蛋白乳化液稳定性影响因素的研究进展

郭 庆，木泰华

（中国农业科学院农产品加工研究所，北京100193）

蛋白乳化液稳定性影响因素的研究进展

郭 庆，木泰华*

（中国农业科学院农产品加工研究所，北京100193）

蛋白质是一种具有表面活性的化合物。被蛋白覆盖的油滴的性质（粒径、表面电荷、界面吸附蛋白浓度等）是决定乳化液稳定性的重要因素。本文综述了乳化液滴性质影响蛋白乳化液稳定性的研究进展，并展望了这一领域未来发展的趋势。

乳化液稳定性，影响因素，乳化液滴性质，机理

乳化液是一种半固态混合物，其性质介于溶液和固体之间，在食品工业中占有重要地位。食品加工中很多食品都呈乳化液状态，这些食品包括动物的乳汁、沙拉酱、黄油、沙司、冰激凌和咖啡伴侣等。乳化液食品的独特外观，口感和质构深受消费者喜爱。目前，乳化剂的需求量呈逐年增加的趋势，它不仅被应用于食品工业中，而且还被广泛应用于制药和化妆品行业［1-3］。乳化液的稳定性是影响乳化液食品货架期的一个关键因素。控制乳化液的稳定性对提高产品的经济效益和质量是至关重要的。对影响蛋白乳化液稳定性的因素和机理的探讨可为产品的质量控制提供理论支撑，推动食品乳化液研究的发展。本文主要是从乳化液滴自身性质出发，综述其对蛋白乳化液稳定性的影响及作用机理的研究进展。

1 蛋白乳化液的不稳定机制

从热力学角度来讲蛋白乳化液是一个不稳定的体系，这是因为乳化液在均质过程中随着两相间面积的不断增加［4］，在足够的时间后，任何乳化液都将因为两相间试图减少接触面积而破裂。

乳化液不稳定的机制共分为五种：1-乳析（creaming）；2-聚集（flocculation）；3-奥氏熟化（Ostwald ripening）；4-聚结（coalescence）；5-相转变（phase inversion）。控制和提高乳化液的稳定性，主要是抑制这五种不稳定现象的发生。环境条件（蛋白浓度、pH、水相溶液环境等）、化学组成（油相和蛋白的类型和组成）等物化条件是影响乳化液稳定性的主要因素［5］，但从微观的角度讲，这些物化因素都是通过改变乳化液滴自身的性质（乳化液滴的平均粒径，界面吸附的蛋白浓度，表面电荷及乳化液滴与其它组分的作用）来影响乳化液稳定性。

2 乳化液滴性质对乳化液稳定性的影响

2.1 乳化液滴粒径大小对乳化液稳定性的影响

在乳化液中乳化液滴受浮力和重力的作用。由于油相密度小于水相密度，所以液滴在溶液中都趋于上浮。根据流体学中液滴在流体中的运动公式，即斯托克斯公式Vs=2Δρgr2/9η，可推测出乳化液滴上浮速率与液滴平均粒径平方成正比，换言之，乳化液的乳析速率与乳化液滴平均粒径的平方成正比。所以，乳化液滴平均粒径是表征乳化液稳定性的一个极其重要的参数。

由于乳化液滴的形状是不规则的，在粒径实际测量中通常用液滴表面积等效平均粒径（d3，2）和体积等效平均粒径（d4，3）表示乳化液滴平均粒径。

蛋白浓度、pH、油相组分数等都能够通过影响乳化液滴的平均粒径而影响乳化液的稳定性。Petursson等［6］研究蛋白浓度和pH对鳕鱼蛋白提取物乳化液稳定性影响时发现，随着蛋白浓度提高，乳化液滴的d3，2逐渐减小，乳化液在此过程中趋于稳定。在低pH（pH 3～4）条件下均质，乳化液滴的d3，2大约在1μm左右，但是随着pH的增大，d3，2迅速增加，到pH8时，d3，2大约是10μm，此时乳化液非常不稳定，并出现絮凝。Pan等［7］研究了蛋黄素浓度对乳化液稳定性的影响，发现随着蛋黄素浓度的增高，乳化液滴的平均粒径逐渐下降，蛋黄素浓度的提高显著地降低了乳化液乳析速率，表明乳化液滴粒径的降低增加了乳化液的乳析稳定性。Sun等［8］研究油相体积分数对乳化液滴平均粒径的影响时发现油相体积分数越小，乳化液中乳化液滴的平均粒径也越小，反之亦然。较小的乳化液平均粒径（小于1μm）是保证乳化液稳定的重要因素，液滴越小，乳析速率越慢，乳化液就越稳定。

2.2 乳化液滴表面吸附蛋白浓度对乳化液稳定性的影响

在乳化液形成过程中，溶液中的蛋白质分子迅速吸附到油水界面上，它能降低两相的界面张力，促进乳化液形成，并且还能形成一层保护膜。这层膜能保护油滴不被破坏，促使乳化液处于稳定状态。乳化液滴表面单层蛋白的饱和浓度一般为2～3mg/m2，很多学者研究的结果表明，乳化液滴表面的蛋白膜厚度和蛋白浓度与乳化液的稳定性有直接的关系［9-10］。

Chapleau等［11］报道了高静水压作用对羽扇豆蛋白结构的影响发现，高压处理后大分子蛋白更易被吸附，乳化液滴表面吸附的蛋白浓度显著提高，从而有效促进了乳化液的稳定。Dickinson［12］在研究乳化液架桥絮凝和排斥絮凝数学模型时发现，在低吸附蛋白覆盖率时，由于覆盖率不够，油相暴露，油滴为趋于稳定会和邻近油滴共用蛋白，从而导致絮凝，形成极不稳定的乳化液；而在吸附蛋白高覆盖率时，油滴完全被蛋白分子包裹，由于蛋白分子层的空间排斥、静电排斥等作用，使乳化液更加稳定。

Castellani等报道［13］在乳化液形成的初始阶段，蛋黄中脂蛋白迅速地吸附到油滴表面并发生重排，从而降低了油滴表面张力，并形成一层促使油滴分散且抗聚结的吸附蛋白膜。结果表明，蛋白高覆盖率可有效降低界面张力，减少界面自由能，使乳化液更加稳定。据Euston和Hirst的报道［14］，脱脂乳蛋白在乳化液不会发生排斥絮凝的情况下，乳化液稳定性随乳化液滴吸附蛋白浓度增加而增大。Dickinson和 Golding等发现［15］，在低蛋白覆盖率（小于饱和吸附蛋白浓度的一半）时，由于酪蛋白乳化液会发生架桥絮凝，乳化液极不稳定；而随着吸附蛋白浓度的提高，至乳化液滴表面蛋白完全饱和时，乳化液变得非常稳定（能保持稳定数周）。由此可见，乳化液滴表面蛋白浓度对乳化稳定性至关重要。

2.3 乳化液滴表面电荷对乳化液稳定性的影响

一般来说，蛋白质乳化液中的乳化液滴都带有电荷，这主要是因为天然蛋白分子自身带有可电离的基团，或者油滴吸附了带电荷的物质。根据双电层理论，液滴之间的相互作用依赖于zeta电位的强度而不是表面电荷，因此zeta电位可被用来预测乳化液稳定性。表面电荷多少与界面上蛋白质的电荷量、蛋白浓度以及水相中的pH、离子组成有关。表面电荷对乳化液滴的行为非常重要，它影响着乳化液滴之间和乳化液滴与带电物质之间相互作用的程度，是决定乳化液稳定性非常重要的因素。

Sarkar等报道［16］，在中性pH范围内，乳铁蛋白和β-乳球蛋白分别形成阳离子和阴离子乳化液，它们的zeta-电位分别是+50mV和-60mV。在该条件下，脂肪球表面被乳铁蛋白和β-乳球蛋白包裹着，在它们的表面分布着很均匀的、比较强的正电荷和负电荷，乳化液滴之间相互排斥，使得乳化液体系非常稳定。在此条件下，乳化液滴之间的静电斥力是决定乳化液稳定性的主要因素。此外，他们还发现，在添加低浓度盐条件下，由乳铁蛋白稳定的乳化液的zeta-电位从50mV降至27mV，乳化液开始不稳定，并出现絮凝。这主要是由于静电屏蔽作用降低了乳化液滴表面的静电荷，使液滴之间的静电斥力降低造成的，表明离子强度能够通过影响液滴表面的电荷性质达到影响乳化液稳定性的目的。最后，他们还发现，Ⅱ型猪胃粘蛋白是一种带负电的无规则卷曲状的蛋白分子，随着添加粘蛋白浓度的增加，粘蛋白被不断吸附到乳铁蛋白上，电位随着添加量的增多而降低。当电位降低到0mV时，乳化液极不稳定并生成絮凝，而当继续添加粘蛋白后，随着负电位的增大，乳化液反而逐渐趋于稳定，表明乳化液滴表面净电荷是维持乳化液稳定的重要因素，乳化液滴表面的净电荷越多，乳化液越稳定。

Hong和McClements［17］研究了β-乳球蛋白乳化液在不同pH范围内的稳定性，通过测量不同pH下乳化液滴的zeta-电位得出，在低pH范围（pH3～4），乳化液非常稳定。这是因为在此条件下乳化液滴表面带有较多的正电荷，液滴之间产生了很强的排斥作用。同时他还研究了加入壳聚糖对液滴表面电位的影响，液滴因吸附带正电的壳聚糖分子而影响了液滴表面电荷的分布。在低pH时由于液滴和壳聚糖都带有较多的正电荷，壳聚糖并不能有效的吸附到液滴上，所以对液滴表面的电荷分布影响很小；随着pH的增大，液滴表面的β-乳球蛋白呈负电性，带正电的壳聚糖吸附增多，大约在pH6.5时zeta电位降为零。由于乳化液滴之间的排斥力急剧减少，乳化液此时发生明显的絮凝。Koupantsis等［18］和Petursson等［6］的研究也都证实了乳化颗粒表面的电荷对乳化液稳定性至关重要。

综上所述，盐、pH、多糖和蛋白都能改变液滴表面电荷的分布，并对乳化液的稳定性产生很重要的影响。乳化液滴表面的净电荷分布是影响乳化液稳定性另一个非常重要的因素。

2.4 乳化液滴与其他组分的相互作用对乳化液稳定性的影响

乳化液滴在乳化液中能和其他液滴或组分发生作用而影响乳化液的稳定性。乳化液中乳化液滴之间的相互作用可用液滴间势能ω（h）表示，它的定义为：将两个相距无穷远的乳化液滴移动到两液滴表面相距为h时所需的能量。范德华力、空间作用、疏水相互作用、静电作用力、排除作用等作用决定了乳化液中乳化液滴之间的液滴势能。这些作用力的方向、大小、范围均是变化的。乳化液中每个作用力都对乳化液稳定性起单一作用，但是各种作用的合力随液滴间距和乳化液的环境变化而变化［19］。乳化液中两个乳化液滴相互接近并发生作用需要克服由以上作用形成的能垒。当引力起主导作用时，乳化液滴趋于聚集；当斥力起主导作用时，乳化液滴趋于分散。近些年关于胶体之间相互作用的研究很多，这些研究成果都很好地证实了这些作用力对乳化液稳定性的影响。

2.4.1 乳化液滴与乳化液中未吸附大分子间相互作用 当两个乳化液滴之间的距离接近到未吸附分子的有效直径内时，自由的未被吸附的大分子会被乳化液滴排除出两液滴之间的区域，此时两个液滴会因为排除区域的渗透压比周围区域的渗透压小而促使乳化液滴之间相互吸引，从而发生聚集［12］，由这种作用引起的乳化液的聚集称为排斥絮凝。当乳化液中存在其它大分子时，乳化液聚集的性质和程度不仅取决于乳化液滴上吸附蛋白和大分子的相互作用，也取决于溶液中大分子物质与乳化液滴的相互作用。对于不被吸附的大分子来说，低浓度的大分子物质容易使乳化液产生排斥絮凝［20］。由乳化液中未被吸附的大分子引起乳化液滴相互作用而导致的乳化液排斥絮凝现象在食品乳化液中非常常见。Drakos和Kiosseoglou［21］研究了脱水蛋清对鸡蛋沙拉酱的影响后发现，蛋清蛋白吸附到乳化液滴表面的量非常少，它大部分都游离在溶液中，加入蛋清蛋白使乳化液稳定性降低，并且加入量越多乳化液越不稳定。由于乳化液滴表面已经完全被蛋黄蛋白饱和，乳化液的不稳定性不是架桥絮凝引起，所以由蛋清蛋白引起的排斥絮凝是造成乳化液不稳定的主要原因。Euston和Hirst［14］在研究酪蛋白乳化性时发现，在低浓度时，随着酪蛋白浓度增高乳化液的稳定性增强，但是增加到一定浓度，乳化液又转变成不稳定状态。这主要是因为在低浓度时，随着酪蛋白浓度的增加，乳化液滴表面的蛋白覆盖率随之增大，所以乳化液越来越稳定；而当吸附蛋白在表面达到饱和后，随着酪蛋白浓度的提高，游离的酪蛋白分子也越多，游离的酪蛋白分子形成大分子量的蛋白束并引起排斥絮凝而造成乳化液的不稳定。这说明由游离的高分子物质引起的乳化液滴的排除作用是引起乳化液不稳定的一个重要因素。

2.4.2 乳化液滴与可吸附大分子的相互作用 大分子物质吸附到由蛋白分子稳定的乳化液滴表面形成次级吸附层，次级吸附层的性质对乳化液滴间的相互作用影响很大。通常这种大分子物质是通过静电作用力、疏水相互作用、氢键等作用力吸附到蛋白膜上，它增加了油滴表面保护膜的厚度，改变了蛋白保护膜伸展并溶解在水相中部分的结构，并形成一层空间保护膜，而且还改变了保护膜表面的电荷分布。这些改变极大地影响了乳化液液滴之间的相互作用，并直接影响乳化液稳定性。Jourdaina等［22］研究阴离子多糖对酪蛋白乳化液稳定性的影响时发现，阴离子多糖通过静电作用在乳化液滴表面形成的次级层对乳化液稳定性影响很大。在低于等电点pH条件下，两相界面上的酪蛋白与黄原胶带相反的电荷，黄原胶在乳化液滴外层形成一层稳固的带负电荷吸附层，此时，乳化液的稳定性比在同条件下酪蛋白油水乳化液的稳定性要高很多。这说明乳化液滴与溶液中加入的可吸附物质的相互作用是影响乳化液稳定性的一个重要因素。加入合适量可吸附高分子物质可以提高乳化液稳定性。

然而，如果大分子物质没有饱和两相界面或者大分子物质和蛋白相互作用不强烈，就可能会导致架桥絮凝；如果大分子物质浓度过高，则大分子有可能在连续相中形成三维网状结构，从而束缚了液滴的运动。Dickinson和Pawlowsky［23］报道在pH6，低离子浓度条件下，向稳定牛血清蛋白（BSA）乳化液中加入中等浓度的ι-卡拉胶能诱导乳化液产生架桥絮凝，但是，当pH7时，ι-卡拉胶由于和液滴的作用过弱，乳化液不能产生絮凝；在相同条件下向BSA稳定的乳化液中加入带电性更强的葡聚糖，这种现象又会发生，但加入高浓度的ι-卡拉胶，乳化液又变稳定，这是由于ι-卡拉胶在水相中形成凝胶，束缚了乳化液滴，阻止了它们的聚集，所以乳化液又趋于稳定。

3 展望

综上所述，乳化液是一个热力学不稳定的多相体系，由于蛋白自身的特性，我们可以通过改变吸附蛋白的性质来改变乳化液的乳化特性。乳化液滴自身性质是决定乳化性质的决定因素，外界因素都是通过影响它的自身性质而影响乳化液的稳定性的。目前研究已经探索出了部分蛋白乳化液不稳定现象发生的原因，并抽象出了不稳定机制过程发生的模型，但是进一步地对乳化过程中蛋白的吸附动力学过程，蛋白吸附到两相界面上后构象的改变，蛋白膜的流变学特性和组成，大分子物质（多糖等）与蛋白相互作用对乳化液的影响及消化过程对乳化液的影响等具体的、微观的研究还需要开展。另外，目前对动物蛋白比如牛奶中的乳清蛋白和酪蛋白的乳化液的研究已经比较多，但是对从植物中提取的蛋白的乳化特性的研究还非常少，这也是我们今后研究工作的开展方向。

［1］刘艳群，刘钟栋.食品乳化液的发展趋势［J］.食品科技，2005，（2）：32-38.

［2］崔晶，翟光喜，邹满.微乳给药系统的研究与应用［J］.食品与药品，2005，7（1A）：23-26.

［3］张振波，刘刚，王寒清，等.植物蛋白在化妆品中的应用［J］.北京日化，2008（4）：14-19.

［4］Dérick R.Fat crystals and emulsion stability：a review［J］. Food Research International，2000，33（1）：3-14.

［5］Dickinson E.Hydrocolloids at interface and the influence on the properties of dispersed systems［J］.Food Hydrocolloids，2003，17：25-29.

［6］Petursson S，Decker E A，Mcclements D J.Stability of oil-in -water emulsions by cod protein extracts［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2004，52：3996-4001.

［7］Pan L G，Tomás M C，Añón M C.Oil-in-Water emulsions formulated with sunflower lecithins：vesicle formation and stability［J］.Journal of the American Oil Chemists’Society，2004，81：241-244.

［8］Sun C H，Gunasekaran S.Effects of protein concentration and oil phase volume fraction on the stability and rheology of menhaden oil-in-water emulsions stabilized by whey protein isolate with xanthan gum［J］.Food Hydrocolloids，2009，23：165-170.

［9］Dickinson E.Milk protein interfaciallayersand the relationship to emulsion stability andrheology［J］.Colloids and Surfaces，2001，20：197-210.

［10］Bos M A，Vliet T V.Interfacial rheological properties of adsorbed protein layers and surfactants：a review［J］.Advances in Colloid and Interface Science，2001，91：437-471.

［11］Chapleau N，de Lamballerie-Anton M.Improvement of emulsifying properties of lupin proteins by high pressure induced aggregation［J］.Food Hydrocolloids，2003，17：273-280.

［12］Dickinson E.A model of a concentrated dispersion exhibiting bridging flocculation and depletion flocculation［J］.Journal of Colloid and Interface Science，1989，132：274-278.

［13］Castellani O，Belhomme C，David-Briand E，et al.Oil-inwater emulsion properties and interfacial characteristics of hen egg yolk phosvitin［J］.Food Hydrocolloids，2006，20：35-43.

［14］Euston S R，Hirst R L.Comparison of the concentrationdependent emulsifying properties of protein products containing aggregated and non-aggregated milk protein［J］.International Dairy Journal，1999，9：693-701.

［15］Dickinson E，Golding M.Creaming and flocculation of oil-in -water emulsions containing sodium caseinate［J］.Journal of Colloid and Interface Science，1997，185：515-529.

［16］Sarkar A，Kelvin K T G，Singh H.Colloidal stability and interactions of milk-protein-stabilized emulsions in an artificial saliva［J］.Food Hydrocolloids，2009，23：1270-1278.

［17］Hong Y，McClements D J.Modulation of pH Sensitivity of Surface Charge and Aggregation Stability of Protein-Coated Lipid Droplets by Chitosan Addition［J］.Food Biophysics，2007，2（1）：46-55.

［18］ Koupantsis T， Kiosseoglou V. Whey protein carboxymethylcellulose interaction in solution and in oil in water emulsion systems.Effecton emulsion stability［J］.Food Hydrocolloids，2009，23：1156-1163.

［19］Mcclements D J.Food Emulsions：Principles，Practice and Techniques，CRC Press，Boca Raton，FL.

［20］Dickinson E，Goller M E，Wedlock D J.Osmotic pressure，creaming，and rheology of emulsions containing nonionic polysaccharide［J］.Journal of Colloid and Interface Science，1995，172：192-202.

［21］Drakos A，Kiosseoglou V.Depletion flocculation effects in egg based model salad dressing emulsions［J］.Food Hydrocolloids，2008，28：218-224.

［22］Jourdaina L，Leserb M E，Schmittb C，et al.Stability of emulsions containing sodium caseinate and dextran sulfate：Relationship to complexation in solution［J］.Food Hydrocolloids，2008，22：647-659.

［23］Dickinson E，Pawlowsky K.Effect of ι-carrageenan on flocculation，creaming and rheology ofa protein stabilized emulsion［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1997，45：3799-3806.

Research progress in the factors influencing the stability of protein-stabilized emulsion

GUO Qing，MU Tai-hua*
（Institute of Agro-Food Science and Technology，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193，China）

Protein is the surface-active compound.The properties of oil droplets covered by protein moleclues including particle size，surface charge，adsorbed protein amount and interactions between particles and other components were considered as main factors influencing emulsion stability.Research progress in the effect of properties of protein-coated oil droplets on emulsion stability were reviewed in this paper and its development trends were also concluded.

emulsion stability；influencing factors；properties of emulsion droplets；mechanism

TS201.2+1

A

1002-0306（2010）12-0389-04

2009-11-12 *通讯联系人

郭庆（1984-），男，硕士研究生，研究方向：食品化学与营养。

现代甘薯农业产业技术体系建设专项资金资助（nycytx-16 -B-16）；河北省杂粮加工增值、综合利用技术研究与开发课题（08230907Z-2-2）。