蛋白质乳化作用与置换吸附探讨

孙向东，李 硕

（1.黑龙江省农业科学院农产品质量安全研究所，黑龙江哈尔滨150086；2.齐齐哈尔大学食品学院，黑龙江齐齐哈尔 161000）

蛋白质乳化作用与置换吸附探讨

孙向东1，李 硕2

（1.黑龙江省农业科学院农产品质量安全研究所，黑龙江哈尔滨150086；2.齐齐哈尔大学食品学院，黑龙江齐齐哈尔 161000）

乳化剂是食品加工中广泛应用的添加剂之一。蛋白质作为一种天然乳化剂，具有较大的市场潜力，受到广泛关注。酪蛋白、乳清蛋白、鸡蛋黄等作为常用的蛋白质乳化剂已大量应用于食品中，获得广泛认同。探讨了蛋白质作为乳化剂的乳化作用机理，介绍了复合蛋白质乳化体系中蛋白质的置换吸附（displacement adsorption）过程、发生的条件以及相关研究进展，为复合蛋白质乳化剂的选择和开发提供了理论依据。

蛋白质，乳化，置换，吸附

Abstract：Emulsifiers are widely used additives in food processing industry.As a natural emulsifier，protein has a great market potential therefore attracted more attention.As the most frequently applied protein emulsifiers，caseinate and whey protein have been extensively recognized and used in foods.The mechanism of protein emulsification was discussed.Conditions for proteins displacement adsorption of protein emulsifier mixture were introduced.Theory basis was provided for development of protein emulsifier mixture with these mechanisms.

Key words：protein；emulsification；displacement；adsorption

在表面活性剂的作用下，原本不能混合到一起的两种液体混合到一起的过程称为乳化，起乳化作用的表面活性剂称为乳化剂。目前在食品工业中应用较多的5类乳化剂中，用量最大的是单甘酯，约占总量的53%；其次是大豆磷脂及其衍生物，约占20%，蔗糖酯和山梨醇酯各占10%，丙二醇酯约占6%。虽然这些乳化剂效果较好，但近年来随着人们越来越重视食品安全，更加追求“天然、营养、健康”，大豆卵磷脂作为天然营养健康乳化剂受到广泛的欢迎，各类天然蛋白质乳化剂的研究、开发也受到重视。同时，人们亦开始探索两种以上天然蛋白质作为复配乳化剂应用的可行性。本文概述了蛋白质乳化作用的机理及两种以上蛋白质作为乳化剂在体系中的竞争吸附和置换反应，更好地理解这些乳化作用及置换反应，不但对开发新型复合蛋白质乳化剂具有指导意义，也可为食品加工过程中乳化剂的选用提供理论依据。

1 蛋白质乳化与吸附作用的机理与研究进展

1.1 蛋白质乳化作用机理

许多蛋白质都是具有表面活性的分子，在水包油乳浊液中，这些蛋白质能够产生乳化作用，并且具有稳定和改善乳化性能所需的物理化学性质的能力，因而可以作为乳化剂使用。通过对油—水—蛋白质三相体系进行均质可以形成水包油型乳浊液，蛋白质会吸附到新形成的油滴表面，并形成油—蛋白质混合物，起到防止油滴重新聚合的作用。蛋白质主要是通过降低界面张力促进油滴的进一步破坏，并在油滴周围形成保护膜延迟油滴的重新聚合[1]。蛋白质具有在油滴间产生排斥作用（例如位阻和静电作用）以及在界面形成保护膜抵抗乳化体系被破坏的能力，这在长期贮存中对稳定油滴、防止其絮凝及合并有重要作用[2-4]。

1.2 蛋白质吸附作用机理

蛋白质吸附是通过静电作用和位阻稳定作用（Steric Stabilization）来稳定乳浊液的，蛋白质在液相中的溶解度决定位阻稳定作用的大小，而蛋白质的溶解度是由蛋白质所带的电荷决定的，因此，蛋白质所带电荷决定了静电作用和位阻稳定作用[5]。为确保吸附的发生，有效的蛋白质乳化剂还应该具有能够逐步打开其紧密的结构并在界面伸展的能力[6]。

1.3 蛋白质乳化与吸附作用研究进展

蛋白质分子同时具有大量极性和非极性基团，因而倾向于具有表面活性（例如能够聚集在油—水界面上）。在水包油乳浊液中使蛋白质能够吸附在界面的主要驱动力是蛋白质和界面之间的疏水作用，因此，要求蛋白质分子表面具有较高的疏水性方可起到较好的乳化作用[7]。当生物聚合体分散在一种水相中时，部分非极性基团会与水接触，由于疏水作用，这在热动力学上是较难发生的。当一种生物聚合体吸附于两相界面时，它能够调整自身的结构和位置使非极性基团与油相接触，亲水基团与水相接触。一种生物聚合体在两相界面的结构与位置调整以及在界面形成膜的理化性质取决于这种生物质的分子结构以及生物质与溶剂的相互作用[8]。灵活的无规则卷曲（random-coil，也称无规线团）生物聚合体会调整其排布使主要的非极性片段进入到油相，而主要极性片段进入到水相。球蛋白会吸附到两相界面，这样在分子表面的主要的非极性区域面向油相，而在分子表面的主要极性区域面向水相，这样球蛋白分子在两相界面会有一个确定的初始排布。当球蛋白吸附到一个两相界面后，该生物聚合体通常会经历结构重组过程，这样它们可以使非极性基团和油相的接触数量达到最大化[9]。无规则卷曲状的生物聚合体是相对灵活的分子，因此它们的结构重组过程会很快，而球蛋白分子结构比较稳定，因而其重组过程相对较缓慢[9]。与具有比较灵活结构的蛋白相比，球蛋白倾向于形成比较粘稠的膜，并且含有球蛋白的膜会比含有灵活结构的蛋白形成的膜更加稳定，因为球蛋白的粘性将会修复膜的缺陷[9]。当蛋白质迅速吸附时，这种情形被称为机械有限分散系，并且形成小的液滴；当蛋白质缓慢吸附时，会形成较大的液滴[10]。

虽然分子水平的详细的吸附层结构目前还不清楚，但通过采用如动态光散射[11]、椭圆偏光法[12]、中子反射技术[13]，单分子层吸附蛋白在某些结构方面的证据却越来越多。研究结果显示，酪蛋白的吸附层能从油——水界面突出高达10nm的距离。吸附层的厚度由使用的特定酪蛋白决定。分子模型实验显示不同的吸附稳定性可由αs酪蛋白和β酪蛋白这两种不同结构的蛋白质在界面形成的不同结构来解释[14]。尽管这两种蛋白质都是良好的乳化剂，但分子模型实验表明，它们以不同的形态吸附，进入溶液的肽链数量不同，并且带电基团分布也不同。通过形成一层水动力厚层，且因其通常带电，吸附的蛋白质能够通过空间排列和静电机制稳定乳浊液的液滴。从原理上推测，乳浊液液滴的许多相互作用都会由界面来控制，但其中的细节还有待进一步阐明。有研究显示，即使界面组分发生微小的变化（如添加少量酪蛋白到由乳清蛋白稳定的乳浊液中）都会对乳浊液系统的总体形态产生显著的影响[15]。生产搅打产品的特殊情况可以用经验法描述为用表面活性剂去除了部分或全部吸附的蛋白质，这就弱化了界面层并使之在搅打过程中易于破坏，并使随后的部分结合能够发生[16-17]。另外，表面活性剂促进油从乳浊液滴分散到空气——水的界面上[18]。

绝大部分蛋白质在吸附后会改变其本来的结构状态[19-21]，尽管对于球蛋白来说，二级结构的变化可能性很小[22]。这是分子的疏水部分趋向于吸附到疏水界面，导致其二级或三级结构发生扭曲变形或破坏的结果[23]。这预示了乳浊液的性质不可能轻易由那些原始蛋白乳化剂来预测，例如，未变性的乳清蛋白在有Ca2+或酸存在的条件下不会沉淀，但是用这种乳清蛋白做乳化剂的乳浊液却对Ca2+或酸都不稳定[24-25]。特别是酪蛋白，一旦吸附发生，使用其他方法可以使蛋白质结构进一步发生变化，如提高离子强度，或有Ca2+的存在，因蛋白质分子电荷间弱排斥作用，都会导致吸附层厚度变薄[26]。类似地，添加不恰当的溶剂如乙醇等也会引起吸附层塌陷从而使作为乳化剂的蛋白质失去其本身的立体空间稳定性质。

2 置换吸附

2.1 蛋白质置换吸附原理

要成为一个有效的乳化剂以保证吸附，蛋白质应该具有能够打开其自身结构并分布到界面上的能力。在水包油型乳浊液中，吸附主要是由蛋白质与界面之间的疏水作用引起的。因此，如果蛋白质具有较高的表面疏水性，就会引起强烈的竞争性吸附并产生对其他已吸附的蛋白质的置换[5]。只有能够最大限度地降低系统自由能（即最有效降低界面张力）的蛋白质才能在达到平衡时在界面占据主导地位[5]。

2.2 蛋白质置换吸附研究进展

当吸附发生时，从热动力学角度来说，蛋白质能够打开其紧密结构并且伸展到界面上以便于优化其结构[27-28]。随后一种蛋白质对另一种蛋白质的置换反应即有可能发生，尽管在很大程度上蛋白质的吸附被认为是不可逆的。因蛋白质打开其结构的程度取决于界面的疏水性/亲水性，在竞争吸附过程中吸附的可逆/不可逆亦取决于界面的性质[5]。

在由两种以上混合蛋白构成的，在中性pH和温和温度下形成的乳化液中，资料显示在不同蛋白质之间通常不存在对界面的竞争[29]，然而，有时竞争性吸附会发生在两种蛋白质之间。这不会形成一种由两种混合表面活性剂构成的乳化液，可能的情形是先用一种蛋白质形成乳化液，然后再由另一种蛋白质来置换界面上的前一种蛋白质[29]。这是一个普遍现象，然而，首先吸附在两相界面的蛋白质通常会抵制被置换[29]。因具有高度表面活性及极度灵活的结构，β-酪蛋白似乎是最佳蛋白质乳化剂和置换剂，但是一种已吸附的蛋白质并不是一定能够被置换的[29]。用一种蛋白质置换另一种蛋白质的困难之处在于吸附在界面上的蛋白质是由许多独立的接触点完成的（因为蛋白质有一些疏水区域能够结合到界面上）。要让所有这些接触点一次全部解吸极其困难，因此蛋白质分子的自发解吸很少发生[29]，这就是为何要从一个油-水界面洗脱蛋白质很困难。要在溶液中用一种蛋白质置换另一种吸附在界面的蛋白质分子，很可能需要两种蛋白质分子协同运动：随着部分第一种蛋白质分子的解吸，第二种蛋白质分子必须马上取而代之吸附到空出的位置，直到最终第一种蛋白质释放到本体溶液中。这个过程尽管要比自发的解吸容易，也未必一定能够成功，特别是当吸附的蛋白质已经在界面上存在一定时间并且能与临近分子形成化学键时。而且，如果吸附的蛋白质在界面层浓度很高，第二种蛋白质甚至难以穿过已吸附的蛋白质层来开始置换过程。因此，尽管热动力学因素支持一种蛋白质对另一种吸附在界面的蛋白质的置换，动力学因素却妨碍了快速置换的发生。这些似乎都是影响蛋白质在两相界面竞争吸附的因素，而疏水性和灵活性或许是重要的标准，特别是，任何灵活性的增加均会导致蛋白质对界面吸附竞争力的增加。Kato和Nakai[30]清晰地证明了蛋白质的疏水性在决定其表明活性方面的重要程度。不同蛋白质的乳化活性指数随其疏水性指数的增加而增加。早期建立起的一个模型是表面活性更高的蛋白质会从乳化液滴表面置换一种表面活性较低的蛋白质[31-32]。

乳化液经过放置后在乳化液滴表面吸附的乳清蛋白会形成网络结构[33]。这不仅会给界面层赋予强度，也会向利于置换反应的方向改变界面层的性质。二硫键似乎会在吸附的乳清蛋白和含有混合蛋白的乳浊液中的含巯基的酪蛋白之间形成，但是这似乎不是这些乳浊液中乳清蛋白立即置换酪蛋白的原因[34]。这些交联是吸附层极难置换的主要原因[35]。坚韧牢固的界面层也可由缓慢的酶诱导交联的吸附蛋白形成，众所周知的例子就是转谷氨酰胺酶的应用[36]。

乳浊液的界面层主要是由乳浊液形成时在界面起乳化作用的物质所控制[37]。如果蛋白质是唯一的乳化剂，它们会吸附到油相的界面，吸附量通常与它们在液相中的浓度成比例[25，38]。有些酪蛋白混合物在这方面是反常的，因为在一种αs和β—酪蛋白混合物中β—酪蛋白似乎有偏好性吸附[31]。然而，这种偏好性吸附在由酪蛋白酸钠乳化的乳浊液中似乎并未发生。在这种情况下酪蛋白的吸附量大约与其在初始混合物中的比例一致[38]。目前还不清楚为什么会这样，尽管这可能是在溶液中由酪蛋白形成的不同复合体导致的结果[39]。乳清蛋白和酪蛋白酸钠是常用的蛋白质乳化剂，它们的主要成分是β-乳球蛋白和β-酪蛋白，这两种蛋白质在结构和功能上有较大的不同。已观察到β-酪蛋白能够在油/水界面置换αs1-酪蛋白，但是β-乳球蛋白却不能在这种界面置换β-酪蛋白[40]。然而，有研究显示在油/水界面置换β-酪蛋白要大大难于在空气/水界面置换[41-42]。对其他蛋白质的竞争性吸附，尤其是在加工过程中的情况研究还很少。

蛋白质分子内部疏水区域的长度对置换吸附能否发生具有重要影响。一项对鸡蛋黄竞争吸附的研究显示，吸附的选择性是由蛋白质肽链序列中平均疏水和亲水区域的长度决定的，如果肽链的疏水区域平均长度较长，则该蛋白质会对界面产生高度亲和性，因而会更易于吸附到界面上而置换平均疏水区域较短的蛋白质[5]。

3 结论

蛋白质的乳化性质决定其可以作为天然乳化剂用于食品工业中，替代目前广泛使用的各类人工合成乳化剂，以满足人们追求天然、安全食品的要求。因单一蛋白质乳化剂乳化能力有限，开发复合蛋白质乳化剂势在必行。然而，当两种以上蛋白质作为乳化剂添加到食品中时，因不同蛋白质的吸附速度不同，一种蛋白质会首先吸附到两相界面，随后另一种蛋白质可能会对第一种蛋白质产生置换反应而部分或全部取代第一种蛋白质。食品加工过程中更好地理解和掌握复合蛋白质的乳化机理及随后可能发生的置换反应，选择合适的复合乳化剂，对控制加工参数，保证产品质量具有现实指导意义。

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Discussion on protein emulsification and displacement adsorption

SUN Xiang-dong1，LI Shuo2
（1.Quality&Safety Institute of Agricultural Products，Heilongjiang Academy of Agricultual Sciences，Harbin 150086，China；2.College of Food Science，Qiqihar university，Qiqihar 161000，China）

TS201.2

A

1002-0306（2012）16-0405-04

2012－01－11

孙向东（1965-），男，博士，副研究员，研究方向：蛋白质功能性质与质构的关系，农产品加工利用及质量安全。