学术成果

当前位置: 首页 - 科学研究 - 学术成果

我院李斌教授团队就超越乳液和泡沫的颗粒稳定:液-液和气-液界面中的蛋白质的研究发表综述论文

作者:发布:2022-08-31点击量:

一、研究背景与研究意义

研究背景:在20世纪初,Pickering和Ramsden等人发现固体颗粒可以作为乳液稳定剂使用。后来,科学家发现颗粒也可以用来稳定泡沫。与使用表面活性剂构建的乳液/泡沫不同,颗粒稳定具有明显的优势,如更好的界面稳定性、无毒性和对环境影响不敏感。因此,颗粒稳定的泡沫和乳液系统有可能在食品、药物输送和化妆品领域获得更多的应用。

研究意义:蛋白质颗粒的性质成为近十年来科学家们感兴趣的热门话题。由于它们的特性可以根据粒子适用的场景进行调整,因此可以获得所需的功能特性。尽管一些作者试图将蛋白质和颗粒区分作为乳液/泡沫稳定剂,但对于新皮克林时代的“新”方面仍然存在很多混淆。因此,本文通过介绍经典的皮克林稳定机制,阐明了粒子稳定界面的内部机制和原理。通过总结蛋白质的额外/不同作用,解释了蛋白质在界面中的适应性行为与蛋白质结构之间的关系。此外,还介绍了蛋白质在界面稳定之外的功能,如封装、掩味和皮克林颗粒的催化特性。最后,在现有的研究基础上引发了深层次的思考,提出了“可食用毛细管泡沫”的新概念,并进行了新的展望。预计从目前该领域的众多研究中获得的认知将有助于研究人员改善现有材料,发明更多的配方,促进更多工程应用的探索。

二、成果介绍

2.1 粒子稳定机制

自从Pickering稳定的乳剂最初在一个世纪前被披露以来,稳定机制已经被系统地评估。界面面积的减少是颗粒在两相界面聚集的主要动力来源。天然蛋白质分子倾向于从界面上解吸,因为捕获能量与促进布朗运动的热能相当,因此天然蛋白质分子在两相界面上显示出快速交换,这与颗粒的吸附行为形成对比。吸附在界面上的颗粒几乎不能移动,表明颗粒被界面上的界面能所捕获。与蛋白质分子的两亲特性相反,颗粒的润湿性是决定皮克林稳定机制的主要因素。许多研究表明,要获得稳定的皮克林乳液,颗粒的润湿性是最关键的因素,由三相界面的接触角θ来量化,如图1所示。

图1. 在油/水界面上具有不同接触的颗粒的可能位置

假设颗粒能够被油和水润湿(即θ在0°和180°范围内),自由能的减少通常超过热能的数量级。因此,只要没有额外的成分被吸附在颗粒或两相界面上,就可以认为适当大小的颗粒的吸附实际上是不可逆的(图2)。

图2. 油/水乳剂表面和/或连续相中颗粒的示意图

3. 蛋白质的额外/不同的效果

3.1 球状蛋白的斑点性

大多数球状蛋白以不同的方向吸附在两相界面上,它们的疏水性空腔面向非极性油相。然而,分子动力学模拟预测,蛋白质在极性增加的界面上随机吸附,并逐渐嵌入到疏水相中。蛋白质在极性较低的界面上经历了增加的界面拉伸应力,导致加速展开。在没有线张力影响的情况下,使用具有均匀润湿性的皮克林颗粒生产的乳液在热力学上是不稳定的,尽管它们在动力学意义上是非常稳定的。热力学稳定性的缺乏源于这样一个事实,即在吸附在液滴表面的颗粒之间仍有一个暴露的油/水界面。事实表明,形成这个裸露界面的正自由能总是超过了颗粒的负吸附贡献。尽管如此,通过使用具有明确规定的适当不同润湿性区域的颗粒(Janus颗粒),颗粒吸附的奉献能够得到明显的提高。当均匀润湿的颗粒吸附到油/水界面时,一些颗粒被转移到较不润湿的阶段。油/水界面张力的降低是吸附的驱动力的来源。

图3.(a)一个带有非极性帽的极性Janus粒子(阴影); (b)较大范围的非极性盖使α>θp成为可能

3.2 界面流变学

在蛋白质稳定的两相系统中,除了降低表面张力外,蛋白质在气泡或油滴周围形成连贯的粘弹性薄膜,从而稳定分散体,防止凝聚。即使大多数蛋白质是两亲性的,但由于二级和三级结构的分歧,它们的表面活性也不同。在短时尺度上,蛋白质的吸附受到扩散的调节。然而,在长时间尺度上,被吸附的蛋白质分子需要克服表面压力和静电能量障碍,将自己固定在界面上。吸附后,蛋白质的构象会从其自然状态发生变化。研究发现,与球状蛋白相比,灵活的随机卷曲蛋白在吸附后在界面上重新排列的速度明显更快。当疏水侧链向流体界面的非水侧转移时,分子重新排列发生了,导致球状蛋白分子的部分解折叠。因此,吸附后构象改变的程度和速度主要取决于蛋白质分子的构象稳定性。

3.3 界面中的蛋白质的适应性行为

构象变化以及表面疏水性和分子柔韧性的相关增加对于提高球状蛋白的乳化能力至关重要。球状蛋白的表面活性与其分子灵活性和对界面构象变化的敏感性高度相关。研究人员提出球状蛋白在吸附状态下表现出所谓的熔融球态构象。熔融球状态由疏水相互作用引起的二级结构片段的非特异性结合定义,导致暴露于水性条件下的疏水簇的建立,如疏水染料结合增加所证明的,导致蛋白质的两亲性增强,因此增加了表面活性。

3.4 微凝胶颗粒

除了可以稳定两相界面的天然蛋白质外,微凝胶颗粒近年来逐渐进入科学家的视野,并在乳液/泡沫多相体系中获得青睐。微凝胶颗粒被描述为由分散在相应溶剂中的交联聚合物分子组成的微观3D网络。微凝胶结构的稳定性归因于共价键和强非共价键的可用性。总之,微凝胶可分为两个子类别:纳米凝胶(直径<0.5 μm)和微凝胶(直径范围从0.5到5 μm)。由于所组成的聚合物链的亲水性,大多数微凝胶颗粒倾向于水相,但颗粒会膨胀而不是溶解在水相中。这种行为主要是微凝胶结构交联的结果。微凝胶响应于外围因素(例如,pH、离子强度、温度和溶剂组成)表现出可逆的溶胀和去溶胀特性。这些属性使我们有机会通过控制聚合物间或/和聚合物-水的相互作用来设计具有受控和环境响应属性的粒子。

3.5 植物蛋白和动物蛋白之间的差异

与基于动物的蛋白质相比,基于植物的蛋白质表现出较低的起泡性和乳化性,以及较低的泡沫稳定性和乳液稳定性。关于界面特性,植物蛋白倾向于缓慢地吸附在气或油/水界面,通常会产生具有低膨胀和剪切模量的界面。大多数植物蛋白稳定界面的储能模量也表现出低应变依赖性,至少在膨胀方面,特别是不太明显的软化行为。最近的研究表明,一些植物蛋白在气/水界面处具有高膨胀模量(与动物蛋白在同一范围内),可以成为出色的泡沫稳定剂。鉴于它们在油/水界面处的表面电荷较低(这往往会导致液滴絮凝),它们在稳定乳液方面的功能通常不如球蛋白。

4.(A)乳清蛋白稳定的气/水界面膜的表面剪切流变学; (B)乳清蛋白和聚集的乳清蛋白在气/水界面的表面压力等温线。

4. 界面蛋白的状态和条件——它们与性能的关系

蛋白质在油/水或气/水界面稳定的描述分为四个主要过程:(1)蛋白质从水相向界面扩散,(2)蛋白质吸附到两相界面,(3)构象重组和(4)形成稳定的界面蛋白膜(图5)。在乳化过程中,包裹在油/水界面上的蛋白质层在微观尺度上受到机械应力的作用发生变形,从而导致团聚和絮凝,从而在宏观上影响乳液的稳定性。在生产过程中,不同类型的机械应力(主要是剪切和膨胀)同时作用在界面蛋白层上。因此,在阐明膜的形成和稳定性机制时,需要独立测量每种应力类型的膜响应关系。在这种情况下,膨胀被定义为三维尺度上的压缩和扩展。同时,剪切是随油/水界面发生的二维尺度变形。一般来说,能够抵抗机械应力的蛋白质膜的建立依赖于蛋白质在油/水界面的分子间相互作用。已经表明,在界面层形成过程中吸附蛋白质的分子间相互作用有助于界面膜的粘弹性,从而影响蛋白质层的稳定性。界面处的这些相互作用涉及氢键、静电相互作用、疏水相互作用、范德华力、共价二硫键和流体动力学相互作用。

5. 蛋白质的界面稳定的不同阶段示意图

5. 超越界面稳定性的功能

5.1 封装、掩味

表面活性和成膜特性的结合使蛋白质成为用于生物活性封装的涂层材料的理想选择。因此,具有表面活性的蛋白质倾向于集中在界面处。延长的肽链通过分子间相互作用(即氢键和/或静电键、疏水相互作用等)连接,从而在干燥时在最外层形成蛋白质基质。大多数蛋白质可以直接在溶液中形成薄膜。蛋白质膜形成的机制主要涉及由热、溶剂或pH变化引发的蛋白质变性。延长的肽链被新的分子间相互作用束缚,随后形成蛋白质膜基质,该过程取决于蛋白质类型,加工条件的典型例子是通过热处理蛋白质形成蛋白质凝胶,其中蛋白质分子的展开伴随着最初隐藏的疏水氨基酸残基的暴露,随后蛋白质分子的自聚集形成一个三维网络。

5.2. 皮克林界面催化

胶体颗粒是形成Pickering乳液的主要成分。一般来说,颗粒的材料、质地和功能决定了所制备乳液的具体应用。上一节讨论了各种类型的粒子和相应的皮克林乳液的最新发展。在本节中,我们重点介绍了近年来在催化、材料和生物医学等常见领域中应用的众多功能性颗粒稳定乳液。

Pickering乳液因其稳定性高、界面面积大、产品易于分离和催化剂回收容易而被认为是界面催化的优良平台。因此,Pickering乳液的界面催化研究是Pickering乳液应用研究的热点。已经有研究将不同的催化剂甚至酶包封在Pickering乳液中以提高催化反应速率,这表明Pickering乳液的应用实际上是保持生物催化剂活性和提高催化性能的有效途径。近年来,研究人员在该领域不断取得突破,使得Pickering乳液催化研究中的级联催化和界面催化越来越受到关注(图6)。

6.  皮克林界面催化

6. 毛细管泡沫

“毛细悬浮液”理论为解决胶体颗粒制备长期稳定的泡沫体系问题提供了新思路。2014年,Behrens等人发现将气体引入“毛细管悬浮”系统会导致气泡被薄复合层覆盖。该薄层由二级液体和吸附颗粒形成。同时,由二级液体形成的液桥将颗粒连接起来形成固定气泡的网络,由此产生的泡沫(称为“毛细泡沫”,图7)表现出非常高的稳定性。基于此,我们课题组在前期工作中尝试通过热处理制备分离乳清蛋白颗粒,并通过分离乳清蛋白颗粒与椰子油的结合制备“毛细管泡沫”。研究发现,分离乳清蛋白颗粒可以与油相形成复合层,包裹在气泡表面,从而实现气泡的长期稳定,这表明“毛细管泡沫”在泡沫食品中的发展潜力。

图7. 毛细管泡沫

三、研究结论及展望

本文通过介绍Pickering稳定的经典机制,阐明了粒子稳定界面的内部机制和原理。通过总结蛋白质的附加/不同作用,解释了蛋白质在界面中的适应性行为与蛋白质结构之间的关系。此外,还介绍了蛋白质除了界面稳定之外的功能,如包封、掩味和Pickering颗粒的催化性能。最后,在现有研究基础上引发了深入思考,提出了“可食用毛细泡沫”的新概念,并做出了新的展望。综上,我们可以知道它蛋白质颗粒将如何满足已知的需求,因为我们可以了解它的互补优势,并将使我们在合理的时间内获得有价值的产品。

论文相关信息

相关工作发表于Advances in Colloid and Interface Science杂志上(IF 15.19)

第一作者:占福朝(fuchaofood@mail.hzau.edu.cn),食品科学与工程流动站博士后,华中农业大学食品科技学院

通讯作者:李斌(libinfood@mail.hzau.edu.cn),二级岗教授、博士生导师,华中农业大学研究生院常务副院长

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102743


审核人:刘石林

编辑:王丹娟

食科官方微信

版权所有:Copyright 2013 食品科学技术学院 All Rights Resereved

地址:中国·湖北·武汉南湖狮子山街一号华中农业大学

邮编:430070

电话:+86-027-87282111