电荷密度调控多尺度下卵白蛋白-羧甲基纤维素静电复合机制及应用

摘要

蛋白质、多糖单一组分的结构、加工特性、营养功能特性的研究相对已经比较丰富，基于组分间相互作用的基础研究，从而提升单一组分的功能特性、甚至发掘新的功能特性，是当前新食品配料开发具有巨大前景的一个重要方向。理解蛋白质和多糖之间的相互作用行为，深入挖掘其复合凝聚物的功能特性，构建具有特定结构和功能的复合配料，不仅对解决天然食品配料选择范围窄、升级食品加工工艺流程和新产品的设计与开发具有重要的应用意义，也符合食品产业绿色、健康、可持续的发展方向。基于此，本文以在食品工业中来源丰富卵白蛋白(OVA)和羧甲基纤维素(CMC)两种配料为材料，探究两者的复合凝聚行为，及其微纳尺度自组装复合凝聚物在稳定高油相乳液和生物活性物质保护与递送方面应用潜力;继而考察静电复合对OVA热诱导凝胶化行为的影响，OVA/CMC静电复合物热致凝胶的强度、微观结构和持水性之间的关联性及调控策略;以发现优化二者复合凝聚物的优势特性或新特性，为二者复合衍生为新型食品配料奠定基础。主要研究结果如下:
　　1.通过采用浊度跟踪、等温滴定量热仪和动态旋转流变仪等手段揭示了OVA与CMC之间的复合凝聚行为。结果表明，OVA和CMC可以通过由焓驱动的静电相互作用随pH的变化自发形成复合物或凝聚物。离子强度对OVA/CMC复合凝聚的影响表现出多重效应。当CNaCl=20mM时，OVA与CMC之间的结合显示出最高的化学计量比、结合常数、焓变和弹性模量。当CNaCl≥200mM时，OVA和CMC的复合从吸热变为放热，暗示从焓驱动转变到熵驱动。此外，由于CMC1.2具有比CMC0.7更高的电荷密度，因此OVA和CMC1.2具有更强的结合能力和抗盐离子屏蔽性能，且凝聚物显示出更紧密的微观结构和更高的粘弹性模量。
　　2.通过热处理(90℃，30min)OVA/CMC在pH4.4形成的可溶性静电复合物制备纳米颗粒(200-260nm)。结果显示，CMC的电荷密度对纳米颗粒的尺寸，结构和物理化学性质具有较大影响。OVA/CMC1.2（具有更高的电荷密度）纳米粒子比OVA/CMC0.7纳米粒子具有更小的尺寸，更紧密的结构，更高的表面绝对电势和疏水性。界面流变研究结果表明热处理后纳米粒子尺寸和表面净电位的增加对油-水界面的扩散，吸附和重排率有较大影响，导致界面吸附层的表面压力和粘弹性降低。OVA/CMC纳米颗粒对白藜芦醇的包埋效率和负载能力分别约为70％和35μg/mg。白藜芦醇主要通过氢键和疏水相互作用被包埋于纳米载体内，且以无定形状态存在。同时，OVA/CMC纳米颗粒可以显著增强白藜芦醇在紫外辐照下的稳定性和体外生物可给性（约80％）。这为同类活性物质的保护与递送提供了新选择。
　　3.OVA与CMC在不同pH(3.0、3.5、4.0)形成的复合凝聚物特性研究表明，OVA/CMC复合凝聚物的蛋白质与多糖含量随着pH值的增加而降低，且微观网络结构由致密转向松散。同时，CMC1.2由于具有较高电荷密度，因此OVA/CMC1.2复合凝聚物展现出比OVA/CMC0.7更致密的微观网络结构和粘弹特性。此外，OVA与CMC在pH3.0和3.5较强的静电复合会导致其凝聚物表现出较差的油结合能力和高内相乳液稳定性，尤其OVA/CMC1.2复合凝聚物稳定的乳液体系。相反，在pH4.0时的适度静电相互作用使OVA/CMC复合凝聚物(2.5％，w/w)展现出极好的高内相乳液（油相80％）稳定能力，这为高油相食品体系的稳定化提供了新策略。
　　4.静电复合会极大的抑制OVA热致凝胶化，且具有较高电荷密度的CMC1.2展现出比CMC0.7更强的抑制能力。流变分形分析表明，随着OVA-CMC比例由10∶1上升至40∶1，OVA/CMC0.7和OVA/CMC1.2热诱导凝胶的分形维数分别由1.83和1.75增加至2.17和2.08。另一方面，盐离子的电荷屏蔽效应能够增强OVA/CMC复合物的热致凝胶强度。然而，当盐离子(100mM)将多糖链上蛋白质分子完全解离时，多糖的表观粘度对OVA的热致凝胶化产生了较大影响。此时电荷密度较低的CMC0.7由于具有较大的表观粘度，因此展现出比CMC1.2更强抑制OVA热致凝胶化的能力。这种新型OVA/CMC静电复合物热致凝胶可为脂肪取代物的制备提供潜在方案。
　　5.OVA/CMC静电复合物热致凝胶特性研究结果表明，其凝胶呈现出均匀致密结构和较好的持水性能，但杨氏模量却显著降低(P＜0.05)。这与静电作用抑制了蛋白质在热诱导过程中的大面积聚集体的形成密切相关，且较高电荷密度的CMC1.2表现出更强的对凝胶结构和性能（凝胶强度和持水性）的干扰能力。利用盐离子对蛋白质和多糖电荷的屏蔽效应可改善凝胶的强度，但同时也增加了凝胶的粗糙度和微观结构孔径尺寸，导致OVA/CMC静电复合物热致凝胶的持水性显著降低。进一步研究发现，凝胶的有效渗透系数(k1)和水通量系数(k2)均与其结构孔径存在较显著的正相关性。这表明凝胶持水性的调节主要在于控制其微观结构孔径的大小。以上研究结果可为蛋白质基水凝胶或食品体系的品质调控提供新的参考。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 前言

1．1．1 蛋白质-多糖复合凝聚物形成的动力学

1．1．2 蛋白质-多糖复合凝聚过程的表面补丁结合效应

1．1．3 蛋白质-多糖复合凝聚的热力学效应

1．2 蛋白质-多糖复合凝聚的影响因素

1．3 蛋白质-多糖复合凝聚物的功能特性

1．3．2 蛋白质-多糖复合物的流变特性

1．3．3 蛋白质-多糖复合物的结构化特性

1．3．4 蛋白质-多糖复合物的界面和吸附特性

1．4 本课题的研究目的、意义及内容

1．4．1 本课题的研究目的及意义

1．4．2 本课题的研究内容与创新点

第二章 OVA-CMC静电组装行为的热动力与流变学表征

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料与试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验方法

2．2．4 统计分析

2．3 结果与分析

2．3．1 OVA／CMC复合凝聚的相行为

2．3．2 等温滴定量热结果分析

2．3．3 OVA／CMC凝聚物的流变特性分析

2．3．4 OVA／CMC静电复合凝聚的策略机制

2．4 本章小结

第三章 OVA-CMC纳米颗粒的性能表征及对白藜芦醇的保护与控释性评价

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料与试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验方法

3．2．4 统计分析

3．3 结果与分析

3．3．1 OVA／CMC纳米颗粒的制备

3．3．2 OVA／CMC纳米颗粒的结构表征

3．3．3 OVA／CMC纳米颗粒的亲疏水性

3．3．4 OVA／CMC纳米颗粒的稳定性

3．3．5 OVA／CMC纳米颗粒的界面吸附和膨胀流变性能

3．3．6 OVA／CMC纳米复合物和纳米颗粒对白藜芦醇的负载

3．3．7 负载白藜芦醇的OVA／CMC纳米颗粒的固态表征

3．3．8 OVA／CMC纳米颗粒对白藜芦醇的保护

3．3．9 负载白藜芦醇OVA／CMC纳米颗粒的体外消化特性

3．4 本章小结

第四章 OVA-CMC复合凝聚物的流变性及其高内相乳液稳定性

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料与试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验方法

4．2．4 统计分析

4．3 结果与分析

4．3．1 OVA／CMC复合凝聚物的组成及微观结构

4．3．2 OVA／CMC凝聚物的流变性能分析

4．3．3 OVA／CMC复合凝聚物稳定的高内相乳液特性

4．3．4 高内相乳液的稳定性评价及其机制

4．4．本章小结

第五章 OVA-CMC静电复合物热诱导聚集凝胶行为及分形分析

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料与试剂

5．2．2 实验仪器

5．2．3 实验方法

5．2．4 数据统计分析

5．3 结果与分析

5．3．1 OVA／CMC静电复合物的热致凝胶动力学分析

5．3．2 OVA／CMC静电复合物热致凝胶的标度行为及分形分析

5．3．3 离子强度对OVA／CMC静电复合物热致凝胶的影响

5．3．4 OVA／CMC静电复合物热致凝胶形成机制分析

5．4 本章小结

第六章 OVA-CMC静电复合物的热诱导凝胶特性研究

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 实验材料与试剂

6．2．2 实验仪器

6．2．3 实验方法

6．2．4 统计分析

6．3 结果与分析

6．3．1 OVA／CMC复合物热诱导聚集体尺寸及凝胶结构

6．3．2 OVA／CMC复合物热诱导凝胶强度和持水性

6．3．3 离子强度对OVA／CMC静电复合物热致凝胶特性的影响

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 研究结论

7．2 研究展望

参考文献

附录

致谢