阿拉伯胶的结构特征和乳化性能研究进展

杨 雷，仇 丹，，*，周逸奎，汤成科

（1.宁波工程学院化工学院，浙江宁波315016；2.浙江新维普添加剂有限公司，浙江新昌312500）

阿拉伯胶（gum Arabic，GA）是应用最广泛的树胶，一般是豆科金合欢树属的树干渗出物制得的琥珀色干粉，其主要成分为高分子多糖、少量蛋白质及其钙、镁和钾盐，一般由D-半乳糖、L-鼠李糖、D-葡萄糖醛酸组成，相对分子质量约为25 ～100万[1]。阿拉伯胶的应用相当广泛。在营养学上，因其基本不产生热量，是良好的水溶性膳食纤维，被用于保健品及饮料上；在医学上，具有降低血液中胆固醇的功能；而在食品工业方面，因其具有乳化稳定性、胶粘性、增稠能力以及低消化性而被广泛应用[2]。阿拉伯胶优异的乳化性能尤其值得关注，目前已被广泛应用于制备各种水包油型乳状液体系。学界关于阿拉伯胶乳化性能的研究报道非常多，然而对于其微观结构的研究甚少。基于上述原因，文章将综述阿拉伯胶的微观结构特征以及乳化性能的各种影响因素，希望为深入研究阿拉伯胶做出贡献。

1 阿拉伯胶的结构特征

1.1 分子结构

阿拉伯胶分子是以β-1，3连接吡喃（型）半乳糖为主链、1，6连接吡喃（型）半乳糖单元为支链，并且以葡萄糖醛酸残基为支链末端，同时α-L-阿拉伯呋喃糖和α-L-鼠李吡喃糖也分别通过1，3和1，4位连接。有些阿拉伯胶还可以通过β-1，3连接的方式连接具有分支结构的顺式半乳聚糖次级结构单元（分子量约为8000）[3]。

实际上，阿拉伯胶研究较为广泛的有三大组分：阿拉伯半乳聚糖（AG）、阿拉伯半乳聚糖蛋白混合物（AGP）和糖蛋白（GP）。AG含量占胶体总量的88%，AG中所含的蛋白质含量占胶体蛋白质总量的20%，AGP占胶体总量的10%，且蛋白质含量为11%，GP含量则小于2%，但是其蛋白质含量却为45%[4-5]。

1.2 结构的表征方法

测试阿拉伯胶的化学结构表征的方法有很多，主要有凝胶渗透色谱分析（GPC）、核磁共振（NMR）、红外光谱分析仪（FT-IR）、X射线光电子能谱分析（XPS）和液相色谱（HPLC）等，在实际应用过程中GPC、NMR、FT-IR更为普遍。

GPC基于体积排阻的分离机理，通过具有分子筛性质的固定相，分离相对分子质量较小的物质，并且还可以分析分子体积不同、具有相同化学性质的高分子同系物。Mahendran等[6]利用填充物为Superose 6HR 10/30的色谱柱以及0.2mol/L NaCl作为流动相，结合GPC的示差、紫外和多角度光散射检测器（MALLS）测量了阿拉伯胶的分子量和回转半径，从而推断出阿拉伯胶具有紧凑的分子结构，同时他们对酶解后的成分进行分析，得出了一个新的AGP结构模型；Aoki等[7]使用GPC结合MALLS检测阿拉伯胶的结构特征，其检测可显示两个不同的峰，第一个峰对应的是AGP含量，第二个则是阿拉伯胶中剩余90%的物质；Pickles等[8]同样使用GPC-MALLS对阿拉伯胶进行检测，发现阿拉伯胶中主要有AGP、AG、GP以及其他小分子蛋白质。尽管示差检测器是GPC用于分析高分子化合物的常用检测器，但由于阿拉伯胶特殊的结构，以上文献均表明MALLS在检测阿拉伯胶时更有效。

NMR利用共振吸收现象，通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况判定分析三维结构。Ye等[9]分析了温度对酪蛋白酸钠-阿拉伯胶复合物的影响，他们将样品用磷酸缓冲液溶解后用氘代溶剂稀释，然后在Bruker的气流系统改变样品温度，测定不同温度下样品的H谱，结果表明，酪蛋白与阿拉伯胶在高温下是通过疏水性吸引力连接的，并且随着温度的降低，其连接是可逆的；Nie等[10]进一步利用一维和二维核磁共振波谱对阿拉伯胶的分子结构进行了研究，提出阿拉伯胶是高支链多糖结构，其骨干结构是取代在O2、O6或O4羟基位的1，3-吡喃半乳糖基团。可见NMR谱对研究阿拉伯胶中特殊官能团的是非常有用的。

FT-IR是由于样品对红外光的吸收，使检测器的干涉光强度发生变化，得到各种不同样品的干涉图，再借助傅里叶变换函数得到光强随频率变化的频域图，进而测试样品聚合物种类和特征官能团。Nayak等[11]利用FT-IR分析了阿拉伯胶的官能团结构，其主要的结构特征为：3000 ～3600cm-1（羟基），2993、2918cm-1（碳氢键），1612cm-1（碳氧双键），从而有利于推断阿拉伯胶的化学结构。这些特征峰对判定阿拉伯胶的主体结构显然是十分有效的。

阿拉伯胶的分子结构十分复杂，通过对表征分析技术的综述，可以帮助我们更加形象地认识阿拉伯胶的分子结构，进而探究其在乳化性能方面的重要作用。

2 阿拉伯胶的结构对乳化性能的影响

乳化性能是阿拉伯胶最主要的性能，它在很宽的pH范围内对大多数油起到稳定的乳化作用，是一种十分有效的乳化剂。在实际的使用过程中，阿拉伯胶的结构是其是否有良好乳化性能的关键所在。

2.1 AGP含量对阿拉伯胶乳化性能的影响

AGP是阿拉伯胶中约2%的蛋白质通过丝氨酸和羟脯氨酸残基以共价键的方式与分子中的多糖相连，从而形成的阿拉伯半乳聚糖-蛋白质的复合物。研究表明，AGP的存在是阿拉伯胶具有乳化性能的根本原因[12]。

Castellani等[13]控制蛋白质含量以及其他化学成分相同的条件下，改变AGP、GP、AG的比例，通过对薄膜性质、液滴大小和界面张力的研究，得出AGP含量对于阿拉伯胶乳化作用的重要作用：AGP含量越高，乳化性能越好；Desplanques等[14]在比较黄原胶和阿拉伯胶乳化性能时，同样发现AGP含量越高，阿拉伯胶的乳化性能越好；Al-Assaf等[15]通过提高阿拉伯胶中AGP的含量来改善阿拉伯胶的乳化性能。

AGP独特的蛋白质-多糖复合结构作用于水油两相时，能很好地吸附水油两相，形成粘弹性的膜，降低油水界面的界面张力，使乳状液能够稳定地存在。测定AGP的含量同时也是评价阿拉伯胶乳化性能的重要方式。

2.2 蛋白质对阿拉伯胶乳化性能的影响

很多研究表明，蛋白质也是阿拉伯胶具有乳化性能的原因，Randall等[16]就用蛋白酶将阿拉伯胶进行水解，发现其乳化性能大大降低。如上所述，AGP含蛋白质较少，因而对GP和AG中蛋白质的研究就显得尤为重要。

Chikamai等[17]将阿拉伯胶溶液在100℃下加热6h以上，发现乳化性能大幅下降，而65℃时24h则部分丧失，在上述条件下，阿拉伯胶中的蛋白质完全降解，造成乳化性能的下降，说明阿拉伯胶乳化性能与蛋白质含量密切相关；于东博[18]发现“熟化”过程能促进GP与AG相结合成类似AGP的结构，进而使乳状液的乳化性能增强，而AG中蛋白质含量占胶体的20%。

蛋白质含量对阿拉伯胶的乳化性能有着十分重要的影响，而目前更多的研究只局限于AGP，对于GP和AG中所含蛋白质含量和结构的研究尚需进一步加强。

2.3 多糖对阿拉伯胶乳化性能的影响

阿拉伯胶中的阿拉伯半乳聚糖（AG）、鼠李糖等都是影响其乳化性能的关键。在阿拉伯胶的水溶液浓度达到55%的时候，其多糖分子能形成稳定的分子链缔合区（交联区），达到较强的凝胶结构，所以其乳化性能大大增强。

Benhura等[19]研究了多糖含量对乳化性能的影响，他们控制多糖含量不超过1%，发现多糖含量越高，乳化性能越好；Matsumura等[20]对多糖的结构、分子量及作用进行了分析，发掘出其对阿拉伯胶乳化性能的重要作用：多糖能够增加阿拉伯胶作为乳化剂时水油两相之间的界面张力，从而达到增强乳化作用的效果；Alftren等[21]在比较阿拉伯胶与牧豆树胶乳化性能时发现增加阿拉伯胶的AG含量能够增强其表面活性从而达到改善其乳化性能的目的；廖青青[22]发现鼠李糖碳六位上是CH3，因而具有较好的亲油性，所以决定了阿拉伯胶具有较好的乳化性能，在一般情况下，鼠李糖含量越高，阿拉伯胶的乳化性能越好。

当多糖作为增加乳化性能的添加物时，它能很好地让乳化剂分子缔合；而作为阿拉伯胶内部结构时，它与蛋白质的复合结构同时作用于水油界面，增加其乳化活性。

2.4 改性基团对阿拉伯胶乳化性能的影响

阿拉伯胶通常可以引入某些化学基团使分子结构和理化性质发生变化，如糖基化磷脂酰肌醇（GPI）、辛烯基琥珀酸酐（OSA）等就经常用于将阿拉伯胶改性。

GPI是以二十四烷酸和植物鞘氨醇为主的神经酰胺，其特征物脂肪酰残基能够吸附在油滴上，若将GPI固定在阿拉伯胶的脂质侧链上，能够增强阿拉伯胶的乳化性能。Yadav等[23]通过化学处理打断GPI侧链，然后利用浊度对阿拉伯胶的乳化性能进行了分析，发现失去GPI侧链的阿拉伯胶乳化性能下降。

OSA可以取代在阿拉伯胶长链分子结构上，改变阿拉伯胶的分子结构，进而可以提高其乳化性能。Sarkar等[24]将阿拉伯胶以不同浓度的OSA改性后，分别用浊度、粘度以及乳状液粒度来比较其改性前后乳化性能的差异，结果发现，OSA取代后的阿拉伯胶有更好的乳化性能；Saitoh等[25]利用OSA改性后的阿拉伯胶作为乳化剂，更加证明了改性阿拉伯胶内在的发展潜力及其优良的乳化性能。

阿拉伯胶的品质受限于气候、土壤等各种人为不可控因素，真正具有商业化价值的产品产量很有限。因此，将阿拉伯胶进行化学改性以提高应用性能已逐渐成为当今研究的热点。

3 环境因素对阿拉伯胶乳化性能的影响

乳化是乳化剂作用于油水两相的过程，其乳化性能的差异往往取决于乳化剂本身或乳化剂在界面膜的性质。因此，乳化剂使用量、pH、离子浓度以及温度等都对阿拉伯胶的乳化性能有一定的影响作用。

3.1 乳化剂使用量对阿拉伯胶乳化性能的影响

界面膜的机械强度与紧密程度是乳状液稳定性的决定因素。若乳化剂浓度较低，在界面上吸附的分子较少，膜中分子排列松散，界面膜强度较低，所形成的乳状液不稳定；当乳化剂浓度增加到一定程度后，界面上就会形成由定向吸附的乳化剂分子紧密排列组成的界面膜，阻碍液珠的聚并，因此可提高乳状液的稳定性[26]。

Gharibzahedi等[27]利用响应曲面法得到9.62%（W/W）的阿拉伯胶以及3%（W/W）核桃油可以制得物理稳定性最高的乳状液；Cao等[28]研究阿拉伯胶在界面膜上的吸附作用时发现，1wt%浓度的阿拉伯胶能够很好增强界面膜的强度从而达到提高乳状液稳定性的作用；Aoki等[29]发现当乳状液的粒径随阿拉伯胶浓度的增加（5w/w%增加到20w/w%）而减小，说明乳状液的稳定性增强，其乳化性能增强；李光水等[30]通过对乳状液稳定性的探究，发现阿拉伯胶的使用量越高，乳状液的乳化稳定性越好，他们认为可能是乳状液粘度增大的原因。

3.2 pH对阿拉伯胶乳化性能的影响

发生乳化作用时，pH往往能使液滴带有一定量的电荷，因液滴之间的相互作用改变界面的絮凝程度以及液珠的粒径大小，从而影响其乳化性能。

Liu等[31]着重探究了pH对阿拉伯胶-豌豆蛋白复合物乳化性能的影响，发现pH从2.4到4.4时，乳状液的稳定性提高，表明其乳化性能的增强；Nakauma等[32]研究了pH2 ～6时乳状液的稳定性，发现pH2到3时有一个剧烈变化的过程，而在pH3到6则无多大变化，说明对于阿拉伯胶稳定的乳状液更需要关注的是pH为2到3这一区间的变化；Buffo等[33]发现乳状液稳定性在pH为4.5及5.5时比pH为2.5更加稳定，因为较高的离子强度会使液滴表面电荷产生屏蔽作用而导致乳状液失稳。

3.3 离子浓度对阿拉伯胶乳化性能的影响

很多研究都表明，阿拉伯胶的分子结构是其具有良好乳化性能的一个重要因素，而离子的作用往往是能够改变分子结构，这一点不容小觑；同时，离子浓度还可改变液滴粒径的大小达到增强乳化性能的作用，如Wang等[34]发现，NaCl浓度的变化能够导致阿拉伯胶乳状液平均液滴粒径的变化，主要是因为离子浓度能够增强阿拉伯胶在界面上的吸附作用。

Akhtar等[35]在研究葡萄糖乳清蛋白混合物时使用阿拉伯胶作为乳化剂，同时研究了盐浓度对其乳化性能的影响，发现它在低浓度和高浓度条件下均具有较好的乳化性能；Charoen等[36]对比乳清蛋白分离物、阿拉伯胶、改性淀粉时，研究了盐浓度为0 ～500mmol/L的NaCl对三者乳化性能的影响，他们认识到随着盐浓度的升高，其形成的乳状液粒径、zeta电位都有所升高，说明阿拉伯胶的乳化性能还是会有所下降；Dickinson等[37]发现高强度的离子浓度会导致阿拉伯胶乳状液的稳定性减弱，因为液滴发生排斥絮凝，乳状液的稳定性下降。

3.4 温度对阿拉伯胶乳化性能的影响

温度可以增强乳状液的热运动，分子之间的相互运动增强，容易发生碰撞导致界面膜的破坏，发生絮凝作用而影响阿拉伯胶的乳化作用。

Mu等[38]探究了超声波处理对大豆蛋白分离物-阿拉伯胶混合物物理化学性质的影响，发现随着温度的升高，乳状液的稳定性系数（ESI）升高，但达到一定值后，稳定性下降；Ye等[39]进一步探究了温度对阿拉伯胶复合乳状液的影响，通过对ζ-电位、液滴粒径等的分析发现了温度对于乳状液的巨大作用；Charoen等[40]比较不同乳化剂乳化性能时，发现温度对阿拉伯胶有一定影响，乳状液粒径在30 ～70℃基本保持不变，80℃时粒径减小，而90℃后又略有回升，说明乳状液在80℃时稳定性最高。

环境因素大多通过对界面膜性质及其强度的改变来影响阿拉伯胶的乳化性能，因此对于阿拉伯胶乳状液界面行为的研究将有助于我们对阿拉伯胶等乳化剂乳化性能有更深刻的了解。

4 结论

阿拉伯胶作为一种植物胶，性能优越但资源面临枯竭，因此我们需要更加深入地认识和了解这类天然产物。对于阿拉伯胶内部结构与乳化性能关系的研究可以进一步探索某些分子结构对乳化性能的重大作用，环境因素对阿拉伯胶乳化性能的影响将有助于提高同类产品的乳化性能。通过以上各个方面的研究，能指导我们更加合理有效地使用阿拉伯胶产品，使之在食品工业中发挥更大的作用。

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