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我院李春美教授团队在柿果胶的乳化特性及其机制研究中取得新进展

作者:发布:2022-06-23点击量:

根据联合国粮食及农业组织和国家统计局数据,柿子为我国五大水果之一,我国柿栽培面积和年产量均居世界第一。目前,国内外对柿天然产物的研究主要集中在柿多酚类物质的提取及活性研究,关于柿中含量同样丰富的果胶物质的研究尚处于起步阶段。

果胶作为一种天然的植物组成成分,具有安全无毒、良好的加工物性和生物活性,因而被广泛应用于食品医药等行业。目前,关于柑橘、苹果、甜菜的果胶的研究与应用较多。这三种果胶均能够降低油-水界面张力,然而柑橘果胶、苹果果胶的乳化性能相对较差。甜菜果胶的乳化能力较强,而pH值大小、离子强度、高温等因素对其稳定性影响较大,极大地限制了其在食品、化妆品等领域的应用。因此,挖掘具有高乳化性及稳定性的新果胶资源具有重要意义。柿子的果胶含量高于多数水果,如樱桃、番茄、桃和百香果等,是一种潜在的、理想的果胶资源。

基于此,本研究以柿果胶为原料,从宏观、微观、界观等角度多尺度多角度系统确证了柿果胶显著强于商业甜菜果胶和柑橘果胶的乳化活性和乳化稳定性,并进一步采用界面流变学、界面吸附动力学、聚苯乙烯微球(PS)吸附模型、耗散型石英晶体微天平(QCM-D)及冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)等并结合化学组成、免疫点标记、FT-IR、XRD、AFM、甲基化分析、核磁等技术手段系统揭示柿果胶的乳化机制以及结构基础。

图1 柿果胶乳化特性的多尺度联用分析

首先,对影响界面性能的的结构性质进行了表征;通过接触角测定、界面张力、界面剪切/膨胀流变、QCM-D、Cryo-SEM评估了柿果胶吸附在油-水界面的界面行为;进一步地,基于结构解析和界面表征多尺度确证了柿果胶的乳化和乳液稳定行为。结构解析表明柿果胶呈高甲酯化(71.93% ± 1.23%)、高支化度(32.35%)、和低分子量(4.789 × 104 g/mol)特征,且含有一定量的疏水基团,有助于其快速吸附到油-水界面。与商业果胶相比中,柿果胶表现出较强的降低界面张力的能力(16.36±0.14 mN/m,1.0% w/v);界面剪切流变(界面吸附和动态应变扫描)和界面膨胀流变(界面粘弹性、频率扫描和振幅扫描)研究发现柿果胶在油-水界面形成了强粘弹性界面膜;PS吸附模型发现柿果胶可吸附在油-水界面并具有较高的吸附层厚度;QCM-D分析表明柿果胶在油-水界面形成了更厚的界面膜和更高的吸附量和粘弹性;Cryo-SEM显微形态揭示柿果胶乳化液滴周围形成了强大的“缠结和连接”网络,增强了界面膜的粘弹性并可有效阻止油滴流动。此外,通过联用激光衍射技术、动态光散射技术、多重光散射技术和显微观察,柿果胶制备的乳液具有较小的粒径值(D32、D43、Z-average、PdI和particle size)和液滴尺寸分布,表现出良好的乳化活性;通过结合Turbiscan、贮藏稳定性和盐离子及热处理耐受性分析,柿果胶制备的乳液具有较小的乳析层厚度(0.68 ± 0.00 mm)、TSI值(<0.5)、MBS值(<0.2)、粒径和电位变化等,表现出良好的乳化稳定能力。通过使用多技术和多尺度分析,本研究系统探究了柿果胶的界面、结构、液滴性质和乳液性质之间的关系。

图2 柿果胶的乳化稳定模型

此研究从多角度系统确证了柿果胶极强的乳化活性和乳化稳定性,并系统揭示了其发挥强乳化活性的独特机制,研究结果为柿果胶作为天然来源乳化剂的应用提供了科学依据,也将我国柿子资源优势转化为经济优势提供参考。

本项研究工作连续发表于Food Hydrocolloids(Volume 131, 107738和107727,IF=9.147)期刊上,由国家重点研发计划“特色经济林优异种质发掘和精细评价”(2019YFD1000600)资助。论文链接:https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.107738; https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022.107727

图3 果胶乳液的冷冻扫描电镜形态:(A): 柿果胶; (B) 甜菜果胶; (C) 高酯化柑橘果胶; (D) 低酯化柑橘果胶.

通讯作者:李春美(E-mail: lichmyl@mail.hzau.edu.cn.),女,博士,三级岗教授,博导。中国园艺学会柿分会常务理事,中国农学会农产品加工分会理事。华中农业大学食品科技学院教学指导委员会主任。一直致力于植物多酚化学及其健康效应研究;入选瑞典“国际科学基金(IFS)”、“武汉市青年科技晨光计划”、“ 湖北省杰出青年基金”、“教育部新世纪优秀人才”等人才支持计划;主持国家科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题、公益性行业专项子课题、国家“十二五”科技支撑计划子课题、教育部重点项目、湖北省重大科技攻关计划等课题30多项;以第一作者或通讯作者身份发表论文150多篇,其中SCI收录100余篇。主编和副主编教材各1部,申请发明专利12项,授权6项。获得广东省科技进步一等奖2项、中华人民共和国农业部科技进步二等奖1项、中华产学研合作创新成果一等奖1项、神龙中华农业科技奖二等奖1项。

第一作者:贾洋洋,男,华中农业大学食品科技学院2018级博士生,导师为李春美教授,研究方向为天然产物化学。

审核人:李春美、刘石林

编辑:王丹娟

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