2.4分子結(jié)構(gòu)對果膠聚集體界面性質(zhì)的影響

界面張力是表征乳化劑在油-水界面的吸附行為與界面性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。圖4展示了不同分子結(jié)構(gòu)果膠在10 mg/mL條件下（高于臨界聚集質(zhì)量濃度）向油-水界面吸附過程中的界面張力變化。結(jié)果表明，所有果膠樣品在油-水界面吸附過程中，界面張力均在短時(shí)間內(nèi)迅速降低，并最終趨于平衡，表明果膠具有界面活性，能夠有效吸附在油-水界面并降低界面張力。此外，不同分子結(jié)構(gòu)的果膠樣品在油-水界面吸附過程中達(dá)到平衡界面張力所需的時(shí)間和最終界面張力不同，反映出不同分子結(jié)構(gòu)的果膠在界面性質(zhì)方面存在差異。

圖4不同酯化度（A）與分子質(zhì)量（B）的果膠在油-水界面吸附過程中的界面張力

對于不同酯化度的果膠，隨著酯化度升高，果膠在界面吸附達(dá)到平衡界面張力所需的時(shí)間縮短，且最終的界面張力也更低（圖4A）。具體而言，酯化度為35%的果膠，達(dá)到平衡態(tài)界面張力的時(shí)間約為25.4 min，最終界面張力為24 mN/m；酯化度為73%的果膠，達(dá)到平衡態(tài)界面張力的時(shí)間約為16.7 min，最終界面張力為18 mN/m。這可能是由于酯化度更高的果膠形成的聚集體尺寸更小、內(nèi)部疏水性更強(qiáng)，因而向油-水界面擴(kuò)散更快；此外，聚集體在油-水界面吸附之后，彼此間的空間位阻更小，界面上可分布更多聚集體，從而使界面張力降低更多。這些結(jié)果表明，提高果膠的酯化度可以增強(qiáng)其界面活性。

對于不同分子質(zhì)量的果膠，分子質(zhì)量為0.55×105 Da的果膠達(dá)到平衡界面張力所需的時(shí)間最短（約為9.7 min），且最終界面張力最低（約為15.50 mN/m）（圖4B）。隨著分子質(zhì)量的增加，果膠在油-水界面吸附達(dá)到平衡界面張力所需的時(shí)間逐漸延長，且最終達(dá)到的界面張力升高；當(dāng)分子質(zhì)量增加至1.30×105 Da時(shí)，達(dá)到平衡界面張力所需的時(shí)間延長至16.7 min，最終界面張力上升至18 mN/m。盡管低分子質(zhì)量果膠形成的聚集體內(nèi)部疏水微區(qū)體積較小且極性較高，可能對其界面性質(zhì)產(chǎn)生不利影響，但由于聚集體整體尺寸較小，使其能夠更快地?cái)U(kuò)散并吸附至油-水界面，形成緊密的排布，從而在界面上提供較高的疏水微區(qū)密度，進(jìn)而更有效地降低了界面張力。

2.5分子結(jié)構(gòu)對果膠聚集體乳化性能及乳液穩(wěn)定性的影響

為考察不同分子結(jié)構(gòu)果膠的乳化性能，以不同分子結(jié)構(gòu)的果膠作為乳化劑，在10 mg/mL條件下（高于臨界聚集質(zhì)量濃度）構(gòu)建乳液，并考察了新鮮制備乳液和貯藏7 d乳液的粒徑。由圖5A可知，當(dāng)果膠酯化度由35%提升至73%時(shí)，新鮮乳液的粒徑由1 283 nm逐漸減小至937 nm。此外，果膠酯化度增加還可顯著改善乳液的穩(wěn)定性。例如，酯化度為35%果膠穩(wěn)定的乳液貯藏7 d后，其粒徑顯著增長至1 970 nm；而酯化度為73%果膠穩(wěn)定的乳液貯藏7 d后，粒徑保持相對穩(wěn)定，僅為1 056 nm。提高酯化度對果膠乳化性能的改善作用，主要?dú)w因于以下原因：隨著果膠酯化度的增加，其形成的聚集體尺寸減小，內(nèi)部疏水性增強(qiáng)，這有利于其在油-水界面快速吸附，并且能夠更有效地降低界面張力，進(jìn)而表現(xiàn)出更優(yōu)異的乳化性能和更高的乳液穩(wěn)定性。

圖5不同酯化度（A）與分子質(zhì)量（B）果膠穩(wěn)定的乳液在第0天和第7天的粒徑

對于不同分子質(zhì)量果膠穩(wěn)定的乳液，較低分子質(zhì)量果膠所穩(wěn)定的乳液具有更小的粒徑。當(dāng)果膠分子質(zhì)量從0.55×105 Da增加至1.30×105 Da時(shí)，所穩(wěn)定的乳液粒徑從655 nm增加至937 nm（圖5B）。這一現(xiàn)象可能與低分子質(zhì)量果膠所形成的聚集體具有更優(yōu)異的界面性質(zhì)有關(guān)。然而，值得注意的是，盡管低分子質(zhì)量果膠乳液具有較小的初始粒徑，但其穩(wěn)定性較差，在貯藏7 d后粒徑明顯增加。分子質(zhì)量為0.55×105 Da果膠所穩(wěn)定的乳液貯藏7 d后，其粒徑從655 nm增長至1 120 nm；相比之下，分子質(zhì)量為1.30×105 Da果膠所穩(wěn)定的乳液，盡管初始粒徑較大，但貯藏7 d后粒徑僅略微增加。這可能與不同果膠在油-水界面所形成的界面膜結(jié)構(gòu)存在差異有關(guān)。

2.6不同結(jié)構(gòu)果膠的界面吸附量和吸附層厚度分析

為了深入研究造成不同乳液穩(wěn)定性差異的原因與機(jī)制，進(jìn)一步考察了不同結(jié)構(gòu)果膠在界面的吸附量與界面層厚度。如圖6A所示，隨著果膠酯化度的增加，果膠界面吸附量逐漸增加，而吸附層厚度則不斷減小。當(dāng)酯化度從35%增加至73%時(shí)，界面吸附量從54.4 ng/cm2增長至95.9 ng/cm2，增加了50%以上，吸附層厚度由76.9 nm降低至43.6 nm。這主要?dú)w因于酯化度升高導(dǎo)致果膠聚集體尺寸減小、結(jié)構(gòu)致密化以及內(nèi)部疏水性增強(qiáng)，從而在界面形成結(jié)構(gòu)緊湊、吸附力強(qiáng)的界面層。因此，低酯化度果膠乳液在貯藏過程中粒徑增長顯著，而高酯化度果膠乳液在貯藏過程中粒徑僅有少量增長。

圖6不同酯化度（A）、分子質(zhì)量（B）果膠在界面的吸附量與吸附層厚度

如圖6B所示，分子質(zhì)量為0.55×105 Da的果膠在界面的吸附量最高（127.3 ng/cm2）、吸附層最?。?6.8 nm）；隨著分子質(zhì)量增加，吸附量逐漸降低、吸附層厚度逐漸增加，分子質(zhì)量增加至1.30×105 Da時(shí)，界面吸附量降低至95.9 ng/cm2，吸附層厚度增加至43.6 nm。盡管分子質(zhì)量較高果膠形成的界面吸附層較為疏松，但其乳液的穩(wěn)定性反而較好。這表明果膠乳液的穩(wěn)定性并非僅取決于界面吸附層的致密程度，還可能與吸附層的疏水性密切相關(guān)。由于低分子質(zhì)量果膠形成的聚集體內(nèi)部疏水性較弱，對界面的吸附作用較弱，貯藏過程中易于從界面脫附，導(dǎo)致乳液合并、粒徑顯著增長；而分子質(zhì)量較高果膠形成的聚集體內(nèi)部疏水性較強(qiáng)，可與界面發(fā)生較強(qiáng)的結(jié)合，穩(wěn)定地吸附在界面，使乳液在貯藏過程中較為穩(wěn)定。因此，高分子質(zhì)量果膠雖然界面吸附量較低，但由于其疏水性更強(qiáng)，能夠形成更穩(wěn)定的界面層，從而提高乳液的穩(wěn)定性。

3結(jié)論

本研究采用化學(xué)脫脂、酸水解制備了不同酯化度與分子質(zhì)量的果膠，研究了分子結(jié)構(gòu)對果膠的聚集行為、聚集體結(jié)構(gòu)、界面性質(zhì)及乳化性能的影響規(guī)律，從聚集體的角度揭示了酯化度與分子質(zhì)量對果膠乳化性能的潛在調(diào)控機(jī)制。結(jié)果表明，隨著酯化度增加，果膠形成的聚集體尺寸更小、內(nèi)部疏水性更高，向油-水界面擴(kuò)散、吸附得更快，在界面的吸附量增加，并形成緊湊的吸附層，使界面張力降低更多，最終展現(xiàn)出更強(qiáng)的乳化性能。當(dāng)分子質(zhì)量增加，果膠聚集體尺寸增大，向界面擴(kuò)散、吸附得更慢，吸附量降低，最終界面性質(zhì)與乳化性能均變差；但由于聚集體內(nèi)部疏水性增強(qiáng)，與界面結(jié)合得更緊密，乳液在貯藏過程中反而更穩(wěn)定。果膠聚集體結(jié)構(gòu)特性與其界面行為的關(guān)聯(lián)仍需深入研究。本研究從介觀結(jié)構(gòu)的角度為果膠乳化性能調(diào)控提供了新的認(rèn)識(shí)，并為其他生物大分子乳化劑的乳化性能研究提供思路與方法。

原文出處：趙少杰,繆立平,康源,等.酯化度、分子質(zhì)量對果膠乳化性能的調(diào)控機(jī)制[J].食品科學(xué),2025,46(18):36-43.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250317-131.