疏水蛋白及其他因素对液体气泡的影响

潘天齐 Brent Murray 孙桂菊

蛋白质是自然界中最常见的表面活性聚合物，它们通常同时含有疏水性和亲水性的氨基酸，可以吸附在几乎任何两个不同相之间的疏水性和亲水性的界面，例如空气-水界面，从而形成非常稳定的膜，并因此向薄膜、泡沫、乳液和分散体提供显著的稳定特性，二类疏水蛋白便是这样一类表面活性很高的刚性蛋白质。由于二类疏水蛋白易溶于水，也易溶解于十二烷基硫酸钠（SDS）或乙醇中，所以适于应用在食品工业中。溶解反应是一个气泡缓慢皱缩的过程。由于不同大小泡沫间的拉普拉斯压力差，气体会从小气泡向大气泡扩散。尽管这是一个缓慢的过程，但仍很难在产品的长期贮存中防止其发生。于是在泡沫表面吸附蛋白质形成薄膜被认为是一种抑制该过程的方法。但以往对泡沫和乳液的研究表明，几乎所有的蛋白质薄膜都会因其粘弹性而最终衰退，从而发生吸附层的缓慢蠕变与塌陷。然而疏水蛋白可以作为一种粒子稳定剂，而不是展开的聚合蛋白层，所以它会成为一个例外。在以往的研究中二类疏水蛋白也展现了它对泡沫稳定性的提升效果比其他蛋白质更好，因而它的特性和使用过程中会产生影响的因素也十分值得进一步探讨。

材料与方法

样品准备。二类疏水蛋白样品由联合利华提供，冷冻储藏。每次使用前将二类疏水蛋白在室温下解冻30分钟并进行一分钟的45 KHz的超声波处理。所使用的磷酸盐缓冲液pH值衡定为7，所有的化学物质和缓冲溶液都分别由分析天平和电子秤精确称量，碳酸苏打水由Heritage公司提供。大多数实验中二类疏水蛋白溶液的浓度被调配为3×10-3 wt.%，但在一次实验中其浓度被调配为7×10-3 wt.%。

实验方法。

实验应用了图1所示的气泡装置。整个加压室被填满溶液，但观察室上方留有空气。溶液填充后密封，在电脑上设置活塞上升距离、循环次数和每次循环后的等待时间。活塞被释放上升会使观察室里的液面下降而其上方空气的体积上升但质量不变，从而降低压力，产生气泡并使其膨胀。活塞每一次上升再下降回到原位称为一个循环，其上升的距离可用于公式计算出系统内压力的变化。在观察室中的气泡在生成后会迅速上升至液面，实验完成后从液面提取少量样品滴在载玻片上，用一台与电脑连接的显微镜观察。获取的气泡图像可用于测量、计数，以绘制气泡尺寸分布线形图，并算出气泡的平均尺寸和标准差，用于分析数据。

实验结果

图 2 液面样品的显微图像。条件为：（a）0.86个标准大气压；7×10-4 wt.%的二类疏水蛋白浓度；120秒等待时间；20个循环，液面未观测到气泡； （b）相比于（a）二类疏水蛋白浓度增至3×10-3 wt.%，明显观察到有许多气泡；（c）相比于（b）苏打水含量增至20%，气泡数明显增多，且互相挤压粘连；（d）相比于（c）等待时间增至240秒，气泡变得更均匀，未挤在一起；（e）相比于（c）循环次数增至500次，液面未观测到气泡。（b）和（d）的气泡平均尺寸分别为58±13 μm、70±15 μm。

图3 液面样品的显微图像。（a）、（b）、（c）共同条件为：0.86个标准大气压；3×10-3 wt.%的二类疏水蛋白浓度；240秒等待时间；含5%苏打水。循环数分别为：（a）5个循环；（b）10个循环；（c）20个循环。可观测到少量形状很不规则的气泡。气泡平均尺寸分别为54±14 μm、50±13 μm、51±10 μm。（d）为将（c）的液面样品放置20小时后放大4倍的显微图像，气泡均皱缩干瘪。（e）相比于（b）压降强度增大，为0.79个标准大气压，其余条件一致，平均尺寸为61±29 μm，气泡数量明显增多。

图4 含20%苏打水和5%苏打水的溶液的气泡尺寸分布曲线图。

图4显示了含不同含量苏打水的溶液所产生气泡的尺寸分布。含20%苏打水对应显微图像为图2（d），曲线在80 μm处有一个峰值，平均尺寸为70±15 μm；含5%苏打水对应显微图像为图3（c），曲线在54 μm处有一个峰值，平均尺寸为51±10 μm。

图5 压降为0.86个标准大气压和0.79个标准大气压的实验的气泡尺寸分布曲线图。

图5显示了在不同压降下所产生的气泡尺寸分布。低强度压降代表压降至0.86个标准大气压，对应显微图像为图3（b），高强度压降代表压降至0.79个标准大气压，对应显微图像为图5。从曲线图和显微图像中可以看出当压降至0.79个标准大气压时，气泡数量更多，尺寸的分布范围更广，气泡间尺寸差异较大，平均尺寸为61±29 μm，显著大于当压降至0.86个标准大气压时的平均尺寸50±13 μm。

讨论

根据实验结果得到了以下会影响气泡生成、形态和稳定性的因素，并对其背后的原理进行了分析：

二类疏水蛋白的浓度。二类疏水蛋白浓度与气泡稳定性呈正相关。当浓度足够高时，气泡表面会吸附上足量的蛋白质，于是在横向方向上的蛋白质间相互作用会驱使疏水蛋白在界面处形成高度有序的结晶膜，并具有非常高的表面切变模量，降低了水的表面张力，稳定气泡。

二氧化碳的浓度。苏打水中含有大量二氧化碳，其在溶液中的浓度与气泡尺寸和数量均呈正相关。二氧化碳气体易溶于水，在减压释放时有助于大量气泡的产生，且由于气体的增多，气泡的体积也会更大。

压降的循环次数。蛋白质分子在靠近到一定程度后将无法再被推近，这种分子间相互作用使它们的紧密组合很难被压缩，从而提升了气泡的稳定性。但是这种刚性蛋白质膜无法避免分子的间距因气泡变大而变大，所以当再次进行压降过程时气泡会扩张表面，使表面上的蛋白质分子分开并产生空隙，气体从中溢出，反复多次后气泡会变得越来越小直至溶解。但一开始由于每次压降的过程中溶液中所溶气体会形成新的气泡，所以气泡的数量会增加。之后一些气泡在多次表面扩张下气体全部流失而彻底溶解，但新气泡的产生会使气泡总量维持动态平衡。最终溶液中所溶气体越来越少，导致新气泡的数量下降，动态平衡被打破，气泡总数不断下降直至不再有气泡产生。

压降循环间的等待时间。在加入了苏打水的情况下，二氧化碳溶于溶液中且溶解度远高于空气，在压降过程中促成了许多气泡的产生，因而气泡中含有的是以二氧化碳为主的和空气的混合气体。相较于空气，二氧化碳的流失速度更快，不过这个过程仍需要一段时间。所以如果每次循环之间的等待时间较短，则二氧化碳流失量很少，导致气泡的数量很多、体积很大；但如果等待时间过长，例如将溶液静置一个晚上，则在二氧化碳流失的同时，二类疏水蛋白同时也在吸附于气泡表面，但二氧化碳流失速度快于疏水蛋白的吸附，最终气泡内滞留的主要是空气。这个过程中气泡表面的蛋白分子在增加而内部气体在减少，所以会引起气泡形态上的缓慢皱缩，留下的气泡会看起来非常褶皱且特别的小。

压降的强度。当压力下降时会促使溶于溶液的气体形成气泡并且表面扩张，所以增大压降会产生更多气体且体积更大，但同时这也会使气体的溢出更快。一些气泡在表面扩张时若吸附了足量的二类疏水蛋白，则它们会较好地保持自己的形状和体积，但有的气泡不能，所以在数次循环后气泡间的尺寸差异巨大，在数据上表现为较大的标准差。

二类疏水蛋白吸附的过程。二类疏水蛋白的吸附是一个随机的过程。在气泡表面的某些部位可能会吸附上较多的蛋白质分子，而在另一些部位可能较少，那么在气泡被扩张再恢复时，不均匀的表面蛋白质层会影响到气泡的形状。大多数气泡会趋于椭圆，但也有个别气泡的形状会非常不规则，例如呈梭形。

结论

这是一个有关于二类疏水蛋白的基础性研究，反映了其在应用中的诸多现象、推测了它在吸附过程上的微观原理，并指出了在使用二类疏水蛋白的条件下影响气泡生成、形态和稳定性的因素。第一，溶液中二类疏水蛋白浓度与气泡稳定性呈正相关；第二，溶液中所溶二氧化碳的浓度与气泡尺寸和数量均呈正相关；第三，适当数量的循环数会促进气泡的生成，但进行过多次数的循环会导致气泡的缩小或溶解；第四，适量的等待时间可促使气泡形态变得均匀；第五，高强度的压降可促使大体积气泡的生成；最后，二类疏水蛋白的吸附是一个随机的过程，会影响气泡最终的形状。

二类疏水蛋白在提升气泡稳定性方面很有前景，在将来仍需更多的深入探究以巩固目前的成果、获得新的发现、并有效地投入于应用。

（作者单位：潘天齐 孙桂菊 东南大学公共卫生学院营养与食品卫生学系；Brent Murray 英国利兹大学食品科学和营养学院）