抗冷冻软凝胶颗粒的结构与界面膜强度的构效关系研究

Soft gel particles are novel emulsifiers for fatty foods, such as sauces and creams. Previous studies have indicated that soft casein gel particles have better emulsifying properties than other polymer emulsifiers, but still have drawbacks in freezing emulsifying stability. In this study, caseins are used to prepare soft gel particles with different sizes, hardnesses and charges by adjusting the casein concentrations, temperature, solvent polarity and ionic strength, respectively. The interfacial film strength formed by the particles are evaluated by the interface rheometer. The particle size analyzer and the stability analyzer are used to evaluate the freeze resistance of films stabilized by the gel particles at -20、-40 and -80 ℃, respectively, followed by screening the soft gel particle emulsifier with the highest freeze stability. The soft gel particles with the largest interface coverage are screened by finite aggregation method; while the interface structure of the soft gel particles is investigated by cryo scanning electron microscopy. This study provides theoretical significance for the elaboration of the structure-activity relationship between the structure of soft gel particle emulsifier and the strength of interfacial films. This study also has important guiding significance for the development of anti-freezing soft gel emulsifiers.

软凝胶颗粒是应用于调味酱、奶油等高脂食品的新型高效乳化剂。研究表明酪蛋白软凝胶颗粒的乳化性能优于其他食品高分子材料，但是仍然存在冷冻乳化稳定性低的缺陷。本项目以牛乳酪蛋白为原料，通过调控酪蛋白溶液的浓度、温度、溶剂极性与离子强度等条件，制备不同尺寸、硬度和载电量的软凝胶颗粒；采用界面流变仪测定凝胶颗粒形成的界面膜强度，利用粒径仪结合稳定性分析仪分别评价不同尺寸、硬度和载电量凝胶颗粒形成乳化体系在-20℃、-40℃和-80℃条件下的抗冻性能，筛选出冷冻稳定性最高的酪蛋白软凝胶颗粒乳化剂；利用有限次聚并方法，明确不同尺寸、硬度和载电量酪蛋白软凝胶颗粒的界面覆盖度，并利用冷冻扫描电镜阐释软凝胶颗粒的界面结构与形成机制。该项目对明确软凝胶乳化剂结构与界面膜强度的构效关系具有理论意义，对开发抗冷冻软凝胶颗粒乳化剂具有指导意义。

软凝胶颗粒乳化剂是当前所有乳化剂中形成界面膜强度最高的。开发可食性软凝胶颗粒乳化剂，并明确软凝胶乳化剂结构与界面膜强度的构效关系对开发抗冷冻软凝胶乳化剂具有指导意义，有望解决乳化食品经过冷冻后出现油脂析出和口感变粗糙等感官缺陷。本项目以乳蛋白和玉米蛋白为原料，制备不同尺寸、载电量和硬度的软凝胶颗粒；比较了不同结构的软凝胶颗粒冷冻乳化稳定性的差异，在此基础上，从界面吸附能力、界面膜强度和界面覆盖度等角度揭示了不同结构软凝胶颗粒冷冻乳化稳定性存在差异的原因。通过调节蛋白分子间磷酸根的交联度，实现了蛋白凝胶颗粒217.2±43.0至1927.0±207.2 MPa范围内硬度的调控；通过调节蛋白分子的结合数量，构建了不同直径（13.5±3.0至422.8±27.2nm）的软凝胶颗粒乳化剂；通过调节酸碱环境，实现了蛋白凝胶颗粒ζ-电势（-39.1±4.7~1.1±0.1 mV）的调控。分别评价了不同硬度尺寸和载电量的蛋白凝胶颗粒的冷冻乳化稳定性：在217.2±43.0至1927.0±207.2 MPa范围内，硬度值越高，形成的凝胶颗粒的冷冻乳化稳定性越差，在217.2±43.0至1927.0±207.2 MPa范围内，随着杨氏模量值的增加，界面张力从15.4增加至18.7 mN/m，界面粘性模量从18.3降至10.7 Pa，界面覆盖度从56.2% 降至38.9%，表明硬度越小的凝胶颗粒吸附到油水界面的能力越高，界面覆盖度和界面膜强度越大；ζ-电势从-39.1±4.7到1.1±0.1 mV过程中，凝胶颗粒的冻融乳化稳定性呈先增加后降低的趋势，蛋白软凝胶颗粒的载电量适中时，颗粒能在油水界面快速吸附，产生的油水界面的覆盖度和界面膜强度较高，形成的乳化体系冷冻稳定性最高；直径从3.5±3.0增至422.8±27.2nm过程中，凝胶颗粒的冻融乳化稳定性呈先增加后降低的趋势，在13.5±3.0 至181.2±5.9 nm范围内，随着直径的增加，界面张力从8.2增至15.0 mN/m，界面膜强度从29.7降至20.2 Pa，界面覆盖度从122.7%降至52.0%。本研究以牛乳蛋白为原料实现了抗冷冻软凝胶颗粒的制备，明确了软凝胶颗粒的结构对乳化体系冷冻稳定性的影响及作用机制，为抗冷冻性食品软凝胶颗粒乳化剂的开发与应用提供了理论基础。