蛋白乳化液穩定性影響因素的研究進展

郭 慶，木泰華

（中國農業科學院農產品加工研究所，北京100193）

蛋白乳化液穩定性影響因素的研究進展

郭 慶，木泰華*

（中國農業科學院農產品加工研究所，北京100193）

蛋白質是一種具有表面活性的化合物。被蛋白覆蓋的油滴的性質（粒徑、表面電荷、界面吸附蛋白濃度等）是決定乳化液穩定性的重要因素。本文綜述了乳化液滴性質影響蛋白乳化液穩定性的研究進展，并展望了這一領域未來發展的趨勢。

乳化液穩定性，影響因素，乳化液滴性質，機理

乳化液是一種半固態混合物，其性質介于溶液和固體之間，在食品工業中占有重要地位。食品加工中很多食品都呈乳化液狀態，這些食品包括動物的乳汁、沙拉醬、黃油、沙司、冰激凌和咖啡伴侶等。乳化液食品的獨特外觀，口感和質構深受消費者喜愛。目前，乳化劑的需求量呈逐年增加的趨勢，它不僅被應用于食品工業中，而且還被廣泛應用于制藥和化妝品行業［1-3］。乳化液的穩定性是影響乳化液食品貨架期的一個關鍵因素。控制乳化液的穩定性對提高產品的經濟效益和質量是至關重要的。對影響蛋白乳化液穩定性的因素和機理的探討可為產品的質量控制提供理論支撐，推動食品乳化液研究的發展。本文主要是從乳化液滴自身性質出發，綜述其對蛋白乳化液穩定性的影響及作用機理的研究進展。

1 蛋白乳化液的不穩定機制

從熱力學角度來講蛋白乳化液是一個不穩定的體系，這是因為乳化液在均質過程中隨著兩相間面積的不斷增加［4］，在足夠的時間后，任何乳化液都將因為兩相間試圖減少接觸面積而破裂。

乳化液不穩定的機制共分為五種：1-乳析（creaming）；2-聚集（flocculation）；3-奧氏熟化（Ostwald ripening）；4-聚結（coalescence）；5-相轉變（phase inversion）。控制和提高乳化液的穩定性，主要是抑制這五種不穩定現象的發生。環境條件（蛋白濃度、pH、水相溶液環境等）、化學組成（油相和蛋白的類型和組成）等物化條件是影響乳化液穩定性的主要因素［5］，但從微觀的角度講，這些物化因素都是通過改變乳化液滴自身的性質（乳化液滴的平均粒徑，界面吸附的蛋白濃度，表面電荷及乳化液滴與其它組分的作用）來影響乳化液穩定性。

2 乳化液滴性質對乳化液穩定性的影響

2.1 乳化液滴粒徑大小對乳化液穩定性的影響

在乳化液中乳化液滴受浮力和重力的作用。由于油相密度小于水相密度，所以液滴在溶液中都趨于上浮。根據流體學中液滴在流體中的運動公式，即斯托克斯公式Vs=2Δρgr2/9η，可推測出乳化液滴上浮速率與液滴平均粒徑平方成正比，換言之，乳化液的乳析速率與乳化液滴平均粒徑的平方成正比。所以，乳化液滴平均粒徑是表征乳化液穩定性的一個極其重要的參數。

由于乳化液滴的形狀是不規則的，在粒徑實際測量中通常用液滴表面積等效平均粒徑（d3，2）和體積等效平均粒徑（d4，3）表示乳化液滴平均粒徑。

蛋白濃度、pH、油相組分數等都能夠通過影響乳化液滴的平均粒徑而影響乳化液的穩定性。Petursson等［6］研究蛋白濃度和pH對鱈魚蛋白提取物乳化液穩定性影響時發現，隨著蛋白濃度提高，乳化液滴的d3，2逐漸減小，乳化液在此過程中趨于穩定。在低pH（pH 3～4）條件下均質，乳化液滴的d3，2大約在1μm左右，但是隨著pH的增大，d3，2迅速增加，到pH8時，d3，2大約是10μm，此時乳化液非常不穩定，并出現絮凝。Pan等［7］研究了蛋黃素濃度對乳化液穩定性的影響，發現隨著蛋黃素濃度的增高，乳化液滴的平均粒徑逐漸下降，蛋黃素濃度的提高顯著地降低了乳化液乳析速率，表明乳化液滴粒徑的降低增加了乳化液的乳析穩定性。Sun等［8］研究油相體積分數對乳化液滴平均粒徑的影響時發現油相體積分數越小，乳化液中乳化液滴的平均粒徑也越小，反之亦然。較小的乳化液平均粒徑（小于1μm）是保證乳化液穩定的重要因素，液滴越小，乳析速率越慢，乳化液就越穩定。

2.2 乳化液滴表面吸附蛋白濃度對乳化液穩定性的影響

在乳化液形成過程中，溶液中的蛋白質分子迅速吸附到油水界面上，它能降低兩相的界面張力，促進乳化液形成，并且還能形成一層保護膜。這層膜能保護油滴不被破壞，促使乳化液處于穩定狀態。乳化液滴表面單層蛋白的飽和濃度一般為2～3mg/m2，很多學者研究的結果表明，乳化液滴表面的蛋白膜厚度和蛋白濃度與乳化液的穩定性有直接的關系［9-10］。

Chapleau等［11］報道了高靜水壓作用對羽扇豆蛋白結構的影響發現，高壓處理后大分子蛋白更易被吸附，乳化液滴表面吸附的蛋白濃度顯著提高，從而有效促進了乳化液的穩定。Dickinson［12］在研究乳化液架橋絮凝和排斥絮凝數學模型時發現，在低吸附蛋白覆蓋率時，由于覆蓋率不夠，油相暴露，油滴為趨于穩定會和鄰近油滴共用蛋白，從而導致絮凝，形成極不穩定的乳化液；而在吸附蛋白高覆蓋率時，油滴完全被蛋白分子包裹，由于蛋白分子層的空間排斥、靜電排斥等作用，使乳化液更加穩定。

Castellani等報道［13］在乳化液形成的初始階段，蛋黃中脂蛋白迅速地吸附到油滴表面并發生重排，從而降低了油滴表面張力，并形成一層促使油滴分散且抗聚結的吸附蛋白膜。結果表明，蛋白高覆蓋率可有效降低界面張力，減少界面自由能，使乳化液更加穩定。據Euston和Hirst的報道［14］，脫脂乳蛋白在乳化液不會發生排斥絮凝的情況下，乳化液穩定性隨乳化液滴吸附蛋白濃度增加而增大。Dickinson和 Golding等發現［15］，在低蛋白覆蓋率（小于飽和吸附蛋白濃度的一半）時，由于酪蛋白乳化液會發生架橋絮凝，乳化液極不穩定；而隨著吸附蛋白濃度的提高，至乳化液滴表面蛋白完全飽和時，乳化液變得非常穩定（能保持穩定數周）。由此可見，乳化液滴表面蛋白濃度對乳化穩定性至關重要。

2.3 乳化液滴表面電荷對乳化液穩定性的影響

一般來說，蛋白質乳化液中的乳化液滴都帶有電荷，這主要是因為天然蛋白分子自身帶有可電離的基團，或者油滴吸附了帶電荷的物質。根據雙電層理論，液滴之間的相互作用依賴于zeta電位的強度而不是表面電荷，因此zeta電位可被用來預測乳化液穩定性。表面電荷多少與界面上蛋白質的電荷量、蛋白濃度以及水相中的pH、離子組成有關。表面電荷對乳化液滴的行為非常重要，它影響著乳化液滴之間和乳化液滴與帶電物質之間相互作用的程度，是決定乳化液穩定性非常重要的因素。

Sarkar等報道［16］，在中性pH范圍內，乳鐵蛋白和β-乳球蛋白分別形成陽離子和陰離子乳化液，它們的zeta-電位分別是+50mV和-60mV。在該條件下，脂肪球表面被乳鐵蛋白和β-乳球蛋白包裹著，在它們的表面分布著很均勻的、比較強的正電荷和負電荷，乳化液滴之間相互排斥，使得乳化液體系非常穩定。在此條件下，乳化液滴之間的靜電斥力是決定乳化液穩定性的主要因素。此外，他們還發現，在添加低濃度鹽條件下，由乳鐵蛋白穩定的乳化液的zeta-電位從50mV降至27mV，乳化液開始不穩定，并出現絮凝。這主要是由于靜電屏蔽作用降低了乳化液滴表面的靜電荷，使液滴之間的靜電斥力降低造成的，表明離子強度能夠通過影響液滴表面的電荷性質達到影響乳化液穩定性的目的。最后，他們還發現，Ⅱ型豬胃粘蛋白是一種帶負電的無規則卷曲狀的蛋白分子，隨著添加粘蛋白濃度的增加，粘蛋白被不斷吸附到乳鐵蛋白上，電位隨著添加量的增多而降低。當電位降低到0mV時，乳化液極不穩定并生成絮凝，而當繼續添加粘蛋白后，隨著負電位的增大，乳化液反而逐漸趨于穩定，表明乳化液滴表面凈電荷是維持乳化液穩定的重要因素，乳化液滴表面的凈電荷越多，乳化液越穩定。

Hong和McClements［17］研究了β-乳球蛋白乳化液在不同pH范圍內的穩定性，通過測量不同pH下乳化液滴的zeta-電位得出，在低pH范圍（pH3～4），乳化液非常穩定。這是因為在此條件下乳化液滴表面帶有較多的正電荷，液滴之間產生了很強的排斥作用。同時他還研究了加入殼聚糖對液滴表面電位的影響，液滴因吸附帶正電的殼聚糖分子而影響了液滴表面電荷的分布。在低pH時由于液滴和殼聚糖都帶有較多的正電荷，殼聚糖并不能有效的吸附到液滴上，所以對液滴表面的電荷分布影響很小；隨著pH的增大，液滴表面的β-乳球蛋白呈負電性，帶正電的殼聚糖吸附增多，大約在pH6.5時zeta電位降為零。由于乳化液滴之間的排斥力急劇減少，乳化液此時發生明顯的絮凝。Koupantsis等［18］和Petursson等［6］的研究也都證實了乳化顆粒表面的電荷對乳化液穩定性至關重要。

綜上所述，鹽、pH、多糖和蛋白都能改變液滴表面電荷的分布，并對乳化液的穩定性產生很重要的影響。乳化液滴表面的凈電荷分布是影響乳化液穩定性另一個非常重要的因素。

2.4 乳化液滴與其他組分的相互作用對乳化液穩定性的影響

乳化液滴在乳化液中能和其他液滴或組分發生作用而影響乳化液的穩定性。乳化液中乳化液滴之間的相互作用可用液滴間勢能ω（h）表示，它的定義為：將兩個相距無窮遠的乳化液滴移動到兩液滴表面相距為h時所需的能量。范德華力、空間作用、疏水相互作用、靜電作用力、排除作用等作用決定了乳化液中乳化液滴之間的液滴勢能。這些作用力的方向、大小、范圍均是變化的。乳化液中每個作用力都對乳化液穩定性起單一作用，但是各種作用的合力隨液滴間距和乳化液的環境變化而變化［19］。乳化液中兩個乳化液滴相互接近并發生作用需要克服由以上作用形成的能壘。當引力起主導作用時，乳化液滴趨于聚集；當斥力起主導作用時，乳化液滴趨于分散。近些年關于膠體之間相互作用的研究很多，這些研究成果都很好地證實了這些作用力對乳化液穩定性的影響。

2.4.1 乳化液滴與乳化液中未吸附大分子間相互作用 當兩個乳化液滴之間的距離接近到未吸附分子的有效直徑內時，自由的未被吸附的大分子會被乳化液滴排除出兩液滴之間的區域，此時兩個液滴會因為排除區域的滲透壓比周圍區域的滲透壓小而促使乳化液滴之間相互吸引，從而發生聚集［12］，由這種作用引起的乳化液的聚集稱為排斥絮凝。當乳化液中存在其它大分子時，乳化液聚集的性質和程度不僅取決于乳化液滴上吸附蛋白和大分子的相互作用，也取決于溶液中大分子物質與乳化液滴的相互作用。對于不被吸附的大分子來說，低濃度的大分子物質容易使乳化液產生排斥絮凝［20］。由乳化液中未被吸附的大分子引起乳化液滴相互作用而導致的乳化液排斥絮凝現象在食品乳化液中非常常見。Drakos和Kiosseoglou［21］研究了脫水蛋清對雞蛋沙拉醬的影響后發現，蛋清蛋白吸附到乳化液滴表面的量非常少，它大部分都游離在溶液中，加入蛋清蛋白使乳化液穩定性降低，并且加入量越多乳化液越不穩定。由于乳化液滴表面已經完全被蛋黃蛋白飽和，乳化液的不穩定性不是架橋絮凝引起，所以由蛋清蛋白引起的排斥絮凝是造成乳化液不穩定的主要原因。Euston和Hirst［14］在研究酪蛋白乳化性時發現，在低濃度時，隨著酪蛋白濃度增高乳化液的穩定性增強，但是增加到一定濃度，乳化液又轉變成不穩定狀態。這主要是因為在低濃度時，隨著酪蛋白濃度的增加，乳化液滴表面的蛋白覆蓋率隨之增大，所以乳化液越來越穩定；而當吸附蛋白在表面達到飽和后，隨著酪蛋白濃度的提高，游離的酪蛋白分子也越多，游離的酪蛋白分子形成大分子量的蛋白束并引起排斥絮凝而造成乳化液的不穩定。這說明由游離的高分子物質引起的乳化液滴的排除作用是引起乳化液不穩定的一個重要因素。

2.4.2 乳化液滴與可吸附大分子的相互作用 大分子物質吸附到由蛋白分子穩定的乳化液滴表面形成次級吸附層，次級吸附層的性質對乳化液滴間的相互作用影響很大。通常這種大分子物質是通過靜電作用力、疏水相互作用、氫鍵等作用力吸附到蛋白膜上，它增加了油滴表面保護膜的厚度，改變了蛋白保護膜伸展并溶解在水相中部分的結構，并形成一層空間保護膜，而且還改變了保護膜表面的電荷分布。這些改變極大地影響了乳化液液滴之間的相互作用，并直接影響乳化液穩定性。Jourdaina等［22］研究陰離子多糖對酪蛋白乳化液穩定性的影響時發現，陰離子多糖通過靜電作用在乳化液滴表面形成的次級層對乳化液穩定性影響很大。在低于等電點pH條件下，兩相界面上的酪蛋白與黃原膠帶相反的電荷，黃原膠在乳化液滴外層形成一層穩固的帶負電荷吸附層，此時，乳化液的穩定性比在同條件下酪蛋白油水乳化液的穩定性要高很多。這說明乳化液滴與溶液中加入的可吸附物質的相互作用是影響乳化液穩定性的一個重要因素。加入合適量可吸附高分子物質可以提高乳化液穩定性。

然而，如果大分子物質沒有飽和兩相界面或者大分子物質和蛋白相互作用不強烈，就可能會導致架橋絮凝；如果大分子物質濃度過高，則大分子有可能在連續相中形成三維網狀結構，從而束縛了液滴的運動。Dickinson和Pawlowsky［23］報道在pH6，低離子濃度條件下，向穩定牛血清蛋白（BSA）乳化液中加入中等濃度的ι-卡拉膠能誘導乳化液產生架橋絮凝，但是，當pH7時，ι-卡拉膠由于和液滴的作用過弱，乳化液不能產生絮凝；在相同條件下向BSA穩定的乳化液中加入帶電性更強的葡聚糖，這種現象又會發生，但加入高濃度的ι-卡拉膠，乳化液又變穩定，這是由于ι-卡拉膠在水相中形成凝膠，束縛了乳化液滴，阻止了它們的聚集，所以乳化液又趨于穩定。

3 展望

綜上所述，乳化液是一個熱力學不穩定的多相體系，由于蛋白自身的特性，我們可以通過改變吸附蛋白的性質來改變乳化液的乳化特性。乳化液滴自身性質是決定乳化性質的決定因素，外界因素都是通過影響它的自身性質而影響乳化液的穩定性的。目前研究已經探索出了部分蛋白乳化液不穩定現象發生的原因，并抽象出了不穩定機制過程發生的模型，但是進一步地對乳化過程中蛋白的吸附動力學過程，蛋白吸附到兩相界面上后構象的改變，蛋白膜的流變學特性和組成，大分子物質（多糖等）與蛋白相互作用對乳化液的影響及消化過程對乳化液的影響等具體的、微觀的研究還需要開展。另外，目前對動物蛋白比如牛奶中的乳清蛋白和酪蛋白的乳化液的研究已經比較多，但是對從植物中提取的蛋白的乳化特性的研究還非常少，這也是我們今后研究工作的開展方向。

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Research progress in the factors influencing the stability of protein-stabilized emulsion

GUO Qing，MU Tai-hua*
（Institute of Agro-Food Science and Technology，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193，China）

Protein is the surface-active compound.The properties of oil droplets covered by protein moleclues including particle size，surface charge，adsorbed protein amount and interactions between particles and other components were considered as main factors influencing emulsion stability.Research progress in the effect of properties of protein-coated oil droplets on emulsion stability were reviewed in this paper and its development trends were also concluded.

emulsion stability；influencing factors；properties of emulsion droplets；mechanism

TS201.2+1

A

1002-0306（2010）12-0389-04

2009-11-12 *通訊聯系人

郭慶（1984-），男，碩士研究生，研究方向：食品化學與營養。

現代甘薯農業產業技術體系建設專項資金資助（nycytx-16 -B-16）；河北省雜糧加工增值、綜合利用技術研究與開發課題（08230907Z-2-2）。