油脂体稳定性影响因素及机理的研究进展

官梦姝，徐 聪，姜 瑞，宋超男，冯 雪，刘 月，李 佳，姜瞻梅，江连洲，侯俊财

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030）

脂肪、碳水化合物和蛋白质是三种主要的能量储备形式，脂肪是迄今为止人们所知最有效的能量储存形式，其所含的能量是淀粉或蛋白质的两倍多[1]。种子中贮藏的脂肪是在种子发育过程中合成的，可以在胚组织中（大豆、油菜籽和葵花籽）合成，也可以在胚乳（蓖麻子等）中合成。脂质生物合成酶在种子胚胎细胞中合成并在干燥的种子细胞中积累[2]。在大多数植物中，贮藏的脂肪为三酰基甘油（triacylglycerol，TAG）的形式，它由3个酯化为甘油骨架的脂肪酰基链组成[3]。在种子中，TAG被分割成小的亚细胞液滴，为生命活动过程中脂肪酶的作用提供更大的表面积。种子中的脂肪最终会沉积到油脂体中，油脂体还存在于包括种子外的其它组织或器官中。用电子显微镜观察植物细胞，特别是用戊二醛和四氧化锇固定后的种子贮藏组织，发现粒子有不透明的电子基质，周围有电子致密的边界。这些粒子的特征被解释为一个脂质基质被一层特殊的膜所包围，这种特殊的脂肪颗粒被称为油脂体[4]。很多研究认为，油脂体可能产生于细胞中内质网的特定亚结构区域或原核细胞的质膜中，且其形成及大小受特定蛋白质的调控。具有油脂体的组织能够抵抗干旱等不良环境，具有长期储存油脂的能力[5]。

作为天然的预乳化的油，油脂体应用于食品体系中不需要乳化剂和均质过程，并且从植物中获得的油脂体（如花生、葵花籽和大豆）由于其更健康、经济等优点逐渐开始以天然乳液形式应用于食品等领域中[6]。本文论述了油脂体结构组成、乳液稳定性影响因素及影响机理、油脂体的应用，为油脂体的深入研究提供参考。

1 油脂体

1.1 油脂体结构与组成

植物种子储存TAG作为种子萌发和萌发后生长的能量储备，TAG存在于被称为油脂体的小的离散的细胞内细胞器中。单个油脂体单位呈球形，其直径从0.5～2.5μm不等，其大小因油脂体的来源、营养状况和环境因素的影响有所差异[1]。油脂体主要由TAG，少量的磷脂和蛋白质构成，油脂体内部为液态TAG，外围是单层磷脂和油体蛋白（Oleosin）组成的“半单位”膜（如图1），该膜由13个磷脂分子和1个Oleosin蛋白分子组成[7]。由种子制备的油脂体包含约94%～98%（w/w）的中性脂质，0.6%～2%的磷脂和0.6%～3%的蛋白质，中性脂质主要以TAG的形式存在[8]。油体蛋白中间的疏水区域形成柄状结构伸入到油脂体内部的TAG中，而其余油体蛋白的头尾部分则覆盖了大部分表面区域，由于其两亲性结构，油体蛋白被认为覆盖了整个油脂体膜的表面，使其保持为小的个体单位，这将有利于提高表面积/体积和促进脂肪酶在发芽期间的作用，这个大小可能代表发芽过程中脂质的有效储存和动员之间的平衡[9]。除了油体蛋白外，油脂体表面还镶嵌有少量其他蛋白质。油脂体蛋白表现出特定的时间依赖性积累模式，这表明油脂体蛋白分布可能在种子成熟过程中发生变化[10]。

图1 油脂体结构[3]Fig.1 Structure model of Oil bodies[3]

1.2 油脂体相关蛋白

Tzen等[11]研究发现，通过胰蛋白酶处理油脂体悬浮液，油脂体迅速漂浮到溶液顶部并且油脂体下方悬浮液浊度快速下降，处理仅1 min后观察到聚结。而与胰蛋白酶处理相反，磷脂酶A 2处理不会导致油脂体悬浮液的浊度以及油脂体粒径明显变化，这表明油脂体膜表面的蛋白质对于油脂体的稳定性起着至关重要的作用[7]。对镶嵌在磷脂膜表面的蛋白进行研究发现，油脂体蛋白质包括油体蛋白（Oleosin）、油体钙蛋白（Caleosin）和甾醇蛋白（Steroleosin）[12]。

油脂体中蛋白质占比最高的是油体蛋白，油体蛋白是15～30 k Da的碱性蛋白，其被认为是油脂体特有的[1]，油体蛋白结构如图2。裸子植物中仅发现一种油体蛋白即L-油体蛋白，被子植物中存在两种免疫学上不同的同工型油体蛋白：H-油体蛋白和L-油体蛋白，并且通过免疫荧光显示它们共存于同一油脂体上，不同种类植物存在相对应的同工型具有较高同源性[13]。油体蛋白包含3个结构区域，一个50～70个残基的两亲性N末端，一个大约70个残基的中央疏水性结构域和一个可变长度的两亲性C末端，模型预测，由两个富含脯氨酸的延伸链或“脯氨酸结”连接的反平行链形成的中心区域插入油脂体TAG基质中，形成发夹结构，N和C末端结构域驻留在油脂体表面上[11]。油脂体膜上的油体蛋白拓扑结构使带负电的残基暴露于细胞质，使油脂体带电，表面油体蛋白产生的位阻和电斥力可以阻止油脂体的聚集。油体蛋白中含有正确定位于油脂体的信息，可保证大部分油体蛋白分子的稳定[14]。

图2 油体蛋白结构[15]Fig.2 Structure model of oleosin[15]

对芝麻油脂体分离出的蛋白进行研究发现，部分蛋白与具有钙结合结构域的大米蛋白同源，这部分蛋白被定义为油体钙蛋白。它们在高等植物中普遍存在，在藻类和真菌中也发现了类似的蛋白质。高等植物的油体钙蛋白包含3个可辨别的区域，N-末端区域具有相当的亲水性，该亲水区域朝向细胞质，并包含单个结合Ca2+的EF-hand[16]。EF-hand还结合了Ca2+以外的二价阳离子，并且Ca2+/Mg2+的交换容易影响EF-hand蛋白的构象。由于细胞质中的Mg2+浓度远高于Ca2+，并且由于体外Ca2+结合测定法人为地使用了较高的Ca2+水平，因此Mg2+可能是单个油体钙蛋白EF-hand的主要细胞配体[17]。第二个油体钙蛋白区紧邻EF-hand，是一个中央疏水域，随后是脯氨酸丰富的片段。C-末端亲水区包含4个潜在的磷酸化位点，其中酪蛋白激酶II 3个，酪氨酸蛋白激酶1个。油体钙蛋白具有调节油脂体表面积/体积比，加速油脂体中脂类的降解，参与膜和油脂体融合及稳定油脂体结构等作用[18]，其功能可能受到钙结合和磷酸化状态的调节[3]。

对芝麻油脂体蛋白进行研究发现，部分蛋白能够与甾醇结合，这类蛋白称为甾醇蛋白，其分子量大约在40 kD左右。甾醇蛋白的N-末端由α-螺旋构成，具有固醇脱氢酶结合位点；C-末端由α-螺旋组成的7个平行β-链形成，其中存在固醇、NADPH结合位点和固醇脱氢酶活性位点[11]。甾醇蛋白是油脂体蛋白质组研究中第三丰富的油脂体相关蛋白，但除了作为油脂体结构蛋白外，其功能尚不清楚。

2 油脂体乳液稳定性研究

油脂体中天然的蛋白-磷脂界面层，使得从油料作物种子中分离出来的油脂体能够分散在水相中形成水包油（O/W）乳化体系[19]。天然油脂体是软液滴，但不破裂，并且在高达0.3的压缩应变下可以完全恢复。由于磷脂-蛋白质膜的存在而产生的和低界面张力有助于油脂体乳液的稳定性[20]。阴离子磷脂的极性头基与蛋白质之间发生静电相互作用使得磷脂与油体蛋白相互作用足够强，可以防止它们在加热时变性；油体蛋白和两性离子磷脂之间具有疏水相互作用，可以使油体蛋白具有更稳定的构型[21]。油脂体表面的内源性蛋白提供一定的电荷和空间位阻，使油脂体液滴之间产生较弱的排斥力，也有利于维持油脂体乳液的稳定性[22]。具有较高蛋白质/油比的油脂体，具有较小的尺寸和较强的机械性能，也更稳定。水包油乳液存储过程中会出现絮凝、聚结和物理失稳，导致乳液液滴粒径增加，并形成大颗粒的聚集，最终导致相分离[23]，油脂的氧化衰败也会随之产生。乳液失稳机制如图3所示。

图3 乳液失稳机制[24]Fig.3 Mechanism of emulsion instability[24]

在重组油脂体时，研究发现只有当油脂体的TAG、磷脂和蛋白质的比例与天然油脂体中的比例相似时，才能实现油脂体的高稳定性。这表明完整的油脂体结构与组成是维持油脂体稳定性的决定性因素[7]。Niu等[25]在油脂体乳液中加入木瓜蛋白酶后，油脂体表面的蛋白质被酶分解成氨基酸或小分子肽，溶于水相，油滴失去了蛋白质膜，逐渐聚集失稳。油脂体乳液的微观结构如图4所示。

图4 油脂体乳液微观结构[25]Fig.4 Microscopic structureof oil body emulsion[25]

与人造O/W乳液相比，油脂体乳液在特殊环境下具有更好的理化稳定性。Fisk等[26]比较了合成表面活性剂（DTAB、Tween 20、SDS）稳定的葵花籽油水乳液和天然稳定的葵花籽油脂体悬浮液在不同温度下的稳定性。结果发现，天然油脂体悬浮液的氢过氧化物的形成显著低于用合成表面活性剂配制的乳液，并且经盐洗后纯度更高的油脂体乳液显示出氢过氧化物形成的进一步减少，表明以油脂体形式储存的油脂具有更高的稳定性，油脂体作为天然食品抗氧化剂具有极大发展潜力。在天然油脂体食品的实际应用和开发中，油脂体乳液的稳定性与油脂体的组成、提取方法、外源蛋白质、温度、pH和离子强度等条件有关。

2.1 提取方法对油脂体乳液稳定性的影响

采用不同的油脂体提取方法会对油脂体提取回收率、油脂体乳液的理化特性和生产成本产生影响。目前，常用的油脂体的提取方法主要包括水相提取法、缓冲溶液提取法和酶辅助水相提取法三种[8]。提取油脂体时的一个重要决定是确定需要纯油脂体还是油脂体和外源蛋白质的混合物[27]。不同提取方法提取的油脂体稳定性存在差异，这主要归因于不同提取方法导致油脂体表面外源蛋白和酶的不同。拥有植物储存蛋白的油脂体混合物对于其稳定性可能是有益的[28]。一般来说清洗越完全的油脂体物理稳定性较低，因为油体蛋白的分子量非常低，而且蛋白质亲水性部分平铺在界面上，近距离相互作用的两个油体蛋白之间的排斥力相对较弱，油脂体相对不稳定[29]。

通过比较三种提取方法得到的油脂体理化性质差异，发现酶法提取油脂体的ζ-电势和粒径显著高于水相法和缓冲溶液法，说明酶法提取油脂体乳液物理稳定性较强；缓冲溶液法提取的油脂体乳液过氧化值显著高于酶法和水相法，酶法和水相法提取的油脂体的过氧化值无显著差异，说明酶法与水相法提取油脂体乳液的氧化稳定性较强。田其英等[30]研究发现较水提法提取油脂体，酶和蔗糖辅助提取的油脂体的乳化活性较好，这可能是由于油脂体吸附蛋白量减少和磷脂表面积的增加。蔗糖辅助提取油脂体的乳化稳定性较好，这说明一定比例的脂质和蛋白质存在可以使油脂体保持较好的乳化稳定性。Karkani等[31]研究了不同回收方法对油脂体氧化稳定性的影响，经超滤得到的油脂体乳浊液具有较强的抗氧化稳定性。Nikiforidis等[19]发现将水相提取法与超滤相结合提取的油脂体粒径较小，不易相互聚集融合，提高了油脂体的稳定性和完整性。

2.2 环境条件对油脂体乳液稳定性的影响

对油脂体乳液稳定性产生影响的环境因素主要是温度和pH。Yan等[32]发现在热处理过程中，大豆油脂体的大小主要由其表面蛋白决定。热处理可以通过影响油脂体相关蛋白的构象而对油脂体乳液的稳定性产生影响[33]。经过热处理的油脂体乳液在储存过程中可能更稳定，原因是其中的酶或微生物已被灭活，有利于油体蛋白保留在油脂体上[34]。例如研究发现低温热处理对油脂体乳液ζ-电位和表面蛋白质的二级结构无明显影响，并且降低了乳液的粒径，避免油脂体颗粒聚集的情况，提高油脂体的物理稳定性，并且通过降低乳液中脂肪氧化酶的活性，提高了油脂体乳液的氧化稳定性；而高温热处理使油脂体表面蛋白变性，二级结构发生改变，降低了油脂体的絮凝稳定性并且使油脂体乳液氧化加速[35]。油脂体乳液在等电点时稳定性最差，因为此时表面电荷量最少，油脂体容易发生凝结失稳。偏离等电点时，油脂体表面静电排斥逐渐增大，较为稳定。并且随着pH的增加，外源性蛋白会从油脂体上逐渐解离下来，从而影响油脂体的稳定性[36]。Qi等[37]发现在碱处理下，油脂体相关蛋白的β-折叠结构的含量增加，这有助于大豆油脂体的聚集。表明油脂体相关蛋白构象的变化可能对不同p H下油脂体的稳定性起重要作用。表1列举了部分环境条件对油脂体稳定性影响的研究进展。

表1 环境条件对油脂体稳定性的影响研究进展Table 1 Research progress on the influence of environmental conditions on the stability of grease body

2.3 离子强度对油脂体乳液稳定性的影响

高盐离子浓度会加速油脂体乳液的聚集和失稳，低盐离子浓度则有助于维持其稳定性。盐离子通常是通过电荷的屏蔽效应来调节乳液体系的稳定性[36]。离子对油脂体乳液稳定性影响机制如图5所示。

图5 离子对油脂体的影响机理[41]Fig.5 Mechanism of ions'influence on oil body[41]

Maria等[45]研究发现，含单价阳离子（Na+、K+）的油脂体乳液表现出轻微的聚集，而含相同浓度二价阳离子（Ca2+、Mg2+）的油脂体则广泛聚集。二价阳离子可能与油脂体膜蛋白相互作用，使其重新配置，抑制蛋白质的疏水相互作用从而对油脂体的稳定性有显著的负面影响。另外，Kapchie等[39]发现在相同p H时含氯化铁油脂体乳液的油脂氧化产物较不含氯化铁油脂体乳液高出数倍，表明铁离子的存在可以加速油脂体中脂质的降解。

2.4 表面活性剂对油脂体乳液稳定性的影响

在油脂体乳液体系中，表面活性剂的存在不仅会增加静电斥力，还会破坏油脂体表面蛋白质之间的疏水相互作用（如图6），从而抑制油脂体液滴的聚集和使油脂体颗粒直径减小，从而达到稳定油脂体乳液的作用。

图6 表面活性剂与蛋白质的相互作用方式[46]Fig.6 Interaction modes between surfactants and protein[46]

Nikiforidis等[47]研究了三种外源性生物聚合物或表面活性剂（酪蛋白酸钠、吐温80和黄原胶）对不同油脂体稳定性的影响。研究发现，吐温80、酪蛋白酸钠或黄原胶的存在对乳液稳定性有明显的积极影响，其中吐温80提高油脂体抗凝聚稳定性能力最强。吐温80或酪蛋白酸钠加入大豆油脂体乳液中均可提高其乳化稳定性，吐温80在一定程度上也可有效改善榛子和芝麻油脂体乳液的乳化稳定性。油脂体乳液中吐温80浓度大于0.75%时，油脂体乳化稳定性和分散稳定性显著提高。这种改善主要与表面活性剂吐温80与油脂体膜表面蛋白的竞争置换有关，在油滴表面形成了亲水性更高的磷脂-表面活性剂-蛋白膜，表面活性剂主要置换了油脂体膜表面的甾醇蛋白和油体钙蛋白，置换的蛋白质部分约占最初吸附蛋白质的40%[48]。Sukhotu等[49]研究发现阴离子表面活性剂SDS在低pH下可以通过打破蛋白质之间的疏水相互作用并诱导蛋白质-SDS复合物的形成，提高静电排斥来提高油脂体的稳定性 。

2.5 食物成分对油脂体乳液稳定性的影响

近年来，有学者们发现食品中的一些成分例如NaCl、蛋白质、酚类和大分子多糖类物质会对油脂体乳液的稳定性产生影响。

食品中的NaCl可能会对油脂体的稳定性产生负面影响，这是因为油脂体膜表面的蛋白质带负电，当遇到带正电的Na+离子时易发生结合，从而中和了油脂体表面蛋白所带的电荷，降低油脂体液滴间的静电斥力，使油脂体易发生聚集。随着NaCl浓度的增加，油脂体表面蛋白被中和的电荷增加，油脂体越不稳定。Hou等[50]研究发现NaCl浓度为50 mmol/L时乳液的乳化活性和乳化稳定性显著降低，随着NaCl浓度的增加，乳液絮凝现象加重。

在酸性和中性条件下，酚类可能与蛋白质形成非共价键，例如氢键和疏水作用力[51]，从而导致油脂体的聚集。多酚还可能会改变蛋白质的等电点，影响油脂体乳液的稳定性。此外，多酚能够有效清除乳液中的自由基和螯合过渡金属，从而提高油脂体的氧化稳定性。Ding等[52]研究了表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）对大豆油脂体氧化稳定性的影响，研究发现在p H5和7时，EGCG对油脂体乳液的长期稳定有促进作用，但在p H 9时，EGCG并没有提高油脂体乳液的稳定性，相反导致了油脂体的聚集。EGCG在p H 7时表现出明显提高油脂体氧化稳定性的能力，而在p H 5时，脂质氧化反应速率加快。

近年来，人们逐渐开始将大分子多糖如黄原胶、阿拉伯胶、卡拉胶和果胶等用于提高油脂体乳液稳定性的研究中。带电的多糖可以与油脂体表面蛋白相互作用，通过改善空间排斥力，减少絮凝损耗和形成第二“膜”来提高油脂体乳液稳定性[53]，多糖包裹油脂体原理如图7所示。Nikiforidis等[54]发现加入0.1%黄原胶后，油脂体乳液的稳定性显著提高，乳液pH在6时表现出最高的稳定性。Su等[55]研究了阴离子多糖海藻酸钠（ALG）对大豆油脂体乳液稳定性的影响。研究发现，ALG吸附在油脂体表面上并形成较厚的带电涂层，因此较低浓度的ALG（0.25%～0.35%）可以提高油脂体的抗聚集稳定性，但是高浓度的ALG 下，油脂体乳液稳定性下降，这可能是由于连续相中高浓度的非吸附ALG引起的絮凝损耗所致，ALG对油脂体的作用原理如图8所示。在中性条件下，用ALG层覆盖大豆油脂体可以极大地扩展稳定p H范围，大大提高了油脂体乳液的稳定性，并且ALG涂层在冻融循环过程中也起到保护油脂体的作用[56]。Wu等[57]研究发现卡拉胶能显著提高大豆油脂体乳液的盐稳定性，对其在食品中的应用具有重要意义。

图7 多糖包裹油脂体原理图[22]Fig.7 Schematic diagram of coating of oil bodies by polysaccharide[22]

图8 ALG作用油脂体原理[55]Fig.8 Schematic description of coating ALG on oil body[55]

2.6 不同油料作物对油脂体乳液稳定性的影响

除上述影响因素外，从不同油料作物中提取的油脂体的乳液稳定性也存在一定的差异，这可能与不同油料作物油脂体结构及组成不同有关。不同来源天然油脂体表面蛋白质和磷脂的组成存在差异，由于蛋白质疏水性不同导致油脂体乳液稳定性的不同。卵磷脂与蛋白质表面疏水残基的疏水相互作用更强，暴露的疏水残基越多，乳液越稳定[58]。

姜梦婷等[59]研究发现，在60℃加速氧化的条件下大豆、花生和葵花籽油脂体乳液的氧化稳定性顺序为大豆油脂体>葵花籽油脂体>花生油脂体。梁新婷等[60]比较了高油大豆和低油大豆油脂体的稳定性差异，发现高油大豆油脂体乳液的乳化稳定性显著高于低油大豆油脂体，而氧化稳定性显著低于低油大豆油脂体。

3 油脂体的应用

3.1 作为食品乳化剂

由于油脂体膜表面的蛋白质是具有亲水性和疏水性的两亲性结构，油脂体可以作为天然乳化剂应用于食品中。根据目前研究，油脂体作为乳化剂可以应用于蛋黄酱、冰淇淋、千岛酱、布丁和果汁等中。大豆油脂体作为乳化剂适用于高盐低酸性食品，如千岛酱、蛋黄酱和沙拉酱等中[61]。例如，将大豆油脂体部分替代蛋黄制备蛋黄酱，油脂体蛋黄酱蛋白质含量显著高于普通蛋黄酱而胆固醇含量却显著低于普通蛋黄酱，且油脂体蛋黄酱与普通蛋黄酱相比具有更好的贮藏稳定性，普通蛋黄酱和油脂体蛋黄酱在外观形态和气味上无显著差异[62]。利用天然的大豆油脂体替代传统沙拉中的油脂，制成的沙拉具有含油量低、脂肪消化慢、营养素天然健康，且储存稳定等优点[63]。将油脂体乳化剂用于果汁中，不仅可以使果汁更加浓稠并且可以防止固体成分的沉淀。在制作冰淇淋过程中，可以添加油脂体乳化剂以替代价格昂贵的非脂乳固体，不仅保持了冰淇淋原有口感还降低了冰淇淋的制作成本[64]。由于大豆油脂体的良好性状，也可将其应用到乳制品、仿制牛奶、酸奶和奶油等产品中。与精炼大豆油相比，大豆油脂体由于富含油脂伴随物，如磷脂、维生素E和植物甾醇等，并且卡路里要大大低于从牛奶中分离出的奶油，可作为一种新型的油脂产品进行深入研究和应用[65]。将卵磷脂和花生油脂体的组合物应用于可可脂及代可可脂中，该组合可以降低产品的黏度，保持产品质地和口感，提高了产品的抗氧化性，降低生产成本[66]。

3.2 作为载体

由于油脂体膜的特殊性质，可将疏水性分子截留并保护在油脂体TAG核中。将生物活性物质包封在油脂体中进行喷雾干燥可以有效提高生物活性物质的抗氧化稳定性和生物可及性，并且经喷雾干燥制成的固体产品相比于液态形式在运输和储存过程中更方便、安全。例如，虾青素是一种非常容易氧化的分子，可被包封在油脂体核心中，包封的虾青素很好的保持了其抗氧化活性[67]。姜黄素由于其疏水性，生物利用度较差。研究发现利用纳米级油脂体包封姜黄素显示出高封装效率和负载能力[68]。利用该性质还可以将油脂体应用于污水中有毒有机分子的去除，当油脂体被放置在有机农药污染的水环境中，有机分子可以被吸收到油脂体的内部疏水性核中并被去除[69]。

4 结语

油脂体主要以乳状液的形式应用于食品、药品、饲料及个人护理产品等领域中。随着对天然油脂体研究和开发的不断深入，人们发现油脂体乳液的稳定性与油脂体的组成、提取方法、外源蛋白质、温度、p H值和离子强度等条件有关。这些影响因素通过改变油脂体表面电荷量和表面张力，形成非共价键，钝化脂肪氧化酶活性，或清除自由基和螯合过渡金属等机制来影响油脂体乳液的理化稳定性。油脂体膜表面的蛋白质是维持油脂体稳定性的关键。要深入了解油脂体膜中的分子相互作用对于油脂体的实际生产应用，探索新的潜在应用非常重要。然而，目前有关油脂体相关蛋白结构与功能关系及稳定功能的研究仍然有限，有待于今后的深入研究。总之，随着对油脂体认识的逐步深入及其在相关行业应用的不断扩大，油脂体产品将逐渐出现在人们的生活中。