疏水蛋白及其他因素對液體氣泡的影響

潘天齊 Brent Murray 孫桂菊

蛋白質(zhì)是自然界中最常見的表面活性聚合物，它們通常同時含有疏水性和親水性的氨基酸，可以吸附在幾乎任何兩個不同相之間的疏水性和親水性的界面，例如空氣-水界面，從而形成非常穩(wěn)定的膜，并因此向薄膜、泡沫、乳液和分散體提供顯著的穩(wěn)定特性，二類疏水蛋白便是這樣一類表面活性很高的剛性蛋白質(zhì)。由于二類疏水蛋白易溶于水，也易溶解于十二烷基硫酸鈉（SDS）或乙醇中，所以適于應用在食品工業(yè)中。溶解反應是一個氣泡緩慢皺縮的過程。由于不同大小泡沫間的拉普拉斯壓力差，氣體會從小氣泡向大氣泡擴散。盡管這是一個緩慢的過程，但仍很難在產(chǎn)品的長期貯存中防止其發(fā)生。于是在泡沫表面吸附蛋白質(zhì)形成薄膜被認為是一種抑制該過程的方法。但以往對泡沫和乳液的研究表明，幾乎所有的蛋白質(zhì)薄膜都會因其粘彈性而最終衰退，從而發(fā)生吸附層的緩慢蠕變與塌陷。然而疏水蛋白可以作為一種粒子穩(wěn)定劑，而不是展開的聚合蛋白層，所以它會成為一個例外。在以往的研究中二類疏水蛋白也展現(xiàn)了它對泡沫穩(wěn)定性的提升效果比其他蛋白質(zhì)更好，因而它的特性和使用過程中會產(chǎn)生影響的因素也十分值得進一步探討。

材料與方法

樣品準備。二類疏水蛋白樣品由聯(lián)合利華提供，冷凍儲藏。每次使用前將二類疏水蛋白在室溫下解凍30分鐘并進行一分鐘的45 KHz的超聲波處理。所使用的磷酸鹽緩沖液pH值衡定為7，所有的化學物質(zhì)和緩沖溶液都分別由分析天平和電子秤精確稱量，碳酸蘇打水由Heritage公司提供。大多數(shù)實驗中二類疏水蛋白溶液的濃度被調(diào)配為3×10-3 wt.%，但在一次實驗中其濃度被調(diào)配為7×10-3 wt.%。

實驗方法。

實驗應用了圖1所示的氣泡裝置。整個加壓室被填滿溶液，但觀察室上方留有空氣。溶液填充后密封，在電腦上設置活塞上升距離、循環(huán)次數(shù)和每次循環(huán)后的等待時間?；钊会尫派仙龝褂^察室里的液面下降而其上方空氣的體積上升但質(zhì)量不變，從而降低壓力，產(chǎn)生氣泡并使其膨脹?；钊恳淮紊仙傧陆祷氐皆环Q為一個循環(huán)，其上升的距離可用于公式計算出系統(tǒng)內(nèi)壓力的變化。在觀察室中的氣泡在生成后會迅速上升至液面，實驗完成后從液面提取少量樣品滴在載玻片上，用一臺與電腦連接的顯微鏡觀察。獲取的氣泡圖像可用于測量、計數(shù)，以繪制氣泡尺寸分布線形圖，并算出氣泡的平均尺寸和標準差，用于分析數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果

圖 2 液面樣品的顯微圖像。條件為：（a）0.86個標準大氣壓；7×10-4 wt.%的二類疏水蛋白濃度；120秒等待時間；20個循環(huán)，液面未觀測到氣泡； （b）相比于（a）二類疏水蛋白濃度增至3×10-3 wt.%，明顯觀察到有許多氣泡；（c）相比于（b）蘇打水含量增至20%，氣泡數(shù)明顯增多，且互相擠壓粘連；（d）相比于（c）等待時間增至240秒，氣泡變得更均勻，未擠在一起；（e）相比于（c）循環(huán)次數(shù)增至500次，液面未觀測到氣泡。（b）和（d）的氣泡平均尺寸分別為58±13 μm、70±15 μm。

圖3 液面樣品的顯微圖像。（a）、（b）、（c）共同條件為：0.86個標準大氣壓；3×10-3 wt.%的二類疏水蛋白濃度；240秒等待時間；含5%蘇打水。循環(huán)數(shù)分別為：（a）5個循環(huán)；（b）10個循環(huán)；（c）20個循環(huán)?？捎^測到少量形狀很不規(guī)則的氣泡。氣泡平均尺寸分別為54±14 μm、50±13 μm、51±10 μm。（d）為將（c）的液面樣品放置20小時后放大4倍的顯微圖像，氣泡均皺縮干癟。（e）相比于（b）壓降強度增大，為0.79個標準大氣壓，其余條件一致，平均尺寸為61±29 μm，氣泡數(shù)量明顯增多。

圖4 含20%蘇打水和5%蘇打水的溶液的氣泡尺寸分布曲線圖。

圖4顯示了含不同含量蘇打水的溶液所產(chǎn)生氣泡的尺寸分布。含20%蘇打水對應顯微圖像為圖2（d），曲線在80 μm處有一個峰值，平均尺寸為70±15 μm；含5%蘇打水對應顯微圖像為圖3（c），曲線在54 μm處有一個峰值，平均尺寸為51±10 μm。

圖5 壓降為0.86個標準大氣壓和0.79個標準大氣壓的實驗的氣泡尺寸分布曲線圖。

圖5顯示了在不同壓降下所產(chǎn)生的氣泡尺寸分布。低強度壓降代表壓降至0.86個標準大氣壓，對應顯微圖像為圖3（b），高強度壓降代表壓降至0.79個標準大氣壓，對應顯微圖像為圖5。從曲線圖和顯微圖像中可以看出當壓降至0.79個標準大氣壓時，氣泡數(shù)量更多，尺寸的分布范圍更廣，氣泡間尺寸差異較大，平均尺寸為61±29 μm，顯著大于當壓降至0.86個標準大氣壓時的平均尺寸50±13 μm。

討論

根據(jù)實驗結(jié)果得到了以下會影響氣泡生成、形態(tài)和穩(wěn)定性的因素，并對其背后的原理進行了分析：

二類疏水蛋白的濃度。二類疏水蛋白濃度與氣泡穩(wěn)定性呈正相關(guān)。當濃度足夠高時，氣泡表面會吸附上足量的蛋白質(zhì)，于是在橫向方向上的蛋白質(zhì)間相互作用會驅(qū)使疏水蛋白在界面處形成高度有序的結(jié)晶膜，并具有非常高的表面切變模量，降低了水的表面張力，穩(wěn)定氣泡。

二氧化碳的濃度。蘇打水中含有大量二氧化碳，其在溶液中的濃度與氣泡尺寸和數(shù)量均呈正相關(guān)。二氧化碳氣體易溶于水，在減壓釋放時有助于大量氣泡的產(chǎn)生，且由于氣體的增多，氣泡的體積也會更大。

壓降的循環(huán)次數(shù)。蛋白質(zhì)分子在靠近到一定程度后將無法再被推近，這種分子間相互作用使它們的緊密組合很難被壓縮，從而提升了氣泡的穩(wěn)定性。但是這種剛性蛋白質(zhì)膜無法避免分子的間距因氣泡變大而變大，所以當再次進行壓降過程時氣泡會擴張表面，使表面上的蛋白質(zhì)分子分開并產(chǎn)生空隙，氣體從中溢出，反復多次后氣泡會變得越來越小直至溶解。但一開始由于每次壓降的過程中溶液中所溶氣體會形成新的氣泡，所以氣泡的數(shù)量會增加。之后一些氣泡在多次表面擴張下氣體全部流失而徹底溶解，但新氣泡的產(chǎn)生會使氣泡總量維持動態(tài)平衡。最終溶液中所溶氣體越來越少，導致新氣泡的數(shù)量下降，動態(tài)平衡被打破，氣泡總數(shù)不斷下降直至不再有氣泡產(chǎn)生。

壓降循環(huán)間的等待時間。在加入了蘇打水的情況下，二氧化碳溶于溶液中且溶解度遠高于空氣，在壓降過程中促成了許多氣泡的產(chǎn)生，因而氣泡中含有的是以二氧化碳為主的和空氣的混合氣體。相較于空氣，二氧化碳的流失速度更快，不過這個過程仍需要一段時間。所以如果每次循環(huán)之間的等待時間較短，則二氧化碳流失量很少，導致氣泡的數(shù)量很多、體積很大；但如果等待時間過長，例如將溶液靜置一個晚上，則在二氧化碳流失的同時，二類疏水蛋白同時也在吸附于氣泡表面，但二氧化碳流失速度快于疏水蛋白的吸附，最終氣泡內(nèi)滯留的主要是空氣。這個過程中氣泡表面的蛋白分子在增加而內(nèi)部氣體在減少，所以會引起氣泡形態(tài)上的緩慢皺縮，留下的氣泡會看起來非常褶皺且特別的小。

壓降的強度。當壓力下降時會促使溶于溶液的氣體形成氣泡并且表面擴張，所以增大壓降會產(chǎn)生更多氣體且體積更大，但同時這也會使氣體的溢出更快。一些氣泡在表面擴張時若吸附了足量的二類疏水蛋白，則它們會較好地保持自己的形狀和體積，但有的氣泡不能，所以在數(shù)次循環(huán)后氣泡間的尺寸差異巨大，在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為較大的標準差。

二類疏水蛋白吸附的過程。二類疏水蛋白的吸附是一個隨機的過程。在氣泡表面的某些部位可能會吸附上較多的蛋白質(zhì)分子，而在另一些部位可能較少，那么在氣泡被擴張再恢復時，不均勻的表面蛋白質(zhì)層會影響到氣泡的形狀。大多數(shù)氣泡會趨于橢圓，但也有個別氣泡的形狀會非常不規(guī)則，例如呈梭形。

結(jié)論

這是一個有關(guān)于二類疏水蛋白的基礎(chǔ)性研究，反映了其在應用中的諸多現(xiàn)象、推測了它在吸附過程上的微觀原理，并指出了在使用二類疏水蛋白的條件下影響氣泡生成、形態(tài)和穩(wěn)定性的因素。第一，溶液中二類疏水蛋白濃度與氣泡穩(wěn)定性呈正相關(guān)；第二，溶液中所溶二氧化碳的濃度與氣泡尺寸和數(shù)量均呈正相關(guān)；第三，適當數(shù)量的循環(huán)數(shù)會促進氣泡的生成，但進行過多次數(shù)的循環(huán)會導致氣泡的縮小或溶解；第四，適量的等待時間可促使氣泡形態(tài)變得均勻；第五，高強度的壓降可促使大體積氣泡的生成；最后，二類疏水蛋白的吸附是一個隨機的過程，會影響氣泡最終的形狀。

二類疏水蛋白在提升氣泡穩(wěn)定性方面很有前景，在將來仍需更多的深入探究以鞏固目前的成果、獲得新的發(fā)現(xiàn)、并有效地投入于應用。

（作者單位：潘天齊 孫桂菊 東南大學公共衛(wèi)生學院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學系；Brent Murray 英國利茲大學食品科學和營養(yǎng)學院）