蛋白質-阿拉伯膠體系乳液制備及其應用研究進展

李英溥，韓倩，周童欣，劉小娜，劉溫霞，王慧麗

（齊魯工業大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東 濟南 250353）

阿拉伯膠（gum arabic，GA）又名金合歡膠，為豆科金合歡樹種黏稠滲出物經干燥而得，是一種天然的植物樹膠，是美國食品與藥品管理局（Food and Drug Administration，FDA）最早批準的可應用于食品的親水膠體之一。阿拉伯膠是一種含有鈣、鎂、鉀、鈉鹽以及少量蛋白質的雜多糖。研究表明，阿拉伯膠中主要含有6種糖單元，包括吡喃半乳糖、吡喃阿拉伯糖、呋喃阿拉伯糖、吡喃鼠李糖、吡喃葡萄糖醛酸和4-O-甲基吡喃葡萄糖醛酸[1]。阿拉伯膠中的多肽鏈含有多種氨基酸，如羥基脯氨酸、絲氨酸、脯氨酸等，這些氨基酸可與多糖形成化學鍵鏈接。通過凝膠滲透色譜法和激光光散射法聯用對阿拉伯膠的組分分離，可鑒別出阿拉伯膠主要包含3種組分，即阿拉伯半乳聚糖（arabinogalactan，AG）、阿拉伯半乳聚糖蛋白（arabinogalactan-proteins，AGP）和糖蛋白（glycoprotein，GP），其中 AG 含量最高，約占總膠量的88%，AGP含量約10%，GP含量最少。阿拉伯膠是典型的“高濃低黏”型膠體，具有高溶解性及較低的溶液黏度，配制成50%濃度的水溶液后仍具有流動性是許多其他親水膠體所不具備的特點之一[2]。

蛋白質是一種復雜的有機化合物，是通過肽鏈將氨基酸按照不同比例組合起來的大分子多肽，是生命的物質基礎，人體中蛋白質約占全部質量的18%。蛋白質種類很多、性質不同、功能各異，根據來源可分為動物性蛋白質和植物性蛋白質。動物性蛋白質在人體內吸收率高、營養價值高，植物性蛋白質雖也具有多種生理保健功能，但與動物性蛋白質相比，植物性蛋白質無論是利用率還是適口性均較差。組成蛋白質的主要氨基酸有20多種，分子結構中主要含有氨基、羧基、酰胺基等基團，化學反應活性大，可與很多化合物發生反應。蛋白質是天然大分子，具有可降解性，隨著近年來提取分離純化技術的完善，在乳液制備、生物可降解材料、藥物傳送、再生醫學等領域中受到廣泛關注。

油和水兩種液體之間存在著很強的界面張力，即使高速剪切也不能使其共混。在油水體系中加入兼有親水/親油性的表面活性劑，能夠降低界面張力，降低體系內能，從而使油水兩相混合，其中一種液體離散為液滴，分散于另一種液體中，成為乳液。微納米尺寸的固體顆粒在油水界面吸附，替代傳統表面活性劑，也可制得水包油、油包水及多重乳狀液，并且乳液性能優異，這種乳液被稱為Pickering乳液。SiO2、TiO2、蒙脫石等無機顆粒制備Pickering乳液理論逐漸成熟，近年來，越來越多的有機類顆粒，如微凝膠[3]、苯乙烯微球[4]、多糖[5-7]、蛋白質[6]等被發現具有優良的乳液制備性能。蛋白質、阿拉伯膠作為天然高分子類化合物，具有可再生、環保、可生物降解等優點，蛋白質-阿拉伯膠體系表現出優異的乳化性能，本文綜述蛋白質-阿拉伯膠體系對乳液穩定性的影響，以及蛋白質-阿拉伯膠體系穩定的功能性乳液的研究進展，為制備食品、醫藥領域乳液提供參考。

1 蛋白質和阿拉伯膠的乳化性

蛋白質作為乳化劑在食品領域中應用廣泛，乳化性是蛋白質廣泛應用的特性之一[8]。蛋白質具有表面活性分子的特征，分子結構中既有親水基團又有疏水基團，可以單層或多層吸附在油水界面，分子間可以通過非共價鍵相互作用形成凝膠狀結構，從而達到有效阻隔油水效果[9]。蛋白質多肽鏈間通過氫鍵、離子鍵、范德華引力、二硫鍵等作用形成了多級復雜結構，這些鍵在熱、pH值、鹽等環境因素誘導下易被破壞，導致蛋白質表面性質和三維空間結構受到影響，蛋白質變性，最終易導致蛋白質穩定的乳液失衡[10-11]。

阿拉伯膠是一種天然陰離子多糖，其水溶膠體的球狀結構賦予其獨特性能，是區別于其他多糖的獨特表現形式，在50%濃度下仍可保持較低黏度[12]。阿拉伯膠具備一定乳化能力，對膠體具有保護或穩定的作用，能在較大pH值范圍內（pH2～10）對大多數的油起到穩定的乳化作用，是一種應用范圍較廣的乳化劑，能夠廣泛地用于制備各種水包油食品乳液體系。在乳化過程中AGP能夠吸附在油水界面上，通過空間位阻作用形成一個穩定的彈性膜，降低油水間的界面張力，被認為是阿拉伯膠能夠穩定乳液的根本原因[13-14]。阿拉伯樹膠中AGP組分含量越多、分子量越大，油水界面張力越低，越利于乳液穩定性提高[15-16]。AGP含量從11%增加到28%形成的乳液具有較小的液滴和更好的穩定性[17]。影響阿拉伯膠乳化性能的其他環境因素還包括溫度、pH值和離子強度等[18]。

2 蛋白質-阿拉伯膠體系乳液的穩定性

乳液是非均相體系，具有熱力學不穩定性，在存儲期間易發生聚結、沉降、乳析、奧氏熟化等現象，嚴重的會直接導致油水分離，乳液穩定性對所有的乳液體系均具有十分重要的意義。在特殊領域，乳液的存儲應用環境更為復雜，對乳液的穩定性要求更高，如在食品領域，為了延長食品的保質期和不同的消費需求，還需要在食品生產過程中進行加熱、冷凍和鹽處理等，對乳液的穩定性要求極高。眾多研究表明[19-29]，蛋白質-阿拉伯膠體系可以穩定多種油相，所制備的乳液具有優良的穩定性。

動物性蛋白質含有的氨基酸種類和結構更加接近人體的蛋白質結構和數量，能被人體較好的吸收，可應用于食品、醫藥乳液領域發揮多重功效。Klein等[19-20]對乳清蛋白分離物（whey protein isolate，WPI）與阿拉伯膠（GA）在不同pH值水相混合物進行分析。結果表明，混合物的表面張力降低明顯，WPI與GA間存在弱靜電吸附作用。質量比為3∶1的WPI/GA混合物對芥花油、檸檬烯等具有良好的乳化作用，制得的芥花油乳液粒徑小于1 μm，比單獨WPI或GA制得的乳液穩定性好，存放1個月乳液沒有變化，可應用于飲料生產。

Niu等[21-23]采用卵清蛋白（ovalbumin，OVA）和阿拉伯膠（GA）穩定食用油，酸性條件下，OVA與GA質量比1∶2制得的OVA/GA復合物具有良好的乳化性，乳液對熱處理、氧化等環境壓力的穩定性提高[22]。為探究OVA與GA在乳液制備中的作用機理，Niu等[21]在同等條件分步添加OVA與GA，采用OVA（或GA）單獨乳化葵花籽油制得粗乳液，再添加GA（或OVA）后均質，對比不同方法制得的乳液性能。結果表明，分步添加OVA、GA到乳液體系中制得的乳液粒徑較大、穩定性稍差，但3種方法制得的乳液均表現出良好的溫度穩定性，50℃和90℃加熱30 min乳液粒徑變化沒有明顯區別。研究發現，蛋白質最先在油水界面吸附，形成蛋白質吸附層，阿拉伯膠通過靜電作用吸附到蛋白質層，形成雙層界面膜，能夠有效提高乳液穩定性。

Kumar等[24]采用酪蛋白酸鈉（sodium caseinate，SC）與GA制備不同質量比的SC/GA偶聯物，將其用于食品乳液制備，使乳液穩定性提高。

植物性蛋白質和動物性蛋白質本質上沒有太大的區別，但在氨基酸組成和數量上與人體要求有一定不同，且植物性蛋白質取材來源更為廣泛，能適應更為復雜的乳液體系。Dai等[25]通過氫鍵和靜電相互作用制備了具有核殼結構的玉米醇溶蛋白與GA復合膠體納米粒子（zein/gum arabic complex colloidal nanop-articles,ZGAPs），GA分子吸附在玉米醇溶蛋白納米顆粒表面，使玉米醇溶蛋白的Zeta電位由正電反轉為負電，三相接觸角由133.75°調節至88.95°。ZGAPs在油滴表面形成了致密包覆層，為油滴提供了防止聚結和Ostwald熟化的致密屏障。用ZGAPs作為乳化劑可制備甘油三酯體積百分比超過50%的高內相乳液，乳液具有長期的儲存穩定性，且具有pH2～9、高溫60℃環境下的儲存穩定性。這種高效穩定體系也為制備新型有效的生物活性物質傳遞系統提供一種方法。

賈聰等[26]發現添加阿拉伯膠能促進大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）或大豆蛋白酶解產物（soybean protease hydrolysate，SPH）在油水界面的吸附，SPH-GA復合物制備的乳液在25℃、pH4的條件下放置14d仍具有較好穩定性。對大豆蛋白在食品方面的應用，特別是稀的酸性乳飲料加工具有指導意義。Kong等[27]研究不同制備途徑和pH值對大豆分離蛋白與GA制備大豆油乳液性能的影響，通過對乳液粒徑分析、Zeta電位、絮凝指數、激光共聚焦顯微鏡觀察、流變等性能指標檢測分析，結果表明：在pH4.0～7.0內，將GA添加到SPI穩定的油相中，乳液粒徑分布均勻、絮凝速率慢、穩定性更好。

Li等[28]研究GA用量和pH值對菜籽分離蛋白（rapeseed protein isolate，RPI）乳化食品級菜籽油的影響，在pH8時，加入1%GA乳液的穩定性最高。傅里葉紅外光譜證明，RPI/GA復合物形成過程中伴隨著分子內、分子間的交聯，以及分子重排。通過激光共聚焦掃描顯微鏡觀察發現，加入GA形成的凝膠狀網絡有利于乳液穩定性提高。Pirestani等[5]在溫度90℃、自然pH值下通過美拉德反應，用GA糖基化修飾的雙低油菜分離蛋白（cole protein isolate，CPI）制得 CPI/GA 偶聯物，并探究其乳化性能。研究發現，美拉德反應生成的CPI/GA偶聯物乳化性能優于CPI及CPI/GA混合物，獲得的乳液粒徑小而均勻，穩定性好。在酸性pH值下，CPI/GA偶聯物乳化的乳液穩定性突出，適合用于酸性食品，如酸奶飲料、沙拉醬和飲料。Wang等[6]采用扁豆分離蛋白（lentil protein isolate，LPI）與多糖（羧甲基纖維素、GA、海藻酸鈉、角叉菜膠）復合物乳化菜籽油，研究pH值對LPI/多糖靜電復合物形成的影響及其乳化性能。結果表明：多糖的加入利于增強LPI的界面活性，LPI/GA復合物的油水界面張力最低。Zang等[29]通過添加阿拉伯膠的方法提高米糠蛋白（rice bran protein，RBP）穩定玉米油乳液的穩定性，多糖通過增加小滴之間的靜電排斥和空間排斥提高了乳液的穩定性。

綜上所述，蛋白質-阿拉伯膠體系具有良好的乳化作用，可用于食品領域常見油相乳液制備。動物性蛋白質和植物性蛋白質雖來源不同，氨基酸組成和數量有所區別，但其分子結構中都含有胺基及羧基，可通過靜電吸附、氫鍵、美拉德反應等作用與阿拉伯膠復合，增強蛋白質-阿拉伯膠在油水界面吸附，提高乳液穩定性。

3 蛋白質-阿拉伯膠體系乳液的應用

3.1 包埋和傳遞生物活性物質

生物活性物質是許多食品和藥品中的功能性成分，但這些物質通常反應活性強，在加工、儲存和胃腸道環境中極易分解，這大大限制了它們的應用，設計食品級的遞送體系成為近年來的研究熱點問題[30]。蛋白質、阿拉伯膠為天然大分子化合物，二者無需添加化學試劑即可發生美拉德反應，復合物具有良好的穩定性。蛋白質-阿拉伯膠復合物是近年來應用最廣泛的生物活性物質載體之一，可用于制備乳液、納米凝膠和微膠囊等負載并傳遞生物活性物質。

白藜蘆醇是一種非黃酮類天然多酚有機化合物，是許多植物受到刺激時產生的一種抗毒素，具有抗氧化、抗衰老、抗炎、抗癌及心血管保護等功效，可以制備成乳液、乳凝膠等制劑應用于食品、醫藥、保健品等領域，具有良好的發展前景[31]。Zhang等[32]采用乳清蛋白分離物、GA和氯化鈣三元復合物穩定載有白藜蘆醇的葵花籽油，GA提高了白藜蘆醇界面穩定性，水包油乳液可用作共包封的功能油和多酚類抗氧化劑的潛在載體。Shao 等[33]采用乳清蛋白（whey protein，WP）和GA制備載有白藜蘆醇的中鏈甘油三酯乳液，改善了乳液的穩定性，對白藜蘆醇的包封效率＞50%。Cheng等[34]采用熱變性分離蛋白與GA穩定葵花籽油、薄荷油、魚油和牛至油，分析水相中的白藜蘆醇在乳液中的分布情況。結果表明，GA增加了葵花籽油、魚油和牛至油3種乳滴表層中白藜蘆醇的含量。白藜蘆醇在乳液中的分布取決于其在油相中的溶解度和表面蛋白質百分比[34]：在薄荷油乳液中，白藜蘆醇主要分布在乳滴油相中；在魚油乳液中，白藜蘆醇分布在乳滴油相及界面；在葵花籽油、牛至油中，白藜蘆醇主要分布在水相及乳滴表面。研究表明，阿拉伯膠-乳清蛋白體系可作為功能性油脂和多酚類物質共包裹的有效載體，阿拉伯膠增加了油水界面的蛋白質和白藜蘆醇含量，白藜蘆醇的包封效率提高。

β-胡蘿卜素是一種親脂性微量營養素，有益于人體健康。但由于β-胡蘿卜素的水分散性和化學穩定性較差，目前在功能性食品或膳食補充劑中利用β-胡蘿卜素存在一定的局限性。Sheng等[35]采用層層靜電沉積技術、牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）為內層乳化劑、GA為外層乳化劑，制備了新型的β-胡蘿卜素雙層乳液輸送系統，β-胡蘿卜素包封率可高達94%。BSA/GA雙層結構致密且厚，可有效減弱低pH值、熱處理、紫外輻射、水相氧化劑和儲存時間對β胡蘿卜素化學穩定性的影響，可用于設計具有胃腸道環境響應的靶向、可控、緩釋給藥系統。

姜黃素是一種天然多酚類化合物，可從姜科等植物根莖中提取，具有良好的抗氧化、抗炎、抗腫瘤等作用。但是姜黃素水溶性差，堿性或光條件下會迅速分解，因而限制了其應用。Meena等[36]采用脫脂乳、乳清蛋白、麥芽糊精及GA穩定姜黃素黃油分散液，探索具有高包覆率的乳液體系，姜黃素包覆率可達94%，乳液可進一步噴霧干燥制備姜黃素微膠囊。

Campelo等[37]采用WPI與GA生物聚合物作為乳化劑制備檸檬精油乳液，乳液在4 h內穩定性好，WPI/GA生物聚合物可用作微膠囊系統的壁材料，用于精油等活性物質傳遞制備。這些研究結果為不溶性生物活性物質的包埋及傳遞提供一種有效途徑。

3.2 抑制脂肪氧化

植物油一般含多種不飽和脂肪酸，特別是亞油酸廣泛存在于動植物油脂中。不飽和脂肪酸在氧、熱、光等作用下發生自動氧化，產生過氧化物，進而降解成揮發性醛、酮、酸的復雜混合物，產生強烈的刺激性氣味，人或動物攝入后還易導致肥胖及多種慢性疾病，甚至誘發癌癥[38]。植物多糖具有很強的抗氧化、抗腫瘤、免疫等活性[39]，可應用于食品、醫藥等領域中，近年來，眾多研究者就其抗氧化等應用開展研究。

Zha等[40]通過控制豌豆分離蛋白（pea protein isolate，PPI）和GA的美拉德反應程度制備系列PPI/GA偶聯物，通過美拉德反應，增加PPI的溶解性及乳化性。與PPI及PPI/GA混合物相比，PPI/GA偶聯物乳化制得的玉米油乳液粒徑小、表面電荷高、穩定性高，在酸性pH值、高溫、高鹽濃度下仍具有良好的穩定性，同時，PPI/GA偶聯物可以抑制揮發性化合物的形成并防止乳液氧化。蛋白質與多糖發生美拉德反應，可以增強水溶性差的植物性蛋白質的功能，促進植物性蛋白質在食品工業中作為功能成分的利用[41]。另外，美拉德反應可暴露出更多的蛋白質巰基，有效清除自由基，增強體系抗氧化性[30]。

Ma等[42]利用麥醇溶蛋白納米顆粒（gliadin nanoparticles，GNP）和GA制得85%的高內相玉米油乳液，GA的添加降低了乳液粒徑，比單獨GNP乳液具有更高的表觀黏度和儲能模量。GNP/GA高內相乳液內部形成了緊湊的三維網絡，使乳液穩定性更好，不受pH值、離子強度和溫度變化影響。同時，包裹在油滴內的β-胡蘿卜素的穩定性提高，并且不影響脂質消化或類胡蘿卜素的生物可及性。GNP/GA復合物可用于食品和營養行業的高內相乳液制備，提高油滴中β-胡蘿卜素的抗氧化穩定性。

Sousa等[43]用植物性蛋白質濃縮物與GA封裝巴西堅果油，可以減少巴西堅果油中不飽和脂肪酸氧化，獲得的產品可用于各種加工食品。Rascón等[44]利用大豆分離蛋白SPI/GA乳化辣椒粉油樹脂，能夠降低辣椒油樹脂中類胡蘿卜素氧化。Zhang等[32]用WPI、GA和CaCl2乳化葵花籽油，增加GA用量利于乳液體系中抗氧化劑白藜蘆醇吸附于界面，提高油的氧化穩定性。

Niu等[23]采用卵清蛋白（OVA）和GA乳化百里香油，通過監測脂肪過氧化值（peroxide value，POV）及脂質過氧化值（TBARS）發現，質量比為1∶2的OVA/GA在酸性條件下制備的乳液具有抑制非活性過氧自由基的能力，為油相提供良好的抗脂質氧化保護。

Yao等[45]利用乳清蛋白分離物和GA乳化易于氧化的共軛亞油酸，研究發現蛋白質和多糖在乳液界面具有協同吸附作用，提供了強大的空間和靜電效應，防止液滴聚集和聚結，從而使乳液具有優異的物理穩定性。另外，蛋白質在乳液界面處發揮了自由基清除能力，從而有效減少脂質氧化，為穩定難以分散且易于氧化的多不飽和脂肪酸提供一種可靠方法。

3.3 抑菌乳液

良好的抗菌乳液，不僅需要保持長效的物理穩定性，而且需要具有長效的抗菌效果。應用于食品、醫藥等領域中用的抗菌乳液，需要所有的乳液成分具有生物相容性，天然大分子化合物蛋白質-多糖復合物具有生物相容性好等優點，以其作為抗菌乳液的乳化劑，具有潛在的應用價值。

百里香油是一種天然活性精油，能夠抑制多種細菌及酵母，可應用于食物或醫藥產品，但由于其水溶性差，在以水為分散體系的食品及醫藥領域的應用受到限制，采用乳液形式將其均勻分散能夠有效拓展其應用。牛付閣[46]以卵清蛋白和阿拉伯膠乳化百里香油乳液，研究pH值、鹽濃度等變化對乳液結構的影響，并檢測其抗菌活性。結果表明，與純百里香油相比，制得的乳液表現出更優的穩定性和長期抗菌活性。Li等[47]利用玉米醇溶蛋白/GA制備納米顆粒（zein/gum Arabic nanoparticles,ZGPs），并將百里香酚負載在ZGPs上，用于制備大豆油O/W乳液，可制得穩定的高內相(φ=0.6)乳液，乳液能夠明顯抑制大腸桿菌生長，并表現出百里香酚的控釋作用和抗菌活性。

Su等[48]基于靜電層沉積制備β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-lg）和GA的檸檬烯乳液，乳液在 pH4.0下存放4周具有良好的物理穩定性，即使在高溫下，GA仍能保護檸檬烯不被氧化，制得的雙層乳液在橙汁中表現出持久的抗菌作用。

Pirestani等[5]利用GA糖基化修飾的雙低油菜分離蛋白制得CPI/GA偶聯物穩定的乳液穩定性好，在30℃～90℃下加熱30 min，乳液性能沒有明顯變化，具有抵御巴氏殺菌的工業應用潛力。

3.4 其他功能性乳液

隨著蛋白質-阿拉伯膠體系在乳液制備中的應用研究，更多新型功能性乳液被持續開發。

在特定條件下，促使吸附在乳滴油水界面的蛋白質-GA凝膠化，可制備功能各異的微膠囊。Weinbreck等[49]用乳清蛋白（WP）和GA乳化葵花籽油、檸檬和橙油香精制得乳液，在pH值為3.0～4.5條件下使界面WP和GA形成靜電復合物成功微膠囊化，將制得的微膠囊應用于Gouda奶酪，并檢測微膠囊中油在奶酪中的釋放性能。結果表明：在咀嚼時，50 μm～1 000 μm 的膠囊更容易從奶酪中釋放出來。Liu等[50]采用乳清分離蛋白和3種多糖（阿拉伯膠、低甲氧基果膠、卡拉膠）作為乳化劑制備水包油包水包埋維生素E及維生素B12的多重乳液，隨后將乳液干燥制成可食用包裝膜，考察膜對維生素E及維生素B12的控釋效果，結果表明，阿拉伯膠能更好地控制維生素E的釋放，而卡拉膠對維生素B12的控釋效果更優。

Wei等[51]利用卵轉鐵蛋白（ovotransferrin，OVT）與GA間的靜電、疏水及氫鍵作用制得OVA/GA納米顆粒，通過激光共聚焦顯微鏡分析表明OVA/GA顆粒吸附于油水界面，能夠有效降低油水界面張力。以OVA/GA顆粒為乳化劑制得的乳液穩定性好，不含表面活性劑，可用于制備功能型食品Pickering乳液。Ye等[52]采用酪蛋白酸鈉和GA乳化豆油，加熱可使吸附在油水界面的SC和GA形成界面絡合物，激光共聚焦掃描顯微鏡可觀察到厚的復雜表面層，這種溫度誘導的生物聚合物和復雜表面層的制備方法可應用于膠體顆粒表面修飾。

Bouyer等[53-54]使用β-乳球蛋白和GA制備甜杏仁油乳液，β-乳球蛋白吸附在界面上，通過靜電作用結合GA形成雙界面層，比單獨GA制備的乳液穩定性好，可用于制備無合成表面活性劑的新型藥物乳劑。

4 結語

乳液廣泛應用于食品、醫藥等領域，采用天然高分子作為乳化劑可有效降低石油化工產品對人體健康的負面影響，近年來受到越來越多的關注。蛋白質、多糖都屬于人和動物的營養物質，在自然界中含量豐富，本身具有一定的乳化性，但單獨使用往往乳化能力不足，因此常與其他表面活性劑協同作用制備乳液產品。

蛋白質與阿拉伯膠分子結構中都含有較多的活性基團，二者在水相中可發生離子吸附、結構轉化、美拉德反應等，在油水界面表現突出。蛋白質、阿拉伯膠都能吸附在油水界面上，形成強黏彈性的界面膜，通過靜電作用和空間位阻作用穩定乳液。阿拉伯膠可適度改變蛋白質的構象展開方式使其更利于界面吸附，提高蛋白質的乳化性能，阿拉伯膠的增稠能力也有益于乳液穩定性的提高，因此蛋白質-阿拉伯膠體系是一種優良的天然高分子乳化劑。

目前，蛋白質-阿拉伯膠體系乳液穩定性高，可廣泛應用于食品、醫藥領域，在生物活性物質的包埋與傳遞、抑制脂肪氧化、抑菌、高內相乳液等領域具有優良表現，隨著更多研究工作的開展，這種天然、無毒的乳化體系在食品、醫藥等領域必將會有更廣泛的應用，為人們提供更多健康的產品。