2.4分子結構對果膠聚集體界面性質的影響

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的關鍵指標。圖4展示了不同分子結構果膠在10 mg/mL條件下（高于臨界聚集質量濃度）向油-水界面吸附過程中的界面張力變化。結果表明，所有果膠樣品在油-水界面吸附過程中，界面張力均在短時間內迅速降低，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，不同分子結構的果膠樣品在油-水界面吸附過程中達到平衡界面張力所需的時間和最終界面張力不同，反映出不同分子結構的果膠在界面性質方面存在差異。

圖4不同酯化度（A）與分子質量（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，果膠在界面吸附達到平衡界面張力所需的時間縮短，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，達到平衡態界面張力的時間約為25.4 min，最終界面張力為24 mN/m；酯化度為73%的果膠，達到平衡態界面張力的時間約為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、內部疏水性更強，因而向油-水界面擴散更快；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。這些結果表明，提高果膠的酯化度可以增強其界面活性。

對于不同分子質量的果膠，分子質量為0.55×105 Da的果膠達到平衡界面張力所需的時間最短（約為9.7 min），且最終界面張力最低（約為15.50 mN/m）（圖4B）。隨著分子質量的增加，果膠在油-水界面吸附達到平衡界面張力所需的時間逐漸延長，且最終達到的界面張力升高；當分子質量增加至1.30×105 Da時，達到平衡界面張力所需的時間延長至16.7 min，最終界面張力上升至18 mN/m。盡管低分子質量果膠形成的聚集體內部疏水微區體積較小且極性較高，可能對其界面性質產生不利影響，但由于聚集體整體尺寸較小，使其能夠更快地擴散并吸附至油-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密度，進而更有效地降低了界面張力。

2.5分子結構對果膠聚集體乳化性能及乳液穩定性的影響

為考察不同分子結構果膠的乳化性能，以不同分子結構的果膠作為乳化劑，在10 mg/mL條件下（高于臨界聚集質量濃度）構建乳液，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，當果膠酯化度由35%提升至73%時，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定性。例如，酯化度為35%果膠穩定的乳液貯藏7 d后，其粒徑顯著增長至1 970 nm；而酯化度為73%果膠穩定的乳液貯藏7 d后，粒徑保持相對穩定，僅為1 056 nm。提高酯化度對果膠乳化性能的改善作用，主要歸因于以下原因：隨著果膠酯化度的增加，其形成的聚集體尺寸減小，內部疏水性增強，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，進而表現出更優異的乳化性能和更高的乳液穩定性。

圖5不同酯化度（A）與分子質量（B）果膠穩定的乳液在第0天和第7天的粒徑

對于不同分子質量果膠穩定的乳液，較低分子質量果膠所穩定的乳液具有更小的粒徑。當果膠分子質量從0.55×105 Da增加至1.30×105 Da時，所穩定的乳液粒徑從655 nm增加至937 nm（圖5B）。這一現象可能與低分子質量果膠所形成的聚集體具有更優異的界面性質有關。然而，值得注意的是，盡管低分子質量果膠乳液具有較小的初始粒徑，但其穩定性較差，在貯藏7 d后粒徑明顯增加。分子質量為0.55×105 Da果膠所穩定的乳液貯藏7 d后，其粒徑從655 nm增長至1 120 nm；相比之下，分子質量為1.30×105 Da果膠所穩定的乳液，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構存在差異有關。

2.6不同結構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定性差異的原因與機制，進一步考察了不同結構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。當酯化度從35%增加至73%時，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。這主要歸因于酯化度升高導致果膠聚集體尺寸減小、結構致密化以及內部疏水性增強，從而在界面形成結構緊湊、吸附力強的界面層。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）、吸附層最薄（16.8 nm）；隨著分子質量增加，吸附量逐漸降低、吸附層厚度逐漸增加，分子質量增加至1.30×105 Da時，界面吸附量降低至95.9 ng/cm2，吸附層厚度增加至43.6 nm。盡管分子質量較高果膠形成的界面吸附層較為疏松，但其乳液的穩定性反而較好。這表明果膠乳液的穩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。由于低分子質量果膠形成的聚集體內部疏水性較弱，對界面的吸附作用較弱，貯藏過程中易于從界面脫附，導致乳液合并、粒徑顯著增長；而分子質量較高果膠形成的聚集體內部疏水性較強，可與界面發生較強的結合，穩定地吸附在界面，使乳液在貯藏過程中較為穩定。因此，高分子質量果膠雖然界面吸附量較低，但由于其疏水性更強，能夠形成更穩定的界面層，從而提高乳液的穩定性。

3結論

本研究采用化學脫脂、酸水解制備了不同酯化度與分子質量的果膠，研究了分子結構對果膠的聚集行為、聚集體結構、界面性質及乳化性能的影響規律，從聚集體的角度揭示了酯化度與分子質量對果膠乳化性能的潛在調控機制。結果表明，隨著酯化度增加，果膠形成的聚集體尺寸更小、內部疏水性更高，向油-水界面擴散、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，最終展現出更強的乳化性能。當分子質量增加，果膠聚集體尺寸增大，向界面擴散、吸附得更慢，吸附量降低，最終界面性質與乳化性能均變差；但由于聚集體內部疏水性增強，與界面結合得更緊密，乳液在貯藏過程中反而更穩定。果膠聚集體結構特性與其界面行為的關聯仍需深入研究。本研究從介觀結構的角度為果膠乳化性能調控提供了新的認識，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、分子質量對果膠乳化性能的調控機制[J].食品科學,2025,46(18):36-43.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250317-131.