蛋白的吸附和乳液的穩(wěn)定性概述(共8頁)

1、蛋白的吸附(xf)和乳液的穩(wěn)定性概述 Douglas G. DalgleishTrends in Food Science &Technology 摘要(zhiyo)：乳液（特別是水包油型）在食品的制作過程中起到了很重要的作用，因此(ync)，需要制備出穩(wěn)定的，能夠長時間儲存的乳液。在乳液的儲存過程中會發(fā)生由聚集或絮凝而導(dǎo)致的脂肪上浮或沉淀，這是需要在食品的制作過程中避免的。這篇綜述分析了引起食品乳液系統(tǒng)中的不穩(wěn)定因素的種類，原因，并且分析怎樣能在某些情況下控制這些不良因素。 乳液制品（牛奶、蛋黃醬、咖啡奶等）需要在食品的整個儲藏周期中（可能是一年或者更長），乳滴保持穩(wěn)定的狀態(tài)。然而，在生產(chǎn)過

2、程中的一些條件（例如高溫或高速剪切）是不利于乳液穩(wěn)定性的。因此，我們需要了解，消除這些不利因素，保持理想中的穩(wěn)定狀態(tài)。這篇綜述描述了影響蛋白乳液穩(wěn)定性的不利因素，著重指出在水包油乳狀液中引起不穩(wěn)定的因素主要是聚合或合并，而不是部分聚結(jié)而成的脂肪晶體。 許多食品乳化劑由脂肪或油滴組成（可能部分還是晶體狀），平均直徑在0.5-2.5m，懸浮在水介質(zhì)中。在液滴表面的水油界面如果被表面活性劑占據(jù)，會防止乳滴的聚集或橋連，這也是很大程度上決定了乳液的乳化性質(zhì)。表面活性劑大致可分為小分子活性成分（例如聚山梨醇酯、單酰甘油等，分子量在5001300Da）,大分子表面活性成分，如蛋白分子。在均質(zhì)過的奶和奶油中

3、，吸附在界面的物質(zhì)包含酪蛋白膠團，這是聚合的蛋白質(zhì),最初直徑為50 250nm。在實際生產(chǎn)中，不同于簡單的模型，整個體系可能包含不止一種蛋白，也可能包含一種或更多的少量乳化劑。1不穩(wěn)定機制乳液的不穩(wěn)定性是通過幾個步驟形成，如圖1所示。大量的液滴懸浮在低粘度的水介質(zhì)中，乳化活性取決于油滴的粒徑，強調(diào)了充分均質(zhì)的重要性。乳液本身不會破壞體系的穩(wěn)定性，但是高濃度的油滴在奶油層促進間的相互作用,導(dǎo)致絮凝、聚合或橋連。 當(dāng)由于均質(zhì)形成(xngchng)的水油界面沒有表面活性劑的充分(chngfn)包裹，形成的乳液將會變得不穩(wěn)定。吸附蛋白將會擴散并覆蓋最大范圍，但是如果有間隙在界面層，油滴會聚集，減少整個

4、界面面積，直到它完全被大量的表面活性劑覆蓋。聚合可能發(fā)生在均質(zhì)過程中或之后，但是在粘性(zhn xn)產(chǎn)品中這個過程可能會持續(xù)一段時間。不充分乳化的另外一種結(jié)果是大量的表面活性分子將會吸附到兩種不同的液滴上（稱為橋連絮凝）。在均質(zhì)的牛奶和奶油中，酪蛋白基團把脂肪滴橋連在一起，盡管橋連會在第二次低壓均質(zhì)的過程中被破壞。在連接基團為單一的蛋白分子的乳液當(dāng)中，橋連不會以這種方式被破壞，所以需要更多的表面活性劑。橋連絮凝導(dǎo)致乳液迅速的形成奶油。 當(dāng)吸附的表面活性層無法阻止相近的油滴靠近時，乳液中的油滴的絮凝或聚集會加劇。雖然這兩個術(shù)語幾乎是同義詞，人們認為絮凝比聚集的破壞作用更大，這是因為即使結(jié)合在一

5、起的分子還有可能相互遠離；而絮凝在一起的分子更不容易被破壞，至少短暫的搖動或攪拌不會破壞這些分子。分子傾向于聚集是因為原子粒之間的相互吸引作用，但是聚集會導(dǎo)致靜電荷之間的排斥作用。蛋白靜電荷和因此形成的表面吸附蛋白具有高度的pH依賴性；實際上，如果pH在蛋白的等電點時，靜電荷達到零，這時導(dǎo)致乳液的聚集。穩(wěn)定的乳液往往具有很高的靜電荷來阻止懸浮液滴之間的相互接近。第二種不穩(wěn)定性的機制是大粒徑分子在乳液中形成。這種分子可以在溶液中達到幾個納米，并且可以阻止分子通過熱力學(xué)作用的相互接近。 即使這些機制是眾所周知的，它們也很難被應(yīng)用在食品乳液中。蛋白質(zhì)是帶有電荷的聚合物，并且它們吸附在液滴表面能夠促使

6、這兩種機制的穩(wěn)定性。然而，許多蛋白質(zhì)不是簡單的聚合物，它包含不同種類的氨基酸殘基，在溶液中擁有穩(wěn)定的優(yōu)勢構(gòu)想，也可以說是采用固定的構(gòu)想吸附在水油界面。少量的蛋白，例如酪蛋白，可能更溶液構(gòu)想轉(zhuǎn)換。改變離子強度或綁定特殊離子可能不僅減少蛋白和乳液的有效靜電荷，而且還可以改變吸附蛋白分子的構(gòu)象。因此對于乳液的穩(wěn)定性的蛋白，很難在乳滴之間被強制精確的表達。 以上(yshng)這些不穩(wěn)定因素(yn s)是物理性質(zhì)形成，但是化學(xué)鍵的形成也是非常重要的因素。球蛋白由于加熱或者吸附到界面而變性（盡管這兩種變性機制得到不同的產(chǎn)物），這樣促使蛋白分子間化學(xué)鍵的形成，特別是二硫鍵。加熱乳液會導(dǎo)致聚集或凝膠的形成，這

7、是在食品加工過程中不希望出現(xiàn)的。這是非常重要的加工工序在特定的操作中（例如加熱之前需要均質(zhì)），因此在吸附和乳液當(dāng)中(dngzhng)需要蛋白質(zhì)的相關(guān)特性。2吸附蛋白和表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的蛋白乳液的特性依靠界面材料。在吸附過程中，蛋白本身的構(gòu)象變化很大程度上取決于蛋白質(zhì)的表面疏水相互作用和氨基酸側(cè)鏈。理想情況下，疏水側(cè)鏈與油相靠近，親水側(cè)鏈與水相靠近，但是這將會受到蛋白質(zhì)氨基酸殘基的限制。采用的構(gòu)象還依賴于表面蛋白是否需要被覆蓋，例如酪蛋白所表示的那樣。酪蛋白分子可以充分的覆蓋界面，或者如果充足的蛋白存在，分子將會被包埋并且進一步遠離界面。這種影響對乳清蛋白不是很大，因為乳清蛋白的表面覆蓋所需吸附蛋白

8、相對于酪蛋白來說要少。包埋行為有效地定義了最大表面吸附面積和因此而形成的乳液粒徑大小。 乳化食品通常是由多種蛋白組成，包含或者不包含其他的表面活性劑。界面層的組成成分是通過不同的表面活性劑在均質(zhì)的過程中競爭形成的，但是真正的平衡化是很少被建立起來的。例如，純化的-和-酪蛋白在均值前后均存在界面吸附競爭；然而，在整個酪蛋白酸中，同種蛋白的競爭比其他的要少。另外，在pH7和室溫條件下，乳清蛋白-乳球蛋白和-乳白蛋白存在同等親和吸附，然而在降低pH，升高溫度，-乳白蛋白比-乳球蛋白更易吸附。表面吸附蛋白的分布在均質(zhì)的過程中形成，能夠通過均質(zhì)中和均質(zhì)后的水溶性表面活性劑的不相容性而改變，或者是通過油溶

9、性的，但這必須是在均質(zhì)化的過程中，如圖二所示。3乳液的穩(wěn)定性和蛋白的特性乳滴的界面蛋白與分離蛋白是否具有相似的特性是需要解決的問題。酪蛋白（特別是-酪蛋白）一般能被Ca2+沉淀并且pH需要保持在等電點附近；這也同樣發(fā)生在乳液中（如果蛋白沉淀，乳液也會出現(xiàn)沉淀）。另一方面，非變性的乳清蛋白即使在Ca2+存在的情況下，在它的等電點附近不會產(chǎn)生沉淀，然而乳液是由這種蛋白所形成的。另外一種潛在的不穩(wěn)定因素是乙醇，并且部分吸附蛋白層會被水解蛋白酶破壞。圖三描述了蛋白乳液用不同的方式被破壞，吸附蛋白構(gòu)象的變化。 Ca2+對含有酪蛋白的乳液的影響可以定性的解釋為把離子(lz)捆綁在酪蛋白的磷酸絲氨酸殘基上。

10、這樣就減少了蛋白質(zhì)和穩(wěn)定乳液的靜電荷，即使在乳液開始聚集時，-電位也沒有減少到零附近。與包含蛋白和相反電荷的表面活性劑的絮凝系統(tǒng)相比(xin b)，當(dāng)絮凝發(fā)生時，-電位(din wi)是接近于零的。Ca2+的捆綁會是吸附在界面的酪蛋白部分的被破壞，減少了空間構(gòu)象的穩(wěn)定性，表面結(jié)構(gòu)的變化也會影響-電位?，F(xiàn)在還不知道電荷的損失和空間構(gòu)象的改變是否會引起沉淀；然而，Ca2+可能會在乳滴之間形成橋連的可能性應(yīng)該被考慮。Ca2+在非水解的乳液中扮演了很重要的角色而不僅僅是簡單的改變離子強度。與用酪蛋白形成的乳液相比，-乳球蛋白形成的乳液更易使Ca2+存在，即使蛋白質(zhì)結(jié)合少量的自然狀態(tài)下的Ca2+。另外，

11、乳液的-電位的影響還不明確，與減少-電位相比，在乳液中加入Ca2+更容易些。盡管表面變性和熱變性是不相同的，不同性表現(xiàn)在Ca2+對于乳清蛋白熱凝膠的結(jié)構(gòu)的影響上。因此對于酪蛋白，吸附層的水解消化減少，但是不能抑制其變化，這就是Ca2+導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。同樣的，包含乳清蛋白的乳液通常不能使pH值接近5，特別是乳液被加熱的情況。乳清蛋白乳液在pH為3.5時重新變得穩(wěn)定，然而酪蛋白酸乳液是不能通過這種方式恢復(fù)穩(wěn)定的。一些酪蛋白乳液的不穩(wěn)定性的影響隨著吸附-乳白蛋白比-乳球蛋白的改變而上升；乳清蛋白中的-乳白蛋白是處于很低的pH值的。含有乳清蛋白乳液形成的膠體，在中性條件下，只要溶液中有充足的自由蛋白就

12、會在乳滴之間形成橋連。一種常見的起泡(q po)不穩(wěn)定性機制叫Ostwald熟化，大的乳滴通過消耗小的乳滴而不斷(bdun)生長。這種機制通常水油界面的乳化不重要，因為它需要(xyo)油性分子的傳輸通過水性介質(zhì)，并且傳輸分子在水中是不溶性的。因為運輸分子在水中的可溶性的增加都會導(dǎo)致Ostwald熟化的可能性。這種影響可能會發(fā)生在大量的乙醇存在的情況下。當(dāng)乙醇的濃度達到30%，酪蛋白乳液就會不穩(wěn)定。乙醇也會導(dǎo)致吸附蛋白層表面的油滴被破壞。這兩種因素都會導(dǎo)致乳液的不穩(wěn)定性，雖然這種方式不會出現(xiàn)在所有的不穩(wěn)定性的蛋白乳液中。4動力學(xué)不穩(wěn)定的乳液了解不穩(wěn)定性的發(fā)生相當(dāng)于去定義一個過程的時間量程。為了測

13、定不穩(wěn)定性，我們會去測定一個靜止乳液的整個過程，或者測定乳液粒度用光散射技術(shù)。簡單的可再生技術(shù)很少見，特別不穩(wěn)定的早期階段，平均聚合粒徑小、體積測量如粘度可能不能提供可靠的信息。光散射的主要的缺點是需要樣品得到相當(dāng)大的稀釋；這樣就會導(dǎo)致絮凝聚合的減弱。為了進行測量，可能需要應(yīng)用衍射和角度變化的光散射設(shè)備（集成光散射，ILS），這樣分子的粒度和體積就能得到測量。另外，它可以測量光散射的動態(tài)變化（動態(tài)光散射，DLS），它可以從乳滴的粒度計算擴散系數(shù)。這兩種技術(shù)需要假設(shè)聚集的乳滴是球形的。因為當(dāng)粒度超過5微米時，DLS的測量是不準(zhǔn)確的，聚集的分子一般比這個值要大，所以通常用ILS技術(shù)進行測量。因此需

14、要根據(jù)布朗運動絮凝的Smoluchowski機制制備乳液。這種機制對平均粒徑隨著時間的變化的線性增長如圖四所示。 在ILS測量中，稀釋樣品通過一個測量盒進行測量。在測量過程中會產(chǎn)生相當(dāng)高的剪切作用，可以破壞一些絮凝的乳滴，這樣就可以打破防止測量的一些限制。不僅僅可以破壞在剪切中大分子增長的限制，還有導(dǎo)致乳滴絮凝或橋連的因素。對于這種機制，加大流量就會加大分子間的相互碰撞，所以絮凝變得更加容易。另外，這種機制認為大分子比小分子更容易聚集，所以當(dāng)粒度變大時絮凝更容易發(fā)生。這種影響證明除非受到剪切，否則包含脂肪結(jié)晶的乳液不會發(fā)生聚集行為。作為這種機制的一個(y )例子，有研究表明(biomng)穩(wěn)定

15、-乳球蛋白乳液的聚集可以由在快速混合裝置中給予一定的流動壓力誘導(dǎo)。通過長時間的實驗，在這期間檢測不到粒度的改變，但是快速的增長卻發(fā)生了。即使在透明穩(wěn)定的乳液中，缺少任何不穩(wěn)定的因素，不穩(wěn)定也會以這種方式發(fā)生?？偟男Ч窍仁墙?jīng)過一個遲滯期，然后(rnhu)進行爆破性增長，并且最終的聚合大小取決于剪切本身，一旦分子達到限制的粒徑大小絮凝就會被破壞。這種因素會導(dǎo)致最終的快速增長形成的聚集而不一定是橋連。這種類型的反應(yīng)也會在小分子表面活性劑的蛋白-油的乳液當(dāng)中。加入表面活性劑具有加速這種不穩(wěn)定性的影響，可能是通過影響表面覆蓋的蛋白質(zhì)或通過修改吸附層的結(jié)構(gòu)以減少空間穩(wěn)定作用，或者兩者兼而有之。然而，不穩(wěn)

16、定機制不要求蛋白層部分的被表面活性劑覆蓋；它可以把乳液變成不穩(wěn)定的溶液然后施加剪切應(yīng)力。例如，以酪蛋白為基礎(chǔ)的乳液可能被稀釋到含有Ca2+的溶液中并且受到剪切；即使非常稀的溶液（0.1%，v/v）與高濃度（20%，v/v）乳液相似產(chǎn)生聚合動力，在表面活性劑存在的時受到壓力。這可能是在相關(guān)產(chǎn)品形成的過程中，湍流和高剪切是其必不可少的一個步驟。乳液粒度影響的更復(fù)雜的壓力因素可以在冰激凌或乳清蛋白的產(chǎn)品中出現(xiàn)。在這些加工過程中，原始的乳液包含脂肪或油，在加熱時可能會部分結(jié)晶。因為乳液也需要保持表面上的穩(wěn)定，界面層由蛋白組成的乳液極易被破壞，并且這種界面層會因小分子表面活性劑的結(jié)合而減弱。攪打時空氣進

17、入到乳液中破壞了界面層，因此導(dǎo)致脂肪的部分聚合和氣泡附近的乳滴的破壞。這種半晶體的脂肪保持剛性以確保氣泡的穩(wěn)定性，這是在冰激凌體系之中進一步維持晶體和玻璃體穩(wěn)定的解決辦法。5結(jié)束語 以上這些留給我們怎樣的思考？很明顯，多種因素會導(dǎo)致乳液的不穩(wěn)定性，并且這些因素在實際中不可避免。例如，我們不能總避免鈣離子的存在，這是食品中一種很重要的營養(yǎng)，并且存在于各種各樣的食品中。同樣的，控制pH值保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定也不可取。加熱在很多食品加工中也是必不可少的步驟。也許，我們能了解得更詳盡，對機制的理解更透徹，明白在加工過程中，乳液系統(tǒng)一旦形成分子粒徑和結(jié)構(gòu)并不是一成不變的。就像以上討論的那樣，定量的機制已經(jīng)經(jīng)過

18、很多研究，但是動態(tài)機制幾乎沒有被研究過。這是需要進一步改進的地方，技術(shù)可以被用來研究乳液在加工和儲藏過程中的現(xiàn)象，也需要被應(yīng)用在實際的操作中。當(dāng)然這樣知識是很重要的，但是更重要的是這些令人關(guān)注的產(chǎn)品的形成和制造的傳播。參考文獻1Boekel M.A.J.S. van, P. Walstra.Stability of Oil-in-water Emulsions with Crystals in the Disperse Phase.Colloids Surf., 3 (1981), pp. 109118.2J.L. Gelin, L. Poyen, J.L. Courthaudon, Mest

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