蛋白质和多糖在界面处的相互作用研究进展

董 磊，刘田静，孔令姗，郭惠玲，李晨晨，超文正，俞 苓

(上海应用技术学院香料香精技术与工程学院，上海201418)

1 前言

蛋白质和多糖是两种常用的功能性生物大分子［1］。蛋白质和多糖广泛应用于食品、医药、化妆品等行业，在制备两相或多相的泡沫、乳液时常被用作分散相［2］。泡沫和乳液是亚稳态体系，其稳定性取决于包覆乳液液滴和泡沫气泡的界面膜［3］。分散相的组成和结构直接影响界面膜的性质，从而间接决定了分散体系的性质［4-6］。

众所周知，蛋白质具有特殊的表面活性，其静电和空间效应对乳液和泡沫的形成和稳定性发挥着非常重要的作用［3］。多糖强化分散体系稳定性是通过调节连续相的流变性及网状结构，延迟相分离和重力引起的乳状液分层而实现的。

蛋白质和多糖的凝聚和凝胶特性会影响食品的结构和质构。蛋白质和多糖混合后的协同效应可构建新的，功能性的纳、微或宏观结构，改变食品的力学和流动特性对改良食品，降低生产成本具有重要意义［7］。

本综述主要集中在界面处蛋白质和多糖相互作用的研究进展。

2 蛋白质和多糖的界面行为

2.1 蛋白质的界面行为

蛋白质易于吸附在流体界面处。通常认为蛋白质在界面处会经历以下过程:蛋白质通过扩散作用在界面形成层状分布;蛋白质在界面处吸附并展开;界面处吸附的蛋白质片段结构重排。

蛋白质具有两亲性质。尽管大部分蛋白质中的极性和非极性氨基酸基团比例相似，但表面性质却不尽相同。蛋白质不同表面活性与其构型、物理、化学性质有关，如分子形状、大小、氨基酸序列和构型、电荷等。在混合体系中，蛋白质的表面活性还与体系的pH、温度、离子强度以及和其他组分的相互作用等外部因素有关［8-10］。

从动力学观点来说，蛋白质在界面处的不同行为会造成表面压力变化率和表面扩张模量的变化总体来说，随着溶液中的蛋白质浓度增加，表面压力变化率以及表面扩张模量会随着时间而增加。对于不同蛋白质以及不同的体系条件下(如pH)，表面压力变化率和表面扩张模量也会出现明显不同。Carrera［11］和 Molina［12］曾在研究大豆球蛋白和牛奶蛋白的界面性质时发现，无规则卷曲的牛奶蛋白形成界面膜所需浓度比大豆球蛋白要低几个数量级，构型变化也比大豆球蛋白更加敏感，说明在研究所选表面压力条件下，无论是形成分散膜还是吸附膜，大豆球蛋白和牛奶蛋白的扩张模量是不同的。

蛋白质还拥有优良的起泡性和乳化性［13-14］。不同的蛋白质的起泡性之和乳化性也是不同的。Maldonado等人［6］研究发现在中性或者酸性的水溶液中，植物蛋白的起泡性和乳化性不如牛奶蛋白。改变加工条件如加热处理，乳清蛋白、7S球蛋白、β-乳球蛋白和牛血清蛋白的起泡性质和乳化性质会发生改变［15］。通过添加多糖类物质，并使其和蛋白质发生美拉德反应会使蛋清蛋白的乳化性得到改善［8］。

2.2 多糖的界面行为

果胶、阿拉伯胶、卡拉胶、黄原胶等是常用于食品乳液和泡沫体系中的多糖，具有亲水性，不易于吸附在流体界面上，本身不具有表面活性［9］。个别文献曾报道过多糖表现出界面活性，大多与多糖中含有的少量杂蛋白质质有关，与多糖本身并没有直接关系［16］。因此通常认为，多糖本身不具有表面活性。

Siew等人［10］发现，果胶中含有5%左右的乙酰基，这大大增强了果胶的疏水性，使其拥有了表面活性在乳化过程中吸附到柠檬烯油上的甜菜果胶片段含有11%的蛋白质和2．16%阿魏酸，使得这个片段的乙酰化程度非常高，从而表现出明显的表面活性。

阿拉伯胶广泛应用于稳定饮料、蛋糕粉等风味油乳液产品。现在已经认识到阿拉伯胶的乳化性质是由于占了胶体总含量10%左右阿拉伯半乳聚糖蛋白以及1%左右的糖蛋白的存在引起的，这样在当碳水化合物部分从表面伸展到水溶液中时，阿拉伯胶就可以吸附到油滴上，而对于阿拉伯胶这样的胶体，总是不可避免的含有与其紧密交联的蛋白质部分，因此在实际的使用过程中，通常认为阿拉伯胶是有表面活性的［17］。

纤维素多糖衍生物的表面活性也引起了广泛关注。甲基纤维素(MC)，羧甲基纤维素(CMC)，羟丙基纤维素(HPC)，羟丙基甲基纤维素(HPMC)．乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素均带有疏水基团(甲基)和亲水基团(羟基)的MC和HPMC，纤维素骨架上的疏水区域富含甲基基团，而亲水区域富含羟基基团，这样使得纤维素衍生物易于在气液界面和油水界面聚集，形成稳定的界面膜，表现出表面活性甚至比牛奶蛋白还强［18］，被广泛应用于食品领域。

多糖吸附到水油界面上产生增稠作用，形成弹性凝胶以及凝胶保护作用，这些都会影响到由多糖做稳定剂的水包油乳液的稳定性［19］。Rodríguez［20］曾报道，疏水修饰的羟乙基纤维素(HMHEC)对乳液的稳定作用主要是基于由HMHEC的烷基链的交联增稠机理以及HMHEC吸附到水油界面上形成阻止液滴絮凝的固态膜。

3 蛋白-多糖复合物的界面行为

3.1 蛋白质-多糖复合物的界面行为概述

蛋白质和多糖分子之间可以通过共价键形成牢固的，永久性的交联。蛋白质和多糖美拉德反应共价复合物可以显著改善蛋白质的性能，如不溶性［21］。KATO等人［22］曾在研究面筋蛋白时发现，将葡聚糖和不溶解的面筋蛋白通过共价结合后形成的复合物在pH2～12的大范围内都有很好的溶解性，而且面筋蛋白的乳化性也显著增加。Nakamura等人［23］发现 通过美拉德反应在卵清蛋白上共价引入多糖的方法，比较了卵清蛋白、卵清蛋白与糊精的共价复合物对甲基亚油酸的相对氧化速度的影响，发现卵清蛋白与糊精的共价复合物较单一卵清蛋白具有更强的抗氧化能力。

蛋白质和多糖之间也存在非共价键相互作用(静电作用、疏水相互作用，氢键作用等)。控制体系的pH，可改变蛋白质和多糖之间相互作用强度，影响吸附膜的界面性质，对分散体系的形成和稳定性有重要意义。当体系pH＜PI(蛋白质等电点)，带正电的蛋白质和带负电的多糖之间会发生强烈的静电吸引;当体系pH≥PI，带负电的多糖和静电荷为零或带负电的的蛋白质会形成弱可逆复合物。

3.2 交联作用条件下蛋白质-多糖复合物的界面行为

蛋白质-多糖复合物的交联作用以及它们在食品乳液和泡沫中的性能已经成为近些年来的研究热点［20，24-26］。蛋白质多糖复合物拥有非常高的表面活性，可以增加分散介质的粘度，促进凝胶的形成，还可以使吸附层增稠，所以经常使用两者的复合物作为乳液和泡沫的稳定剂［27］。

决定界面膜表面压力、表面扩张流变和剪切流变性质的最关键因素包括:

a．体相中蛋白质多糖之间的静电作用，静电作用受到生物高分子的电荷密度以及其混合比例影响;

b．生物高分子在界面上的吸附顺序，是同时吸附还是有序依次吸附。

蛋白质和多糖的混合可以减缓表面压力的增加。Ganzevles［28］曾经在研究中发现，β-乳球蛋白和低甲氧基果胶混合后，体系的表面压力增长速率降低了100多倍，大大降低泡沫的含量。果胶吸附到界面处的蛋白质层上，两者之间因负电荷相互排斥作用，使表面扩张模量增加，无法形成紧密结构的界面分子层。

随着现代检测手段和分析方法不断发展，使研究界面处蛋白质多糖复合物的分子性质以及界面层性质成为可能。

Kudryashova等人［29］就曾利用吊球张力仪和各向异性荧光技术研究了卵清蛋白和果胶复合物在体相中以及气液界面上的分子性质，他们指出，在体相中，卵清蛋白和果胶的复合物的形成，会促使不同空间排列的紧密结构的形成，造成蛋白质在气液界面上的吸附量明显降低，而体相的黏度增加。

Ganzevles［30］利用中子反射技术研究了 β-乳球蛋白/低甲氧基果胶复合物(pH4．5)的电荷对吸附层的分子结构的影响。发现复合物在界面处不会形成厚度均匀的膜。混合膜的第一层为蛋白质单分子层，第二层为多糖(有序吸附)或者蛋白质-多糖复合物(同时吸附)分子层，第二分子层通常没有第一分子层粘稠。同时吸附和有序吸附共同作用形成的中性复合物吸附分子层比负电复合物形成的分子层要粘稠得多，同时吸附形成的界面膜比有序吸附形成的界面膜更薄，第一分子层蛋白质含量更少。蛋白质-多糖复合物吸附蛋白质，而多糖可吸附在复合物外层蛋白质上(多糖本身没有表面活性)。通过时间分辨率各向异性荧光测试发现，由于蛋白质无法轻易穿越复合物分子层，最外层多糖可以阻碍在界面处形成粘稠的蛋白质层。

阿拉伯树胶含有2%～4%左右的表面活性片段，可降低溶液的表面张力，Schmitt［25］在研究 β-乳球蛋白和阿拉伯树胶复合物在气液界面的行为时发现，β-乳球蛋白溶液比形成电中性的β-乳球蛋白和阿拉伯树胶复合物溶液的界面弹性模量要低30%，而表面张力两者却相似。

3.3 热力学有限相容条件下蛋白质-多糖复合的界面行为

当体系处于热力学有限相容的条件时，由于有多糖存在，蛋白质吸附到流体界面上时会出现以下三种现象:a．多糖和蛋白质竞争吸附到界面上;b．多糖通过静电吸引或者氢键与已经吸附的蛋白质形成复合物;c．由于蛋白质和多糖之间的有限热力学相容性，多糖使吸附的蛋白质发生浓缩［31］。

经过a、b过程，多糖分子就可以停留在界面膜上，而多糖一旦进入界面层或者通过复合物连接，就会显著改善界面处蛋白质的热力学活性。即使多糖不直接参与构成界面(如a、b两个过程所述)，但由于蛋白质和界面附近的多糖之间存在的热力学有限相容性，会使已经吸附的蛋白质发生浓缩，从而间接的影响界面的性质。

表面活性多糖和无表面活性多糖与蛋白质都可以发生相互作用，但是两者参与界面构成的机制却不同。

具有表面活性的多糖和蛋白质之间主要是通过竞争性吸附，吸附到界面上，从而对界面性质造成影响，两种生物大分子复合物在流体界面处会有最大协同作用。Rosa Baeza［32］研究了β-LG和表面活性多糖混合体系在气液界面处的界面性质，以及它们在中性pH7时对泡沫性质的影响。他们还分析了不同酯化度的藻酸丙二醇酯(PGA)。他们从吸附和分散混合单分子层的研究中得到的结果揭示了PGA的重要作用，这与这些生物高分子的相对浓度有关。有表面活性的PGA和蛋白质竞争吸附到界面上。它们表现出明确的竞争性行为以及额外的协同行为，这与它们的浓度和分子结构有关。

无表面活性多糖可以通过静电吸引或者氢键与吸附到表面的蛋白质发生相互作用。在有限热力学相容性条件下(在蛋白质等电点以上)，体相中或者界面处，带正电荷的多糖和带负电的离子型多糖之间会通过弱静电发生相互作用。氢键作用主要出现在中性多糖中。

多糖的电荷密度是蛋白质/多糖复合物溶解性的主要决定因素［33］。复合物中如果有带充足净电荷或者足量不带电荷的(溶解性好)的糖单元就可以抑制复合物絮凝。这种体相行为会对表面流变性质造成相当程度的影响。而且，多糖电荷密度越高，在气液界面处越多的蛋白质分子形成紧密吸附层的过程会被抑制，这也会导致表面压力和膨胀模量的增加被抑制。所以，控制蛋白质-多糖混合物体系的电荷密度性质可以控制气液界面吸附层的性质。

Baeza［31］发现，在有黄原胶存在时，β-乳球蛋白界面膜的表面压力会急剧增加。黄原胶通过复合机理a参与到界面上。β-乳球蛋白界面膜的弹性和表面膨胀模量降低，表明黄原胶和蛋白质相互作用影响蛋白质构型。由于热力学有限相容现象的影响，乳清蛋白和黄原胶之间会出现局部净吸引力。蛋白质-多糖相互作用在界面处和体相中有所不同，原因可能是界面处蛋白质构型改变引起的。

4 展望

近年来，科学工作者对蛋白质-多糖复合物进行了较深入研究，引入了各种新的微观结构分析手段，对于复合物界面行为以及作用机理的认识逐渐清晰。但是对于蛋白质和多糖形成复合物的具体结构认识仍受限于现有检测手段，而复合物的生物活性以及其在食品、化妆品、药品中的功效研究却鲜有文献报道，尚需进一步深入研究。

［1］钟芳，麻建国，王璋，等．蛋白质—多糖共价复合物［J］．食品科技，2000，5:12-15．

［2］Benichou A，Aserin A，Garti N．Protein-polysaccharide interactions for stabilization of food emulsions［J］．Journal of Dispersion Science and Technology，2002，23(1-3):93-123．

［3］Dickinson，E．An introduction to food colloids［M］．Oxford:Oxford University Press，1992．

［4］Krägel J，Derkatch S R，Miller R．Interfacial shear rheology of protein-surfactant layers［J］．Advances in colloid and interface science，2008，144(1):38-53．

［5］ KotsmarC，PradinesV，Alahverdjieva V S，etal．Thermodynamics，adsorption kineticsand rheology ofmixed protein-surfactant interfacial layers［J］．Advances in colloid and interface science，2009，150(1):41-54．

［6］Maldonado-Valderrama J，Patino J M R．Interfacial rheology of protein-surfactant mixtures［J］．Current Opinion in Colloid ＆Interface Science，2010，15(4):271-282．

［7］Benichou A，Aserin A，Garti N．Protein-polysaccharide interactions for stabilization of food emulsions［J］．Journal of Dispersion Science and Technology，2002，23(1-3):93-123．

［8］Kato A，Minaki K，Kobayashi K．Improvement of emulsifying properties of egg white proteins by the attachment of polysaccharide through Maillard reaction in a dry state［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1993，41(4):540-543．

［9］Morris V J，Stephen A M．Food polysaccharides and their applications．Stephens，AM，Ed，1995:341-375．

［10］Siew C K，Williams P A，Cui S W，et al．Characterization of the surface-active components of sugar beet pectin and the hydrodynamic thickness of the adsorbed pectin layer［J］．Journal of agricultural and food chemistry，2008，56(17):8111-8120．

［11］Carrera Sánchez C，Molina Ortiz S E，Rodríguez Niño M R，et al．Effect of pH on structural，topographical，and dynamic characteristics of soy globulin films at the air-water interface［J］．Langmuir，2003，19(18):7478-7487．

［12］Ortiz S E M，Sánchez C C，Rodrı'guez Niño M R，et al．Structural characterization and surface activity of spread and adsorbed soy globulin films at equilibrium［J］．Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2003，32(1):57-67．

［13］Mitchell J R．Foaming and emulsifying properties of proteins［J］．Developments in food proteins，1986，4:291-338．

［14］Pearce K N，Kinsella J E．Emulsifying properties of proteins:evaluation of a turbidimetric technique［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1978，26(3):716-723．

［15］Kato A，Osako Y，Matsudomi N，et al．Changes in the emulsifying and foaming properties ofproteins during heat denaturation［J］．Agricultural and Biological Chemistry，1983，47(1):33-37．

［16］Dickinson E．Hydrocolloids at interfaces and the influence on the properties of dispersed systems［J］．Food hydrocolloids，2003，17(1):25-39．

［17］Padala S R，Williams P A，Phillips G O．Adsorption of Gum Arabic，Egg White Protein，and Their Mixtures at the Oil-Water Interface in Limonene Oil-in-Water Emulsions［J］．Journal of agricultural and food chemistry，2009，57(11):4964-4973．

［18］Arboleya J，Wilde P J．Competitive adsorption of proteins with methylcellulose and hydroxypropyl methylcellulose［J］．Food hydrocolloids，2005，19(3):485-491．

［19］Akiyama E，Kashimoto A，Fukuda K，et al．Thickening properties and emulsification mechanisms of new derivatives of polysaccharides in aqueous solution［J］．Journal of colloid and interface science，2005，282(2):448-457．

［20］Rodríguez Patino J M，Pilosof A M．Protein-polysaccharide interactions at fluid interfaces［J］．Food Hydrocolloids，2011，25(8):1925-1937．

［21］王延青，郭兴凤．蛋白-多糖共价复合物及其应用研究进展［J］．中国食品添加剂，2009，5:27．

［22］Kato A，Shimokawa K，Kobayashi K．Improvement of the functional properties of insoluble gluten by pronase digestion followed by dextran conjugation［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1991，39(6):1053-1056．

［23］Nakamura S，Kato A，Kobayashi K．Enhanced antioxidative effect of ovalbumin due to covalent binding of polysaccharides［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，1992，40(11):2033-2037．

［24］Cooper C L，Dubin P L，Kayitmazer A B，et al．Polyelectrolyte-protein complexes［J］．Current opinion in colloid ＆ interface science，2005，10(1):52-78．

［25］Dickinson E．Interfacial structure and stability of food emulsions as affected by protein-polysaccharide interactions［J］．Soft Matter，2008，4(5):932-942．

［26］Turgeon S L，Schmitt C，Sanchez C．Protein-polysaccharide complexes and coacervates［J］．Current Opinion in Colloid ＆Interface Science，2007，12(4):166-178．

［27］ Ye A．Complexation between milk proteins and polysaccharides via electrostatic interaction:principles and applications-a review［J］．International journal of food science ＆technology，2008，43(3):406-415．

［28］Ganzevles R A，Cohen Stuart M A，Vliet T V，et al．Use of polysaccharides to control protein adsorption to the air-water interface［J］．Food Hydrocolloids，2006，20(6):872-878．

［29］Kudryashova E V，Visser A J，van Hoek A，et al．Molecular details of ovalbumin-pectin complexes at the air/water interface:a spectroscopic study［J］．Langmuir，2007，23(15):7942-7950．

［30］Ganzevles R A，Fokkink R，Van Vliet T，et al．Structure of mixed＜i＞ β-lactoglobulin/pectin adsorbed layers at air/water interfaces;a spectroscopy study［J］．Journal of colloid and interface science，2008，317(1):137-147．

［31］Rodríguez Patino J M，Pilosof A M．Protein-polysaccharide interactions at fluid interfaces［J］．Food Hydrocolloids，2011，25(8):1925-1937．

［32］Baeza R，Carrera Sanchez C，Pilosof A M，et al．Interactions of polysaccharides with β-lactoglobulin adsorbed films at the airwater interface［J］．Food Hydrocolloids，2005，19(2):239-248．

［33］Ganzevles R A，Kosters H，van Vliet T，et al．Polysaccharide charge density regulating protein adsorption to air/water interfaces by protein/polysaccharide complex formation［J］．The Journal of Physical Chemistry B，2007，111(45):12969-12976．