蛋白質和多糖在界面處的相互作用研究進展

董 磊，劉田靜，孔令姍，郭惠玲，李晨晨，超文正，俞 苓

(上海應用技術學院香料香精技術與工程學院，上海201418)

1 前言

蛋白質和多糖是兩種常用的功能性生物大分子［1］。蛋白質和多糖廣泛應用于食品、醫藥、化妝品等行業，在制備兩相或多相的泡沫、乳液時常被用作分散相［2］。泡沫和乳液是亞穩態體系，其穩定性取決于包覆乳液液滴和泡沫氣泡的界面膜［3］。分散相的組成和結構直接影響界面膜的性質，從而間接決定了分散體系的性質［4-6］。

眾所周知，蛋白質具有特殊的表面活性，其靜電和空間效應對乳液和泡沫的形成和穩定性發揮著非常重要的作用［3］。多糖強化分散體系穩定性是通過調節連續相的流變性及網狀結構，延遲相分離和重力引起的乳狀液分層而實現的。

蛋白質和多糖的凝聚和凝膠特性會影響食品的結構和質構。蛋白質和多糖混合后的協同效應可構建新的，功能性的納、微或宏觀結構，改變食品的力學和流動特性對改良食品，降低生產成本具有重要意義［7］。

本綜述主要集中在界面處蛋白質和多糖相互作用的研究進展。

2 蛋白質和多糖的界面行為

2.1 蛋白質的界面行為

蛋白質易于吸附在流體界面處。通常認為蛋白質在界面處會經歷以下過程:蛋白質通過擴散作用在界面形成層狀分布;蛋白質在界面處吸附并展開;界面處吸附的蛋白質片段結構重排。

蛋白質具有兩親性質。盡管大部分蛋白質中的極性和非極性氨基酸基團比例相似，但表面性質卻不盡相同。蛋白質不同表面活性與其構型、物理、化學性質有關，如分子形狀、大小、氨基酸序列和構型、電荷等。在混合體系中，蛋白質的表面活性還與體系的pH、溫度、離子強度以及和其他組分的相互作用等外部因素有關［8-10］。

從動力學觀點來說，蛋白質在界面處的不同行為會造成表面壓力變化率和表面擴張模量的變化總體來說，隨著溶液中的蛋白質濃度增加，表面壓力變化率以及表面擴張模量會隨著時間而增加。對于不同蛋白質以及不同的體系條件下(如pH)，表面壓力變化率和表面擴張模量也會出現明顯不同。Carrera［11］和 Molina［12］曾在研究大豆球蛋白和牛奶蛋白的界面性質時發現，無規則卷曲的牛奶蛋白形成界面膜所需濃度比大豆球蛋白要低幾個數量級，構型變化也比大豆球蛋白更加敏感，說明在研究所選表面壓力條件下，無論是形成分散膜還是吸附膜，大豆球蛋白和牛奶蛋白的擴張模量是不同的。

蛋白質還擁有優良的起泡性和乳化性［13-14］。不同的蛋白質的起泡性之和乳化性也是不同的。Maldonado等人［6］研究發現在中性或者酸性的水溶液中，植物蛋白的起泡性和乳化性不如牛奶蛋白。改變加工條件如加熱處理，乳清蛋白、7S球蛋白、β-乳球蛋白和牛血清蛋白的起泡性質和乳化性質會發生改變［15］。通過添加多糖類物質，并使其和蛋白質發生美拉德反應會使蛋清蛋白的乳化性得到改善［8］。

2.2 多糖的界面行為

果膠、阿拉伯膠、卡拉膠、黃原膠等是常用于食品乳液和泡沫體系中的多糖，具有親水性，不易于吸附在流體界面上，本身不具有表面活性［9］。個別文獻曾報道過多糖表現出界面活性，大多與多糖中含有的少量雜蛋白質質有關，與多糖本身并沒有直接關系［16］。因此通常認為，多糖本身不具有表面活性。

Siew等人［10］發現，果膠中含有5%左右的乙酰基，這大大增強了果膠的疏水性，使其擁有了表面活性在乳化過程中吸附到檸檬烯油上的甜菜果膠片段含有11%的蛋白質和2．16%阿魏酸，使得這個片段的乙酰化程度非常高，從而表現出明顯的表面活性。

阿拉伯膠廣泛應用于穩定飲料、蛋糕粉等風味油乳液產品。現在已經認識到阿拉伯膠的乳化性質是由于占了膠體總含量10%左右阿拉伯半乳聚糖蛋白以及1%左右的糖蛋白的存在引起的，這樣在當碳水化合物部分從表面伸展到水溶液中時，阿拉伯膠就可以吸附到油滴上，而對于阿拉伯膠這樣的膠體，總是不可避免的含有與其緊密交聯的蛋白質部分，因此在實際的使用過程中，通常認為阿拉伯膠是有表面活性的［17］。

纖維素多糖衍生物的表面活性也引起了廣泛關注。甲基纖維素(MC)，羧甲基纖維素(CMC)，羥丙基纖維素(HPC)，羥丙基甲基纖維素(HPMC)．乙基纖維素和羥丙基甲基纖維素均帶有疏水基團(甲基)和親水基團(羥基)的MC和HPMC，纖維素骨架上的疏水區域富含甲基基團，而親水區域富含羥基基團，這樣使得纖維素衍生物易于在氣液界面和油水界面聚集，形成穩定的界面膜，表現出表面活性甚至比牛奶蛋白還強［18］，被廣泛應用于食品領域。

多糖吸附到水油界面上產生增稠作用，形成彈性凝膠以及凝膠保護作用，這些都會影響到由多糖做穩定劑的水包油乳液的穩定性［19］。Rodríguez［20］曾報道，疏水修飾的羥乙基纖維素(HMHEC)對乳液的穩定作用主要是基于由HMHEC的烷基鏈的交聯增稠機理以及HMHEC吸附到水油界面上形成阻止液滴絮凝的固態膜。

3 蛋白-多糖復合物的界面行為

3.1 蛋白質-多糖復合物的界面行為概述

蛋白質和多糖分子之間可以通過共價鍵形成牢固的，永久性的交聯。蛋白質和多糖美拉德反應共價復合物可以顯著改善蛋白質的性能，如不溶性［21］。KATO等人［22］曾在研究面筋蛋白時發現，將葡聚糖和不溶解的面筋蛋白通過共價結合后形成的復合物在pH2～12的大范圍內都有很好的溶解性，而且面筋蛋白的乳化性也顯著增加。Nakamura等人［23］發現 通過美拉德反應在卵清蛋白上共價引入多糖的方法，比較了卵清蛋白、卵清蛋白與糊精的共價復合物對甲基亞油酸的相對氧化速度的影響，發現卵清蛋白與糊精的共價復合物較單一卵清蛋白具有更強的抗氧化能力。

蛋白質和多糖之間也存在非共價鍵相互作用(靜電作用、疏水相互作用，氫鍵作用等)。控制體系的pH，可改變蛋白質和多糖之間相互作用強度，影響吸附膜的界面性質，對分散體系的形成和穩定性有重要意義。當體系pH＜PI(蛋白質等電點)，帶正電的蛋白質和帶負電的多糖之間會發生強烈的靜電吸引;當體系pH≥PI，帶負電的多糖和靜電荷為零或帶負電的的蛋白質會形成弱可逆復合物。

3.2 交聯作用條件下蛋白質-多糖復合物的界面行為

蛋白質-多糖復合物的交聯作用以及它們在食品乳液和泡沫中的性能已經成為近些年來的研究熱點［20，24-26］。蛋白質多糖復合物擁有非常高的表面活性，可以增加分散介質的粘度，促進凝膠的形成，還可以使吸附層增稠，所以經常使用兩者的復合物作為乳液和泡沫的穩定劑［27］。

決定界面膜表面壓力、表面擴張流變和剪切流變性質的最關鍵因素包括:

a．體相中蛋白質多糖之間的靜電作用，靜電作用受到生物高分子的電荷密度以及其混合比例影響;

b．生物高分子在界面上的吸附順序，是同時吸附還是有序依次吸附。

蛋白質和多糖的混合可以減緩表面壓力的增加。Ganzevles［28］曾經在研究中發現，β-乳球蛋白和低甲氧基果膠混合后，體系的表面壓力增長速率降低了100多倍，大大降低泡沫的含量。果膠吸附到界面處的蛋白質層上，兩者之間因負電荷相互排斥作用，使表面擴張模量增加，無法形成緊密結構的界面分子層。

隨著現代檢測手段和分析方法不斷發展，使研究界面處蛋白質多糖復合物的分子性質以及界面層性質成為可能。

Kudryashova等人［29］就曾利用吊球張力儀和各向異性熒光技術研究了卵清蛋白和果膠復合物在體相中以及氣液界面上的分子性質，他們指出，在體相中，卵清蛋白和果膠的復合物的形成，會促使不同空間排列的緊密結構的形成，造成蛋白質在氣液界面上的吸附量明顯降低，而體相的黏度增加。

Ganzevles［30］利用中子反射技術研究了 β-乳球蛋白/低甲氧基果膠復合物(pH4．5)的電荷對吸附層的分子結構的影響。發現復合物在界面處不會形成厚度均勻的膜。混合膜的第一層為蛋白質單分子層，第二層為多糖(有序吸附)或者蛋白質-多糖復合物(同時吸附)分子層，第二分子層通常沒有第一分子層粘稠。同時吸附和有序吸附共同作用形成的中性復合物吸附分子層比負電復合物形成的分子層要粘稠得多，同時吸附形成的界面膜比有序吸附形成的界面膜更薄，第一分子層蛋白質含量更少。蛋白質-多糖復合物吸附蛋白質，而多糖可吸附在復合物外層蛋白質上(多糖本身沒有表面活性)。通過時間分辨率各向異性熒光測試發現，由于蛋白質無法輕易穿越復合物分子層，最外層多糖可以阻礙在界面處形成粘稠的蛋白質層。

阿拉伯樹膠含有2%～4%左右的表面活性片段，可降低溶液的表面張力，Schmitt［25］在研究 β-乳球蛋白和阿拉伯樹膠復合物在氣液界面的行為時發現，β-乳球蛋白溶液比形成電中性的β-乳球蛋白和阿拉伯樹膠復合物溶液的界面彈性模量要低30%，而表面張力兩者卻相似。

3.3 熱力學有限相容條件下蛋白質-多糖復合的界面行為

當體系處于熱力學有限相容的條件時，由于有多糖存在，蛋白質吸附到流體界面上時會出現以下三種現象:a．多糖和蛋白質競爭吸附到界面上;b．多糖通過靜電吸引或者氫鍵與已經吸附的蛋白質形成復合物;c．由于蛋白質和多糖之間的有限熱力學相容性，多糖使吸附的蛋白質發生濃縮［31］。

經過a、b過程，多糖分子就可以停留在界面膜上，而多糖一旦進入界面層或者通過復合物連接，就會顯著改善界面處蛋白質的熱力學活性。即使多糖不直接參與構成界面(如a、b兩個過程所述)，但由于蛋白質和界面附近的多糖之間存在的熱力學有限相容性，會使已經吸附的蛋白質發生濃縮，從而間接的影響界面的性質。

表面活性多糖和無表面活性多糖與蛋白質都可以發生相互作用，但是兩者參與界面構成的機制卻不同。

具有表面活性的多糖和蛋白質之間主要是通過競爭性吸附，吸附到界面上，從而對界面性質造成影響，兩種生物大分子復合物在流體界面處會有最大協同作用。Rosa Baeza［32］研究了β-LG和表面活性多糖混合體系在氣液界面處的界面性質，以及它們在中性pH7時對泡沫性質的影響。他們還分析了不同酯化度的藻酸丙二醇酯(PGA)。他們從吸附和分散混合單分子層的研究中得到的結果揭示了PGA的重要作用，這與這些生物高分子的相對濃度有關。有表面活性的PGA和蛋白質競爭吸附到界面上。它們表現出明確的競爭性行為以及額外的協同行為，這與它們的濃度和分子結構有關。

無表面活性多糖可以通過靜電吸引或者氫鍵與吸附到表面的蛋白質發生相互作用。在有限熱力學相容性條件下(在蛋白質等電點以上)，體相中或者界面處，帶正電荷的多糖和帶負電的離子型多糖之間會通過弱靜電發生相互作用。氫鍵作用主要出現在中性多糖中。

多糖的電荷密度是蛋白質/多糖復合物溶解性的主要決定因素［33］。復合物中如果有帶充足凈電荷或者足量不帶電荷的(溶解性好)的糖單元就可以抑制復合物絮凝。這種體相行為會對表面流變性質造成相當程度的影響。而且，多糖電荷密度越高，在氣液界面處越多的蛋白質分子形成緊密吸附層的過程會被抑制，這也會導致表面壓力和膨脹模量的增加被抑制。所以，控制蛋白質-多糖混合物體系的電荷密度性質可以控制氣液界面吸附層的性質。

Baeza［31］發現，在有黃原膠存在時，β-乳球蛋白界面膜的表面壓力會急劇增加。黃原膠通過復合機理a參與到界面上。β-乳球蛋白界面膜的彈性和表面膨脹模量降低，表明黃原膠和蛋白質相互作用影響蛋白質構型。由于熱力學有限相容現象的影響，乳清蛋白和黃原膠之間會出現局部凈吸引力。蛋白質-多糖相互作用在界面處和體相中有所不同，原因可能是界面處蛋白質構型改變引起的。

4 展望

近年來，科學工作者對蛋白質-多糖復合物進行了較深入研究，引入了各種新的微觀結構分析手段，對于復合物界面行為以及作用機理的認識逐漸清晰。但是對于蛋白質和多糖形成復合物的具體結構認識仍受限于現有檢測手段，而復合物的生物活性以及其在食品、化妝品、藥品中的功效研究卻鮮有文獻報道，尚需進一步深入研究。

［1］鐘芳，麻建國，王璋，等．蛋白質—多糖共價復合物［J］．食品科技，2000，5:12-15．

［2］Benichou A，Aserin A，Garti N．Protein-polysaccharide interactions for stabilization of food emulsions［J］．Journal of Dispersion Science and Technology，2002，23(1-3):93-123．

［3］Dickinson，E．An introduction to food colloids［M］．Oxford:Oxford University Press，1992．

［4］Kr?gel J，Derkatch S R，Miller R．Interfacial shear rheology of protein-surfactant layers［J］．Advances in colloid and interface science，2008，144(1):38-53．

［5］ KotsmarC，PradinesV，Alahverdjieva V S，etal．Thermodynamics，adsorption kineticsand rheology ofmixed protein-surfactant interfacial layers［J］．Advances in colloid and interface science，2009，150(1):41-54．

［6］Maldonado-Valderrama J，Patino J M R．Interfacial rheology of protein-surfactant mixtures［J］．Current Opinion in Colloid ＆Interface Science，2010，15(4):271-282．

［7］Benichou A，Aserin A，Garti N．Protein-polysaccharide interactions for stabilization of food emulsions［J］．Journal of Dispersion Science and Technology，2002，23(1-3):93-123．

［8］Kato A，Minaki K，Kobayashi K．Improvement of emulsifying properties of egg white proteins by the attachment of polysaccharide through Maillard reaction in a dry state［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1993，41(4):540-543．

［9］Morris V J，Stephen A M．Food polysaccharides and their applications．Stephens，AM，Ed，1995:341-375．

［10］Siew C K，Williams P A，Cui S W，et al．Characterization of the surface-active components of sugar beet pectin and the hydrodynamic thickness of the adsorbed pectin layer［J］．Journal of agricultural and food chemistry，2008，56(17):8111-8120．

［11］Carrera Sánchez C，Molina Ortiz S E，Rodríguez Ni?o M R，et al．Effect of pH on structural，topographical，and dynamic characteristics of soy globulin films at the air-water interface［J］．Langmuir，2003，19(18):7478-7487．

［12］Ortiz S E M，Sánchez C C，Rodr?'guez Ni?o M R，et al．Structural characterization and surface activity of spread and adsorbed soy globulin films at equilibrium［J］．Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2003，32(1):57-67．

［13］Mitchell J R．Foaming and emulsifying properties of proteins［J］．Developments in food proteins，1986，4:291-338．

［14］Pearce K N，Kinsella J E．Emulsifying properties of proteins:evaluation of a turbidimetric technique［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1978，26(3):716-723．

［15］Kato A，Osako Y，Matsudomi N，et al．Changes in the emulsifying and foaming properties ofproteins during heat denaturation［J］．Agricultural and Biological Chemistry，1983，47(1):33-37．

［16］Dickinson E．Hydrocolloids at interfaces and the influence on the properties of dispersed systems［J］．Food hydrocolloids，2003，17(1):25-39．

［17］Padala S R，Williams P A，Phillips G O．Adsorption of Gum Arabic，Egg White Protein，and Their Mixtures at the Oil-Water Interface in Limonene Oil-in-Water Emulsions［J］．Journal of agricultural and food chemistry，2009，57(11):4964-4973．

［18］Arboleya J，Wilde P J．Competitive adsorption of proteins with methylcellulose and hydroxypropyl methylcellulose［J］．Food hydrocolloids，2005，19(3):485-491．

［19］Akiyama E，Kashimoto A，Fukuda K，et al．Thickening properties and emulsification mechanisms of new derivatives of polysaccharides in aqueous solution［J］．Journal of colloid and interface science，2005，282(2):448-457．

［20］Rodríguez Patino J M，Pilosof A M．Protein-polysaccharide interactions at fluid interfaces［J］．Food Hydrocolloids，2011，25(8):1925-1937．

［21］王延青，郭興鳳．蛋白-多糖共價復合物及其應用研究進展［J］．中國食品添加劑，2009，5:27．

［22］Kato A，Shimokawa K，Kobayashi K．Improvement of the functional properties of insoluble gluten by pronase digestion followed by dextran conjugation［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1991，39(6):1053-1056．

［23］Nakamura S，Kato A，Kobayashi K．Enhanced antioxidative effect of ovalbumin due to covalent binding of polysaccharides［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1992，40(11):2033-2037．

［24］Cooper C L，Dubin P L，Kayitmazer A B，et al．Polyelectrolyte-protein complexes［J］．Current opinion in colloid ＆ interface science，2005，10(1):52-78．

［25］Dickinson E．Interfacial structure and stability of food emulsions as affected by protein-polysaccharide interactions［J］．Soft Matter，2008，4(5):932-942．

［26］Turgeon S L，Schmitt C，Sanchez C．Protein-polysaccharide complexes and coacervates［J］．Current Opinion in Colloid ＆Interface Science，2007，12(4):166-178．

［27］ Ye A．Complexation between milk proteins and polysaccharides via electrostatic interaction:principles and applications-a review［J］．International journal of food science ＆technology，2008，43(3):406-415．

［28］Ganzevles R A，Cohen Stuart M A，Vliet T V，et al．Use of polysaccharides to control protein adsorption to the air-water interface［J］．Food Hydrocolloids，2006，20(6):872-878．

［29］Kudryashova E V，Visser A J，van Hoek A，et al．Molecular details of ovalbumin-pectin complexes at the air/water interface:a spectroscopic study［J］．Langmuir，2007，23(15):7942-7950．

［30］Ganzevles R A，Fokkink R，Van Vliet T，et al．Structure of mixed＜i＞ β-lactoglobulin/pectin adsorbed layers at air/water interfaces;a spectroscopy study［J］．Journal of colloid and interface science，2008，317(1):137-147．

［31］Rodríguez Patino J M，Pilosof A M．Protein-polysaccharide interactions at fluid interfaces［J］．Food Hydrocolloids，2011，25(8):1925-1937．

［32］Baeza R，Carrera Sanchez C，Pilosof A M，et al．Interactions of polysaccharides with β-lactoglobulin adsorbed films at the airwater interface［J］．Food Hydrocolloids，2005，19(2):239-248．

［33］Ganzevles R A，Kosters H，van Vliet T，et al．Polysaccharide charge density regulating protein adsorption to air/water interfaces by protein/polysaccharide complex formation［J］．The Journal of Physical Chemistry B，2007，111(45):12969-12976．