界面擴張流變學性質在食品組分相互作用中的研究進展

朱力杰,張馨心,劉秀英,王 勃,楊立娜,劉 賀,何余堂,馬 濤

(渤海大學食品科學與工程學院,生鮮農產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧錦州 121013)

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界面擴張流變學性質在食品組分相互作用中的研究進展

朱力杰,張馨心,劉秀英,王 勃,楊立娜,劉 賀,何余堂,馬 濤*

(渤海大學食品科學與工程學院,生鮮農產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧錦州 121013)

作為流變學研究中的一個分支,界面擴張流變學性質能夠反映不同分子在界面層上的吸附和分散行為,對于研究復合體系中各組分間的相互作用具有重要意義。通過比較界面粘彈特性、弛豫過程、界面張力等特征參數(shù),建立適合于分析不同類型組分的理論模型,界面擴張流變學方法已經(jīng)成為研究食品組分相互作用機制的有效途徑,具有靈敏度高、操作簡便、穩(wěn)定性良好等特點,能夠直觀地反映出相互作用對加工性能的影響。本文概述了界面擴張流變學性質的理論基礎和測量方法,重點介紹了近年來該技術在食品組分相互作用中的研究進展,并就存在的問題及今后的發(fā)展方向進行了分析。

界面擴張流變學,食品組分相互作用,懸滴法,Langmuir槽法

界面性質常常會對食品的加工過程產(chǎn)生影響,尤其是在飲料、凝乳等存在氣-水或油-水界面的食品當中,往往伴隨著碳水化合物、蛋白質、表面活性劑、乳化劑等多種組分間的相互作用,粘度、界面吸附性能均不同于僅存在單一組分時的情況,還會發(fā)生正負離子混合后的協(xié)同吸附行為,給起泡性和乳化性的研究帶來困難,影響穩(wěn)定膠體體系的建立,因此一直以來都是食品科研工作者重點研究的對象[1-4]。近年來隨著界面粘彈測量儀、視頻光學接觸角測量儀等多種物理化學、石油化工領域檢測界面性質的設備逐漸應用于食品分析中,界面流變學性質已經(jīng)成為闡明食品組分相互作用的一種重要途徑,其中以界面擴張流變學性質的研究最受矚目[5-8]。

界面擴張流變學技術可以在液態(tài)食品基質的界面上提供可溶性吸附膜及不溶性膜的粘彈性質信息,彌補傳統(tǒng)界面張力研究不能動態(tài)表征界面的形成及破壞過程的缺陷,通過考察應力、形變和形變速率的關系,進一步分析溶液中各食品組分間的相互作用[9-10]。與同屬界面流變學性質的剪切流變相區(qū)別,界面擴張流變主要研究界面張力與界面面積之間的相對變化,對表面活性物質的吸附和脫附動力學更為敏感[11];而剪切流變多采用動態(tài)剪切流變儀進行測定,結果主要反映的是界面應力與界面形狀之間的相對變化。傳統(tǒng)上由于理論模型和實驗數(shù)據(jù)的欠缺,多采用界面剪切流變學性質對起泡性和乳化性開展研究。隨著實驗設備的普及和相關科研工作的進一步開展,研究人員發(fā)現(xiàn)界面擴張流變更適合對復雜體系下的界面行為進行分析,這對于存在于吸附層和分散介質中的食品各組分相互作用研究具有重要意義[12]。

1 界面擴張流變學方法的理論基礎

在傳統(tǒng)吸附模型的基礎上,Ravera等從界面膜上吸附分子的重新分布可能會影響界面動態(tài)性質的角度出發(fā),推導出了界面擴張流變參數(shù)對頻率的依賴方程[13]。通常認為可以采用界面形變大小、速率與張力之間的二維函數(shù)關系來考察體系的界面擴張流變學性質。當小幅諧波擾動界面時,界面擴張模量(E)定義為表面壓(π)與面積變化(ΔA)之間的比值[14]:

式(1)

界面擴張模量(E)則是一個與界面擴張頻率(ω)有關的復數(shù)量,即:

E=Eexp(iωt)=Er+iEi=Ed+iωηd

式(2)

式(3)

式中:Er及Ei分別為E的實數(shù)和虛數(shù)部分,Ed為界面擴張彈性模量(儲能模量),ηd為界面擴張粘度,ωηd為粘性模量(損耗模量);θ為相角。

這些變量當中,界面擴張彈性模量主要來源于擾動后偏離平衡狀態(tài)導致的界面分子能量改變,其數(shù)值與界面上各分子間的相互作用密切相關;而粘性模量則與各分子發(fā)生界面與體相間的交換以及排布方式改變等弛豫過程具有緊密聯(lián)系[15]。相角可以表征界面膜的粘彈特性,其數(shù)值等于粘性模量和彈性模量的比值,界面膜彈性越強,相角數(shù)值越小。界面擴張頻率作為影響界面擴張粘彈特性的主要因素之一,通常在兩種極限頻率之間發(fā)生變化:一是擴張頻率很低,在被攪動的界面上單層膜有足夠恢復平衡的時間,當頻率低至0 Hz時,界面張力變化也為0 mN/m,因此擴張模量等于0 mN/m;二是擴張頻率較大,吸附膜沒有充足的時間通過擴散等弛豫過程重新恢復平衡,擴張模量的值便較大,同時體系粘度、相角也隨之降低。如假設擴張頻率能達到無窮大,則此時可以忽略體相與界面之間的擴散作用,形成類似于不溶性單層膜的界面彈性模,擴張模量的值等于Gibbs彈性(EG),故在兩種極限頻率之間,擴張模量隨著頻率的提升而逐漸增大,直至達到趨于恒定的平臺值[16]。

近年來隨著界面擴張流變學性質成為界面性質領域研究的一大熱點,對其在理論層面的探索也不斷深入。Ivanov等在考慮了分子間界面相互作用以及表面活性分子體相-界面的擴散這兩種弛豫過程后,給出了界面膜彈性、反應弛豫時間以及界面擴張模量的表達式;針對表面活性劑的多種反應過程,進一步對界面面積形變以及周期性小幅振蕩下的擴張流變方程進行了分析[17]。Miller等建立了溶液振蕩過程中界面吸附層的二維弛豫理論模型,即在振蕩頻率足夠高的前提下,可以忽略體相與界面之間分子擴散,并發(fā)現(xiàn)表面活性分子界面行為的改變可能會對界面膜擴張流變學性質產(chǎn)生影響,進而導致體系的界面擴張粘彈特性、吸附等溫線的變化趨勢不同于過往經(jīng)典理論[18]。Fainerman等從熱力學、表面壓等溫線和擴張流變三個方面綜述了近年來適用于闡明蛋白質與離子/非離子型表面活性劑之間靜電/疏水相互作用機制的方法,認為現(xiàn)有描述蛋白質及其與表面活性劑混合物界面行為的吸附平衡模型已經(jīng)達到了相當高的水平,這些模型同樣適用于分析吸附層在高頻率下不易表征的擴張粘彈特性,進而用于說明各組分間的相互作用性質[19]。隨著二維壓縮參數(shù)等新理論的不斷提出,界面擴張流變學性質的理論體系還在進一步得到深入和完善。

2 界面擴張流變學性質的測量方法

2.1 懸滴法

隨著德國Dataphysics等公司研發(fā)的界面粘彈測量儀的普及,懸滴(振蕩)法已經(jīng)成為表征界面擴張流變學性質的最主要方法之一。圖1顯示了該方法的原理及設備組成情況,在對傳統(tǒng)的接觸角測量儀進行改進后,以壓電傳感器為基礎,采用氣源(頻率范圍0～50 Hz)或機械(頻率范圍0～2 Hz)式振蕩發(fā)生器,使待測溶液的液滴在一定頻率及振幅下形成振蕩,在液滴體積或面積發(fā)生周期性變化的條件下,通過高速攝像機直接觀察、記錄并對其外形進行分析,測量液滴表面張力的周期性變化,進而得到總模量、彈性模量、粘性模量、相角等數(shù)據(jù),以此研究界面擴張流變學性質[20-21]。Drusch等在研究乳蛋白及其水解產(chǎn)物的噴霧干燥過程中,發(fā)現(xiàn)氣-水界面會出現(xiàn)的表面堆積作用,隨即采用懸滴法對界面活性蛋白在液滴中的擴張流變學性質進行了分析,并同時測量了該體系下的動態(tài)界面張力;作者認為這是一種適合于快速分析食品加工中基質變化的方法,結果表明乳蛋白在水解后表現(xiàn)出更強的表面活性[21]。Song等采用懸滴法比較了吐溫60和80這兩種典型非離子型表面活性劑在吸附膜上界面張力和擴張性質的異同,并闡述了擴張頻率、體積濃度以及溫度對界面性能的影響[22]。結果表明與吐溫60相比,吐溫80具有更高的擴張模量和更小的相角;還發(fā)現(xiàn)低溫會降低表面活性劑不飽和疏水基的靈活性,并減少飽和疏水基之間相互作用帶來的影響。Li等在研究草甘膦異丙胺鹽同其聚合物相互作用的過程中,采用懸滴法分析了氣-水界面下的表面特性,發(fā)現(xiàn)隨著聚合物濃度的增加,擴張模量、彈性模量、粘性模量會達到一個最大值,并在這期間伴隨著相角的持續(xù)增大,作者將這一現(xiàn)象歸因于溶液和界面之間的分散-交換過程[23]。

圖1 懸滴法分析界面擴張流變學性質的原理圖[21]Fig.1 Analysis principle of interfacial dilational rheology properties through pendant drop method[21]注:1.數(shù)據(jù)處理,2.高速攝像機,3.溫度控制系統(tǒng), 4.注射器,5.定量進樣單元,6.光源。

2.2 Langmuir槽法

作為測量界面粘彈特性的另一種經(jīng)典方法,轉矩流變儀多采用Langmuir槽法,以頻率為0.001～1 Hz范圍內進行正弦運動的方式,通過水平滑障發(fā)生周期性界面壓縮或擴張作用,經(jīng)由應力測量裝置檢測界面張力及擴張流變學變化[24]。同懸滴法相比,該方法適用頻率范圍相對較窄,同時不能檢測界面張力及擴張流變學性質的動態(tài)變化,故使用及分析范圍受到一定限制,但由于其儀器價格相對較低、操作簡便,因此依然被科研工作者廣泛采用。Gong等在研究兩種普蘭尼克嵌段聚醚共聚物(L64和17R4)與十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的相互作用時,采用Langmuir槽法研究了混合溶液擴張模量的變化情況,發(fā)現(xiàn)17R4與CTAB的相互作用較L64更強[25]。Tong等采用Langmuir槽法分析了自組裝聚電解質和表面活性劑復合體系下的界面行為,認為表面壓力與時間變化的依賴關系與納米粒子在界面上發(fā)生不穩(wěn)定的拆卸作用有關,而彈性模量和粘性模量隨頻率發(fā)生的相應變化進一步驗證了納米粒子在界面上的微動態(tài)過程[26]。

圖2 Langmuir槽法分析界面擴張流變學性質的原理圖[12]Fig.2 Analysis principle of interfacial dilational rheology properties through Langmuir trough method[12]注:1.水平運動的滑障,2.界面上的兩性分子,3.應力的測量裝置,4.下相,5.表面或界面,6.Langmuir槽。

3 界面擴張流變學方法在食品組分相互作用研究中的應用

食品的組成成分復雜,既包括碳水化合物、脂肪和蛋白質三大營養(yǎng)素,同時還存在礦物質、維生素以及各種因需加入的食品添加劑,因此在加工、貯藏的各個階段,各組分間時刻發(fā)生著相互作用,這對食品品質控制、風味形成等都起著重要影響,一直以來都是食品科研工作者重點關注的核心問題之一。然而由于食品基質的狀態(tài)不同,目前還沒有統(tǒng)一的標準方法來判明食品組分的相互作用情況,往往圍繞組分的類別開展研究,如蛋白質-表面活性劑相互作用、蛋白質-多糖相互作用等;并適當考慮不同加工或貯藏條件,如pH、溫度等對相互作用帶來的影響,借助紫外、熒光、紅外光譜、圓二色譜、核磁共振等儀器分析作用位點和方式,通過計算機分子模擬對結合力、結合常數(shù)等進行研究。界面擴張流變學方法在研究食品組分的相互作用中具有天然優(yōu)勢,即能夠通過粘彈模量、界面張力等數(shù)據(jù)的趨勢,直觀地反映出食品組分間由于相互作用而帶來的界面行為和吸附性質改變,進而根據(jù)理論模型進行有效分析,判斷相互作用機制,操作簡便,重現(xiàn)性良好。

3.1 蛋白質-表面活性劑相互作用體系

蛋白質是最早納入界面擴張流變學性質領域研究的食品組分,通過其在界面吸附層上的行為變化來研究溶液中的分散作用。蛋白質和常用小分子表面活性劑都能通過吸附作用降低界面張力,但二者之間在吸附時間和成膜性質上又存在一定的區(qū)別,小分子表面活性劑能夠迅速地達到平衡狀態(tài),蛋白質則往往需要經(jīng)過數(shù)小時來完成這一過程,所以在實際應用中無法對泡沫或乳液的形成起到?jīng)Q定性作用;另一方面,蛋白質對界面起到穩(wěn)定作用的首要前提是處于相對較高的濃度水平,因此兩類組分在混合后實現(xiàn)互補,進而影響各界面的吸附性質,在食品加工的不同階段維持泡沫或乳液的穩(wěn)定性[27-28]。

蛋白質與小分子表面活性劑一經(jīng)混合,會基于自身的化學結構特點發(fā)生相互作用,進而在某些條件下發(fā)生協(xié)同或拮抗效應[19]。相互作用的類型分為氫鍵、疏水相互作用等弱相互作用以及強靜電相互作用,在同小分子表面活性劑相互作用后,蛋白質的分子構象會發(fā)生改變,同時使前者的聚集行為發(fā)生變化[29];由于二者在不同界面上的活性存在顯著差異,導致發(fā)生絡合作用后,形成具有不同吸附性質的復合物,并對泡沫或乳液的形成產(chǎn)生影響[19]。隨著小分子表面活性劑在界面通過競爭性吸附作用逐步取代蛋白質,當小分子表面活性劑的濃度達到一定程度以后,蛋白質對于界面性質的影響會出現(xiàn)顯著下降[10],不利于發(fā)揮蛋白質對泡沫或乳液的穩(wěn)定作用。因此,只有在充分認識小分子表面活性劑同蛋白質的相互作用機制這一前提下,對復合體系中二者的組成比例進行優(yōu)化,才能夠形成穩(wěn)定的界面和分散介質。

天然糖苷類化合物普遍具有一定的表面活性,因此其與食品中蛋白質的相互作用引發(fā)了多位學者的關注。Wan等在研究大豆球蛋白與甜菊糖苷的相互作用時,采用懸滴法連續(xù)考察了氣-水界面和油-水界面下兩種組分在吸附層上的界面行為,通過界面張力和彈性模量的變化趨勢觀察到了二者弱相互作用;擴張流變學結果顯示盡管大豆球蛋白主導了界面性質,但甜菊糖苷的加入明顯起到了穩(wěn)定乳液的協(xié)同作用[10,30]。B?ttcher將界面擴張流變學方法應用于研究皂樹皂苷與β-乳球蛋白在氣-水界面下的相互作用,發(fā)現(xiàn)雖然β-乳球蛋白會降低界面的粘彈特性,但是皂苷-蛋白復合體系依然能夠形成足以維持泡沫穩(wěn)定性的界面膜,同時結合熒光猝滅作用對二者的結合位點進行了分析[31]。此外,采用界面擴張流變學方法分析蛋白質同十二烷基磺酸鈉、吐溫20等常用于食品、化妝品中的人工合成表面活性劑的相互作用均有較多報道[32-33],顯示該方法具有較強的可行性,逐漸得到越來越多研究學者的認可。

3.2 蛋白質-多糖相互作用體系

多糖同樣是食品基質當中經(jīng)常存在的一類大分子化合物,近年來許多學者發(fā)現(xiàn)其具有調節(jié)免疫力、抗腫瘤等多種活性,并兼具調節(jié)食品乳液體系穩(wěn)定性的作用,往往在食品中配合蛋白質或其他表面活性成分一同添加,已經(jīng)成為天然產(chǎn)物和食品添加劑領域研究的熱點。多糖能夠明顯增加水相的粘度,減緩體系的失穩(wěn)過程[34],但由于其單糖組成多樣、空間結構復雜,因此研究其與各組分的相互作用存在一定困難。當多糖與蛋白質復合于乳液中以后,穩(wěn)定體系的形成主要取決于蛋白質的結構、表面電離情況,并與多糖的濃度密切相關[35]。

Bouyer等將β-乳球蛋白和阿拉伯膠復配用于制備穩(wěn)定劑,比較了單獨添加蛋白或多糖以及將二者復配時彈性模量和粘性模量變化趨勢的區(qū)別,認為復配后的體系明顯降低了環(huán)境因素改變對穩(wěn)定性的影響,界面擴張流變學性質很好的表明了多糖和蛋白質在穩(wěn)定界面性質過程中的作用機制[36]。Tamm等也采用擴張流變學方法,分析了乳清蛋白與不同水解程度果膠多糖在油-水界面上的相互作用[37]。此外,基于動態(tài)表面張力及界面擴張粘彈特性表征酪蛋白酸鈉分別與黃原膠、羧甲基纖維素鈉相互作用的研究亦有報道[38-39]。由于多糖與蛋白質同屬于食品大分子范疇,存在多種三、四級結構變化,對相互作用的分析不能僅從基團鍵合的角度考慮,更需要明確孔穴對接等空間構型上的結合作用,因此互作研究過程遠比小分子表面活性劑-蛋白質體系復雜。相對于傳統(tǒng)流變學方法,界面擴張流變可以直觀地表征多糖和蛋白質在界面吸附層上的動態(tài)變化過程,為深入分析相互作用方式提供了界面性質基礎。

3.3 其他食品組分相互作用體系

食品組分多樣、基質組成復雜,隨著科研人員對分析模型的進一步優(yōu)化和完善,界面擴張流變學方法適用研究的相互作用組分類型也得到了拓展。

Garofalakis等研究了4種酸化蔗糖的起泡性和擴張流變學性質,發(fā)現(xiàn)在添加β-乳球蛋白后可以幫助泡沫的形成,并且即使在較低的濃度下也會對膜的膨脹特性產(chǎn)生影響[40]。在β-酪蛋白與β-乳球蛋白混合吸附的界面上,Seta等發(fā)現(xiàn)兩種蛋白質均存在粘彈模量與振蕩頻率相關聯(lián)的變化趨勢,酪蛋白對體系界面吸附行為的干預作用要強于乳球蛋白,這可能與前者能夠更快地形成網(wǎng)絡結構,進而影響界面流變性質有關[41]。Wojciechowski等采用Langmuir槽法研究了磷脂、膽固醇在三萜皂苷存在條件下發(fā)生絡合作用后,形成復合體系下的界面性質[42],其中α-常春藤皂苷在研究涉及到的皂苷-磷脂復合物形成過程中具有最強的關聯(lián)作用。Rossetti等將界面擴張流變學性質的研究對象拓展到茶多酚與唾液蛋白的相互作用中,結果顯示互作強度與酚類化合物的化學結構復雜性,尤其是酚環(huán)的數(shù)量有關,為揭示食品在口腔中苦澀、收斂風味的形成機制提供了重要參考,但同時也發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)模型并不完全適用于多酚-蛋白質復合體系的分析[43]。此外,近年來還涌現(xiàn)出了界面擴張流變學方法分析疏水蛋白與單寧酸、疏水蛋白與β-酪蛋白、類固醇與三萜皂苷等多種食品組分間相互作用的研究[44-46],顯示了該方法在食品領域中應用的良好前景。

4 存在問題

盡管近年來基于界面擴張流變學方法分析食品組分的相互作用的研究得到了越來越多學者的關注,發(fā)展勢頭較快,但目前而言該技術還存在一定的問題:

在技術層面上,受制于該分析方法的原理,必須提供一個可供食品組分發(fā)生吸附或擴散作用的界面層,即存在互不相容的兩相界面,在這個前提下目前主要圍繞氣-水或油-水界面進行分析。但食品基質的復雜性決定了并不是每種組分都會在這兩個界面上表現(xiàn)出吸附行為,溶解度、絡合性質的差異很大,因此該方法并不完全適用于分析所有的組分,現(xiàn)有研究主要還是圍繞界面活性較強,具有兩性分子結構的蛋白質、表面活性劑等化合物開展,有一定的局限性。

在理論層面上,該方法在分析相互作用的過程中,主要針對粘彈模量、界面張力的變化,通過建立或套用相關分析模型,輔助光譜、色譜或核磁共振方法探討作用位點,最終明晰組分間的相互作用關系。但由于模型不具備通用性,往往不同類型化合物之間的作用模型需要重新進行設計,因此在開展某些模型較少的組分互作研究時需要進行較大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析,對研究人員的理論功底和分析能力有較高要求。此外,部分經(jīng)典模型已經(jīng)難以適應近年來一些新資源食品組分的分析,亟需進一步優(yōu)化和重建。

在應用層面上,該方法所涉及儀器中,以懸滴法為原理的界面粘彈測量儀價格普遍較貴;而采用Langmuir槽法的儀器盡管價格相對較低,但由于在動態(tài)數(shù)據(jù)的收集上存在欠缺,使用范圍受到一定程度的限制。隨著國產(chǎn)廠商逐漸認識到該方法的優(yōu)勢以及國內外研究人員需求的不斷增加,更多的儀器生產(chǎn)企業(yè)將精力投入到同類設備的國產(chǎn)化中,界面擴張流變學方法的普及程度還會得到提高。

5 結論與展望

同其他研究食品組分相互作用的方法相比,界面擴張流變學方法具有變化趨勢直觀、不同化合物間差異明顯、能夠直接與食品的加工特性建立聯(lián)系等優(yōu)點,適合于研究較為復雜的基質體系,在食品加工和分析領域具有不可比擬的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。但該技術也受目標組分的化合物類型制約,存在理論模型不夠完善、儀器設備較貴等問題,需要相關科研工作者和儀器生產(chǎn)企業(yè)進一步解決。因此,不斷拓展和豐富適用研究的化合物范圍,優(yōu)化和改良現(xiàn)有的理論數(shù)據(jù)模型,統(tǒng)合更多檢測結果進行深層次分析,進而建立分類對應的食品組分相互作用模型數(shù)據(jù)庫,是該技術今后發(fā)展的一個重要方向?？傊?應用界面擴張流變學性質對食品組分相互作用進行分析這一方法還處于起步階段,仍需不斷完善與改進,但該技術所展現(xiàn)的特色優(yōu)勢,為食品加工性能的研究提供了新的思路。

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Research progress in interfacial dilational rheology properties in food component interactions

ZHU Li-jie,ZHANG Xin-xin,LIU Xiu-ying,WANG Bo,YANG Li-na,LIU He,HE Yu-tang,MA Tao*

(College of Food Science and Technology,Bohai University,National & Local Joint Engineering Research Center of Storage,Processing and Safety Control Technology for Fresh Agricultural and Aquatic Products,Jinzhou 121013,China)

As a branch of rheology,interfacial dilational rheology properties could reflect the adsorption and dispersion behaviors of different molecules on the interface layer. These properties contribute significantly to the research of interactions between components in the composite system. By comparing the characteristics of viscoelastic properties,relaxation process,interfacial tension and other parameters,theoretical models were established for analyzing different types of components. In recent years,method of interfacial dilational rheology has been considered as an effective way to study the interaction mechanism of food components for its advantage of high sensitivity,simple operation,well stability,and directly reflects the influence of interaction on processing performance. In this review,the theoretical basis and measurement methods of interfacial dilational rheology properties are summed up. Then the research progress in this technology in food component interactions is emphatically introduced. Finally,the existing problems and the future development direction are analyzed.

interfacial dilational rheology;food component interactions;pendant drop method;Langmuir trough

2016-10-28

朱力杰(1986-)，男，博士，講師，研究方向：農產(chǎn)品深加工與功能性食品添加劑，E-mail:lijiezhu325@126.com。

*通訊作者:馬濤(1962-)，男，博士，教授，研究方向：糧油與植物蛋白工程，E-mail:matao-09@163.com。

國家自然科學基金項目(31601510);遼寧省農業(yè)領域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃(2015001)。

TS201.7

A

1002-0306(2017)11-0363-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.062