蛋白质-阿拉伯胶体系乳液制备及其应用研究进展

李英溥，韩倩，周童欣，刘小娜，刘温霞，王慧丽

（齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东 济南 250353）

阿拉伯胶（gum arabic，GA）又名金合欢胶，为豆科金合欢树种黏稠渗出物经干燥而得，是一种天然的植物树胶，是美国食品与药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）最早批准的可应用于食品的亲水胶体之一。阿拉伯胶是一种含有钙、镁、钾、钠盐以及少量蛋白质的杂多糖。研究表明，阿拉伯胶中主要含有6种糖单元，包括吡喃半乳糖、吡喃阿拉伯糖、呋喃阿拉伯糖、吡喃鼠李糖、吡喃葡萄糖醛酸和4-O-甲基吡喃葡萄糖醛酸[1]。阿拉伯胶中的多肽链含有多种氨基酸，如羟基脯氨酸、丝氨酸、脯氨酸等，这些氨基酸可与多糖形成化学键链接。通过凝胶渗透色谱法和激光光散射法联用对阿拉伯胶的组分分离，可鉴别出阿拉伯胶主要包含3种组分，即阿拉伯半乳聚糖（arabinogalactan，AG）、阿拉伯半乳聚糖蛋白（arabinogalactan-proteins，AGP）和糖蛋白（glycoprotein，GP），其中 AG 含量最高，约占总胶量的88%，AGP含量约10%，GP含量最少。阿拉伯胶是典型的“高浓低黏”型胶体，具有高溶解性及较低的溶液黏度，配制成50%浓度的水溶液后仍具有流动性是许多其他亲水胶体所不具备的特点之一[2]。

蛋白质是一种复杂的有机化合物，是通过肽链将氨基酸按照不同比例组合起来的大分子多肽，是生命的物质基础，人体中蛋白质约占全部质量的18%。蛋白质种类很多、性质不同、功能各异，根据来源可分为动物性蛋白质和植物性蛋白质。动物性蛋白质在人体内吸收率高、营养价值高，植物性蛋白质虽也具有多种生理保健功能，但与动物性蛋白质相比，植物性蛋白质无论是利用率还是适口性均较差。组成蛋白质的主要氨基酸有20多种，分子结构中主要含有氨基、羧基、酰胺基等基团，化学反应活性大，可与很多化合物发生反应。蛋白质是天然大分子，具有可降解性，随着近年来提取分离纯化技术的完善，在乳液制备、生物可降解材料、药物传送、再生医学等领域中受到广泛关注。

油和水两种液体之间存在着很强的界面张力，即使高速剪切也不能使其共混。在油水体系中加入兼有亲水/亲油性的表面活性剂，能够降低界面张力，降低体系内能，从而使油水两相混合，其中一种液体离散为液滴，分散于另一种液体中，成为乳液。微纳米尺寸的固体颗粒在油水界面吸附，替代传统表面活性剂，也可制得水包油、油包水及多重乳状液，并且乳液性能优异，这种乳液被称为Pickering乳液。SiO2、TiO2、蒙脱石等无机颗粒制备Pickering乳液理论逐渐成熟，近年来，越来越多的有机类颗粒，如微凝胶[3]、苯乙烯微球[4]、多糖[5-7]、蛋白质[6]等被发现具有优良的乳液制备性能。蛋白质、阿拉伯胶作为天然高分子类化合物，具有可再生、环保、可生物降解等优点，蛋白质-阿拉伯胶体系表现出优异的乳化性能，本文综述蛋白质-阿拉伯胶体系对乳液稳定性的影响，以及蛋白质-阿拉伯胶体系稳定的功能性乳液的研究进展，为制备食品、医药领域乳液提供参考。

1 蛋白质和阿拉伯胶的乳化性

蛋白质作为乳化剂在食品领域中应用广泛，乳化性是蛋白质广泛应用的特性之一[8]。蛋白质具有表面活性分子的特征，分子结构中既有亲水基团又有疏水基团，可以单层或多层吸附在油水界面，分子间可以通过非共价键相互作用形成凝胶状结构，从而达到有效阻隔油水效果[9]。蛋白质多肽链间通过氢键、离子键、范德华引力、二硫键等作用形成了多级复杂结构，这些键在热、pH值、盐等环境因素诱导下易被破坏，导致蛋白质表面性质和三维空间结构受到影响，蛋白质变性，最终易导致蛋白质稳定的乳液失衡[10-11]。

阿拉伯胶是一种天然阴离子多糖，其水溶胶体的球状结构赋予其独特性能，是区别于其他多糖的独特表现形式，在50%浓度下仍可保持较低黏度[12]。阿拉伯胶具备一定乳化能力，对胶体具有保护或稳定的作用，能在较大pH值范围内（pH2～10）对大多数的油起到稳定的乳化作用，是一种应用范围较广的乳化剂，能够广泛地用于制备各种水包油食品乳液体系。在乳化过程中AGP能够吸附在油水界面上，通过空间位阻作用形成一个稳定的弹性膜，降低油水间的界面张力，被认为是阿拉伯胶能够稳定乳液的根本原因[13-14]。阿拉伯树胶中AGP组分含量越多、分子量越大，油水界面张力越低，越利于乳液稳定性提高[15-16]。AGP含量从11%增加到28%形成的乳液具有较小的液滴和更好的稳定性[17]。影响阿拉伯胶乳化性能的其他环境因素还包括温度、pH值和离子强度等[18]。

2 蛋白质-阿拉伯胶体系乳液的稳定性

乳液是非均相体系，具有热力学不稳定性，在存储期间易发生聚结、沉降、乳析、奥氏熟化等现象，严重的会直接导致油水分离，乳液稳定性对所有的乳液体系均具有十分重要的意义。在特殊领域，乳液的存储应用环境更为复杂，对乳液的稳定性要求更高，如在食品领域，为了延长食品的保质期和不同的消费需求，还需要在食品生产过程中进行加热、冷冻和盐处理等，对乳液的稳定性要求极高。众多研究表明[19-29]，蛋白质-阿拉伯胶体系可以稳定多种油相，所制备的乳液具有优良的稳定性。

动物性蛋白质含有的氨基酸种类和结构更加接近人体的蛋白质结构和数量，能被人体较好的吸收，可应用于食品、医药乳液领域发挥多重功效。Klein等[19-20]对乳清蛋白分离物（whey protein isolate，WPI）与阿拉伯胶（GA）在不同pH值水相混合物进行分析。结果表明，混合物的表面张力降低明显，WPI与GA间存在弱静电吸附作用。质量比为3∶1的WPI/GA混合物对芥花油、柠檬烯等具有良好的乳化作用，制得的芥花油乳液粒径小于1 μm，比单独WPI或GA制得的乳液稳定性好，存放1个月乳液没有变化，可应用于饮料生产。

Niu等[21-23]采用卵清蛋白（ovalbumin，OVA）和阿拉伯胶（GA）稳定食用油，酸性条件下，OVA与GA质量比1∶2制得的OVA/GA复合物具有良好的乳化性，乳液对热处理、氧化等环境压力的稳定性提高[22]。为探究OVA与GA在乳液制备中的作用机理，Niu等[21]在同等条件分步添加OVA与GA，采用OVA（或GA）单独乳化葵花籽油制得粗乳液，再添加GA（或OVA）后均质，对比不同方法制得的乳液性能。结果表明，分步添加OVA、GA到乳液体系中制得的乳液粒径较大、稳定性稍差，但3种方法制得的乳液均表现出良好的温度稳定性，50℃和90℃加热30 min乳液粒径变化没有明显区别。研究发现，蛋白质最先在油水界面吸附，形成蛋白质吸附层，阿拉伯胶通过静电作用吸附到蛋白质层，形成双层界面膜，能够有效提高乳液稳定性。

Kumar等[24]采用酪蛋白酸钠（sodium caseinate，SC）与GA制备不同质量比的SC/GA偶联物，将其用于食品乳液制备，使乳液稳定性提高。

植物性蛋白质和动物性蛋白质本质上没有太大的区别，但在氨基酸组成和数量上与人体要求有一定不同，且植物性蛋白质取材来源更为广泛，能适应更为复杂的乳液体系。Dai等[25]通过氢键和静电相互作用制备了具有核壳结构的玉米醇溶蛋白与GA复合胶体纳米粒子（zein/gum arabic complex colloidal nanop-articles,ZGAPs），GA分子吸附在玉米醇溶蛋白纳米颗粒表面，使玉米醇溶蛋白的Zeta电位由正电反转为负电，三相接触角由133.75°调节至88.95°。ZGAPs在油滴表面形成了致密包覆层，为油滴提供了防止聚结和Ostwald熟化的致密屏障。用ZGAPs作为乳化剂可制备甘油三酯体积百分比超过50%的高内相乳液，乳液具有长期的储存稳定性，且具有pH2～9、高温60℃环境下的储存稳定性。这种高效稳定体系也为制备新型有效的生物活性物质传递系统提供一种方法。

贾聪等[26]发现添加阿拉伯胶能促进大豆分离蛋白（soybean protein isolate，SPI）或大豆蛋白酶解产物（soybean protease hydrolysate，SPH）在油水界面的吸附，SPH-GA复合物制备的乳液在25℃、pH4的条件下放置14d仍具有较好稳定性。对大豆蛋白在食品方面的应用，特别是稀的酸性乳饮料加工具有指导意义。Kong等[27]研究不同制备途径和pH值对大豆分离蛋白与GA制备大豆油乳液性能的影响，通过对乳液粒径分析、Zeta电位、絮凝指数、激光共聚焦显微镜观察、流变等性能指标检测分析，结果表明：在pH4.0～7.0内，将GA添加到SPI稳定的油相中，乳液粒径分布均匀、絮凝速率慢、稳定性更好。

Li等[28]研究GA用量和pH值对菜籽分离蛋白（rapeseed protein isolate，RPI）乳化食品级菜籽油的影响，在pH8时，加入1%GA乳液的稳定性最高。傅里叶红外光谱证明，RPI/GA复合物形成过程中伴随着分子内、分子间的交联，以及分子重排。通过激光共聚焦扫描显微镜观察发现，加入GA形成的凝胶状网络有利于乳液稳定性提高。Pirestani等[5]在温度90℃、自然pH值下通过美拉德反应，用GA糖基化修饰的双低油菜分离蛋白（cole protein isolate，CPI）制得 CPI/GA 偶联物，并探究其乳化性能。研究发现，美拉德反应生成的CPI/GA偶联物乳化性能优于CPI及CPI/GA混合物，获得的乳液粒径小而均匀，稳定性好。在酸性pH值下，CPI/GA偶联物乳化的乳液稳定性突出，适合用于酸性食品，如酸奶饮料、沙拉酱和饮料。Wang等[6]采用扁豆分离蛋白（lentil protein isolate，LPI）与多糖（羧甲基纤维素、GA、海藻酸钠、角叉菜胶）复合物乳化菜籽油，研究pH值对LPI/多糖静电复合物形成的影响及其乳化性能。结果表明：多糖的加入利于增强LPI的界面活性，LPI/GA复合物的油水界面张力最低。Zang等[29]通过添加阿拉伯胶的方法提高米糠蛋白（rice bran protein，RBP）稳定玉米油乳液的稳定性，多糖通过增加小滴之间的静电排斥和空间排斥提高了乳液的稳定性。

综上所述，蛋白质-阿拉伯胶体系具有良好的乳化作用，可用于食品领域常见油相乳液制备。动物性蛋白质和植物性蛋白质虽来源不同，氨基酸组成和数量有所区别，但其分子结构中都含有胺基及羧基，可通过静电吸附、氢键、美拉德反应等作用与阿拉伯胶复合，增强蛋白质-阿拉伯胶在油水界面吸附，提高乳液稳定性。

3 蛋白质-阿拉伯胶体系乳液的应用

3.1 包埋和传递生物活性物质

生物活性物质是许多食品和药品中的功能性成分，但这些物质通常反应活性强，在加工、储存和胃肠道环境中极易分解，这大大限制了它们的应用，设计食品级的递送体系成为近年来的研究热点问题[30]。蛋白质、阿拉伯胶为天然大分子化合物，二者无需添加化学试剂即可发生美拉德反应，复合物具有良好的稳定性。蛋白质-阿拉伯胶复合物是近年来应用最广泛的生物活性物质载体之一，可用于制备乳液、纳米凝胶和微胶囊等负载并传递生物活性物质。

白藜芦醇是一种非黄酮类天然多酚有机化合物，是许多植物受到刺激时产生的一种抗毒素，具有抗氧化、抗衰老、抗炎、抗癌及心血管保护等功效，可以制备成乳液、乳凝胶等制剂应用于食品、医药、保健品等领域，具有良好的发展前景[31]。Zhang等[32]采用乳清蛋白分离物、GA和氯化钙三元复合物稳定载有白藜芦醇的葵花籽油，GA提高了白藜芦醇界面稳定性，水包油乳液可用作共包封的功能油和多酚类抗氧化剂的潜在载体。Shao 等[33]采用乳清蛋白（whey protein，WP）和GA制备载有白藜芦醇的中链甘油三酯乳液，改善了乳液的稳定性，对白藜芦醇的包封效率＞50%。Cheng等[34]采用热变性分离蛋白与GA稳定葵花籽油、薄荷油、鱼油和牛至油，分析水相中的白藜芦醇在乳液中的分布情况。结果表明，GA增加了葵花籽油、鱼油和牛至油3种乳滴表层中白藜芦醇的含量。白藜芦醇在乳液中的分布取决于其在油相中的溶解度和表面蛋白质百分比[34]：在薄荷油乳液中，白藜芦醇主要分布在乳滴油相中；在鱼油乳液中，白藜芦醇分布在乳滴油相及界面；在葵花籽油、牛至油中，白藜芦醇主要分布在水相及乳滴表面。研究表明，阿拉伯胶-乳清蛋白体系可作为功能性油脂和多酚类物质共包裹的有效载体，阿拉伯胶增加了油水界面的蛋白质和白藜芦醇含量，白藜芦醇的包封效率提高。

β-胡萝卜素是一种亲脂性微量营养素，有益于人体健康。但由于β-胡萝卜素的水分散性和化学稳定性较差，目前在功能性食品或膳食补充剂中利用β-胡萝卜素存在一定的局限性。Sheng等[35]采用层层静电沉积技术、牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）为内层乳化剂、GA为外层乳化剂，制备了新型的β-胡萝卜素双层乳液输送系统，β-胡萝卜素包封率可高达94%。BSA/GA双层结构致密且厚，可有效减弱低pH值、热处理、紫外辐射、水相氧化剂和储存时间对β胡萝卜素化学稳定性的影响，可用于设计具有胃肠道环境响应的靶向、可控、缓释给药系统。

姜黄素是一种天然多酚类化合物，可从姜科等植物根茎中提取，具有良好的抗氧化、抗炎、抗肿瘤等作用。但是姜黄素水溶性差，碱性或光条件下会迅速分解，因而限制了其应用。Meena等[36]采用脱脂乳、乳清蛋白、麦芽糊精及GA稳定姜黄素黄油分散液，探索具有高包覆率的乳液体系，姜黄素包覆率可达94%，乳液可进一步喷雾干燥制备姜黄素微胶囊。

Campelo等[37]采用WPI与GA生物聚合物作为乳化剂制备柠檬精油乳液，乳液在4 h内稳定性好，WPI/GA生物聚合物可用作微胶囊系统的壁材料，用于精油等活性物质传递制备。这些研究结果为不溶性生物活性物质的包埋及传递提供一种有效途径。

3.2 抑制脂肪氧化

植物油一般含多种不饱和脂肪酸，特别是亚油酸广泛存在于动植物油脂中。不饱和脂肪酸在氧、热、光等作用下发生自动氧化，产生过氧化物，进而降解成挥发性醛、酮、酸的复杂混合物，产生强烈的刺激性气味，人或动物摄入后还易导致肥胖及多种慢性疾病，甚至诱发癌症[38]。植物多糖具有很强的抗氧化、抗肿瘤、免疫等活性[39]，可应用于食品、医药等领域中，近年来，众多研究者就其抗氧化等应用开展研究。

Zha等[40]通过控制豌豆分离蛋白（pea protein isolate，PPI）和GA的美拉德反应程度制备系列PPI/GA偶联物，通过美拉德反应，增加PPI的溶解性及乳化性。与PPI及PPI/GA混合物相比，PPI/GA偶联物乳化制得的玉米油乳液粒径小、表面电荷高、稳定性高，在酸性pH值、高温、高盐浓度下仍具有良好的稳定性，同时，PPI/GA偶联物可以抑制挥发性化合物的形成并防止乳液氧化。蛋白质与多糖发生美拉德反应，可以增强水溶性差的植物性蛋白质的功能，促进植物性蛋白质在食品工业中作为功能成分的利用[41]。另外，美拉德反应可暴露出更多的蛋白质巯基，有效清除自由基，增强体系抗氧化性[30]。

Ma等[42]利用麦醇溶蛋白纳米颗粒（gliadin nanoparticles，GNP）和GA制得85%的高内相玉米油乳液，GA的添加降低了乳液粒径，比单独GNP乳液具有更高的表观黏度和储能模量。GNP/GA高内相乳液内部形成了紧凑的三维网络，使乳液稳定性更好，不受pH值、离子强度和温度变化影响。同时，包裹在油滴内的β-胡萝卜素的稳定性提高，并且不影响脂质消化或类胡萝卜素的生物可及性。GNP/GA复合物可用于食品和营养行业的高内相乳液制备，提高油滴中β-胡萝卜素的抗氧化稳定性。

Sousa等[43]用植物性蛋白质浓缩物与GA封装巴西坚果油，可以减少巴西坚果油中不饱和脂肪酸氧化，获得的产品可用于各种加工食品。Rascón等[44]利用大豆分离蛋白SPI/GA乳化辣椒粉油树脂，能够降低辣椒油树脂中类胡萝卜素氧化。Zhang等[32]用WPI、GA和CaCl2乳化葵花籽油，增加GA用量利于乳液体系中抗氧化剂白藜芦醇吸附于界面，提高油的氧化稳定性。

Niu等[23]采用卵清蛋白（OVA）和GA乳化百里香油，通过监测脂肪过氧化值（peroxide value，POV）及脂质过氧化值（TBARS）发现，质量比为1∶2的OVA/GA在酸性条件下制备的乳液具有抑制非活性过氧自由基的能力，为油相提供良好的抗脂质氧化保护。

Yao等[45]利用乳清蛋白分离物和GA乳化易于氧化的共轭亚油酸，研究发现蛋白质和多糖在乳液界面具有协同吸附作用，提供了强大的空间和静电效应，防止液滴聚集和聚结，从而使乳液具有优异的物理稳定性。另外，蛋白质在乳液界面处发挥了自由基清除能力，从而有效减少脂质氧化，为稳定难以分散且易于氧化的多不饱和脂肪酸提供一种可靠方法。

3.3 抑菌乳液

良好的抗菌乳液，不仅需要保持长效的物理稳定性，而且需要具有长效的抗菌效果。应用于食品、医药等领域中用的抗菌乳液，需要所有的乳液成分具有生物相容性，天然大分子化合物蛋白质-多糖复合物具有生物相容性好等优点，以其作为抗菌乳液的乳化剂，具有潜在的应用价值。

百里香油是一种天然活性精油，能够抑制多种细菌及酵母，可应用于食物或医药产品，但由于其水溶性差，在以水为分散体系的食品及医药领域的应用受到限制，采用乳液形式将其均匀分散能够有效拓展其应用。牛付阁[46]以卵清蛋白和阿拉伯胶乳化百里香油乳液，研究pH值、盐浓度等变化对乳液结构的影响，并检测其抗菌活性。结果表明，与纯百里香油相比，制得的乳液表现出更优的稳定性和长期抗菌活性。Li等[47]利用玉米醇溶蛋白/GA制备纳米颗粒（zein/gum Arabic nanoparticles,ZGPs），并将百里香酚负载在ZGPs上，用于制备大豆油O/W乳液，可制得稳定的高内相(φ=0.6)乳液，乳液能够明显抑制大肠杆菌生长，并表现出百里香酚的控释作用和抗菌活性。

Su等[48]基于静电层沉积制备β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-lg）和GA的柠檬烯乳液，乳液在 pH4.0下存放4周具有良好的物理稳定性，即使在高温下，GA仍能保护柠檬烯不被氧化，制得的双层乳液在橙汁中表现出持久的抗菌作用。

Pirestani等[5]利用GA糖基化修饰的双低油菜分离蛋白制得CPI/GA偶联物稳定的乳液稳定性好，在30℃～90℃下加热30 min，乳液性能没有明显变化，具有抵御巴氏杀菌的工业应用潜力。

3.4 其他功能性乳液

随着蛋白质-阿拉伯胶体系在乳液制备中的应用研究，更多新型功能性乳液被持续开发。

在特定条件下，促使吸附在乳滴油水界面的蛋白质-GA凝胶化，可制备功能各异的微胶囊。Weinbreck等[49]用乳清蛋白（WP）和GA乳化葵花籽油、柠檬和橙油香精制得乳液，在pH值为3.0～4.5条件下使界面WP和GA形成静电复合物成功微胶囊化，将制得的微胶囊应用于Gouda奶酪，并检测微胶囊中油在奶酪中的释放性能。结果表明：在咀嚼时，50 μm～1 000 μm 的胶囊更容易从奶酪中释放出来。Liu等[50]采用乳清分离蛋白和3种多糖（阿拉伯胶、低甲氧基果胶、卡拉胶）作为乳化剂制备水包油包水包埋维生素E及维生素B12的多重乳液，随后将乳液干燥制成可食用包装膜，考察膜对维生素E及维生素B12的控释效果，结果表明，阿拉伯胶能更好地控制维生素E的释放，而卡拉胶对维生素B12的控释效果更优。

Wei等[51]利用卵转铁蛋白（ovotransferrin，OVT）与GA间的静电、疏水及氢键作用制得OVA/GA纳米颗粒，通过激光共聚焦显微镜分析表明OVA/GA颗粒吸附于油水界面，能够有效降低油水界面张力。以OVA/GA颗粒为乳化剂制得的乳液稳定性好，不含表面活性剂，可用于制备功能型食品Pickering乳液。Ye等[52]采用酪蛋白酸钠和GA乳化豆油，加热可使吸附在油水界面的SC和GA形成界面络合物，激光共聚焦扫描显微镜可观察到厚的复杂表面层，这种温度诱导的生物聚合物和复杂表面层的制备方法可应用于胶体颗粒表面修饰。

Bouyer等[53-54]使用β-乳球蛋白和GA制备甜杏仁油乳液，β-乳球蛋白吸附在界面上，通过静电作用结合GA形成双界面层，比单独GA制备的乳液稳定性好，可用于制备无合成表面活性剂的新型药物乳剂。

4 结语

乳液广泛应用于食品、医药等领域，采用天然高分子作为乳化剂可有效降低石油化工产品对人体健康的负面影响，近年来受到越来越多的关注。蛋白质、多糖都属于人和动物的营养物质，在自然界中含量丰富，本身具有一定的乳化性，但单独使用往往乳化能力不足，因此常与其他表面活性剂协同作用制备乳液产品。

蛋白质与阿拉伯胶分子结构中都含有较多的活性基团，二者在水相中可发生离子吸附、结构转化、美拉德反应等，在油水界面表现突出。蛋白质、阿拉伯胶都能吸附在油水界面上，形成强黏弹性的界面膜，通过静电作用和空间位阻作用稳定乳液。阿拉伯胶可适度改变蛋白质的构象展开方式使其更利于界面吸附，提高蛋白质的乳化性能，阿拉伯胶的增稠能力也有益于乳液稳定性的提高，因此蛋白质-阿拉伯胶体系是一种优良的天然高分子乳化剂。

目前，蛋白质-阿拉伯胶体系乳液稳定性高，可广泛应用于食品、医药领域，在生物活性物质的包埋与传递、抑制脂肪氧化、抑菌、高内相乳液等领域具有优良表现，随着更多研究工作的开展，这种天然、无毒的乳化体系在食品、医药等领域必将会有更广泛的应用，为人们提供更多健康的产品。