储存引起的植物基乳剂粉末溶解度下降

《Powder Technology》：Storage-induced solubility loss in plant-based emulsion powders

植物基乳粉替代品在储存过程中因蛋白质结构变化和脂质氧化导致溶解性显著下降，主要影响因素为蛋白质含量和脂质类型，形成不溶性微凝胶网络。

　　植物基乳粉替代品的开发一直是食品工业的重要课题，特别是在推动可持续性和减少动物产品使用方面。这些植物基产品需要在营养成分和功能特性上尽可能接近乳粉，但在实际应用中，它们的再水化和分散性能常常成为挑战。本文探讨了植物基乳粉在储存过程中出现的不溶性现象，并分析了影响这一现象的关键因素，为未来优化植物基粉末的性能提供了重要见解。

### 1. 植物基乳粉的挑战

乳粉的广泛应用得益于其出色的乳化性能和高饱和脂肪含量，这些特性使其在货架期保持高度稳定，并且能够全球流通。然而，随着消费者对可持续和无动物成分食品的需求增加，食品行业开始寻求植物基替代品。尽管如此，植物蛋白与乳蛋白在结构和功能上存在显著差异。乳蛋白主要包括酪蛋白和乳清蛋白，它们分子量较小（14-59 kDa），能够在乳化界面快速吸附并形成稳定的小滴。相比之下，植物蛋白如豌豆蛋白和大豆蛋白通常具有更高的分子量（150-440 kDa），结构更僵硬且溶解性较低，这会减缓界面吸附并降低乳化稳定性。因此，开发具有相似营养和功能特性的植物基乳粉系统面临诸多挑战，尤其是在可加工性、货架期和再水化性能等方面。

### 2. 研究目的与方法

本研究旨在探讨影响植物基乳粉在储存过程中形成不溶性颗粒的因素。通过制备不同的模型乳液，包括豌豆蛋白、大豆蛋白和乳蛋白，并在喷雾干燥后进行16周的储存测试。研究分析了不同配方对粉末溶解性的影响，包括蛋白质来源、含量、脂肪类型（如葵花籽油和MCT油）以及加工条件（如pH值和蛋白质浆液预均质化）。Maltodextrin被用作载体材料，因其良好的可调节性和可用性。乳液在特定条件下喷雾干燥，并在低温、低湿度的环境中储存。通过定期分析粉末的形态和湿润性，研究人员能够追踪溶解性的变化，并与蛋白质溶解性变化相关联。

### 3. 实验设计与材料

在本研究中，使用了三种蛋白质来源：豌豆蛋白、大豆蛋白和乳蛋白。其中，豌豆蛋白作为参考材料，测试了两种不同的蛋白质浓度（2.4%和20%），而其他配方均采用20%的蛋白质总固体含量。此外，还制备了不含油（w/o油）和含稳定油（MCT油）的乳液，以研究不同脂肪类型对粉末性能的影响。所有配方均包含35%的总固体含量，其中包括脂质相。蛋白质来源分别为Cosucra（比利时）、ADM（美国）和Fonterra（新西兰）提供的豌豆蛋白、大豆蛋白和乳蛋白浓缩物。葵花籽油由Florin（瑞士）提供，而MCT油由Oleon（比利时）提供。Maltodextrin（DE 21）由Roquette（法国）提供，用于调节粉末的物理特性。所有实验配方的组成详见表1。

### 4. 乳液制备与干燥

乳液的制备过程包括将蛋白质与去离子水混合，搅拌30分钟，并在7°C下过夜水合。随后，添加Maltodextrin并搅拌5分钟，确保其完全溶解，再加入脂质相并进行10分钟的剪切处理。为了确保蛋白质的充分水合，乳液的pH值被调整至7.5，以避免蛋白质的等电点。部分样品（高pH）的pH值进一步提升至8.5，以研究pH变化对蛋白质溶解性的影响。所有乳液随后在高压均质机中进行两次均质处理，压力为350/75 bar。为了测试均质化对乳液稳定性的影响，还制备了一种预均质化豌豆蛋白乳液。

喷雾干燥在一台小型喷雾干燥器中进行，使用双流喷嘴，操作压力为1 bar，入口温度为190°C，出口温度保持在70°C。干燥后的粉末被密封在充有氩气的铝袋中，并在-60°C下保存，以防止氧化和降解。

### 5. 储存条件与分析

储存实验在气候控制室中进行，温度设定为35°C，相对湿度为20%，并避免光照。这种条件模拟了加速货架期的情况，同时保持粉末处于玻璃态以防止塌陷。每4周取样并进行分析，以监测溶解性、粒子大小、接触角和脂肪含量的变化。

### 6. 粉末溶解性分析

通过测定粉末的不溶性指数，研究人员发现所有样品的不溶性逐渐增加，范围从7%到51%。这一现象表明，储存过程中的化学变化显著影响了植物基乳粉的溶解性。不溶性指数的测定基于国际食品法典委员会的标准，并通过离心分离和干燥后计算得出。结果表明，蛋白质含量和脂质的存在是影响溶解性的主要因素，而蛋白质来源和加工条件的影响较小。

### 7. 蛋白质溶解性变化

除了总不溶性，研究人员还专门测量了蛋白质的溶解性。通过Dumas方法，利用热导检测器测定氮含量。结果表明，低蛋白样品在整个储存过程中保持较高的溶解性，而高蛋白样品则表现出明显的溶解性下降。这表明蛋白质的浓度在溶解性变化中起着关键作用，高浓度的蛋白质更易形成稳定的结构，从而导致不溶性增加。

### 8. 自由脂肪含量分析

自由脂肪含量是衡量粉末质量的重要参数，因为它影响粉末的流动性和储存稳定性。通过重力法测定自由脂肪含量，研究人员发现，含有葵花籽油的样品在储存16周后自由脂肪含量显著下降，而含MCT油的样品则有所增加。这一结果可能与葵花籽油的氧化聚合有关，氧化过程可能导致脂肪分子之间的交联，从而降低其可提取性。相反，MCT油由于不易氧化，能够保持较高的自由脂肪含量。

### 9. 接触角测量

接触角是评估粉末湿润性的重要指标。研究发现，储存过程中所有样品的接触角均增加，表明粉末的疏水性增强。对于含有葵花籽油的样品，接触角增加尤为明显，这可能与氧化和聚合引起的表面疏水性变化有关。相比之下，MCT油样品的接触角增加幅度较小，这与其较高的可提取性有关。

### 10. 蛋白质化学变化与聚集状态

通过OPA方法测定自由氨基酸基团的变化，研究人员发现，储存过程中蛋白质的化学结构发生了显著变化。自由氨基酸基团的减少可能与糖化反应和氧化反应有关，这些反应可能导致蛋白质分子之间的交联。此外，通过SDS-PAGE分析，研究人员观察到蛋白质分子量的增加，这表明蛋白质在储存过程中发生了聚合。然而，对于含有MCT油的样品，蛋白质的聚集程度较低，可能与其较低的氧化程度有关。

### 11. 显微镜分析

使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电子显微镜（SEM）对乳液和再水化粉末的微观结构进行了分析。CLSM图像显示，含有油的样品在储存过程中逐渐形成更大的颗粒，而不含油的样品则表现出较少的聚集现象。SEM图像进一步揭示了储存后粉末的表面结构变化，包括自由脂肪的减少和蛋白质网络的形成。这些结果表明，储存过程中蛋白质和脂肪的相互作用对粉末的不溶性有重要影响。

### 12. 结论与展望

本研究揭示了蛋白质和脂肪在植物基乳粉储存过程中形成不溶性颗粒的关键作用。尽管不同蛋白质来源和加工条件对溶解性的影响较小，但蛋白质含量和脂肪类型是决定粉末性能的重要因素。高蛋白含量的样品形成了稳定的微凝胶网络，而低蛋白样品则倾向于形成大颗粒和脂肪聚集体。MCT油的引入部分缓解了脂肪氧化的影响，但葵花籽油由于氧化聚合导致的疏水性增加，其再水化性能显著下降。这一研究结果为未来开发具有更高溶解性和更优性能的植物基乳粉提供了重要的理论依据和实践指导，同时也强调了理解蛋白质变性和聚集现象在食品科学中的重要性。