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Nutritional Yeast (Saccharomyces cerevisiae) Spent Powder as a Clean-Label Emulsion Stabilizer: Linking pH-Dependent Interfacial Behavior, Bulk Rheology, and Emulsion Stability

本研究表明，营养酵母废液粉（NYSP）是一种有效的清洁标签乳液稳定剂，其性能具有 pH 依赖性，即在酸性条件下（pH 3.0–6.0）通过形成抑制并合的跨空间体凝胶网络，尽管界面张力较高，仍能产生优异的长期稳定性，而在碱性条件下，由于连续相结构减弱，会导致相分离。

原作者： Mahmut DOĞAN, Ahmet Evren YETİMAN, Mehmet HORZUM, Adem ZENGİN

发布于 2026-08-03

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CC BY 4.0

原作者： Mahmut DOĞAN, Ahmet Evren YETİMAN, Mehmet HORZUM, Adem ZENGİN

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，食品科学的世界就像一个繁忙的大厨房，厨师们不断尝试将那些天生不合的物质混合在一起，比如油和水。通常情况下，当你摇晃一瓶沙拉酱时，油和水几乎会立即分离，因为它们就像油和水一样——字面意义上的互不相容。为了让它们保持在一起，科学家使用“乳化剂”，它们就像微小的保镖，站在油滴和水之间，手拉手防止它们漂离。长期以来，这些保镖通常是实验室制造的合成化学品。但最近，大家都想要“洁净标签”（clean labels），这意味着使用自然、可识别的成分，而不是那些你叫不出名字的化学名称。这正是“升级再利用”（upcycling）科学发挥作用的地方：将一个过程中的废弃物（比如制作面包或啤酒后的残留物）转化为有价值的新成分。科学家们正在提出的重大问题是：我们能否将食品废弃物变成一种超稳定的食品“保镖”？

这项研究深入探讨了一种特定类型的废弃物：营养酵母（那种撒在爆米花上增加芝士风味的营养酵母）的剩余粉末。研究人员希望看看这种“废弃”酵母粉是否可以作为一种天然乳化剂，将油和水混合在一起。他们不仅仅是把粉末扔进罐子里，还测试了在不同条件下（特别是改变“pH值”，即混合物的酸碱度）粉末的表现。你可以把 pH 值想象成混合物的“情绪环”：有时是酸性的，有时是中性的，有时是碱性的（带肥皂感的）。科学家们很好奇，当混合物是酸性、中性或碱性时，这种酵母粉能否更好地将油和水结合在一起，以及它究竟是如何做到的。

主角：酵母残留物

这个故事的主角是营养酵母废弃粉末（NYSP）。这是在处理用于制作食品添加剂的酵母后留下的干燥、粉末状残留物。它富含蛋白质和特殊的糖类，如 $\beta$ -葡聚糖和甘露聚糖。研究人员发现，这种粉末是一个营养宝库，蛋白质含量约为 42.61%，并且具有独特的吸水（每克粉末吸收 3.03 克水）和吸油（每克粉末吸收 2.21 克油）的能力。它就像一块既喜欢水又喜欢油的“双面海绵”。

团队将这种粉末与玉米油和水混合，制成乳液（一种在水中漂浮的油滴混合物）。他们制作了四个不同的批次，通过调整 pH 值分别为 3.0（极酸）、5.7（自然）、7.0（中性）和 9.0（碱性/肥皂感）。然后，他们戴上侦探帽，观察哪一批次能保持混合最久，以及原因何在。

pH 值的巨大谜团：酸性胜出，碱性失败

这里有一个让科学家感到惊讶的转折：最稳定的乳液是酸性的（pH 3.0 和 5.7），而不是碱性的。

通常在混合的世界里，你可能会认为，如果你给油滴一个强大的电荷（比如在碱性混合物中让它们都带有负电荷），它们就会像磁铁的同极相斥一样互相排斥并保持距离。事实上，在 pH 9.0 时，油滴确实带有很强的负电荷（Zeta 电位为 -26.23 mV）。然而，尽管有这种强烈的排斥力，乳液还是很快崩溃了。油和水分离了，混合物看起来既难看又不诱人。

为什么呢？因为在酸性混合物（pH 3.0 和 5.7）中，酵母粉做了一些不同的事情。它并没有仅仅停留在油滴的表面，而是开始在水中相互粘附，形成了一个巨大的、微弱的、三维的网状结构或“凝胶”，填满了整个容器。想象一下，在一个充满人（水）的房间里，人们手拉手形成了一张巨大的、粘性的网。油滴被困在这个网里，无法四处移动。即使这些液滴没有强大的电荷来产生排斥，它们也无法碰撞，因为它们被困在了这个网里。这种“跨空间网络”就像一个物理笼子，阻止了油漂浮到顶部并发生分离。

“保镖” vs. “笼子”

研究人员使用了一些高级工具通过显微镜观察发生了什么。他们发现：

在酸性混合物中（pH 3.0 和 5.7）： 酵母粉形成了一个厚实的、粘性的网。油滴很小，被困在这个网中。混合物很粘稠（高黏度），从而将一切固定在原位。虽然“保镖”（蛋白质）在起作用，但真正的英雄是它们共同构建的“笼子”（凝胶网络）。
在碱性混合物中（pH 9.0）： 酵母粉稍微溶解了一些并扩散开来，使水变得更稀。油滴较小且带有强负电荷，但由于水很稀薄且没有粘性网来支撑，液滴最终还是碰撞并分离了。这就像是一个非常礼貌的群体，每个人都保持着距离，但如果你移除了地板（厚实的网），他们都会滑向边缘。

“洁净标签”的胜利

研究测量了这些乳液保持混合状态的时长，共计 14 天。酸性批次（pH 3.0 和 5.7）保持了完美的混合和稳定。中性和碱性批次（pH 7.0 和 9.0）则发生了分离，油漂浮到了顶部。

科学家还观察了“界面张力”（即油和水之间表面难以拉伸的程度）。有趣的是，在 pH 9.0 时，表面张力最低（意味着油和水更容易混合），但这并没有帮助稳定性。这证明了对于这种特定的酵母粉来说，在水中构建一个厚实的、粘性的网，比仅仅拥有低表面张力或强电荷更为重要。

这对未来意味着什么

该论文得出结论，这种营养酵母废弃物是一种极佳的、天然的且符合“洁净标签”要求的食品稳定剂。它建议，如果食品制造商想要使用这种升级再利用的成分，应瞄准略微偏酸或自然的 pH 值（在 3.0 到 6.0 之间）以获得最佳效果。

研究人员明确排除了这种机制类似于标准“皮克林乳液”（Pickier emulsion，即固体颗粒仅像盔甲一样坐在液滴表面）的可能性。相反，他们发现神奇之处在于，颗粒在水中构建了一个巨大的、微弱的凝胶网络，从而捕捉住了油。这不仅仅是关于“盔甲”，更是关于“堡垒”。

因此，下次当你看到一袋营养酵母时，请记住：它不仅仅是用来撒在爆米花上的。它是一个潜在的超级英雄，可以帮助你的沙拉酱、酱料和奶油类食品保持混合状态，将食品废弃物转化为食品工业中可持续、天然的解决方案。最棒的是？它在混合物带点酸味时效果最好！

技术摘要：营养酵母（Saccharomyces cerevisiae）废弃粉末作为清洁标签乳液稳定剂

问题陈述
食品行业面临着双重挑战：既需要可持续的、清洁标签的乳液稳定剂，也需要管理农工业副产品。虽然酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）在全球范围内大量生产（190 万吨），但由此产生的废弃生物质往往未得到充分利用。尽管已知酵母生物质具有营养价值和作为亲水胶体的潜力，但其作为油中水（O/W）乳液颗粒稳定剂的具体功效和机制行为在很大程度上仍未得到充分探索。现有文献缺乏关于 pH 值如何调节营养酵母废弃粉末（NYSP）的界面和本体流变特性，进而影响乳液稳定性的全面理解。

研究方法
本研究利用源自 S. cerevisiae 的营养酵母废弃粉末（NYSP）配制了含有 25% 玉米油和 16.67% NYSP（w/w）的 O/W 乳液。研究采用多尺度表征方法，在四个 pH 水平（3.0、5.7 [天然值]、7.0 和 9.0）下评估该体系。

关键方法组成包括：

理化性质表征： 对 NYSP 的组成成分（蛋白质、水分、灰分）、矿物质含量（ICP-MS）、比表面积/孔隙率（BET 法）、持水/持油能力以及单糖组成（HPLC）进行了分析。
乳液制备： 通过匀质处理乳液，并使用 HCl 或 NaOH 调节至特定 pH 值。
界面与本体分析：
- 界面性质： 通过悬滴法测量表面张力、接触角以及界面流变学（使用双锥探头进行振荡剪切），以评估膜弹性（ $G_i'$ ）和粘度（ $G_i''$ ）。
- 本体流变学： 进行稳态剪切（流变行为指数 $n$ 和稠度系数 $K$ ）和动态振荡测试（ $G'$ 和 $G''$ ），以确定其粘弹性。
- 胶体稳定性： 监测 Zeta 电位、粒径分布（DLS）和多分散指数（PDI）。
- 微观结构分析： 使用三色染色（尼罗红、快速绿色 FCF、罗丹明 B）的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）可视化脂质、蛋白质和多糖的空间分布。
- 稳定性评估： 通过浊度测量计算 14 天内的乳液稳定性指数（ESI），并辅以视觉观察和 FTIR 分析。

关键结果
研究揭示了界面活性与本体结构化之间明显的、由 pH 值驱动的二分性现象：

NYSP 的理化性质： 该粉末表现出高蛋白质含量（42.61%）和中等水溶性（25.83%）。单糖分析确认其组成以葡萄糖（65.53%，指示 $\beta$ -葡聚糖）和甘露糖（31.50%，指示甘露蛋白）为主。该材料具有低孔隙率（BET 比表面积为 1.20 m²/g）和高持水/持油能力。
pH 依赖的胶体行为：
- Zeta 电位： 从正电荷（pH 3.0 时为 +6.11 mV）转变为负电荷（pH 9.0 时为 -26.23 mV），表明阴离子基团发生去质子化。
- 粒径： Z-平均直径从 881.80 nm（pH 3.0）减小到 343.73 nm（pH 9.0）。然而，作者指出，高 pH 下较小的粒径是由于本体网络的破坏和对分散组分的选择性测量所致，而非稳定的乳液形成。
流变与界面动力学：
- 本体流变学： 酸性 pH（3.0 和 5.7）下的乳液表现出剪切变稀行为，具有较高的稠度系数（ $K$ ），并形成了弱的、空间跨越型的凝胶网络（ $G'' > G'$ ，但绝对值较高）。在 pH 9.0 时，体系转变为近牛顿流体，粘度显著降低。
- 界面流变学： 在 pH 3.0 和 9.0 时，界面膜主要表现为粘性（ $G_i'' > G_i'$ ）。在 pH 5.7 时发生了独特的向弹性主导（ $G_i' > G_i''$ ）的转变，这与吸附蛋白的等电点相吻合。
- 表面张力： 表面张力在 pH 9.0 时最小（31.29 mN/m），在 pH 5.7 时最大（38.43 mN/m），表明在该体系中较低的表面张力并不与更高的稳定性相关联。
稳定性结果：
- 酸性条件（pH 3.0–5.7）： 尽管静电斥力较低且界面张力较高，这些乳液仍表现出优异的长期稳定性（14 天）。CLSM 证实存在一个连续的、富含酵母的基质，将油滴包裹其中。稳定机制被确定为粘度介导的动力学捕获，即本体凝胶网络通过物理方式固定了液滴，从而抑制了合并和分层。
- 中性/碱性条件（pH 7.0–9.0）： 尽管具有较高的表面电荷和较低的界面张力，这些乳液迅速失稳。连续相网络结构的丧失导致了液滴迁移和合并，最终导致相分离。

意义与主张
本文声称，NYSP 是一种极具前景的、可升级的、清洁标签稳定剂，其功能是通过界面吸附和连续相构建实现的协同机制。该研究挑战了传统假设，即高静电斥力或低界面张力本身就能保证乳液稳定性。相反，它证明了对于 NYSP 稳定的体系而言，本体粘弹性是决定动力学稳定性的首要因素。

作者得出结论，NYSP 在弱酸性至接近天然 pH 条件（pH 3.0–6.0）下最为有效，因为在这些条件下，它能形成一个空间跨越型的网络来固定液滴。这一发现为废弃酵母生物质在食品工业中的价值化利用提供了理论基础，使其成为合成稳定剂的可持续替代品，前提是必须优化配方 pH 值，以利用其本体凝胶能力而非仅仅依赖于界面特性。研究明确指出，这些乳液并不符合经典的 Pickering 机制，而是依赖于在酸性条件下更占优势的本体网络稳定路径。

主角：酵母残留物

pH 值的巨大谜团：酸性胜出，碱性失败

“保镖” vs. “笼子”

“洁净标签”的胜利

这对未来意味着什么

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