疏水蛋白及其他因素對液體氣泡的影響

潘天齊 Brent Murray 孫桂菊

蛋白質是自然界中最常見的表面活性聚合物，它們通常同時含有疏水性和親水性的氨基酸，可以吸附在幾乎任何兩個不同相之間的疏水性和親水性的界面，例如空氣-水界面，從而形成非常穩定的膜，并因此向薄膜、泡沫、乳液和分散體提供顯著的穩定特性，二類疏水蛋白便是這樣一類表面活性很高的剛性蛋白質。由于二類疏水蛋白易溶于水，也易溶解于十二烷基硫酸鈉（SDS）或乙醇中，所以適于應用在食品工業中。溶解反應是一個氣泡緩慢皺縮的過程。由于不同大小泡沫間的拉普拉斯壓力差，氣體會從小氣泡向大氣泡擴散。盡管這是一個緩慢的過程，但仍很難在產品的長期貯存中防止其發生。于是在泡沫表面吸附蛋白質形成薄膜被認為是一種抑制該過程的方法。但以往對泡沫和乳液的研究表明，幾乎所有的蛋白質薄膜都會因其粘彈性而最終衰退，從而發生吸附層的緩慢蠕變與塌陷。然而疏水蛋白可以作為一種粒子穩定劑，而不是展開的聚合蛋白層，所以它會成為一個例外。在以往的研究中二類疏水蛋白也展現了它對泡沫穩定性的提升效果比其他蛋白質更好，因而它的特性和使用過程中會產生影響的因素也十分值得進一步探討。

材料與方法

樣品準備。二類疏水蛋白樣品由聯合利華提供，冷凍儲藏。每次使用前將二類疏水蛋白在室溫下解凍30分鐘并進行一分鐘的45 KHz的超聲波處理。所使用的磷酸鹽緩沖液pH值衡定為7，所有的化學物質和緩沖溶液都分別由分析天平和電子秤精確稱量，碳酸蘇打水由Heritage公司提供。大多數實驗中二類疏水蛋白溶液的濃度被調配為3×10-3 wt.%，但在一次實驗中其濃度被調配為7×10-3 wt.%。

實驗方法。

實驗應用了圖1所示的氣泡裝置。整個加壓室被填滿溶液，但觀察室上方留有空氣。溶液填充后密封，在電腦上設置活塞上升距離、循環次數和每次循環后的等待時間。活塞被釋放上升會使觀察室里的液面下降而其上方空氣的體積上升但質量不變，從而降低壓力，產生氣泡并使其膨脹。活塞每一次上升再下降回到原位稱為一個循環，其上升的距離可用于公式計算出系統內壓力的變化。在觀察室中的氣泡在生成后會迅速上升至液面，實驗完成后從液面提取少量樣品滴在載玻片上，用一臺與電腦連接的顯微鏡觀察。獲取的氣泡圖像可用于測量、計數，以繪制氣泡尺寸分布線形圖，并算出氣泡的平均尺寸和標準差，用于分析數據。

實驗結果

圖 2 液面樣品的顯微圖像。條件為：（a）0.86個標準大氣壓；7×10-4 wt.%的二類疏水蛋白濃度；120秒等待時間；20個循環，液面未觀測到氣泡； （b）相比于（a）二類疏水蛋白濃度增至3×10-3 wt.%，明顯觀察到有許多氣泡；（c）相比于（b）蘇打水含量增至20%，氣泡數明顯增多，且互相擠壓粘連；（d）相比于（c）等待時間增至240秒，氣泡變得更均勻，未擠在一起；（e）相比于（c）循環次數增至500次，液面未觀測到氣泡。（b）和（d）的氣泡平均尺寸分別為58±13 μm、70±15 μm。

圖3 液面樣品的顯微圖像。（a）、（b）、（c）共同條件為：0.86個標準大氣壓；3×10-3 wt.%的二類疏水蛋白濃度；240秒等待時間；含5%蘇打水。循環數分別為：（a）5個循環；（b）10個循環；（c）20個循環。可觀測到少量形狀很不規則的氣泡。氣泡平均尺寸分別為54±14 μm、50±13 μm、51±10 μm。（d）為將（c）的液面樣品放置20小時后放大4倍的顯微圖像，氣泡均皺縮干癟。（e）相比于（b）壓降強度增大，為0.79個標準大氣壓，其余條件一致，平均尺寸為61±29 μm，氣泡數量明顯增多。

圖4 含20%蘇打水和5%蘇打水的溶液的氣泡尺寸分布曲線圖。

圖4顯示了含不同含量蘇打水的溶液所產生氣泡的尺寸分布。含20%蘇打水對應顯微圖像為圖2（d），曲線在80 μm處有一個峰值，平均尺寸為70±15 μm；含5%蘇打水對應顯微圖像為圖3（c），曲線在54 μm處有一個峰值，平均尺寸為51±10 μm。

圖5 壓降為0.86個標準大氣壓和0.79個標準大氣壓的實驗的氣泡尺寸分布曲線圖。

圖5顯示了在不同壓降下所產生的氣泡尺寸分布。低強度壓降代表壓降至0.86個標準大氣壓，對應顯微圖像為圖3（b），高強度壓降代表壓降至0.79個標準大氣壓，對應顯微圖像為圖5。從曲線圖和顯微圖像中可以看出當壓降至0.79個標準大氣壓時，氣泡數量更多，尺寸的分布范圍更廣，氣泡間尺寸差異較大，平均尺寸為61±29 μm，顯著大于當壓降至0.86個標準大氣壓時的平均尺寸50±13 μm。

討論

根據實驗結果得到了以下會影響氣泡生成、形態和穩定性的因素，并對其背后的原理進行了分析：

二類疏水蛋白的濃度。二類疏水蛋白濃度與氣泡穩定性呈正相關。當濃度足夠高時，氣泡表面會吸附上足量的蛋白質，于是在橫向方向上的蛋白質間相互作用會驅使疏水蛋白在界面處形成高度有序的結晶膜，并具有非常高的表面切變模量，降低了水的表面張力，穩定氣泡。

二氧化碳的濃度。蘇打水中含有大量二氧化碳，其在溶液中的濃度與氣泡尺寸和數量均呈正相關。二氧化碳氣體易溶于水，在減壓釋放時有助于大量氣泡的產生，且由于氣體的增多，氣泡的體積也會更大。

壓降的循環次數。蛋白質分子在靠近到一定程度后將無法再被推近，這種分子間相互作用使它們的緊密組合很難被壓縮，從而提升了氣泡的穩定性。但是這種剛性蛋白質膜無法避免分子的間距因氣泡變大而變大，所以當再次進行壓降過程時氣泡會擴張表面，使表面上的蛋白質分子分開并產生空隙，氣體從中溢出，反復多次后氣泡會變得越來越小直至溶解。但一開始由于每次壓降的過程中溶液中所溶氣體會形成新的氣泡，所以氣泡的數量會增加。之后一些氣泡在多次表面擴張下氣體全部流失而徹底溶解，但新氣泡的產生會使氣泡總量維持動態平衡。最終溶液中所溶氣體越來越少，導致新氣泡的數量下降，動態平衡被打破，氣泡總數不斷下降直至不再有氣泡產生。

壓降循環間的等待時間。在加入了蘇打水的情況下，二氧化碳溶于溶液中且溶解度遠高于空氣，在壓降過程中促成了許多氣泡的產生，因而氣泡中含有的是以二氧化碳為主的和空氣的混合氣體。相較于空氣，二氧化碳的流失速度更快，不過這個過程仍需要一段時間。所以如果每次循環之間的等待時間較短，則二氧化碳流失量很少，導致氣泡的數量很多、體積很大；但如果等待時間過長，例如將溶液靜置一個晚上，則在二氧化碳流失的同時，二類疏水蛋白同時也在吸附于氣泡表面，但二氧化碳流失速度快于疏水蛋白的吸附，最終氣泡內滯留的主要是空氣。這個過程中氣泡表面的蛋白分子在增加而內部氣體在減少，所以會引起氣泡形態上的緩慢皺縮，留下的氣泡會看起來非常褶皺且特別的小。

壓降的強度。當壓力下降時會促使溶于溶液的氣體形成氣泡并且表面擴張，所以增大壓降會產生更多氣體且體積更大，但同時這也會使氣體的溢出更快。一些氣泡在表面擴張時若吸附了足量的二類疏水蛋白，則它們會較好地保持自己的形狀和體積，但有的氣泡不能，所以在數次循環后氣泡間的尺寸差異巨大，在數據上表現為較大的標準差。

二類疏水蛋白吸附的過程。二類疏水蛋白的吸附是一個隨機的過程。在氣泡表面的某些部位可能會吸附上較多的蛋白質分子，而在另一些部位可能較少，那么在氣泡被擴張再恢復時，不均勻的表面蛋白質層會影響到氣泡的形狀。大多數氣泡會趨于橢圓，但也有個別氣泡的形狀會非常不規則，例如呈梭形。

結論

這是一個有關于二類疏水蛋白的基礎性研究，反映了其在應用中的諸多現象、推測了它在吸附過程上的微觀原理，并指出了在使用二類疏水蛋白的條件下影響氣泡生成、形態和穩定性的因素。第一，溶液中二類疏水蛋白濃度與氣泡穩定性呈正相關；第二，溶液中所溶二氧化碳的濃度與氣泡尺寸和數量均呈正相關；第三，適當數量的循環數會促進氣泡的生成，但進行過多次數的循環會導致氣泡的縮小或溶解；第四，適量的等待時間可促使氣泡形態變得均勻；第五，高強度的壓降可促使大體積氣泡的生成；最后，二類疏水蛋白的吸附是一個隨機的過程，會影響氣泡最終的形狀。

二類疏水蛋白在提升氣泡穩定性方面很有前景，在將來仍需更多的深入探究以鞏固目前的成果、獲得新的發現、并有效地投入于應用。

（作者單位：潘天齊 孫桂菊 東南大學公共衛生學院營養與食品衛生學系；Brent Murray 英國利茲大學食品科學和營養學院）