花生蛋白稳定乳液研究进展及应用现状

李滢溪，张丽芬，赖少娟，陈复生

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

花生是我国第一大油料作物，2020年我国花生总产量高达1 757.7万吨，种植面积467万公顷，产量居世界第一[1]。2020年我国花生消费结构显示，制油消费量占总花生消费量的51.8%。花生制油后会产生大量饼粕，饼粕蛋白含量通常在45%～55%，花生蛋白具有较高的消化性，营养价值与动物蛋白接近且不含胆固醇，是极具营养价值的天然蛋白质资源[2]。但实际生产中，花生饼粕常作为饲料使用，在一定程度上造成了蛋白质资源的浪费，严重制约了花生产业健康发展。

花生分离蛋白（peanut protein isolates，PPI）主要由花生球蛋白和伴球蛋白组成。球蛋白在商业化生产中容易发生变性引起聚集，因而常以聚集体的形式出现。虽然聚集体呈现较差的溶解性，但由于花生蛋白天然具有两亲性，仍能表现出较好的表面活性[3]。PPI吸附于油-水界面后，能形成具有一定黏弹性的膜来抵抗各种机械压力，并提供静电及位阻稳定，保持乳液储存过程中的稳定性，并在乳液制备过程中表现出较好的乳化性、起泡性和凝胶特性[4]，可用于食品配方中以增强产品功能特性、感官特性和生物活性。因此，对花生饼粕蛋白进行进一步的开发、利用成为近年来研究的热点。

花生蛋白属于生物大分子，其构建得到的蛋白乳液由于液滴尺寸较大，实际生产中难以形成满足要求的稳定体系。同时，随着时间推移，花生蛋白乳液易因液滴聚结、絮凝和奥氏熟化失稳。因此，在目前对花生蛋白乳液的研究中多从改变乳液基质构成和蛋白结构两方面入手，以期提高花生蛋白乳液性能。根据基质不同，乳液可分为单一基质稳定乳液与复合基质稳定乳液。单一基质稳定乳液指只由蛋白质[5-7]、多糖[8-10]等表面活性物质构成的乳液。复合基质稳定乳液由两种或两种以上的活性物质复合颗粒构成，常见的复合颗粒主要有蛋白-多糖[11-13]、蛋白-蛋白[14]、蛋白-多酚[15]及蛋白-蛋白-多糖[16]等。为了弥补花生蛋白结构上的缺陷，提高乳液稳定性和功能特性，常将不同基质材料结合使用，构建复合基质稳定乳液。此外，乳液的稳定性也与生产方式有关。乳液的制备一般可分为高能量方法（高速剪切、高压均质[17]、超声[18]）和低能量方法（油水比例诱导的相转变法、温度诱导的相转变法[19]）。经过不同的生产手段处理后，乳液液滴尺寸、乳液基质三维结构、疏水基团和分子链长均会发生改变，从而导致乳液宏观特性的变化，以满足不同生产需要。

本文聚焦于花生蛋白基乳液的相关研究进展，综述花生蛋白乳化机制与单一/复合花生蛋白基质稳定乳液的研究进展，阐述花生蛋白理化和结构特性在乳液生产中的变化及其对乳液稳定性的影响，介绍花生蛋白乳液的应用情况，以期为后续有关花生蛋白的研究提供参考。

1 花生蛋白乳液

1.1 花生蛋白乳化机制

花生蛋白是一种天然两亲分子，由于其良好的界面活性和胶体稳定性，花生蛋白可以吸附至界面形成水包油乳液，在油-水界面上形成黏弹性膜为乳液的后续储存和加工提供一定的物理稳定性[20]。花生蛋白中10%为水溶性蛋白，其余90%为盐溶蛋白，盐溶蛋白主要由花生球蛋白、伴球蛋白Ⅰ和伴球蛋白Ⅱ组成。按沉降系数花生蛋白又可分为14S（花生球蛋白）、7.8S（伴球蛋白Ⅰ）和2S（伴球蛋白Ⅱ）3种。花生蛋白能够稳定乳液主要由于以下几个原因。1）花生蛋白主链由不同氨基酸交联形成，同时带有亲水和亲脂基团，具备非离子表面活性剂的性质；2）形成乳液时，整个体系自发趋于稳定的趋势使具有柔韧性的花生蛋白在油-水界面上经历构象变化，亲水基团伸展至水相，亲脂基团定位与油相，最终形成被蛋白膜包裹的油滴；3）花生蛋白具有一定的增稠作用，减缓乳液在重力作用下的分层失稳现象。此外，花生球蛋白亚基含有大量的精氨酸与谷氨酸，带电氨基酸的存在能为花生蛋白稳定液滴提供一定的静电斥力，抑制乳液失稳[21]。

但是盐溶蛋白的高占比意味着天然花生蛋白的溶解性有限，溶解性是花生蛋白发挥乳化、凝胶、起泡等功能性质的先决条件。在乳液制备时对其基质进行改造，防止盐溶蛋白的聚集，或使用特殊的生产方式，改变花生蛋白原有结构，提升其溶解性，进而可改善花生蛋白的界面特性。

1.2 花生蛋白单一基质乳液

在乳液的生产过程中，液滴尺寸是影响体系稳定性的重要因素之一，过大的液滴尺寸极易引发重力沉降导致整个乳液失稳。天然花生分离蛋白颗粒直径为470 nm左右，同时蛋白结构高度折叠，疏水基团埋藏在蛋白内部[22]。这样的特性使常规生产中构建花生蛋白单一基质稳定乳液较为困难。

近年的研究中虽然有通过双诱导颗粒的方法以富硒花生分离蛋白为基质构建稳定的Pickering乳液[3]。但相较于小分子乳化剂，蛋白质的体积和分子量都较大，在乳液形成过程中的界面吸附速率相对较慢，不能在界面上表现出卓越的乳化能力。且乳液液滴形成后随着时间的延长，油滴间相互靠近，相邻蛋白质之间形成氢键、疏水键等非共价键，从而导致桥连絮凝，最终在重力的作用下因密度不同产生油水分层现象，即乳液失稳。由于单一的花生蛋白对维持乳液稳定效果不理想，因此，对于仅由花生蛋白稳定乳液的研究较少，且实际应用价值具有一定局限性。近年来，研究者多将花生蛋白与多糖等其它活性物质结合使用，以增强其功能特性和营养价值。

1.3 花生蛋白复合基质乳液

目前对于花生蛋白复合基质乳液的研究大多以花生蛋白-多糖为主，花生蛋白-蛋白复合的情况鲜有报道。蛋白和多糖可以通过相互作用形成复合物，食品工业中常利用这种特性，提高食品乳液稳定性和食品体系的凝胶稳定性。

多糖的加入使花生分离蛋白乳液的稠度系数增加，可作为花生蛋白的增稠剂，不仅增强了乳液稳定性，而且对于乳液凝胶的形成时间和凝胶强度也有着积极的影响[23]。Jiao等[24]研究了高压均质对带电多糖（壳聚糖、黄原胶）以及中性多糖（瓜尔豆胶）和花生分离蛋白结合特性的影响，发现在一定条件下多糖与蛋白能形成不受高压影响的坚韧网络结构。此外，Cai等[25]探究不同种类的多糖（羧甲基纤维素、甲基纤维素、卡拉胶、壳聚糖）对花生分离蛋白溶解性、乳化性等的影响时，发现多糖的适当加入可有效改善花生分离蛋白的溶解性、显著提高乳液的乳化活性和乳化稳定性。此外，在pH10和pH12的碱性条件下从花生粕中提取的多糖也能与花生分离蛋白形成具有良好乳化能力的复合颗粒[26]。花生蛋白和多糖的复合能广泛用于控制食品质构（如增强网络结构从而获得良好粘弹性）及稳定性，对不同多糖与花生蛋白构成的生物聚合体进一步研究是具有实际意义的。

2 花生蛋白理化和结构特性对其乳液的影响研究

2.1 花生蛋白理化特性

花生蛋白本身具有耐热性、乳化性、持水性等一些天然理化性质，对不同特性进行研究是定向改善花生蛋白性质，提高花生蛋白利用率，满足实际生产需要的基础。杨晓泉等[27]在对花生蛋白的组成及特性的研究中发现，天然花生蛋白中球蛋白热稳定性最差，伴球蛋白Ⅰ次之。其中，花生球蛋白的酸性亚基热稳定性较差，碱性亚基为完全不耐热蛋白，100℃处理10 min后碱性亚基完全分解。花生伴球蛋白Ⅱ由于富含蛋氨酸、半胱氨酸等能在蛋白亚基间和内形成二硫键，次级键的含量更高，整体结构更稳定，对高温的抗性更好，因此热稳定性最强。同时，二硫键的存在有利于蛋白的发泡性、凝胶性与乳化性。因此，伴球蛋白Ⅱ也表现出较好的乳化能力。此外，由于花生球蛋白疏水性较强，其吸湿性、保湿性、溶解性均不及伴球蛋白Ⅱ。为提高花生蛋白整体理化性质，常采取不同处理方法对其进行改性。

李响等[28]使用酶法、挤压膨化和挤压协同酶法对花生蛋白进行处理后，发现花生蛋白的次级键被破坏，致密分子结构舒展、集团暴露，导致不溶性聚集体含量降低、蛋白分子的溶解性提高，改性后的蛋白产物乳化性、起泡性均得到显著改善。但由于二硫键的减少，花生蛋白的热稳定性受到一定影响。高压[29]、超声[22]改性花生蛋白也呈现类似的结果，处理后的花生蛋白由于结构展开，蛋白质之间的分子相互作用发生改变，使得分子柔韧性提高，有利于蛋白在油-水界面的吸附，乳化性显著提高。

2.2 花生蛋白结构特性

天然花生蛋白中盐溶蛋白（花生球蛋白、花生伴球蛋白Ⅰ、花生伴球蛋白Ⅱ）占总蛋白含量的90%左右。花生球蛋白由2个酸性亚基和3个碱性亚基组成，伴球蛋白Ⅰ仅有一个亚基，而组成伴球蛋白Ⅱ的6个主要多肽链是以解离形式存在而非亚基形式存在[27]。在乳液制备的过程中，花生蛋白的结构会受到均质方式的影响而发生不同程度地改变。

微射流等高压均质手段主要作用于花生蛋白的二级和三级结构。不同压力处理会导致花生蛋白发生不同程度地聚集、拉伸和重叠，并使疏水基团暴露至分子表面[30]。聚丙烯酰胺凝胶电泳图像见图1。

图1 未处理（0.1 MPa）和高压处理（50 MPa～200 MPa）的花生伴球蛋白Ⅱ、花生球蛋白和花生伴球蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳图像Fig.1 Conarrachin II，arachin，and conarrachin I of untreated（0.1 MPa）and high pressure-treated（50 MPa-200 MPa）PPI dispersions

由图1可知，随着压力的增加（0.1 MPa～200 MPa），花生分离蛋白整体呈现先聚集后伸展的趋势，上部条带的消失表明高压使花生伴球蛋白Ⅱ发生高度变性。同时，高压处理后，花生分离蛋白的支链氨基酸和芳香族氨基酸高度暴露，其二级结构遭到破坏[31]。结构的伸展和基团的暴露有利于花生蛋白在油-水界面上定位，从而在液滴周围形成致密膜，防止液滴聚集并维持体系稳定。但当压力过高时，暴露的官能团之间发生冲突，由于碰撞使蛋白片段交联，又导致花生分离蛋白的重新聚集，最终诱使液滴聚集，乳液失稳[32]。Hu等[33]使用高压微射流处理乳液，明显改善了花生分离蛋白的物理化学性质、结构功能和构象特性，为制备稳定乳液提供了有利条件。

除高压外，循环冻融和一些联合作用也可对花生蛋白的二级和三级结构造成影响。Feng等[34]研究了冻融循环过程（-20℃冷冻2 d，25℃下解冻12 h）对花生分离蛋白结构和乳化特性的影响后发现，冻融循环显著改变了花生分离蛋白的二级、三级结构，同时促进了花生蛋白的吸附，且循环3次后制备得到的乳液性能最好。Chen等[35]对花生蛋白进行热-超声联合处理，发现二者对花生蛋白的变性具有叠加作用，联合处理后花生蛋白中的原纤维蛋白解折叠，球状蛋白的酶促可及性得到提高。

超声处理作为一种常用的非热均质手段，会产生特殊的空化效应。空化效应引发的分散体中气泡的形成和破裂，会导致冲击波和微喷射等一些物理现象，短时间内产生的极高压力与温度[36]。空化效应主要导致花生蛋白的三级结构发生一系列变化。研究发现，超声对花生蛋白进行处理后，其乳化性质明显提高，表面疏水性测定观察后发现超声使花生蛋白解折叠，造成疏水基团的暴露，但圆二色谱观察下花生蛋白的二级结构无明显变化，说明超声作用改变三级结构影响花生蛋白乳化性，与一级、二级结构无关[22]。不同处理条件下PPI的环境扫描电镜图像见图2。

图2 不同处理条件下PPI的环境扫描电镜图像Fig.2 ESEM micrograph of PPI under different treatment conditions

由图2可知，超声迫使花生蛋白的球状结构打开变为网状结构[22]。网状结构的形成意味着蛋白结构的伸展、疏水基团的暴露与分子柔性的增加，这些变化促进了花生蛋白在界面上的吸附，提高乳液乳化活性与乳化稳定性。

目前的乳液均质方式主要作用于花生蛋白的二级、三级结构，而一级结构主键肽键的断裂，经常出现在酶法处理对花生蛋白的改性过程中。酶法处理能使花生分离蛋白水解为小肽，相较于蛋白，除结构更为伸展外，小肽的分子量也大大降低，可快速吸附至油-水界面形成黏弹性界面膜，同样可对乳液的形成及稳定起到积极作用[37-38]。

3 花生蛋白的应用研究

3.1 烘焙产品

花生蛋白营养价值高，抗营养因子明显少于大豆蛋白，适合作为辅料提高食品整体营养价值。在合适的条件下，花生蛋白可形成具有一定刚性的网络结构，赋予产品弹性与可塑性。同时，花生蛋白的添加能促进烘焙过程中美拉德反应的发生，有利于提高产品的风味与色泽。因此，近年来为改善食品品质、提高经济效益，研究者使用花生蛋白制品代替传统烘焙原料，包含植物氢化油代替物的开发及面团改良两方面。

相较于动物油脂，植物氢化油制品价格低廉，长久以来受到广大消费者和生产厂家的青睐，但氢化植物油中的反式脂肪酸可对人体产生健康危害。因此，近年来逐渐兴起氢化植物油代替品的开发。天然材料稳定的高内相Pickering乳液由于其感官特性和物理性质与人造奶油类似，可以作为良好的黄油代替品，并避免了反式脂肪的摄入[39]。花生分离蛋白凝胶颗粒能吸附在液滴周围形成致密堆积层，多余的微粒分散在连续相中形成网络结构，两者共同作用维持高内相乳液体系稳定。焦博[40]和Jiao等[41]在研究发现，花生分离蛋白凝胶颗粒稳定的高内相Pickering乳液外观和性状与不同人造奶油性质相似，表明花生蛋白乳液代替氢化植物油产品的可行性与广泛的适用性。

在我国居民优质蛋白摄入量缺乏的背景下，开发花生蛋白面点制品，可调整居民膳食结构，增加蛋白摄入量。同时，由于花生蛋白能与面筋蛋白发生交联，且花生伴球蛋白Ⅱ又具有较强的吸水性，因此花生蛋白的适量加入可增加面团湿面筋含量，提高了面团品质[42]。研究表明，加入花生蛋白后面团形成时间提高，说明面筋的含量高、质量好，面团具有较好的弹性和黏性，粉质特性改善[43]。制备得到的花生蛋白粉面团蛋白含量高，色泽和香味也能被消费者接受，具有较好的市场前景[44]。

3.2 肉类制品

花生蛋白可在肉类制品中起到黏合剂和填充剂的作用，其乳化性和乳化稳定性能改善细碎肉制品和粗碎肉制品的品质，同时使植物蛋白和动物蛋白的优势互补，改善制品风味与营养价值。由于蛋白能形成凝胶网络结构，加入花生蛋白后的灌肠肉糜保水性和保油性得到提高。因此与普通灌肠相比，花生蛋白灌肠含水量更高，且在储藏过程中品质稳定、弹性变化较慢[45]。花生蛋白的加入成功提高了传统灌肠的品质，更能满足消费者对火腿、香肠制品丰富口感的追求[46]。杜娟等[47]对花生蛋白粉灌肠制品的开发进行了一系列研究，发现添加花生蛋白后灌肠制品不仅具有特殊风味，其色泽、口感都得到较大改善。

此外，随着植物基膳食的流行，利用花生蛋白组织特性挤压生产植物肉也逐渐成为热门研究领域。近年来，有不少研究通过改变挤压工艺参数[48]、引入外源性多糖[49]、使用转谷氨酰胺酶对花生蛋白结构进行修饰等[37]，改变花生蛋白层状结构的形成速度，成功构建了高水分挤压花生蛋白仿肉产品。

3.3 生物膜

花生蛋白乳液浇铸制备薄膜一直是植物基生物膜制备的研究热点，已有学者对加热、紫外线、超声波、pH值、干燥温度等因素对浇铸法制得的花生蛋白膜特性的影响做了系统性研究[50-51]。近几年来也有一些关于使用其它成膜法制备花生蛋白膜的研究。Reddy等[52]研究表明，在优化的加工条件下，通过压缩法制成的花生蛋白薄膜其拉伸强度、伸长率和模量均高于大多植物蛋白薄膜。除了作为成膜的主要基材，花生蛋白还可作为提高膜性能的质构改善成分，与其它组分混合构建纳米复合薄膜。Li等[53]向大豆分离蛋白和玉米淀粉中添加不同含量的花生蛋白纳米颗粒，并制成生物纳米复合薄膜。由于花生蛋白纳米颗粒具有良好的生物相容性，能和不同基质之间发生官能团的交联或形成氢键，因此与添加前相比，两种膜的机械性能、水蒸气阻隔性和热特性均得到改善，制得的薄膜更为光滑致密。

4 结语

花生制油后的饼粕中富含花生蛋白，且花生蛋白丰富的营养价值和较好的乳化性为构建天然大分子稳定乳液提供了合适的材料。花生蛋白乳液分为单一基质和复合基质两种。引入多糖等分子与花生蛋白构建复合基质稳定乳液可明显增加乳液稳定性及生物活性，提高花生蛋白的实际应用价值。同时，使用一定手段改变花生蛋白的理化性质，或采取一定均质方法生产乳液，均能破坏花生蛋白不同层级结构，使其乳化性发生变化。此外，由于花生蛋白的凝胶性、乳化性、良好的生物相容性及较高的营养价值，近年来对花生蛋白产品的开发也逐渐兴起，并取得一定进展。

与大豆蛋白相比，花生蛋白的开发研究相对较少，且深入研究不足，没有形成较为完备的理论体系，在实际生产中仍缺少足够的数据参考。同时有关天然花生蛋白三、四级结构的资料较少，导致构效关系不明确。因此，对不同条件下花生蛋白理化和结构特性的变化、花生蛋白的实际应用等方面还需继续探究，以期在未来将多样的高附加价值花生蛋白制品带到日常生活中，最终实现花生产业的健康循环发展。