蛋白质-多糖在乳液油-水界面相互作用研究进展

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(1.浙江工业大学 海洋学院，浙江 杭州 310014；2.杭州知味观食品有限公司，浙江 杭州 311107；3.杭州食品药品检验研究院，浙江 杭州 310022)

乳液是将不相溶的液体通过表面活性剂或乳化剂，使其中一种液体以液滴的形式分散到另一种称为连续相的液体中的分散体系[1]。由各种成分和加工条件形成的乳液具有广泛的物理和化学特性，因此在食品、化妆品和医药领域具有广阔的应用前景。一些合成乳化剂本身具有毒性，出于安全健康考虑，已逐渐被天然乳化剂取代。其中，来源于动物和植物的蛋白质由于具有优越的生物降解性和相容性，被认为是良好的天然乳化剂[2]。蛋白作为乳化剂的原理：蛋白具有两亲性，能够快速扩散并吸附在油-水界面，从而降低了界面张力并有效地阻止了液滴的聚结[3]。此外，吸附的蛋白质在界面处形成物理屏障，能提供进一步的聚结保护，从而使乳液稳定。然而，由蛋白质稳定的乳液易受到pH、温度和盐离子浓度等的影响而失稳，这极大限制了乳液的应用范围[4]。多糖也是一种天然的生物聚合物，近几年围绕蛋白质-多糖复合物在油-水界面作用的研究证明：多糖和蛋白质能够产生各种作用力，从而使乳液稳定。蛋白质-多糖复合物的制备方式多样，作用机理因蛋白质和多糖的种类不同而相同，笔者就蛋白质和多糖在油-水界面的作用机理进行总结，为天然乳化剂的改良研究提供一些参考。

1 乳液的界面结构

1.1 乳液界面的形成

对于由两种或多种不混溶相(即食品乳液中的油和水)组成的系统，表面活性化合物(例如乳化剂)由于对疏水相和亲水相都具有亲和力，可以提供合理的稳定性和均匀性。乳化剂能够吸附在油-水界面，降低界面张力并防止液滴聚结。不同乳化剂的分子大小、两亲性和结构都不同。通常，与分子较大的乳化剂相比，分子较小的乳化剂显现出较高的流动性，能在较短的时间内控制界面并在界面处显示出更高的堆积密度，导致更低的界面张力[5]。

1.2 界面张力分析

为了评价乳化剂稳定界面的能力，通常检测乳化剂吸附速率以及界面张力降低的程度，进行界面张力分析。根据所采用的测量原理，最常用的界面张力分析方法有两种：1) 直接测量两个不混溶相之间的排斥力；2) 分析液滴的形状受界面张力影响[6]。第一种方法可以使用微量天平或毛细管压力方法来量化作用在两个不混溶相之间的界面处的排斥力。将连接到微量天平的探针直接放置在表面/界面上方并与之接触。由于毛细作用力，液体使探针润湿，导致表面积增加，同时，系统固有的减小表面积的驱动力在相反的方向上起作用。拉力作用在探针上，使用微量天平量化并用于计算表面/界面张力。这种方法主要用于研究乳化剂结构修饰对其界面性质(界面层的吸附和柔韧性)的影响。Kim等[7]用Wilhelmy板和天平测量β-乳球蛋白在空气-水界面的界面张力，通过界面张力的变化发现蛋白质的结构变化导致界面性质改变。与天然蛋白质相比，单个结构单元的更多开放的变性结构促进了内聚和柔性界面的形成。用于测量表面/界面张力的第二类方法是基于液滴的形状。在该方法中，首先拍摄液滴的形状，然后利用Young-Laplace方程对液滴轮廓计算[8]来获得界面张力。液滴的形状是由作用在其上的两个相反的力产生的，其中表面张力将液体向上拉形成球形液滴，重力将液滴向下拉，导致悬垂的液滴伸长或使滴在平板上的液滴变扁。

1.3 界面扩张流变学

界面扩张流变学主要研究乳液的短期稳定性。对吸附层结构和组成的变化影响较大的是界面的机械性能，例如膨胀/压缩或剪切之后界面的黏弹性[9]。界面的膨胀黏弹性可以检测界面膜的强度。通过控制一定的频率和振幅使液滴周期性正弦振荡来测量界面的黏弹性质。Dombrowski等[10]通过测量β-乳球蛋白在油-水界面的膨胀黏弹性，解释了界面层的组装动力学与其结构特性以及β-乳球蛋白的散装特性和它的界面行为与发泡特性之间的相关性，为乳液界面形成后的变化提供有价值的信息。对黏弹性的研究除了可以说明蛋白质在界面的吸附过程，还可以用来探究蛋白质-多糖之间的相互作用。Xiong等[11]测量了卵白蛋白/壳聚糖复合物在pH为5.5时的表面膨胀模量，它是由表面积的微小变化(膨胀应变)导致的界面张力(膨胀应力)的变化，可以反映蛋白质界面吸收层的机械强度。和仅含卵白蛋白的溶液相比，壳聚糖的加入增强了界面的膨胀黏弹性，这一现象表明：蛋白质与多糖之间的静电吸引作用可以提高油-水界面吸收层的机械强度，该性质使pH为5.5的卵白蛋白/壳聚糖混合物稳定的乳液呈现出良好的稳定性。

1.4 界面剪切流变学

界面剪切流变学主要考察乳液的长期稳定性。在剪切变形实验中，界面层的面积仅在形状上改变，面积尺寸保持不变，因此，可以忽略压缩性，仅探测横向力。界面剪切流变学考察了关于乳液凝胶网络形成以及界面层侧面的相互作用力。这些界面层可以通过吸附可溶性界面活性化合物或涂布不溶性物质来形成。通过界面流变仪测量来分析剪切流变性质，小分子乳化剂对界面剪切流变性质的改变产生的影响较小，但是一些大分子表面活性剂则具有较强的界面黏弹性，比如蛋白质溶液[12]。界面流变仪的设计中，仪器应具有足够的灵敏度以在相邻子相中存在应力的情况下能检测界面层中的应力。许多现代仪器使用双锥体或特殊形状的环作为转子安装在流变仪上，从而可以在很大的频率和剪切应变范围内测定流变特性。

目前的相关研究中，主要用纯蛋白质与表面活性剂或其他蛋白质的混合物进行，将这些混合物用作食品泡沫或乳液中的稳定剂，而界面层的剪切流变性能则是这些液体分散体系长期稳定性的重要指标[13]。近年来，关于疏水蛋白作为泡沫和乳液的稳定剂的报道较多。疏水蛋白是分子量较小的蛋白质，由几个二硫键稳定它们的结构，这种紧凑的结构在界面吸附后甚至不会改变。疏水蛋白吸附层表现出非常高的剪切弹性，为了在不同应用中呈现满意的稳定效果，疏水蛋白可以与表面活性剂或与其他蛋白质混合使用，相关剪切流变学研究在许多文献中都有报道[13-14]。

2 蛋白质-多糖在油-水界面的相互作用

大多数多糖是高亲水性分子，表面活性较弱，不是良好的乳化剂，但可以通过增加水相黏度来稳定乳液，抑制液滴移动。一些天然多糖具有与其亲水性碳水化合物链连接的非极性基团[19]，具有良好的乳化性能。具有表面活性的多糖最常见的是阿拉伯树胶、果胶和半乳甘露聚糖。阿拉伯树胶是迄今为止食品行业使用最广泛的天然多糖类乳化剂之一，特别是在饮料乳品行业[20]，其主要缺点是必须提高油相的比例才能形成稳定的乳液。有研究表明：柑橘果胶也可以用作乳化剂，稳定乳液的能力取决于其分子量和甲氧基化程度[21]。

蛋白质通常是相对较小的分子，可迅速吸附到液滴表面并形成薄的带电界面层；多糖通常是相对较大的分子，相对缓慢地吸附到液滴表面并形成厚的亲水界面层。这两种天然生物单独作为乳化剂稳定乳液时都有缺点，通常将两者按照一定比例形成蛋白质-多糖复合物稳定油-水界面。在乳化过程中，蛋白质和多糖通过在界面的相互作用形成结实的界面膜防止液滴聚集从而稳定乳液。

2.1 水溶性蛋白质-多糖在油-水界面的静电作用

许多研究者认为乳液界面上的蛋白质和多糖通过静电吸附作用形成的蛋白-多糖生物聚合物能够在乳液液滴外形成保护层，有利于乳液稳定性能的提高。制备方法一般为将蛋白质和多糖溶解在水中，形成蛋白质-多糖静电复合物。Cai等[22]通过测量核桃蛋白-黄原胶复合物的电位和粒径，说明共溶的混合物是通过静电和疏水作用形成。还有一种“多层乳液”，由多层界面膜包围，通过带正电或负电的乳化剂均化油相和水相来制备初级乳液，然后将初级乳液与带相反电荷的聚电解质混合制备二级乳液[23]。大豆分离蛋白在低于其等电点的pH值下带正电荷，常用作多层乳液的乳化剂，与几种阴离子多糖，如海藻酸钠、果胶和阿拉伯树胶等混合，制备乳液。在大部分情况下，多糖有助于改善乳液长期储存稳定性，扩大乳液稳定的pH范围，并抵抗环境变化(如离子强度和温度)引起的不稳定。相关研究还表明：多糖的性质可能决定乳液的稳定程度。

2.2 疏水性蛋白质-多糖在油-水界面的相互作用

动物来源的蛋白，如乳清蛋白和酪蛋白，具有卓越的水溶性，宜作为乳化剂稳定乳液。许多植物来源的蛋白质疏水性则较强，在分析蛋白质-多糖相互作用时，面临了新的挑战。目前的研究较多集中于将植物蛋白和多糖通过物理或者化学手段制成复合颗粒。

一种方法是多糖类作为经典胶体稳定剂和植物蛋白复合，制备纳米颗粒和微粒。一般采用反溶剂沉淀法[24]，先将蛋白溶解在乙醇水溶液中，再滴加超纯水均质，制备纳米颗粒，最后和多糖水溶液混合，形成复合体系。有研究者探究了用果胶包覆的玉米醇溶蛋白/酪蛋白酸盐的混合颗粒用于口服递送的应用[25]，结果表明：除了静电作用，氢键和疏水的相互作用也有助于蛋白质与果胶形成复合物。通过这些颗粒稳定的乳液被称作pickering乳液，理想情况下这些颗粒应该位于油-水界面的中间，但由于植物蛋白颗粒具有强疏水性，颗粒将倾向于位于油侧，导致乳液稳定性较差。蛋白质与多糖的络合调节了蛋白质颗粒亲水性因此也改变颗粒在油-水界面处的位置，并提高它们的乳化能力[26]。

另一种方法是通过涂覆(复合)凝聚层或使用络合以形成多层界面。许多植物蛋白质由于疏水性太强而不能形成高含水量的(复杂)凝聚层，但也有少量文献考察了植物蛋白在多糖存在下形成凝聚层的能力。复合凝聚是基于由介质修饰诱导的带相反电荷的聚电解质的同时去溶剂化的相分离过程[27]，通常是将材料溶解在水中并调节pH值得到凝聚物。

2.3 蛋白质-多糖美拉德反应物在油-水界面的作用

美拉德反应是一系列非酶促褐变反应，在还原糖和氨基酸之间天然存在，初始可以概括为碳水化合物还原端和氨基酸之间的缩合，然后产物异构化形成重排化合物。蛋白质和多糖之间可以通过高温加热的方式发生美拉德反应形成共价复合物[28]。缀合物的构象和蛋白-多糖混合物相比发生了较大的改变，使用凝胶渗透色谱法检测葡聚糖和大米蛋白水解物缀合后的变化[29]，证明加热后存在的高分子量物质的量增加，低分子量物质的量减少。缀合物具有较强的乳化性，能吸附在油-水界面形成碳水化合物空间层，提供空间屏障以防止乳液絮凝。虽然研究证明形成了具有不同结构的缀合物，但是其中的反应机理和形成过程依然没有定论，需要通过进一步的研究来解释。蛋白质-多糖复合物的形成方式多样，不同的复合方式以及复合物的特性研究见表1。

表1 蛋白质-多糖复合物的形成方式及功能特性研究Table 1 Formation and functional properties of protein-polysaccharide complexes

3 结 论

利用蛋白质-多糖复合物相互作用稳定食品体系在食品工业中已十分常见，但是蛋白质和多糖的种类复杂，相互作用机理不同，在应用过程中易受温度，pH等因素影响。通过界面张力和界面流变学研究蛋白质-多糖在油-水界面的作用机理，能够更彻底地了解乳液的稳定机制。由于不同种类的蛋白质和多糖的结构、性质不相同，形成复合物的工艺也有很大区别。进一步探究各种蛋白质和多糖的最优复合条件有助于制备更加稳定的乳液，扩大产品的应用范围。未来的研究还可以着重探索蛋白质和多糖新的复合方式，以形成更加稳定的复合物，拓展其在医药、食品等领域的利用。