蛋白质与脂类在界面上的特性及其交互作用

蛋白质与脂类在界面上的特性及其交互作用

Characteristics and interaction of protein and lipid in interface

112孙哲浩黄剑波赵谋明

SUN Zhe-hao 1HUANG Jian-bo 1ZHAO Mou-ming 2

（1.佛山科学技术学院食品科学与工程系,广东佛山528000；2.华南理工大学轻工食品学院,广东广州510640）

(1.FoodScience and Engineering Department, Foshan University ,Foshan ,Guangdong 528000,China；2.FoodCollege, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640,China) 摘要:探讨了蛋白质与脂类物质在油-水及气-水界面上的物理化学特性及分子间的交互作用。蛋白质与脂类在油-水及气-水界面上表现出不同的界面特性，一些小分子乳化剂等脂类物质在界面上能够降低界面张力，达到良好的乳化效果。蛋白质在界面上形成一粘弹性的网络结构，从而能够稳定乳浊液。当蛋白质与小分子乳化剂等脂类共存时，发生竞争性吸附和合作吸附两种作用，溶液体系中其它溶质的特性及蛋白质与脂类在溶液中的比率等因素决定这两种分子发生交互作用的类型。

关键词:蛋白质；脂类；界面特性；交互作用

Abstract:The paper discuss the interfacial properties of protein and lipids (especiallysmall molecular emulsifier) and the molecular interaction. Protein and lipid show different interfacial properties such as surface rheology, diagram, adsorption etc. Protein and lipids perform competitive adsorption and cooperative adsorption in interface, resulting in food emulsion and foam instability or. Stability. Keywords:Protein；Lipid；InterfaceCharacteristics；Interaction

食品是由多元成分构成的复合体系，各功能性组分分子间在体系中会发生相互作用，赋予了食品一定的结构和外观形态。蛋白质和一些小分子乳化剂等脂类物质是食品组分中二个重要的组成部分，其分子在界面上的特性及分子间的相互作用对形成食品乳浊液和泡沫的稳定性产生重要的影响，了解其分子在界面上的特性及分子间相互作用的机理对于食品的配方设计、加工工艺确定及良好稳定性

[1～6]食品产品的生产具有重要的意义。

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1.1蛋白质与脂类在油-水界面上的特性脂类在油-水界面上特性

当一些类脂化合物，如单甘酯添加到油-水溶液中后，在液滴表面的分布过程有3个步骤：（1）表面活性分子通过扩散粘附到界面表面；（2）已经吸附的分子延伸和打开；（3）吸附层分子的重新排列。3个过程是连续发生的，这些过程决定了界面的表面张力和表面膨胀模量。后边的2个过程包括了分子或表面活性剂分子基团在界面的转移，低分子量表面活性剂在界面上的吸附动力学是靠扩散作用来完成的[7]。

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作者简介：孙哲浩(1971-)，男,佛山科学技术学院食品科学与工程系博士,工程师。

E-mail：[email protected]

收稿日期：2006-04-11

Juan 等研究发现，当溶液中脂类的浓度不断增加时，界面的表面张力和表面膨胀模量也增加，说明高浓度时，脂类在界面的表面活性也很高。然而油相在较高的棕榈酸单甘油酯浓度时，吸附的脂类在油-水界面会形成结晶，反而又会影响其表面特性，因此合理的脂类浓度是界面形成的重要影响因素之一。当脂类物

[8～9]质在界面上吸附时，液滴丧失了自身的拉普拉斯液滴构型。

流变学研究表明：单纯脂类物质形成的界面膜具有以下特性：（1）表面膨胀模量值与表面弹性值很相似；（2）表面膨胀模量中粘性模量值很低且几乎是零；（3）损耗角正切值几乎是零；（4）流变参数与频率无关。这些特性是难溶脂质所具有的典型特性，因此在油水界面上单独脂类形成的吸附膜表现出纯粹

[10]的弹性性质。

1.2蛋白质在油-水界面上的特性

蛋白质分子在溶液中溶解后，其分子也是在油-水界面上首先进行延伸，然后打开分子结构，再进行分子的重排。乳清蛋白形成的膜表面动力学特性研究发现，其一些特性与时间有相关性，随着时间的延长，其表面张力及表面流变特性在增加，尤其是表面膨胀模量及表面弹性模量，这些特性都与蛋白质在界面上的吸附紧密相关的。

蛋白质表面特性与其在溶液中的浓度紧密相关。一般地，当蛋白质的浓度增加时，表面拉伸率和表面膨胀模量随着时间在发生变化，浓度越高，表面活性和表面膨胀模量也越高，这说明溶液中高的蛋白质浓度有利于蛋白质分子在界面的吸附。当蛋白质浓度升高到一定浓度时，其表面膨胀模量不再增加，蛋白质形成的膜达到了稳定的表面活性特性，界面被蛋白质所饱和，此时的蛋白质浓度称为临界浓度[11]。

1.3蛋白质与脂类共存时在油-水界面上的交互作用

蛋白质与脂类在食品乳浊液和泡沫中的分配由两类分子在界面的竞争性吸附和合作吸附来决定。在油-水界面上是竞争性吸附还是非竞争性吸附决定于蛋白质的浓度、蛋白质的种类、脂类的种类及在溶液中的浓度，以及蛋白质与脂类的比率。蛋白质与脂类的交互作用影响了这些体系的吸附特性和表面流变学性质。这些作用的结果影响了食品乳浊液的形成、组织结构以及稳定性。

Juan 等研究了乳清蛋白与脂类模式体系的表面特性[12～15]。不同的脂类分子与乳清蛋白表现出不同的表面特性。乳清蛋白与油酸单甘油酯混合膜的研究发现，当高浓度的油酸单甘油酯时，分子间发生竞争性吸附，而当低浓度时，膜主要由蛋白质来主导，在长时间的吸附中发生了合作性的吸附作用。而乳清蛋白与单甘酯的模式体系研究却表现出不同的特性，即使在很低的分子浓度下也发生竞争性的吸附作用。

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2.1蛋白质与脂类在气-水界面上的特性脂类在气-水界面上的特性

脂类分子在气-液界面上形成单分子排列的薄膜层，主要形态有液体-扩散态、液体-浓缩态、固体状态以及崩溃态等，其中液体-浓缩态是脂类形成界面膜最稳定的一种状态。外界溶液的环境如溶质的种类及性质，温度等会影响到脂类以哪一种形态存在。在水相介质中，乙醇的添加能够使单分子结构变得致密，成为液体浓缩状态，而蔗糖却达到相反的效果[16～18]。

Cecilio 等通过相图的研究，发现了脂类在界面上不同分子形态的转变。在蔗糖或甘油存在的酸性水溶液中，液体-浓缩状态结构在增加，而固态结构在减

少。当pH 值大于7时，固态结构在减少，而液体-浓缩态和液体扩散态结构未发生变化。温度也会影响其分子结构的转变。当分子由有序的液体-浓缩态向无序的液体扩散态转变时需要能量，对于许多极性的油脂，这个能量并不是很高，因此，从热力学的角度来讲，发生相的转变并不是很困难。温度的增加导致焓值和熵值的轻微增加，这与过程是吸热且渐渐的变得无序相一致。焓和熵值的大小也依赖于在水相中一些如甘油、蔗糖、电解质等溶质的添加，因为这些物质添加后，焓值和熵值也增加了[19～21]。

油脂膜界面流变特性可以定义为在界面的压缩变形和剪切运动。表面剪切粘度对于分散液的长期稳定性有关，而表面膨胀粘弹性与食品乳浊液和泡沫的稳定性有关。油脂类物质在气-水界面的表面流变特性不仅与分散液的稳定性有关，而且与界面分子内交互作用的性质也紧密相关。极性脂类的表面膨胀特性有以下的特点：（1）表面膨胀模量值与表面膨胀弹性值很相似；（2）表面膨胀粘性值与相损失角值很低，几乎为零；（3）表面流变参数在检测的范围内与频率无关。这就说明了脂类膜越是形成致密的结构，其弹性模量就越高，直至膜结构的破裂。脂类-脂类间及脂类-其他分子间的交互作用也影响着脂类单分子膜的流变特性

[22]。

2.2蛋白质在气-水界面上的特性

蛋白质单分子膜在任何温度下都有似液体-扩散态的结构，同时pH 值显著影响单分子膜的形成，越在酸性条件下，单分子膜的结构越致密，可能是由于接近蛋白质的等电点的原因[23，24]。

乳清蛋白相图的研究发现，蛋白质有一临界表面压力和和浓度，在这个值时，蛋白质形成的膜特性发生了显著变化。这个转变依赖于水相介质的温度和pH 值。在酸性条件下乳清蛋白膜的结构变得更加致密且界面密度显著增加，这可能是蛋白质分子间排斥作用的减少，在pH 值为5时，乳清蛋白所带的电荷几乎为零[25，27]。

通过小牛血清白蛋白的吸附特性的研究发现，在界面上它的吸附率随温度和浓度的增加而增加，在乙醇存在的情况下，能够看到乙醇和小牛血清蛋白在界面的竞争性吸附。小牛血清蛋白由于其高的疏水性能而与界面有较高的亲和性。这个现象反应了小牛血清白蛋白在水相介质中与溶质的相互作用。然而，蔗糖与界面没有亲和性，但与水分子产生强的粘聚力。这个现象说明了蛋白质分子在蔗糖存在情况下，更容易水化的现象，限制了蛋白质分子的打开及蛋白质分子间的交互作用，结果小牛血清白蛋白在界面的吸附率增加[28]。

许多牛奶蛋白膜在界面上表现出纯粹的弹性，而且与溶液中的溶质有密切的相关性。乙醇减少了界面的弹性模量，说明乙醇破坏了蛋白质分子间的相互作用。低浓度的蔗糖溶液不会影响蛋白质的界面流变特性，但高浓度的蔗糖溶液则会影响界面的流变特性。

2.3蛋白质与脂类共存时在气-水界面上的交互作用

脂类依靠其极性得末端与蛋白质发生交互作用，其强度与分子大小、电荷情况、总极性以及特异功能基团的可利用程度有关。其相互作用表现出两分子的竞争性吸附和合作吸附。合作吸附有利于乳浊液和气泡的稳定，而竞争性吸附则不利于稳定[29]。在界面上pH 值、蛋白质的浓度，小分子乳化剂等油脂的浓度以及其比值等相互作用的方式决定于溶液的条件，溶液中的溶质，如乙醇、蔗糖、甘油、电解质也会对界面上的吸附特性产生影响。因此在我们的实际应用中，会控制这些条件，以形成良好稳定性的乳浊液和泡沫。

3蛋白质与脂类的交互作用在食品工业中的应用

许多类型的食品属于重新结构化的产品，如冰淇淋、搅打植脂鲜奶油、咖啡

[30]伴侣以及一些婴儿营养品等，这些产品中通常含有蛋白质与脂类物质。在这

些产品的配方设计中，首要的条件是能够充分了解分子特性及其交互作用，如在这些物质溶解后，哪一类分子能够最先排列到界面上，后期这些大分子又怎样与小分子乳化剂发生作用，哪些因素会对它们产生影响，以使界面更加稳定或失去稳定性，这些都会影响它们在配方中的用量及配比；同时了解分子的特性，也可帮助确定一些工艺参数，如pH 值、温度、乳化的时间，搅拌的强度与时间、投料的顺序及干燥的时间等等。总之，了解这些分子的特性，可以使食品的研究者清楚地知道在哪种优化的配方体系与工艺条件下生产的产品不会发生油-水及气-水的分离，从而能够生产出良好的稳定性及长货架期的产品。

4结论

蛋白质与小分子乳化剂等脂类分子具有许多不同的界面特性，这两种分子在界面的相互作用决定了食品乳浊液及泡沫的稳定性。当然，目前的一些研究集中于蛋白质分子与脂类分子单纯的模式体系的研究，这些研究的成果对于我们了解真正的食品体系具有重要意义。一些先进的胶体研究技术应用到食品乳浊液体系的研究中也为我们能够更加了解这一复杂的体系奠定了基础。这两类分子的界面特性和其交互作用的分子机理值得人们进一步的研究与探讨。

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