摘要：為探究酯化度、分子質(zhì)量對(duì)果膠乳化性能的調(diào)控機(jī)制，本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)果膠的聚集行為、聚集體結(jié)構(gòu)、界面性質(zhì)、乳化性質(zhì)及其在界面的吸附層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：果膠酯化度從35%增至73%過程中，果膠聚集體直徑由1 950 nm規(guī)律地降至1 443 nm，聚集體內(nèi)疏水微區(qū)的極性不斷降低，向油-水界面的擴(kuò)散速率顯著提升，其界面吸附量從54.4 ng/cm2增加至95.9 ng/cm2，界面吸附層厚度從76.9 nm降低至43.6 nm，平衡界面張力從24 mN/m降低至18 mN/m，其乳化性能顯著改善。果膠分子質(zhì)量從0.55×105 Da增至1.30×105 Da過程中，聚集體直徑由1 195 nm增至1 443 nm，向油-水界面的擴(kuò)散速率降低，界面吸附量由127.3 ng/cm2降至95.9 ng/cm2，其界面性質(zhì)與乳化性能均變差；但由于聚集體內(nèi)部疏水性增加，抑制了果膠從界面脫附，提升了乳液在貯藏過程中的穩(wěn)定性。本研究結(jié)果從聚集體的角度闡明了分子結(jié)構(gòu)對(duì)果膠乳化性能的潛在調(diào)控機(jī)制，可為果膠乳化劑的開發(fā)與利用提供理論依據(jù)。

果膠是一種廣泛存在于植物細(xì)胞壁中的天然多糖聚合物，其主要化學(xué)結(jié)構(gòu)包括由同型半乳糖醛酸和鼠李糖半乳糖醛酸組成的主鏈，以及由阿拉伯糖和半乳糖構(gòu)成的側(cè)鏈。果膠分子主鏈上的半乳糖醛酸殘基通常會(huì)發(fā)生部分甲基酯化，從而使其具有兩親性；這種兩親性使其能夠有效地吸附于油-水界面，顯著降低界面張力，并通過空間位阻效應(yīng)和靜電斥力協(xié)同穩(wěn)定乳液體系。蛋白質(zhì)乳液在高溫、高鹽離子濃度及酸性環(huán)境等條件下的穩(wěn)定性較差，果膠乳液因其優(yōu)異的穩(wěn)定性而更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外，果膠穩(wěn)定的乳液在上消化道中能夠較好地保持結(jié)構(gòu)完整性，從而具備將脂溶性功能成分（如β-胡蘿卜素、VE等）遞送至結(jié)腸的潛力。果膠作為一種天然乳化劑，憑借這些獨(dú)特性質(zhì)以及良好的生物安全性，在食品、藥品等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，并展現(xiàn)出極高的應(yīng)用價(jià)值。

果膠的乳化性質(zhì)與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。分子結(jié)構(gòu)的差異能夠影響果膠在油-水界面的吸附速率、吸附量以及界面層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而顯著影響其乳化性能。通常研究表明，酯化度升高可增強(qiáng)果膠與油-水界面的親和力，促進(jìn)界面吸附，從而改善乳化性能。例如，有研究通過甲酯化處理將果膠的酯化度提升至90%以上，以改善其乳化性質(zhì)；但也有研究發(fā)現(xiàn)，酯化度相對(duì)較低的果膠反而表現(xiàn)出更優(yōu)異的乳化性能。此外，果膠分子質(zhì)量降低可減小其流體力學(xué)半徑，增加其向界面擴(kuò)散與吸附的速率，進(jìn)而改善其乳化性能。還有多項(xiàng)研究表明，低分子質(zhì)量果膠的乳化性能反而較差。因此，目前關(guān)于果膠分子結(jié)構(gòu)（如酯化度、分子質(zhì)量）對(duì)其乳化性能的調(diào)控機(jī)制尚未達(dá)成共識(shí)，這限制了高乳化性能果膠及其相關(guān)乳液產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。

值得注意的是，果膠在溶液中存在聚集行為。這一現(xiàn)象最早于1978年被報(bào)道，研究發(fā)現(xiàn)0.1%果膠溶液中存在聚集的果膠分子。近期研究在溶液中同時(shí)檢測(cè)到果膠的鏈簇和單個(gè)聚合物鏈。事實(shí)上，作為一種兩親性聚合物，果膠可通過分子間的疏水相互作用（如甲基與甲基間的作用力），形成類似膠束的聚集體，其內(nèi)部含有疏水微區(qū)。更重要的是，果膠的臨界聚集質(zhì)量濃度（0.4 mg/mL）遠(yuǎn)低于其作為乳化劑的實(shí)際應(yīng)用濃度，這表明果膠是以聚集體的形式穩(wěn)定乳液。此外，本課題組還發(fā)現(xiàn)果膠聚集體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與其乳化性能密切相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了果膠聚集體在全面理解果膠分子結(jié)構(gòu)對(duì)乳化性能調(diào)控機(jī)制中的重要性。

本實(shí)驗(yàn)采用芘熒光法、動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)分析不同酯化度與分子質(zhì)量果膠的聚集行為以及相應(yīng)聚集體的結(jié)構(gòu)特性；采用懸滴法研究不同果膠聚集體在油-水界面的吸附行為與界面性質(zhì)；同時(shí)，考察不同果膠聚集體的乳化性質(zhì)與乳液穩(wěn)定性，并進(jìn)一步分析果膠在界面的吸附層結(jié)構(gòu)，旨在建立果膠分子結(jié)構(gòu)、聚集行為、聚集結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)以及乳化性能之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而從聚集體的角度明晰果膠分子結(jié)構(gòu)對(duì)乳化性能的潛在調(diào)控機(jī)制，為果膠乳化劑的功能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料與試劑

果膠（來源于柑橘，分子質(zhì)量1.3×105 Da，酯化度73%，半乳糖醛酸摩爾分?jǐn)?shù)71.3%）北京索萊寶科技有限公司；玉米油江西青龍高科油脂有限公司。

芘上海麥克林生化科技有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、硫酸國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙醇天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；所有有機(jī)溶劑均為分析純，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中均使用超純水。

1.2儀器與設(shè)備

LGJ-25C型漿干機(jī)北京四環(huán)科技開發(fā)有限公司；PB-10型pH計(jì)賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；FL970型熒光分光光度計(jì)天美（中國）科學(xué)儀器有限公司；Zetasizer Nano-ZS90型納米粒度電位儀英國馬爾文儀器有限公司；界面張力儀，芬蘭Kibron公司；T25-digital型高速剪切分散機(jī)德國IKA公司；APV-2000型高壓均質(zhì)機(jī)美國SPX公司；L2130型尺寸排阻色譜儀日本日立儀器公司；DAWN HELEOS II型18角度激光光散射儀美國Wyatt Technology公司。

1.3方法

1.3.1不同酯化度果膠的制備與測(cè)定

將果膠以質(zhì)量濃度20 mg/mL分散于去離子水中，600 r/min攪拌過夜，確保充分溶解。用1 mol/L的氫氧化鈉溶液將果膠溶液pH值調(diào)至9，在冰浴條件下進(jìn)行脫酯反應(yīng)，分別處理0、10、20、30 min。反應(yīng)結(jié)束后，用1 mol/L鹽酸溶液將體系pH值調(diào)至4.5以終止反應(yīng)。各脫酯產(chǎn)物用無水乙醇沉淀，并用無水乙醇洗滌3次后冷漿干燥。

稱取100 mg不同脫酯果膠溶解于30 mL去離子水中，攪拌過夜。滴定前向果膠溶液中滴加3滴酚酞作為指示劑，用0.1 mol/L氫氧化鈉滴定液將果膠溶液滴定至顏色變?yōu)榉奂t色，記錄消耗的滴定液體積V1。向體系中加入10 mL 0.1 mol/L氫氧化鈉溶液，脫酯15 min后，再加入10 mL 0.1 mol/L鹽酸溶液。然后用0.1 mol/L氫氧化鈉滴定液滴定體系中過量的鹽酸，直至顏色變?yōu)榉奂t色，記錄滴定液消耗量（V2）。按式（1）計(jì)算果膠酯化度：

1.3.2不同分子質(zhì)量果膠的制備與測(cè)定

采用0.1 mol/L鹽酸溶液將果膠溶液pH值調(diào)至1，于80℃水浴中進(jìn)行酸水解，水解時(shí)間分別為0、1、2、4 h。反應(yīng)結(jié)束后，用1 mol/L氫氧化鈉溶液將體系的pH值調(diào)至7以終止反應(yīng)。各水解產(chǎn)物用無水乙醇沉淀，并用無水乙醇洗滌3次后冷漿干燥。

采用尺寸排阻色譜、18角度激光光散射儀測(cè)定果膠分子質(zhì)量，稱取5 mg果膠溶解于5 mL的流動(dòng)相（0.1 mol/L氯化鈉溶液）中，用0.2μm濾膜過濾后進(jìn)樣。色譜柱為TSK Gel G4000PWxl凝膠滲透色譜柱，流速為0.5 mL/min，檢測(cè)溫度為25℃。

1.3.3芘熒光光譜測(cè)定

精確稱取0.5 g不同果膠樣品，分別溶解于50 mL去離子水中，室溫?cái)嚢柽^夜，配制成質(zhì)量濃度為10 mg/mL的果膠儲(chǔ)備液。將該儲(chǔ)備液稀釋成不同質(zhì)量濃度（0.005～4 mg/mL），用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。將4 mg芘溶于30 mL乙醇制備芘溶液。取10μL芘溶液加入不同質(zhì)量濃度的果膠溶液，超聲處理30 min后在室溫暗環(huán)境中平衡1 h。在激發(fā)波長339 nm條件下，獲得不同果膠溶液的發(fā)射光譜（350～500 nm），發(fā)射和激發(fā)狹縫分別設(shè)為1 nm和5 nm，掃描速率為240 nm/s。

以373 nm和383 nm波長處的熒光強(qiáng)度比值（I373 nm/I383 nm）作為判斷微環(huán)境極性的指標(biāo)。將I373 nm/I383 nm與果膠質(zhì)量濃度對(duì)數(shù)作圖，由稀溶液區(qū)與半稀溶液區(qū)的線性擬合線交點(diǎn)計(jì)算果膠臨界聚集濃度。在疏水環(huán)境中芘分子濃度增加可產(chǎn)生芘二聚體，并在465 nm波長處呈現(xiàn)發(fā)射峰。計(jì)算373 nm和465 nm波長處的熒光強(qiáng)度比值（IE/IM），用于分析果膠聚集體內(nèi)疏水微區(qū)的體積變化。