Janus液滴因其獨(dú)特的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和功能特性，在食品工業(yè)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，包括自驅(qū)動(dòng)、區(qū)室反應(yīng)和定向封裝等。然而，食品級(jí)Janus液滴的高效制備仍面臨產(chǎn)率低、控制精度不高的挑戰(zhàn)。本研究創(chuàng)新性地提出了一種全新的仿生構(gòu)建策略。該研究通過(guò)精確調(diào)控玉米醇溶蛋白（zein）和海藻酸鈉液滴之間的非對(duì)稱(chēng)相互作用，在混合水包油液滴體系中成功實(shí)現(xiàn)了Janus液滴的可控制備。本研究不僅揭示了界面張力梯度驅(qū)動(dòng)的Marangoni效應(yīng)在液滴相互作用中的關(guān)鍵作用，還系統(tǒng)探究了液滴數(shù)量比、尺寸比以及海藻酸鈉分子量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)Janus液滴形成效率的影響規(guī)律，為食品級(jí)Janus液滴的規(guī)模化制備提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

研究通過(guò)懸滴法測(cè)量發(fā)現(xiàn)，玉米醇溶蛋白液滴的界面張力顯著低于海藻酸鈉液滴，這一差異形成了驅(qū)動(dòng)液滴相互作用的Marangoni效應(yīng)。在渦旋混合過(guò)程中，玉米醇溶蛋白液滴作為“捕食者”主動(dòng)捕獲海藻酸鈉“被捕食者”液滴，推動(dòng)系統(tǒng)向自由能最小化方向演化。在渦旋混合過(guò)程中，低界面張力的玉米醇溶蛋白液滴作為“捕食者”能夠主動(dòng)鋪展并捕獲高界面張力的海藻酸鈉“被捕食者”液滴，而反向過(guò)程則無(wú)法發(fā)生。這種單向的相互作用模式與自然界中的捕食-被捕食關(guān)系高度相似，推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)向著自由能最小化的方向演化。

圖1

通過(guò)低場(chǎng)核磁共振（LF-NMR）技術(shù)（圖6），從分子層面揭示了Janus液滴形成過(guò)程中水分子的動(dòng)態(tài)遷移機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)在二維T?-T?關(guān)聯(lián)譜中，玉米醇溶蛋白液滴譜圖出現(xiàn)特征信號(hào)（T?/T?=1.68），表明其作為兩親性分子能夠有效定位在油水界面并介導(dǎo)質(zhì)子交換；相比之下，海藻酸鈉液滴由于界面性能較差，僅顯示油水兩相的分離信號(hào)。在Janus液滴形成后，譜圖在T?/T?=3.76處出現(xiàn)新的特征峰，同時(shí)T?弛豫時(shí)間從混合液滴的343.1ms顯著降低至307.7ms，這些變化明確證實(shí)了玉米醇溶蛋白與海藻酸鈉相之間發(fā)生了顯著的水分子擴(kuò)散與交換過(guò)程。該發(fā)現(xiàn)為捕食-被捕食相互作用驅(qū)動(dòng)Janus液滴形成的機(jī)制提供了直接的分子證據(jù)。

圖2

本研究成功構(gòu)建了基于捕食-被捕食相互作用的仿生策略，實(shí)現(xiàn)了食品級(jí)Janus液滴的可控制備。研究證實(shí)，玉米醇溶蛋白與海藻酸鈉液滴間的界面張力梯度是驅(qū)動(dòng)Marangoni效應(yīng)的關(guān)鍵因素，促使系統(tǒng)向自由能最小化方向演化，并在渦旋混合條件下引發(fā)定向液滴碰撞。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)控液滴的物理參數(shù)，可有效優(yōu)化Janus液滴的產(chǎn)率：當(dāng)捕食者與被捕食者液滴數(shù)量比為1:1、尺寸比為2:1時(shí)，Janus液滴產(chǎn)率達(dá)到最優(yōu)；更重要的是，使用高分子量海藻酸鈉制備的液滴由于具有更高的剛性及更低的流動(dòng)阻力，顯著提升了碰撞概率，使Janus液滴產(chǎn)率最高達(dá)到85.43%。該研究為食品級(jí)Janus液滴的高效、可控構(gòu)建提供了新的仿生學(xué)思路和方法論基礎(chǔ)，有望推動(dòng)其在食品工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。

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參考文獻(xiàn)

Li X, Xue C, Wei Z. Predator-prey interactions mediate the formation of Janus droplets: The role of sodium alginate droplets [J]. Food Hydrocolloids, 2026, 172: 112195.1.