摘要：為探究酯化度、分子質(zhì)量對果膠乳化性能的調(diào)控機制，本實驗對不同結構果膠的聚集行為、聚集體結構、界面性質(zhì)、乳化性質(zhì)及其在界面的吸附層結構進行分析。結果表明：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。本研究結果從聚集體的角度闡明了分子結構對果膠乳化性能的潛在調(diào)控機制，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胞壁中的天然多糖聚合物，其主要化學結構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成的側鏈。果膠分子主鏈上的半乳糖醛酸殘基通常會發(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)定性而更具應用優(yōu)勢。此外，果膠穩(wěn)定的乳液在上消化道中能夠較好地保持結構完整性，從而具備將脂溶性功能成分（如β-胡蘿卜素、VE等）遞送至結腸的潛力。果膠作為一種天然乳化劑，憑借這些獨特性質(zhì)以及良好的生物安全性，在食品、藥品等領域受到廣泛關注，并展現(xiàn)出極高的應用價值。

果膠的乳化性質(zhì)與其分子結構密切相關。分子結構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構，進而顯著影響其乳化性能。通常研究表明，酯化度升高可增強果膠與油-水界面的親和力，促進界面吸附，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半徑，增加其向界面擴散與吸附的速率，進而改善其乳化性能。還有多項研究表明，低分子質(zhì)量果膠的乳化性能反而較差。因此，目前關于果膠分子結構（如酯化度、分子質(zhì)量）對其乳化性能的調(diào)控機制尚未達成共識，這限制了高乳化性能果膠及其相關乳液產(chǎn)品的開發(fā)與應用。

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檢測到果膠的鏈簇和單個聚合物鏈。事實上，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）遠低于其作為乳化劑的實際應用濃度，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)果膠聚集體的結構性質(zhì)與其乳化性能密切相關。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了果膠聚集體在全面理解果膠分子結構對乳化性能調(diào)控機制中的重要性。

本實驗采用芘熒光法、動態(tài)光散射技術分析不同酯化度與分子質(zhì)量果膠的聚集行為以及相應聚集體的結構特性；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，考察不同果膠聚集體的乳化性質(zhì)與乳液穩(wěn)定性，并進一步分析果膠在界面的吸附層結構，旨在建立果膠分子結構、聚集行為、聚集結構、界面結構以及乳化性能之間的關聯(lián)，進而從聚集體的角度明晰果膠分子結構對乳化性能的潛在調(diào)控機制，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%，半乳糖醛酸摩爾分數(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、硫酸國藥集團化學試劑有限公司；乙醇天津市恒興化學試劑制造有限公司；所有有機溶劑均為分析純，整個實驗過程中均使用超純水。

1.2儀器與設備

LGJ-25C型漿干機北京四環(huán)科技開發(fā)有限公司；PB-10型pH計賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；FL970型熒光分光光度計天美（中國）科學儀器有限公司；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型高速剪切分散機德國IKA公司；APV-2000型高壓均質(zhì)機美國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，在冰浴條件下進行脫酯反應，分別處理0、10、20、30 min。反應結束后，用1 mol/L鹽酸溶液將體系pH值調(diào)至4.5以終止反應。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）計算果膠酯化度：

1.3.2不同分子質(zhì)量果膠的制備與測定

采用0.1 mol/L鹽酸溶液將果膠溶液pH值調(diào)至1，于80℃水浴中進行酸水解，水解時間分別為0、1、2、4 h。反應結束后，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。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定果膠分子質(zhì)量，稱取5 mg果膠溶解于5 mL的流動相（0.1 mol/L氯化鈉溶液）中，用0.2μm濾膜過濾后進樣。色譜柱為TSK Gel G4000PWxl凝膠滲透色譜柱，流速為0.5 mL/min，檢測溫度為25℃。

1.3.3芘熒光光譜測定

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，室溫攪拌過夜，配制成質(zhì)量濃度為10 mg/mL的果膠儲備液。將該儲備液稀釋成不同質(zhì)量濃度（0.005～4 mg/mL），用于后續(xù)實驗。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波長處的熒光強度比值（I373 nm/I383 nm）作為判斷微環(huán)境極性的指標。將I373 nm/I383 nm與果膠質(zhì)量濃度對數(shù)作圖，由稀溶液區(qū)與半稀溶液區(qū)的線性擬合線交點計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。計算373 nm和465 nm波長處的熒光強度比值（IE/IM），用于分析果膠聚集體內(nèi)疏水微區(qū)的體積變化。