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(1.浙江工業(yè)大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.杭州知味觀食品有限公司，浙江 杭州 311107；3.杭州食品藥品檢驗研究院，浙江 杭州 310022)

乳液是將不相溶的液體通過表面活性劑或乳化劑，使其中一種液體以液滴的形式分散到另一種稱為連續(xù)相的液體中的分散體系[1]。由各種成分和加工條件形成的乳液具有廣泛的物理和化學(xué)特性，因此在食品、化妝品和醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。一些合成乳化劑本身具有毒性，出于安全健康考慮，已逐漸被天然乳化劑取代。其中，來源于動物和植物的蛋白質(zhì)由于具有優(yōu)越的生物降解性和相容性，被認為是良好的天然乳化劑[2]。蛋白作為乳化劑的原理：蛋白具有兩親性，能夠快速擴散并吸附在油-水界面，從而降低了界面張力并有效地阻止了液滴的聚結(jié)[3]。此外，吸附的蛋白質(zhì)在界面處形成物理屏障，能提供進一步的聚結(jié)保護，從而使乳液穩(wěn)定。然而，由蛋白質(zhì)穩(wěn)定的乳液易受到pH、溫度和鹽離子濃度等的影響而失穩(wěn)，這極大限制了乳液的應(yīng)用范圍[4]。多糖也是一種天然的生物聚合物，近幾年圍繞蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物在油-水界面作用的研究證明：多糖和蛋白質(zhì)能夠產(chǎn)生各種作用力，從而使乳液穩(wěn)定。蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物的制備方式多樣，作用機理因蛋白質(zhì)和多糖的種類不同而相同，筆者就蛋白質(zhì)和多糖在油-水界面的作用機理進行總結(jié)，為天然乳化劑的改良研究提供一些參考。

1 乳液的界面結(jié)構(gòu)

1.1 乳液界面的形成

對于由兩種或多種不混溶相(即食品乳液中的油和水)組成的系統(tǒng)，表面活性化合物(例如乳化劑)由于對疏水相和親水相都具有親和力，可以提供合理的穩(wěn)定性和均勻性。乳化劑能夠吸附在油-水界面，降低界面張力并防止液滴聚結(jié)。不同乳化劑的分子大小、兩親性和結(jié)構(gòu)都不同。通常，與分子較大的乳化劑相比，分子較小的乳化劑顯現(xiàn)出較高的流動性，能在較短的時間內(nèi)控制界面并在界面處顯示出更高的堆積密度，導(dǎo)致更低的界面張力[5]。

1.2 界面張力分析

為了評價乳化劑穩(wěn)定界面的能力，通常檢測乳化劑吸附速率以及界面張力降低的程度，進行界面張力分析。根據(jù)所采用的測量原理，最常用的界面張力分析方法有兩種：1) 直接測量兩個不混溶相之間的排斥力；2) 分析液滴的形狀受界面張力影響[6]。第一種方法可以使用微量天平或毛細管壓力方法來量化作用在兩個不混溶相之間的界面處的排斥力。將連接到微量天平的探針直接放置在表面/界面上方并與之接觸。由于毛細作用力，液體使探針潤濕，導(dǎo)致表面積增加，同時，系統(tǒng)固有的減小表面積的驅(qū)動力在相反的方向上起作用。拉力作用在探針上，使用微量天平量化并用于計算表面/界面張力。這種方法主要用于研究乳化劑結(jié)構(gòu)修飾對其界面性質(zhì)(界面層的吸附和柔韌性)的影響。Kim等[7]用Wilhelmy板和天平測量β-乳球蛋白在空氣-水界面的界面張力，通過界面張力的變化發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致界面性質(zhì)改變。與天然蛋白質(zhì)相比，單個結(jié)構(gòu)單元的更多開放的變性結(jié)構(gòu)促進了內(nèi)聚和柔性界面的形成。用于測量表面/界面張力的第二類方法是基于液滴的形狀。在該方法中，首先拍攝液滴的形狀，然后利用Young-Laplace方程對液滴輪廓計算[8]來獲得界面張力。液滴的形狀是由作用在其上的兩個相反的力產(chǎn)生的，其中表面張力將液體向上拉形成球形液滴，重力將液滴向下拉，導(dǎo)致懸垂的液滴伸長或使滴在平板上的液滴變扁。

1.3 界面擴張流變學(xué)

界面擴張流變學(xué)主要研究乳液的短期穩(wěn)定性。對吸附層結(jié)構(gòu)和組成的變化影響較大的是界面的機械性能，例如膨脹/壓縮或剪切之后界面的黏彈性[9]。界面的膨脹黏彈性可以檢測界面膜的強度。通過控制一定的頻率和振幅使液滴周期性正弦振蕩來測量界面的黏彈性質(zhì)。Dombrowski等[10]通過測量β-乳球蛋白在油-水界面的膨脹黏彈性，解釋了界面層的組裝動力學(xué)與其結(jié)構(gòu)特性以及β-乳球蛋白的散裝特性和它的界面行為與發(fā)泡特性之間的相關(guān)性，為乳液界面形成后的變化提供有價值的信息。對黏彈性的研究除了可以說明蛋白質(zhì)在界面的吸附過程，還可以用來探究蛋白質(zhì)-多糖之間的相互作用。Xiong等[11]測量了卵白蛋白/殼聚糖復(fù)合物在pH為5.5時的表面膨脹模量，它是由表面積的微小變化(膨脹應(yīng)變)導(dǎo)致的界面張力(膨脹應(yīng)力)的變化，可以反映蛋白質(zhì)界面吸收層的機械強度。和僅含卵白蛋白的溶液相比，殼聚糖的加入增強了界面的膨脹黏彈性，這一現(xiàn)象表明：蛋白質(zhì)與多糖之間的靜電吸引作用可以提高油-水界面吸收層的機械強度，該性質(zhì)使pH為5.5的卵白蛋白/殼聚糖混合物穩(wěn)定的乳液呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

1.4 界面剪切流變學(xué)

界面剪切流變學(xué)主要考察乳液的長期穩(wěn)定性。在剪切變形實驗中，界面層的面積僅在形狀上改變，面積尺寸保持不變，因此，可以忽略壓縮性，僅探測橫向力。界面剪切流變學(xué)考察了關(guān)于乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)形成以及界面層側(cè)面的相互作用力。這些界面層可以通過吸附可溶性界面活性化合物或涂布不溶性物質(zhì)來形成。通過界面流變儀測量來分析剪切流變性質(zhì)，小分子乳化劑對界面剪切流變性質(zhì)的改變產(chǎn)生的影響較小，但是一些大分子表面活性劑則具有較強的界面黏彈性，比如蛋白質(zhì)溶液[12]。界面流變儀的設(shè)計中，儀器應(yīng)具有足夠的靈敏度以在相鄰子相中存在應(yīng)力的情況下能檢測界面層中的應(yīng)力。許多現(xiàn)代儀器使用雙錐體或特殊形狀的環(huán)作為轉(zhuǎn)子安裝在流變儀上，從而可以在很大的頻率和剪切應(yīng)變范圍內(nèi)測定流變特性。

目前的相關(guān)研究中，主要用純蛋白質(zhì)與表面活性劑或其他蛋白質(zhì)的混合物進行，將這些混合物用作食品泡沫或乳液中的穩(wěn)定劑，而界面層的剪切流變性能則是這些液體分散體系長期穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[13]。近年來，關(guān)于疏水蛋白作為泡沫和乳液的穩(wěn)定劑的報道較多。疏水蛋白是分子量較小的蛋白質(zhì)，由幾個二硫鍵穩(wěn)定它們的結(jié)構(gòu)，這種緊湊的結(jié)構(gòu)在界面吸附后甚至不會改變。疏水蛋白吸附層表現(xiàn)出非常高的剪切彈性，為了在不同應(yīng)用中呈現(xiàn)滿意的穩(wěn)定效果，疏水蛋白可以與表面活性劑或與其他蛋白質(zhì)混合使用，相關(guān)剪切流變學(xué)研究在許多文獻中都有報道[13-14]。

2 蛋白質(zhì)-多糖在油-水界面的相互作用

大多數(shù)多糖是高親水性分子，表面活性較弱，不是良好的乳化劑，但可以通過增加水相黏度來穩(wěn)定乳液，抑制液滴移動。一些天然多糖具有與其親水性碳水化合物鏈連接的非極性基團[19]，具有良好的乳化性能。具有表面活性的多糖最常見的是阿拉伯樹膠、果膠和半乳甘露聚糖。阿拉伯樹膠是迄今為止食品行業(yè)使用最廣泛的天然多糖類乳化劑之一，特別是在飲料乳品行業(yè)[20]，其主要缺點是必須提高油相的比例才能形成穩(wěn)定的乳液。有研究表明：柑橘果膠也可以用作乳化劑，穩(wěn)定乳液的能力取決于其分子量和甲氧基化程度[21]。

蛋白質(zhì)通常是相對較小的分子，可迅速吸附到液滴表面并形成薄的帶電界面層；多糖通常是相對較大的分子，相對緩慢地吸附到液滴表面并形成厚的親水界面層。這兩種天然生物單獨作為乳化劑穩(wěn)定乳液時都有缺點，通常將兩者按照一定比例形成蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物穩(wěn)定油-水界面。在乳化過程中，蛋白質(zhì)和多糖通過在界面的相互作用形成結(jié)實的界面膜防止液滴聚集從而穩(wěn)定乳液。

2.1 水溶性蛋白質(zhì)-多糖在油-水界面的靜電作用

許多研究者認為乳液界面上的蛋白質(zhì)和多糖通過靜電吸附作用形成的蛋白-多糖生物聚合物能夠在乳液液滴外形成保護層，有利于乳液穩(wěn)定性能的提高。制備方法一般為將蛋白質(zhì)和多糖溶解在水中，形成蛋白質(zhì)-多糖靜電復(fù)合物。Cai等[22]通過測量核桃蛋白-黃原膠復(fù)合物的電位和粒徑，說明共溶的混合物是通過靜電和疏水作用形成。還有一種“多層乳液”，由多層界面膜包圍，通過帶正電或負電的乳化劑均化油相和水相來制備初級乳液，然后將初級乳液與帶相反電荷的聚電解質(zhì)混合制備二級乳液[23]。大豆分離蛋白在低于其等電點的pH值下帶正電荷，常用作多層乳液的乳化劑，與幾種陰離子多糖，如海藻酸鈉、果膠和阿拉伯樹膠等混合，制備乳液。在大部分情況下，多糖有助于改善乳液長期儲存穩(wěn)定性，擴大乳液穩(wěn)定的pH范圍，并抵抗環(huán)境變化(如離子強度和溫度)引起的不穩(wěn)定。相關(guān)研究還表明：多糖的性質(zhì)可能決定乳液的穩(wěn)定程度。

2.2 疏水性蛋白質(zhì)-多糖在油-水界面的相互作用

動物來源的蛋白，如乳清蛋白和酪蛋白，具有卓越的水溶性，宜作為乳化劑穩(wěn)定乳液。許多植物來源的蛋白質(zhì)疏水性則較強，在分析蛋白質(zhì)-多糖相互作用時，面臨了新的挑戰(zhàn)。目前的研究較多集中于將植物蛋白和多糖通過物理或者化學(xué)手段制成復(fù)合顆粒。

一種方法是多糖類作為經(jīng)典膠體穩(wěn)定劑和植物蛋白復(fù)合，制備納米顆粒和微粒。一般采用反溶劑沉淀法[24]，先將蛋白溶解在乙醇水溶液中，再滴加超純水均質(zhì)，制備納米顆粒，最后和多糖水溶液混合，形成復(fù)合體系。有研究者探究了用果膠包覆的玉米醇溶蛋白/酪蛋白酸鹽的混合顆粒用于口服遞送的應(yīng)用[25]，結(jié)果表明：除了靜電作用，氫鍵和疏水的相互作用也有助于蛋白質(zhì)與果膠形成復(fù)合物。通過這些顆粒穩(wěn)定的乳液被稱作pickering乳液，理想情況下這些顆粒應(yīng)該位于油-水界面的中間，但由于植物蛋白顆粒具有強疏水性，顆粒將傾向于位于油側(cè)，導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性較差。蛋白質(zhì)與多糖的絡(luò)合調(diào)節(jié)了蛋白質(zhì)顆粒親水性因此也改變顆粒在油-水界面處的位置，并提高它們的乳化能力[26]。

另一種方法是通過涂覆(復(fù)合)凝聚層或使用絡(luò)合以形成多層界面。許多植物蛋白質(zhì)由于疏水性太強而不能形成高含水量的(復(fù)雜)凝聚層，但也有少量文獻考察了植物蛋白在多糖存在下形成凝聚層的能力。復(fù)合凝聚是基于由介質(zhì)修飾誘導(dǎo)的帶相反電荷的聚電解質(zhì)的同時去溶劑化的相分離過程[27]，通常是將材料溶解在水中并調(diào)節(jié)pH值得到凝聚物。

2.3 蛋白質(zhì)-多糖美拉德反應(yīng)物在油-水界面的作用

美拉德反應(yīng)是一系列非酶促褐變反應(yīng)，在還原糖和氨基酸之間天然存在，初始可以概括為碳水化合物還原端和氨基酸之間的縮合，然后產(chǎn)物異構(gòu)化形成重排化合物。蛋白質(zhì)和多糖之間可以通過高溫加熱的方式發(fā)生美拉德反應(yīng)形成共價復(fù)合物[28]。綴合物的構(gòu)象和蛋白-多糖混合物相比發(fā)生了較大的改變，使用凝膠滲透色譜法檢測葡聚糖和大米蛋白水解物綴合后的變化[29]，證明加熱后存在的高分子量物質(zhì)的量增加，低分子量物質(zhì)的量減少。綴合物具有較強的乳化性，能吸附在油-水界面形成碳水化合物空間層，提供空間屏障以防止乳液絮凝。雖然研究證明形成了具有不同結(jié)構(gòu)的綴合物，但是其中的反應(yīng)機理和形成過程依然沒有定論，需要通過進一步的研究來解釋。蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物的形成方式多樣，不同的復(fù)合方式以及復(fù)合物的特性研究見表1。

表1 蛋白質(zhì)-多糖復(fù)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 結(jié) 論

利用蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物相互作用穩(wěn)定食品體系在食品工業(yè)中已十分常見，但是蛋白質(zhì)和多糖的種類復(fù)雜，相互作用機理不同，在應(yīng)用過程中易受溫度，pH等因素影響。通過界面張力和界面流變學(xué)研究蛋白質(zhì)-多糖在油-水界面的作用機理，能夠更徹底地了解乳液的穩(wěn)定機制。由于不同種類的蛋白質(zhì)和多糖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)不相同，形成復(fù)合物的工藝也有很大區(qū)別。進一步探究各種蛋白質(zhì)和多糖的最優(yōu)復(fù)合條件有助于制備更加穩(wěn)定的乳液，擴大產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。未來的研究還可以著重探索蛋白質(zhì)和多糖新的復(fù)合方式，以形成更加穩(wěn)定的復(fù)合物，拓展其在醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域的利用。