12.1 游离脂肪酸（Free fatty acids，FFA）测试
1.2.12.2 生物可及率测试
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 乳液填充凝胶的外观与色差分析
2.2 乳液填充凝胶的傅里叶红外光谱分析
2.3 乳液填充凝胶的凝胶强度分析
2.4 乳液填充凝胶的持水性分析
2.5 乳液填充凝胶的冻融稳定性分析
2.6 乳液填充凝胶的膨胀性分析
2.7 乳液填充凝胶的微观结构分析
2.7.1 乳液填充凝胶的激光共聚焦显微镜分析
2.7.2 乳液填充凝胶的扫描电镜分析
2.8 乳液填充凝胶的流变分析
2.9 乳液填充凝胶的体外消化分析
3. 结论

参考文献(36)

施引文献

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乳液浓度对豆腐柴果胶/乳清浓缩蛋白冷固型乳液填充凝胶理化性质的影响

作者简介: 宋苗苗（1999−），女，硕士研究生，研究方向：食品工程，E-mail：2929828335@qq.com

通讯作者: 王军辉（1976−），男，博士，教授，研究方向：食品胶体大分子的结构与功能研究，E-mail：junhuiwang@hfut.edu.cn。

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