刁云春，張燕鵬,*，張維農(nóng)，胥 偉，胡志雄

（1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430023；2.武漢輕工大學(xué) 大宗糧油精深加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430023）

蛋白質(zhì)經(jīng)一定的誘導(dǎo)改性后會(huì)因其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而發(fā)生聚集行為，從而使其功能特性得到改善[1-4]。有研究證明蛋白質(zhì)在酸性條件下經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間加熱后，致密的原絲纖維會(huì)扭曲而形成纖維狀納米聚合物。纖維狀納米聚合物形成的機(jī)理為蛋白質(zhì)空間構(gòu)象在酸熱條件下發(fā)生改變，經(jīng)過(guò)展開(kāi)和水解產(chǎn)生多肽片段，多肽片段隨后發(fā)生橫向平行的β-折疊堆積以形成原絲纖維，其主要作用力為氫鍵和疏水相互作用。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，原絲纖維逐漸伸長(zhǎng)并通過(guò)液晶相互作用彼此并排對(duì)齊，然后通過(guò)相互纏繞形成緊密扭曲的纖維狀納米聚合物，此過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力為空間位阻和靜電相互作用，前者提供扭曲的方向，后者再將扭曲力度進(jìn)一步擴(kuò)大[5-6]。而在靠近蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的條件下經(jīng)短時(shí)間加熱后可形成直徑較大的球狀納米聚合物，其形成過(guò)程分為4 個(gè)階段：第1階段為蛋白質(zhì)在加熱條件下發(fā)生解離和變性，疏水基團(tuán)和游離巰基暴露出來(lái)，形成更具柔性的結(jié)構(gòu)；第2階段為變性的蛋白質(zhì)由于等電點(diǎn)環(huán)境下的靜電斥力較低而易通過(guò)二硫鍵發(fā)生相互作用，形成低聚合物；第3階段為低聚合物進(jìn)一步通過(guò)聚集行為形成初級(jí)聚合物；第4階段為當(dāng)初級(jí)聚合物的濃度超過(guò)臨界值時(shí)則形成較大的團(tuán)簇狀聚合物，通過(guò)透射電子顯微鏡可觀察到所形成的聚集體為球形[7-9]。上述這些蛋白質(zhì)聚合物可使蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和功能特性發(fā)生變化，比如聚合物粒徑的變小導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶液的起泡能力增強(qiáng)和黏度增加，泡沫的排液作用減弱，從而改善蛋白質(zhì)泡沫的穩(wěn)定性[10-11]。

目前，研究者對(duì)蛋白質(zhì)納米聚合物的研究主要集中在蛋白質(zhì)二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)等空間結(jié)構(gòu)[12-14]，以及微觀樣貌的表征[15-17]，然而對(duì)蛋白質(zhì)納米聚合物形成的泡沫體系的深入研究，以及納米聚合物與泡沫體系的相互影響機(jī)理尚鮮有報(bào)道。本文探討了蛋白質(zhì)納米聚合物對(duì)泡沫體系影響的相關(guān)機(jī)理，并闡述了蛋白質(zhì)納米聚合物的相關(guān)制備方法，旨在為精準(zhǔn)調(diào)控構(gòu)建蛋白質(zhì)納米聚合物以獲得理想泡沫體系特征的食品提供理論技術(shù)支持，探索其在泡沫類(lèi)食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 泡沫體系的形成機(jī)理

泡沫是一種由液膜分割的氣泡所組成的分散體系，其中液體為連續(xù)相，氣體為分散相。泡沫形成方法主要有攪拌法、搖晃法和起泡法，均是將氣體注入到蛋白質(zhì)溶液或表面活性劑溶液中以形成泡沫。攪拌法和搖晃法是通過(guò)快速運(yùn)動(dòng)使溶液摻入空氣，而起泡法是通過(guò)高壓將大量的氣體注入到溶液，壓力釋放時(shí)氣體劇烈噴出而形成氣泡。泡沫體系的形成主要依靠表面活性，當(dāng)氣體加入到蛋白質(zhì)溶液或表面活性劑溶液中時(shí)，蛋白質(zhì)或表面活性劑就會(huì)開(kāi)始吸附于氣泡的界面以降低氣-液界面的表面張力，保持界面液膜的穩(wěn)定性從而形成泡沫分散體系。

2 泡沫體系的穩(wěn)定機(jī)理

泡沫體系形成后的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性則是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。首先，氣-液界面的高自由能導(dǎo)致蛋白質(zhì)泡沫表面非常不穩(wěn)定，氣泡薄膜開(kāi)始排液導(dǎo)致其不穩(wěn)定，隨后膜破裂和氣體擴(kuò)散引發(fā)最終的失穩(wěn)。泡沫的排液是指在重力作用下，氣泡薄膜間的液體滲出使得氣泡與液體分離，與其相關(guān)的表征指標(biāo)是泡沫的持水率，即泡沫中液體的體積在泡沫體積中的占比。泡沫的持水率對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)有很大影響，在正常的狀況下，氣泡的結(jié)構(gòu)可以是有序的，也可以是無(wú)序的，持水率較高的氣泡接近于球形，由于重力作用泡沫開(kāi)始不斷從頂部往下排液，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的排水后變成多面體形。Indrawati等[18]的研究結(jié)果指出，當(dāng)上層泡沫的持水率小于0.26時(shí)，泡沫結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多面體形狀，而下層泡沫持水率大于0.26時(shí)呈現(xiàn)出近球形。當(dāng)兩個(gè)相鄰氣泡薄膜的破裂時(shí)會(huì)造成相鄰氣泡的合并，這種現(xiàn)象稱(chēng)為膜破裂，主要是由于在表面活性劑分子的排斥力和馬朗戈尼效應(yīng)作用下流動(dòng)性不足，導(dǎo)致兩個(gè)氣泡合并[19]。此外，泡沫中氣體的相互擴(kuò)散也是導(dǎo)致泡沫不穩(wěn)定的因素之一，而這種相互擴(kuò)散存在一定規(guī)律。根據(jù)拉普拉斯方程，氣泡內(nèi)外的壓強(qiáng)差與氣泡半徑成反比，因此氣體會(huì)自動(dòng)從較小的氣泡擴(kuò)散到較大的氣泡，直至較小的氣泡消失，留下較大的氣泡，這種氣體擴(kuò)散的現(xiàn)象被稱(chēng)為奧斯瓦爾德熟化，也叫歧化或者粗化。但值得注意的是，除非泡沫體系平衡時(shí)間特別長(zhǎng)，否則氣體在泡沫間擴(kuò)散的速度要遠(yuǎn)小于泡沫排液的速度[20-21]。泡沫排液、膜破裂和氣體擴(kuò)散在泡沫體系中同時(shí)存在，又互相關(guān)聯(lián)，當(dāng)排液發(fā)生時(shí)，液膜間的液體流動(dòng)影響著氣泡間的氣體擴(kuò)散，同時(shí)膜破裂和氣體擴(kuò)散導(dǎo)致泡沫平均直徑增大，加快了泡沫的排液，但無(wú)論哪種機(jī)制占據(jù)優(yōu)勢(shì)，泡沫體系的最終平衡態(tài)都會(huì)分離成獨(dú)立的液相和氣相。蛋白質(zhì)納米聚合物改善泡沫體系的機(jī)理均是建立在上述3 種泡沫失穩(wěn)機(jī)制的基礎(chǔ)上，如減少泡沫的排液量、抑制膜破裂和減緩氣體的擴(kuò)散等。

3 泡沫的微觀結(jié)構(gòu)

觀察并分析泡沫的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)研究泡沫體系的穩(wěn)定性具有重要的意義。在各個(gè)氣泡的平衡過(guò)程中，由兩個(gè)氣泡組成一個(gè)液膜，由3 個(gè)液膜組成一個(gè)液膜間夾角為120°的類(lèi)似三角形通道，稱(chēng)之為普拉特奧邊界（圖1A），而4 個(gè)氣泡組成一個(gè)三維形態(tài)的普拉特奧邊界交匯點(diǎn)，相鄰的兩個(gè)邊界之間夾角為109.5°，稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)（圖1B），這些微觀結(jié)構(gòu)在泡沫排水過(guò)程中起著渠道和儲(chǔ)存的作用[22]。因?yàn)樵谄绽貖W邊界的曲率半徑大于泡沫液膜處（平面）的曲率半徑，導(dǎo)致邊界的壓力小于液膜處的壓力，因而產(chǎn)生了一種邊界吸力，也稱(chēng)毛細(xì)抽吸力（表面張力與曲率半徑的比值），于是液膜通過(guò)從四處相鄰的普拉特奧邊界排水而逐漸變薄。同時(shí)由于重力作用，液體不斷從上層的普拉特奧邊界流向下層，導(dǎo)致上層邊界不斷縮小，曲率半徑變小，下層邊界不斷擴(kuò)大，曲率半徑也隨之變大，上層邊界吸力比下層的大，從而形成了從下往上的吸力梯度（圖2）。這種吸力梯度會(huì)抵消重力作用，邊界吸力會(huì)平衡液膜各處的壓力，而氣體的擴(kuò)散可以通過(guò)納米聚合物或者表面活性劑消除，直至泡沫體系達(dá)到平衡，最終形成頂部泡沫層-中部氣液分散層-底部液體層的狀態(tài)（圖3）[23]。

圖1 普拉特奧邊界（A）和節(jié)點(diǎn)（B）示意圖Fig.1 Schematic diagram of plateau border (A) and node (B)

圖2 上-下邊界通道示意圖Fig.2 Schematic diagram of upper-lower border passage

圖3 泡沫最終平衡體系（A）及示意圖（B）Fig.3 Foam final equilibrium system (A) and schematic diagram (B)

4 蛋白質(zhì)納米聚合物性質(zhì)對(duì)泡沫體系的影響

4.1 蛋白質(zhì)納米聚合物的粒徑對(duì)泡沫體系的影響

聚合物的粒徑影響著蛋白質(zhì)溶液的起泡特性，一般而言，粒徑越小，蛋白質(zhì)溶液的起泡特性越好。Morales等[24]采用加熱與超聲波組合處理大豆分離蛋白，結(jié)果表明大豆分離蛋白原溶液的粒徑大約為120 nm，熱處理使大豆分離蛋白的平均粒徑減小至約100 nm，熱處理和超聲組合處理使其平均粒徑減小至約63 nm，而它們的起泡能力卻逐漸增大，表明蛋白質(zhì)納米聚合物的起泡能力與其粒徑成反比。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，β-乳球蛋白在pH 5.8時(shí)可形成水力學(xué)半徑約150 nm近似球體的納米聚合物，在低pH值環(huán)境時(shí)可形成水合直徑10～30 nm、水合長(zhǎng)度1 400～2 500 nm的纖維狀聚合物，結(jié)果表明纖維狀聚合物比球狀納米聚合物具有更好的泡沫穩(wěn)定性[2]。

4.2 蛋白質(zhì)納米聚合物表面凈電荷對(duì)泡沫體系的影響

蛋白質(zhì)的表面凈電荷量會(huì)影響納米聚合物顆粒之間的相互作用，因而會(huì)影響蛋白質(zhì)溶液的起泡特性。研究發(fā)現(xiàn)，ζ電位絕對(duì)值越高，納米聚合物顆粒之間的靜電斥力越強(qiáng)，這有利于改善蛋白質(zhì)溶液的分散性和溶解性，從而使納米聚合物體系的起泡能力得到改善[25]，例如當(dāng)β-乳球蛋白形成納米聚合物時(shí)，分子中帶電荷的氨基酸暴露出來(lái)，因此表面電荷發(fā)生變化，等電點(diǎn)也隨之改變，導(dǎo)致納米聚合物比天然β-乳球蛋白具有更好的泡沫穩(wěn)定性。還有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)大豆蛋白被加熱形成可溶性聚集體時(shí)，其ζ電位由-34.4 mV降低至-36.4 mV，這使得納米聚合物體系之間的靜電斥力更大，所形成的泡沫體系也更加穩(wěn)定[1-2]。

4.3 蛋白質(zhì)納米聚合物形態(tài)對(duì)泡沫體系的影響

納米聚合物的形態(tài)與外部環(huán)境有著密切的聯(lián)系，如在不同的pH值環(huán)境下蛋白質(zhì)納米聚合物主要呈現(xiàn)3 種形態(tài)：纖維狀、球形顆粒和不規(guī)則形聚集體（圖4）[26]，其中目前被深入研究的主要是球形納米顆粒與纖維狀納米聚合物。球形納米顆粒又被稱(chēng)為微凝膠，通常由交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)組成，內(nèi)部由共價(jià)鍵或其他強(qiáng)大的分子內(nèi)力將動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。纖維狀納米聚合物結(jié)構(gòu)的核心是交叉的β-折疊結(jié)構(gòu)，連續(xù)的β-折疊結(jié)構(gòu)通過(guò)氫鍵堆積在垂直于纖維長(zhǎng)軸的方向上，然后多股纏繞形成最終的纖維狀結(jié)構(gòu)。

圖4 不同pH值下的納米聚合物形態(tài)[26]Fig.4 Nano-polymer morphology at different pH levels[26]

關(guān)于納米聚合物的形態(tài)對(duì)泡沫體系的影響，Lazidis等[27]認(rèn)為天然的蛋白質(zhì)有助于泡沫的產(chǎn)生，因?yàn)樗鼈冊(cè)谂菽a(chǎn)生過(guò)程中可以快速擴(kuò)散并吸附在表面，而經(jīng)變性所形成的納米聚合物對(duì)泡沫的穩(wěn)定性則有顯著影響，因?yàn)槠淠軌蚍€(wěn)定吸附在氣-液界面，增加了界面薄膜的黏彈性。有關(guān)蛋白質(zhì)納米聚合物顆粒形態(tài)對(duì)泡沫體系影響的進(jìn)一步分析結(jié)果表明，在油-水或氣-水界面，球狀納米聚合物與纖維狀納米聚合物在液滴或者氣泡之間的穩(wěn)定機(jī)理如圖5所示[28]。球狀納米聚合物在兩個(gè)相鄰氣泡間的分散方式有雙層堆積（圖5A1）、單層堆積（圖5A2）和隨機(jī)堆積（圖5A3）3 種類(lèi)型，其中雙層堆積在實(shí)際中很難以實(shí)現(xiàn)，可能是受實(shí)際界面吸附的限制，而當(dāng)以單層堆積的方式吸附在界面上，其自身體積的大部分處于流動(dòng)相中，剩下的則處于分散相中[29]。除單層堆積和雙層堆積外，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)大部分球狀納米聚合物則呈現(xiàn)出一種無(wú)定形的弱聚集形態(tài)，這意味著納米聚合物不會(huì)像前兩種方式迅速吸附形成單層膜或雙層膜，所以出現(xiàn)了一種更厚且無(wú)序的隨機(jī)堆積的穩(wěn)定方式，相比前兩種，隨機(jī)的聚集增大了界面處的黏度，更能減緩薄膜地排液。另外，在表面粗糙度相似的情況下，與球狀納米聚合物相比，具有高長(zhǎng)徑比的纖維狀納米聚合物（圖5B）更能穩(wěn)定泡沫，因?yàn)樗鼘?duì)泡沫提供的保護(hù)面積更大。上述4 種穩(wěn)定方式，其機(jī)理都是在增大泡沫的表面強(qiáng)度，同時(shí)促進(jìn)氣泡薄膜處溶液黏度的增大，一方面有助于蛋白質(zhì)膜的耐沖擊作用；另一方面也有助于減緩氣泡薄膜的排液作用。

圖5 球狀納米顆粒（A）和纖維狀納米顆粒（B）穩(wěn)定氣泡示意圖[29]Fig.5 Schematic diagram of stable bubbles of spherical nanoparticles (A)and fibrous nanoparticles (B)[29]

4.4 蛋白質(zhì)納米聚合物界面特性對(duì)泡沫體系的影響

蛋白質(zhì)可以較容易地吸附在不同相之間的界面上，除了可以降低表面張力外，還可以形成黏彈性較高、穩(wěn)定性較強(qiáng)的蛋白質(zhì)膜。表面張力的降低可以用來(lái)解釋蛋白質(zhì)的最佳起泡條件，但并不能解釋泡沫的穩(wěn)定性，如乙醇、庚烷、苯等一些純有機(jī)液體，它們的表面張力比純水低，與表面活性劑溶液的表面張力接近，卻并不能起泡。因此，需要引用蛋白質(zhì)的黏彈性膜對(duì)泡沫的穩(wěn)定性進(jìn)行解釋?zhuān)挥挟?dāng)液體表面能夠形成具有一定強(qiáng)度的蛋白質(zhì)膜，其具有的低表面張力才有助于泡沫的穩(wěn)定。然而，在食品體系中通常被用作發(fā)泡劑的蛋白質(zhì)成分并不足以達(dá)到形成剛性蛋白質(zhì)膜的條件，而蛋白質(zhì)納米聚合物顆?？梢跃o緊吸附于泡沫的液膜上以形成一層具有黏彈性的界面薄膜，能夠使泡沫體系保持較好的穩(wěn)定性[30-32]，例如Jung等[33]研究了β-乳球蛋白兩種不同長(zhǎng)度的纖維狀聚集體在油-水界面的界面膜流變學(xué)性質(zhì)，并與天然β-乳球蛋白界面膜進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)纖維狀聚集體吸附至界面時(shí)間更短，且其蛋白質(zhì)膜具有更高的黏彈性模量；Gao Zhiming等[34]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，與天然β-乳球蛋白相比，其纖維聚集體可以有效提高界面活性，增強(qiáng)界面上蛋白質(zhì)分子間的相互作用。因此，蛋白質(zhì)納米聚合物對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響不僅與界面張力有關(guān)，還取決于對(duì)氣-液界面流變特性的影響[32]。另外，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)納米聚合物吸附至界面后會(huì)在氣-液界面形成一定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)膜以增大界面處蛋白質(zhì)溶液的黏度，從而減緩泡沫的排液作用，這有利于泡沫體系穩(wěn)定性的提高。

5 蛋白質(zhì)納米聚合物的制備方法

5.1 酸熱誘導(dǎo)法

酸熱誘導(dǎo)法作為一種物理改性方法，是制備蛋白質(zhì)納米聚合物最常見(jiàn)的方法，其原理是蛋白質(zhì)分子受熱時(shí)，其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生去折疊并舒展開(kāi)。變性之后的蛋白質(zhì)在不同的pH值環(huán)境下通過(guò)非共價(jià)作用力發(fā)生聚集，如離子鍵、范德華力和疏水相互作用等，從而導(dǎo)致納米聚合物的產(chǎn)生。通常這些納米聚合物的形成與性質(zhì)主要受pH值和加熱溫度的影響。van der Linden等[35]研究β-乳球蛋白在80 ℃加熱條件下其聚集體結(jié)構(gòu)隨pH值的變化，結(jié)果顯示，在低離子濃度下，當(dāng)pH值遠(yuǎn)離β-乳球蛋白等電點(diǎn)時(shí)會(huì)形成較透明的線性聚合物；而在接近β-乳球蛋白等電點(diǎn)時(shí)，分子間靜電斥力較弱導(dǎo)致較渾濁的團(tuán)簇形聚合物形成，其原理示意圖如圖6所示。而不同的加熱溫度也影響著蛋白質(zhì)變性形成聚合物的過(guò)程，如在β-乳球蛋白變性過(guò)程中存在著連續(xù)的反應(yīng)和不同的產(chǎn)物，當(dāng)暴露在60～85 ℃環(huán)境中時(shí)，β-乳球蛋白的球狀折疊結(jié)構(gòu)打開(kāi)，開(kāi)始部分伸展，形成較大的聚合物；當(dāng)加熱溫度進(jìn)一步升高至85～105 ℃時(shí)，此時(shí)β-乳球蛋白的巰基暴露出來(lái)，在分子間形成二硫鍵重新折疊，從而形成較小的聚合物；當(dāng)溫度加熱到105 ℃以上時(shí)，聚合物中的二硫鍵斷裂，β-乳球蛋白分子會(huì)進(jìn)一步繼續(xù)伸展[36]。胡靜[2]通過(guò)調(diào)節(jié)天然β-乳球蛋白的pH值和溫度制備出了β-乳球蛋白的納米聚合物，其中在pH 2.0、80 ℃條件下攪拌加熱16 h制得了長(zhǎng)度為500～700 nm的纖維狀納米聚合物，在pH 5.8、85 ℃條件下攪拌加熱15 min則制備出了粒徑為350 nm的納米顆粒狀聚合物。Zhang Yehui等[37]通過(guò)對(duì)米糠蛋白進(jìn)行酸熱處理發(fā)現(xiàn)，在pH 2.0、90 ℃下加熱2 h后，米糠蛋白形成了纖維狀聚合物，且纖維狀聚合物的形態(tài)呈線狀或柔韌性，而在pH 7.0時(shí)其聚合物形態(tài)變?yōu)閳F(tuán)簇狀?？偟膩?lái)說(shuō)，酸熱處理改變了天然蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，在一定程度上改善了蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，使其功能特性?xún)?yōu)于天然蛋白質(zhì)[38]。

圖6 pH值對(duì)蛋白質(zhì)納米聚合物形成的影響示意圖[35]Fig.6 Schematic diagram of the effect of pH on the formation of nano-polymers[35]

除此之外，采用不同的酸處理對(duì)形成的蛋白質(zhì)納米聚合物體系也存在影響，如有研究發(fā)現(xiàn)，使用HCl溶液酸化時(shí)，由于酸化過(guò)程中氫離子分散不均勻，pH值變化較快，易使蛋白質(zhì)顆粒迅速發(fā)生聚集。D-葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯（D-glucose-δ-lactone，GDL）在水解的過(guò)程中可緩慢釋放葡萄糖酸，逐漸降低溶液的pH值，與HCl溶液酸化處理的納米聚合物相比，采用GDL酸化制備的蛋白質(zhì)納米復(fù)合物顆粒粒徑更小、分布更均勻[39-40]。

5.2 蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合法

蛋白質(zhì)與多糖的復(fù)合物中最具代表性的是蛋白質(zhì)的糖基化產(chǎn)物。糖基化反應(yīng)是蛋白質(zhì)與多糖發(fā)生美拉德反應(yīng)而形成蛋白質(zhì)-多糖共聚物，其中蛋白質(zhì)上的氨基和還原糖的羧基相互結(jié)合，對(duì)蛋白的功能特性有著重要的修飾作用。通常，糖基化反應(yīng)主要包括干熱法和濕熱法，其中干熱法最早使用，也是最主要的糖基化法，其方法操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)易受控制、反應(yīng)產(chǎn)物接枝度高，但反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。Liu Gang等[41]將麥芽糖糊精與乳清分離蛋白在80 ℃下進(jìn)行了干熱法糖基化處理2 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性后的乳清分離蛋白表現(xiàn)出良好的透明分散狀態(tài)。濕熱法則與之相反，由于是基于液相進(jìn)行蛋白質(zhì)的糖基化改性，其反應(yīng)迅速，反應(yīng)耗時(shí)短，但是該方法存在反應(yīng)不完全、接枝度低、反應(yīng)物復(fù)雜且難以控制等問(wèn)題。王松等[42]利用濕熱法將葡萄糖和大豆分離蛋白進(jìn)行糖基化處理，處理后大豆分離蛋白的乳化性、溶解性和凝膠性均得到較大的改善。除糖基化處理外，也存在其他的方法來(lái)制備蛋白質(zhì)-多糖納米復(fù)合聚合物，如Li Hao等[43]通過(guò)采用簡(jiǎn)單的抗溶劑沉淀法在pH 4.0條件下制備了玉米醇溶蛋白-可溶性大豆多糖復(fù)合納米顆粒，其穩(wěn)定的玉米醇溶蛋白納米顆粒在pH 2.0～8.0時(shí)都沒(méi)有聚集和沉淀，即便在較高的離子強(qiáng)度和溫度下，它們也比較穩(wěn)定。除了玉米醇溶蛋白和可溶性大豆多糖的復(fù)合納米顆粒之外，Li Juan等[44]發(fā)現(xiàn)使用玉米醇溶蛋白和阿拉伯膠以質(zhì)量比為1∶1.5制備出的蛋白質(zhì)-多糖納米復(fù)合物最為穩(wěn)定，其在pH 3.0～9.0的范圍內(nèi)具有較高的ζ電位。Wang Lei等[45]將抗溶劑沉淀法和熱處理工藝相組合，可制備出顆粒粒徑更小、分布更均勻的球形玉米醇溶蛋白-多糖納米顆粒?？傊鞍踪|(zhì)與多糖反應(yīng)的最終目的是改善蛋白質(zhì)的理化和功能性質(zhì)，糖基化作為一種使蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合的方法，能在溫和、安全的條件下進(jìn)行，且除了糖和蛋白質(zhì)之外，沒(méi)有其他化學(xué)試劑，同時(shí)賦予了接枝產(chǎn)物優(yōu)良的功能特型，因此具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5.3 酶法制備

酶法制備主要利用生物學(xué)手段，結(jié)合不同目的而選擇適當(dāng)?shù)纳锩笇?duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改性，使蛋白質(zhì)氨基酸殘基和多肽鏈發(fā)生變化，導(dǎo)致其理化性質(zhì)也隨之改變，從而獲得較好的功能特性蛋白質(zhì)的過(guò)程。研究者采用谷?；逆渻?nèi)切酶水解乳清蛋白發(fā)現(xiàn)，乳清蛋白水解后產(chǎn)生許多短肽鏈的親水性多肽，增強(qiáng)了乳清蛋白的親水性。另一方面，疏水性多肽的暴露和一定程度上水解導(dǎo)致的分子間靜電斥力減弱，使得不同溶解度的多肽之間主要通過(guò)疏水相互作用引發(fā)聚集，從而形成聚集體[46-47]。然而，過(guò)度的水解并不能總是促進(jìn)蛋白質(zhì)功能特性的改善，反而會(huì)失去某些天然蛋白質(zhì)原有的功能特性，這主要取決于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和酶的種類(lèi)[48]。另外，酶交聯(lián)也是酶法制備蛋白質(zhì)納米聚合物的一種方式，其機(jī)理是通過(guò)蛋白質(zhì)水解和共價(jià)交聯(lián)來(lái)增強(qiáng)蛋白質(zhì)的功能和營(yíng)養(yǎng)特性。酶交聯(lián)法主要是利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（又稱(chēng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶，是一種催化?；D(zhuǎn)移反應(yīng)的轉(zhuǎn)移酶）可以催化蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)、蛋白質(zhì)和氨基酸之間的連接以及蛋白質(zhì)分子內(nèi)谷氨酰胺基水解，能夠聚合蛋白多肽之間形成共價(jià)聚合物，從而通過(guò)改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能特性來(lái)提高蛋白質(zhì)的應(yīng)用范圍[49]。Meng Shi等[50]選擇木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶和無(wú)花果蛋白酶3 種酶對(duì)花生蛋白進(jìn)行水解后，再用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)其進(jìn)行交聯(lián)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與花生蛋白相比，交聯(lián)后產(chǎn)物的分子質(zhì)量增大，有較大的團(tuán)聚物形成，起泡性和乳化性均得到了改善，但經(jīng)無(wú)花果蛋白酶水解后交聯(lián)對(duì)起泡性和乳化性的改善效果稍差些，是因?yàn)闊o(wú)花果蛋白酶對(duì)花生蛋白水解產(chǎn)生大量短肽，短肽更難以與較大的聚合物交聯(lián)。于殿宇等[51]采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)米糠蛋白進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)酶交聯(lián)處理后的米糠蛋白的溶解度增大，起泡特性和乳化特性均有所提高。孫佳等[52]使用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)乳清分離蛋白進(jìn)行酶交聯(lián)，制備出了分子質(zhì)量為120 kDa的大分子聚合物，且生成聚合物的量隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，酶交聯(lián)后其表面疏水性與熒光強(qiáng)度均得到增加，表明蛋白空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并與超聲處理時(shí)間呈正相關(guān)，但酶交聯(lián)使乳清分離蛋白粒徑增大，而超聲處理則使其粒徑變小，更有利于生成致密、均勻的網(wǎng)絡(luò)狀聚合物。蛋白質(zhì)的酶交聯(lián)法能夠通過(guò)專(zhuān)一改善蛋白質(zhì)的分子肽鍵制備蛋白質(zhì)納米聚合物，具有效率高、產(chǎn)物品質(zhì)高、毒副作用低以及酶交聯(lián)條件溫和等優(yōu)勢(shì)，是一種綠色健康的蛋白質(zhì)改性方式。

5.4 其他方法

除了最常見(jiàn)的酸熱誘導(dǎo)法、蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合法以及酶法制備外，還出現(xiàn)了一些比較新的蛋白質(zhì)納米聚合物制備方法。例如，Sui Xiaonan等[53]利用超聲處理卵磷脂和大豆分離蛋白形成的復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)經(jīng)150 W、24 min的超聲處理后，復(fù)合物的乳化性和乳化穩(wěn)定性得到顯著改善，但是當(dāng)超聲功率增加至450 W時(shí)，超聲處理反而增加了復(fù)合物顆粒的尺寸，同時(shí)降低乳化穩(wěn)定性和復(fù)合物的電荷，表明超聲處理引發(fā)了大豆分離蛋白-卵磷脂復(fù)合物的結(jié)構(gòu)變化。同樣地，采用高強(qiáng)度低頻超聲（high intensity low-frequency ultrasound，HIU）協(xié)同熱處理大豆分離蛋白，發(fā)現(xiàn)HIU處理改變了大豆分離蛋白聚合體的空間結(jié)構(gòu)，減小了顆粒尺寸，增加了可溶性聚集物和游離巰基的含量，提高了其溶解性，增強(qiáng)了表面疏水性，形成了更密集的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)[54-55]。另外，利用小分子化合物對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾也可以形成納米復(fù)合物，主要的作用力包括共價(jià)作用和非共價(jià)作用，共價(jià)作用主要是二硫鍵，非共價(jià)作用包括氫鍵、疏水相互作用、范德華力和靜電相互作用等，但在聚合過(guò)程中后者的作用很低，共價(jià)作用占主導(dǎo)[56]。李揚(yáng)等[57]利用花青素修飾大豆分離蛋白，結(jié)果表明形成的大豆分離蛋白-花青素復(fù)合物比天然大豆分離蛋白表現(xiàn)出更好的乳化性和起泡性；Li Ting等[58]研究了水稻蛋白與花青素絡(luò)合后的功能性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明水稻蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致分子譜圖強(qiáng)度的增加和酰胺帶的譜移，其聚合物主要由氫鍵和疏水相互作用形成，并且在pH 3時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)越的起泡特性。Wu Weiguo等[59]使用茶多酚修飾卵清蛋白，研究了其對(duì)卵清蛋白起泡性能、凝膠性能以及熱變形溫度的影響，結(jié)果表明1%（終質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同）的卵清蛋白與0.25%的茶多酚混合處理10 min后，起泡性和泡沫穩(wěn)定性達(dá)到了最大值，同時(shí)隨著茶多酚添加量的增加，卵清蛋白-茶多酚復(fù)合物的凝膠強(qiáng)度增大，熱變性溫度降低，表明蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。此外，球磨處理也是一種改善蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型技術(shù)，其原理是球磨處理過(guò)程中，碰撞、摩擦和剪切產(chǎn)生綜合作用，促使蛋白分子結(jié)構(gòu)改變而影響其功能特性[60]。譚文等[61]對(duì)蛋清蛋白進(jìn)行球磨處理后發(fā)現(xiàn)，蛋白分子之間表面電荷數(shù)下降，表面疏水性降低，蛋白分子柔性增加，有助于調(diào)整分子結(jié)構(gòu)更好地分布于泡沫表面，從而改善了蛋清蛋白的起泡特性。這表明球磨處理破壞了蛋清蛋白的天然結(jié)構(gòu)，促使蛋白結(jié)構(gòu)重新折疊或聚集[62-63]。

不同蛋白質(zhì)聚合物制備方法所基于的原理和所涉及的蛋白質(zhì)分子間的作用力不同，因此應(yīng)當(dāng)考慮制備方法本身的特點(diǎn)和蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)特性，選擇合適的蛋白質(zhì)納米聚合物制備方式，以達(dá)到改善蛋白質(zhì)溶液起泡特性的目的。幾種常見(jiàn)的蛋白質(zhì)納米聚合物制備方法的原理及特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同蛋白質(zhì)納米聚合物制備方法的原理與優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Principles, advantages and disadvantages of different preparation methods for protein nano-polymers

6 結(jié) 語(yǔ)

在食品工業(yè)中，蛋白質(zhì)作為一種兩親性物質(zhì)可通過(guò)在不同環(huán)境下的改性來(lái)引發(fā)蛋白質(zhì)聚集行為以形成納米聚合物。蛋白質(zhì)納米聚合物的粒徑、表面凈電荷、形態(tài)、界面特性等將直接影響其溶解性和起泡特性，進(jìn)而在一定程度上影響到食品的品質(zhì)。因此，控制好蛋白質(zhì)的聚集行為，了解蛋白質(zhì)納米聚合物與泡沫體系之間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)指導(dǎo)泡沫類(lèi)食品行業(yè)的發(fā)展具有重要作用。隨著對(duì)蛋白質(zhì)聚集行為和蛋白質(zhì)納米聚合物制備方法的不斷創(chuàng)新研究，蛋白質(zhì)納米聚合物功能特性的研究在食品加工中依舊是今后的主要熱點(diǎn)方向。未來(lái)針對(duì)蛋白質(zhì)納米聚合物泡沫體系的研究可以集中于建立“蛋白質(zhì)分子-納米聚合物-泡沫體系”的關(guān)系模型，闡明三者之間的影響機(jī)理，旨在精準(zhǔn)調(diào)控蛋白質(zhì)納米聚合物從而獲得理想的泡沫體系，為泡沫類(lèi)食品在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。