《食品科学》：中国农业大学毛立科副教授等：玉米醇溶蛋白基甘油包油乳液凝胶的制备与性能表征

玉米醇溶蛋白（Zein）在玉米总蛋白中占比45%～50%，是多种蛋白质的混合物，Zein仅存在于玉米的胚乳中，它不溶于水，但溶于特定的溶液。作为一种兼具可生物降解性和生物相容性的优质材料，它凭借优良的自组装性能和成本低廉的优势，常被加工成薄膜、纳米颗粒、乳液等形式，并在生物活性物质递送和食品加工领域得到了广泛应用。

然而，Zein纳米颗粒以及乳液容易受到环境条件（如加热、冷冻或剪切）的影响而不稳定。鉴于纳米颗粒和乳液在环境适应性上的这些不足，相比之下，凝胶体系凭借其更强的环境稳定性和更广泛的应用前景，逐渐成为研究与应用的热点。

随着Zein新型溶剂的开发，乳液凝胶的连续相不再局限于传统的水相，新的凝胶制备方法也应运而生。尽管高温法可以制备稳定的Zein乳液凝胶，但高温不仅会导致植物油的氧化变质，而且制备过程的能耗较高，因此开发一种中等温度制备乳液凝胶的方法更有利于促进其在食品中的实际应用。

基于此，四川成都中农大现代农业产业研究院的李恩泽、马胤果、毛立科*等研究在中等温度条件下制备了不同蛋白含量与不同油含量的甘油包油型无水乳液凝胶，通过微观观察、质构性质、流变学性质、持油力（OHC）等表征方式，深入研究和探讨蛋白与油含量对Zein基乳液凝胶体系的影响。此研究不仅避免了高温法制备下植物油氧化和高能耗问题，又解决了温度较低难以维持凝胶持油性和稳定性的难题，有效拓宽了Zein乳液凝胶在食品中的实际应用范围，提高了Zein的综合利用度，以期为其更好应用于食品工业提供理论依据与借鉴思路。

1 乳液凝胶外观分析

由图1可知，不同蛋白与不同油含量的配方均可形成乳液凝胶，且凝胶质地均匀表面光滑细腻，成胶后倒置不流动，与固态黄油相类似。随着Zein含量的增加，凝胶颜色逐渐加深、黏稠度增加、流动性变差，用手触摸可感知到凝胶的硬度明显变大。玉米油含量的增加并没有对凝胶外观形貌造成明显差异，但是凝胶的黏稠度有所增加，用手触摸无法分辨出3 种凝胶硬度上的明显差别。

2 乳液凝胶微观结构分析

激光共聚焦显微镜常用来表征凝胶和乳液微观结构，多用于判定乳液类型与分析凝胶网络结构差异。利用激光共聚焦显微镜观察Zein乳液凝胶的微观结构确定其在微观角度的结构特征。图2中红色荧光信号为Zein网络，绿色则为油滴。结果表明绿色油滴属于内相，被连续相中形成的红色蛋白网络包裹，证明在中等温度下成功制备了基于Zein的甘油包油型（O/G）乳液凝胶。随着蛋白含量的增加，凝胶中油滴的粒径逐渐减小，分布更加均匀，蛋白网络对油滴的束缚更加紧密，限制其自由流动。这是由于可吸附于油滴表面的蛋白数量增加，能够覆盖更多的油滴表面积，从而减小了油滴平均尺寸。进一步放大观察，在低蛋白质量分数（4%）时，凝胶中的蛋白结构网络相对疏松，红色信号聚集现象较少。随着蛋白含量的增加，凝胶结构中形成更加致密复杂的蛋白网络，聚集性的红色信号增强。蛋白质量分数为8%时凝胶中的三维网络结构更加致密，甚至可以掩盖部分小体积油滴的荧光信号，导致观察面中的油滴数量相对较少。由此分析，当Zein含量较低时，蛋白大多吸附于油滴界面以维持凝胶结构稳定，连续相中蛋白网络与油滴之间的交联网络相对较弱。随着蛋白含量的增加，在充分维持油滴-蛋白界面稳定后，不仅连续相的蛋白间相互作用增强形成更加紧密复杂的网络结构，而且界面蛋白交联增加促进三维连续渗透网络的形成。当蛋白含量较高时，除了网络交联增强，连续相中蛋白的自聚集现象也增多，掩盖了部分油滴的绿色荧光信号。当一些油滴被多重蛋白网络包裹，会造成油滴在三维空间叠加进而呈现“假性聚集”现象，在荧光图像中呈现出大片的绿色信号，这与Ma Yingguo等的研究结果一致。

由图3可以看出，随着玉米油含量的增加，油滴数量明显增加，油滴粒径逐渐变小，分布更加均匀密集。油滴数量越多，油滴间距离越小，尽管Zein形成的界面层提供了空间位阻作用，但在放大倍数较小时，玉米油质量分数70%的凝胶图像中依旧呈现出密集的油滴堆积。进一步放大观察，可以发现油含量越高的凝胶在相同视野下观察到的油滴的数量越多，粒径明显减小；连续相中蛋白的聚集现象减少，红色蛋白信号更加均匀地分散于油滴界面。同时，玉米油含量的增加导致油滴数目增多，油滴与蛋白接触的表面积增大。Zou Yuan等指出，在这种情况下为了稳定油滴界面，需要更多的蛋白从连续相中移动至界面，这与本研究中玉米油含量增加时的现象一致。Chen Xiaowei等也提出油滴的密集分布促进了界面蛋白彼此交联，弥补了因连续相蛋白聚集减少而削弱的网络结构，为本研究的观察提供了理论支持。在油含量较高的样品中观察到的凝胶网络行为主要归因于油滴与油滴之间的相互作用，而较少归因于连续相中的蛋白质网络。

3 乳液凝胶力学性能分析

由图4A可以观察到，凝胶的硬度随着蛋白含量的增加产生了显著变化。在4 ℃稳定24 h后，蛋白质量分数4%、6%、8%的凝胶硬度分别为（3.43±0.14）、（5.85±0.08）、（8.15±0.13）N，该结果表明增加蛋白含量能够增强凝胶硬度，这可能是因为随着蛋白含量的增加，热处理过程导致蛋白巯基和羟基位点不断暴露，促进了二硫键与氢键的形成。已有研究表明，二硫键有助于蛋白间交联，而氢键能够加强蛋白与甘油间的相互作用，使Zein所形成的凝胶网络结构更加稳定，从而产生硬度更高的乳液凝胶，这有利于改善食品质构与口感（如火腿、香肠等）并提高产品稳定性（如沙拉酱、蛋黄酱等）。图2微观结构测试结果表明蛋白含量的增加会使Zein形成的网络结构更加复杂致密，这与宏观上凝胶硬度的显著增加对应。从图4B可以看出，玉米油含量的增加并未引起凝胶硬度的显著改变（P＜0.05）。根据凝胶的质构测定结果结合其微观图像分析，乳液凝胶的硬度之所以没有发生显著变化，可能是因为在油含量较低时，凝胶已经形成了较强的蛋白网络结构，因而在油含量增加时，尽管有部分蛋白从连续相迁移至界面，但界面交联形成的蛋白网络弥补了连续相中蛋白网络的损失，与剩余连续相网络共同支撑凝胶结构，使得凝胶的宏观硬度未出现明显变化。

4 乳液凝胶流变学性质分析

为了更好地探索蛋白和油含量对凝胶性能的影响，通过流变行为的测试对凝胶的结构相互作用进行分析。对乳液凝胶分别进行应变扫描、频率扫描、剪切黏度、3-ITT和温度循环扫描表征凝胶样品的黏弹特性。G’是储能模量，象征材料的固态特性，也称为弹性模量；G”是损耗模量，与材料的类液态特性有关，也称为黏性模量。线性黏弹区是流变学测试中样品结构未被破坏的应变范围，在此范围内施加的应力会产生呈比例的应变。图5A展示了不同蛋白含量乳液凝胶样品的应变扫描曲线，可以看出所有样品的G’远大于G”，表明所有样品均具备凝胶的黏弹性行为。随应变增加，凝胶的G’和G”在线性黏弹区内变化相对趋势平缓，超出线性黏弹区后，模量的下降速率加快，表明乳液凝胶的结构遭到破坏。蛋白含量增加凝胶的模量明显增大，进一步证明提高蛋白含量可以显著增大凝胶强度。

在对应变扫描结果进行分析的基础上，进一步通过频率扫描揭示凝胶的动态力学特性。频率扫描能够提供关于凝胶网络结构和交联类型的关键信息，是对应变扫描结果的有益补充。通过频率扫描结果可以把蛋白凝胶分成3 种类型：聚合型凝胶（缠绕型网络）、化学型凝胶（共价交联网络）、物理型凝胶（非共价交联网络）。聚合型凝胶也被称为软凝胶，化学型凝胶为硬凝胶，这两种类型的凝胶在测试过程中具有较弱的频率依赖性，而物理型凝胶则具有较强的频率依赖性。图5B展示了乳液凝胶模量随频率的变化趋势，G’始终大于G”，说明凝胶依旧由弹性性质主导。所有样品的G’和G”都随频率增加而增加，均具有频率依赖性，这是因为凝胶中已经形成的三维网络结构不能解开，随频率增加蛋白链在原先交联的基础上继续彼此缠绕，导致网络结构临时增强，表现为模量的上升。同时具有频率依赖性也说明乳液凝胶为物理型凝胶，凝胶中的蛋白交联网络多以非共价键相互作用。与应变扫描结果一致，凝胶随蛋白含量增加模量增大，由此说明Zein含量增加强化了凝胶网络结构。但是由于3 组凝胶均形成了强度较好的网络，其在频率扫描中表现出的依赖程度并没有显著差别。

图5C是凝胶表观黏度随剪切速率的变化曲线，所有凝胶都表现出典型的剪切稀化行为，这可能是由于网络中柔性蛋白链重新缠结的速率低于剪切引起的现有网络的破坏速率，使得油滴聚集群在快速剪切下遭到破坏降低了自身黏度。从黏度曲线还可以看出，蛋白含量的增加促使凝胶黏度上升，这是因为高蛋白含量凝胶形成的网络更致密牢固，可承受更大剪切速率的破坏。同时致密的蛋白网络限制了油滴的流动，油滴在相同的剪切速率下聚集更加缓慢，最终导致黏度值的上升。当剪切速率大于10 s-1后，3 条曲线相交，蛋白含量越高的凝胶展示出越低的黏度值，这是由蛋白含量高导致凝胶刚性过大，在高剪切速率下样品结构破坏后被挤出平板夹具边缘导致的。

对凝胶进行触变回复扫描，测量了凝胶在低剪切和高剪切速率（0.1、10、0.1 s-1）交替循环下黏度随时间的变化，从而评价凝胶的结构回复性能。图5D展示了不同蛋白含量的凝胶在3-ITT实验中所对应的触变回复曲线。在第1阶段的低剪切速率作用下，所有的凝胶的黏度均呈递减趋势，表现为剪切稀化行为。凝胶的剪切变稀可能由于油滴在剪切下发生了重新排列或变形，减少了流动阻力并导致黏度降低。在第2阶段剪切速率升高，凝胶黏度持续性降低，这与剪切作用下网络结构的断裂有关。在第3阶段的低剪切速率回复过程中，凝胶部分网络结构发生回复。在第1阶段，随蛋白含量的增加凝胶的初始黏度值增加，与图5C结果一致；在第2阶段，相同时间内8%蛋白的凝胶展示出更大的黏度变化；第3阶段恢复低剪切速率后，凝胶的黏度值均有回复，但蛋白含量越高回复程度越低。剪切过程中抗结构破坏性主要与连续相中的蛋白网络有关，蛋白彼此交联形成的网络结构容易受到高剪切速率破坏且不易回复。蛋白含量越高的凝胶由于内部的蛋白交联更密集复杂，物理剪切作用导致结构破坏程度高且破坏后难以重新缠绕交联，表现出较差的触变回复性能。

在线性黏弹区内进行温度循环扫描（图5E），从25 ℃升温至85 ℃，凝胶的G’和G”均下降，这是由于温度升高造成蛋白间的二硫键断裂，增强了蛋白与甘油的相互作用，从而弱化了蛋白形成的三维网络，使得凝胶结构变弱、强度降低、模量减小。已有研究也表明升高温度可以通过增加溶剂质量而增强蛋白质与溶剂的相互作用，减少蛋白质-蛋白质相互作用。因此连续相中蛋白质的聚集能力下降，蛋白质网络的形成受到限制，凝胶能力降低，这与本研究得出的结论一致。在冷却过程中，凝胶模量逐渐升高但始终低于初始值，这是因为在冷却过程中，凝胶体系内的相互作用（主要是蛋白与蛋白）重新形成，凝胶强度得以回复。但是加热所导致的小油滴合并和蛋白网络崩解并不能完全回复，所以模量难以回复至初始状态。在整个温度循环过程中G’始终高于G”，说明凝胶即使在升温过程中也没有完全变成流体，未出现可逆的凝胶-溶胶转化。蛋白含量增加仅影响凝胶的模量值，并未改变其温度响应性，所有凝胶均表现出良好的热可逆行为。这是由于当蛋白质量分数达到4%时足以在凝胶中形成稳定的网络结构，使得凝胶在升温过程中未发生不可逆的结构破坏。

不同油含量凝胶应变扫描结果如图6A所示，随着油含量的增加，G’和G”无显著变化。Zou Yuan等的研究发现油含量增加时（质量分数最高45%），乳液凝胶的硬度与模量值均显著上升，由此判定油滴在凝胶中充当活性填料，随油含量上升凝胶结构得到强化。传统水相乳液凝胶也有类似的结论，但是这些结论均建立在体系中蛋白总量过剩的情况下。即随着油含量的增加，体系中的蛋白在维持连续相网络结构的基础上仍有多余的蛋白可以吸附于油滴界面形成界面层。此时，随着活性填料的增加，凝胶网络结构进一步加强造成凝胶强度的提高。但是在本节实验中，蛋白质量分数（4%）相对较低且选用的油质量分数较高（50%～70%），导致油含量增加时需要牺牲连续相蛋白网络以稳定油滴界面。损失的连续相网络与液滴间界面蛋白交联形成的网络基本相抵消，在宏观上则表现为硬度与模量的无显著变化。Nephomnyshy等的研究表明随着油含量的增加，乳液凝胶的硬度和模量并未显著上升，这与本研究结果一致，但这并不能否认油滴在凝胶中的活性填充作用。由图6B可知，所有乳液凝胶的G’和G”在0.1～10 Hz范围内随频率增大而增大，并在以频率为对数的坐标系中与频率基本呈线性关系，证明不同玉米油含量的乳液凝胶具有频率依赖性，并且是典型的黏弹性材料。与应变扫描一致，玉米油含量的增加对凝胶的模量值影响较小，乳液凝胶的频率依赖性也未出现改变。

图6C展示了不同玉米油含量的黏度曲线。随油含量增加凝胶的黏度也增加，这是因为凝胶在剪切方向上油滴数量增加，油滴的界面蛋白膜的空间位阻作用限制了油滴的流动性，延缓了油滴的聚集，所以在相同剪切速率下能够表现出更高的黏度值。在图6D中，在初始低剪切速率时所有样品的黏度均减小；第2阶段在高的剪切速率下凝胶结构破裂黏度降低，且油含量越高结构破坏的程度越大；在剪切速率降低的第3阶段，凝胶部分结构发生回复性变化。随着玉米油含量的增加，凝胶的触变恢复程度也增强。油含量较高的凝胶在经历高剪切破坏后依旧能回复至黏性较高状态，说明在相同剪切条件下，油滴界面蛋白越多，油滴与连续相之间的界面张力越低，界面蛋白之间相互交联形成的网络结构越紧密，凝胶结构越容易回复。与不同蛋白含量凝胶的触变回复结果相比较，也进一步证明了蛋白彼此交联形成的网络结构在高剪切速率下更容易被破坏且不易回复，油滴之间的交联结构不易破坏且容易回复。

图6E显示不同油含量凝胶的温度循环曲线，升温会导致凝胶结构的破坏，3 组样品的G’与G”均随着温度升高均呈现下降趋势，但在整个温度范围内G’＞G”保持不变。所有凝胶在低温下表现出较高的模量值，表明凝胶本身是硬凝胶，随着升温过程模量降低，在高温下表现出较低的模量值，表明形成了软凝胶。在特定的温度范围内，乳液凝胶在软凝胶和硬凝胶之间发生了相互转换。这在实际应用中可能有利于改善产品在不同温度下的质构与口感，满足消费者的偏好。油含量越高凝胶在升温时模量下降得越多，推测是油含量高的凝胶中蛋白网络相对较弱，在高温加热时连续相的蛋白间相互作用更容易被破坏，导致凝胶模量的快速下降。而降温之后蛋白重排恢复了部分凝胶网络，凝胶模量又快速回升。

5 乳液凝胶稳定性分析

根据凝胶硬度以及流变性质的结果，明确了蛋白和油含量会对凝胶的宏观性能产生影响，进一步探索蛋白和油含量对凝胶的稳定性的影响。乳液凝胶的OHC是指乳液凝胶固定乳化油滴的能力；SBC用于衡量凝胶体系在外力作用下对溶剂的结合能力。如图7A所示，蛋白质量分数为4%、6%、8%的凝胶OHC分别为（97.64±0.21）%、（99.74±0.15）%、100%。蛋白含量的增加显著提高了凝胶的持油能力。随蛋白含量增加，凝胶的SBC显著上升，分别为（84.15±0.38）%、（89.71±1.44）%、（96.34±1.20）%。凝胶中蛋白总量的增加不仅增强了连续相蛋白网络导致油滴流动性变差，还增强了油滴界面蛋白膜间的空间位阻作用进一步阻碍油滴聚集。油滴在蛋白网络与蛋白界面膜的双重限制下具有更强的稳定性，导致其不易受到离心力的影响而从体系中分离，宏观上即表现为乳液凝胶OHC的提高。同时，提高连续相中蛋白含量还有助于增加蛋白与甘油的相互作用位点，使得蛋白对甘油的束缚力增强，从而减少甘油在离心时从凝胶中分离析出。

从图7B可以看出，随着玉米油含量的增加，凝胶的OHC得到显著提高，从（95.51±0.56）%上升至（99.17±0.85）%。离心后凝胶析出的甘油也逐渐减少，SBC分别为（83.29±2.23）%、（92.19±1.60）%、（93.39±1.01）%。根据激光共聚焦图像显示（图2），随着玉米油含量增大，油滴分布更加均匀，油滴间距虽然减小但空间位阻增强，减少了油滴的聚集。界面蛋白交联也进一步限制油滴流动，减少了体积较大或分布不均匀的油滴在离心力作用下从体系中分离的比例，从而使凝胶OHC得到相应提高。油含量的增加虽然削弱了蛋白网络，但是紧密均匀的油滴排列使得甘油通过毛细作用力被束缚在界面蛋白交联的网络中，导致了凝胶SBC较小程度的提高。

结 论

本实验研究了Zein含量与玉米油含量对凝胶结构形成与宏观性能的影响，发现随着Zein含量的增加，凝胶中蛋白形成的网络结构更加致密复杂，使得凝胶的硬度显著增大，OHC与SBC提高。在流变性质分析中，凝胶表现出典型的黏弹特性，并具有一定的频率依赖性，随蛋白含量增加凝胶黏度增加但触变回复性减弱。温度循环扫描中，凝胶网络结构因升温而破坏，但在温度降低后结构重排可以回复凝胶形态，拥有良好的热稳定性。随着玉米油含量的增加，凝胶的外观与硬度并无显著变化，但微观结构有显著改变，油滴数量增多、间隙变小使得界面蛋白的交联增加，凝胶OHC与SBC显著提升。在应变扫描、频率扫描与温度循环中，凝胶有频率依赖性且拥有较好的热可逆性，凝胶的黏度与触变回复性均随着油含量的增加而逐渐增大。实验结果证明在一定范围内改变蛋白含量与油含量均能成功制备出基于Zein的乳液凝胶，可以通过调整凝胶配方得到性能多样的凝胶。在未来的研究中，可以继续探索其他因素（如温度、pH值和添加物等）对Zein基乳液凝胶性能的影响，并研究该乳液凝胶在不同食品体系（如肉制品、乳制品等）中的实际应用效果。通过这些研究，可以进一步提升Zein基乳液凝胶的性能和应用价值，为相关领域的研究和发展提供新的思路和方向。

作者简介

通信作者：

毛立科，博士，中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授，博士生导师。

从事食品功能配料开发与应用方面的研究，在食品胶体、食品口腔加工、营养素递送体系、饮料加工等方面具有良好的研究基础与产业化经验。发表 SCI 论文 100 余篇（其中第一作者 / 通信作者论文 50 篇，个人

H

Food Hydrocolloids, Food Structure, Journal of Future Foods

第一作者：

李恩泽，中国农业大学食品科学与营养工程学院24级硕士研究生。进行食品胶体结构与功能方面的研究。曾获第八届全国大学生生命科学竞赛三等奖，“青创北京挑战杯”课外学术科技作品竞赛二等奖以及10余项校级、院级竞赛奖项。并曾获得国家奖学金、学业一等奖学金、食品人奖学金等并连续三年获得校“三好学生”称号。

本文《 玉米醇溶蛋白基甘油包油乳液凝胶的制备与性能表征 》来源于《食品科学》2025年46卷第19期47 -56 页，作者： 李恩泽，马胤果，李 佳，鹿 瑶，毛立科*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250319-144.http://www.spkx.net.cn点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：申婧婧；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网