蛋白質(zhì)和多糖水性膠體絡(luò)合物溶液存在形式研究

◎ 張 濤

（棗莊職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277800）

不同化合物之間的吸引力可能包括絡(luò)合作用，絡(luò)合的一個重要例子是蛋白質(zhì)和多糖之間的相互作用。蛋白質(zhì)類和多糖類水性膠體物質(zhì)經(jīng)常在食品工業(yè)中共同使用，它們之間相互作用是控制人造食品結(jié)構(gòu)和質(zhì)地關(guān)鍵。

1 二元混合物的分布趨勢

在水溶液中，蛋白質(zhì)和多糖水性膠體所組成的二元混合物可能表現(xiàn)出易混合、熱力學(xué)不相容或絡(luò)合3種不同的分布方式，見圖1。

圖1 蛋白質(zhì)/多糖混合物分布主要趨勢圖

（1）在混溶的情況下，蛋白質(zhì)和多糖水性膠體在該階段共存。

（2）熱力學(xué)不相容和絡(luò)合的情況下，混合物的水溶液將相分離成兩個不同的相。熱力學(xué)不相容性導(dǎo)致混合物的相分離在兩種不同的水相中，一種富含蛋白質(zhì)，另一種富含水性膠體。

（3）絡(luò)合物導(dǎo)致結(jié)合相分離。與相分離情況不同，蛋白質(zhì)和水化膠體在一個相層，另一相主要由溶劑組成。具體的平衡態(tài)取決于混合物吉布斯自由能最小的態(tài)。有利的熵貢獻(xiàn)來自反離子的釋放，而聚合物在結(jié)合時遷移率降低則易產(chǎn)生不利影響。焓的貢獻(xiàn)ΔH可能來自結(jié)合焓。混溶通常發(fā)生在低濃度的情況下。在稀溶液中，兩種不同分子之間的碰撞頻率非常低，因此焓的變化由蛋白質(zhì)和聚電解質(zhì)之間的相互作用誘導(dǎo)可以忽略。混合熵的增加導(dǎo)致吉布斯自由能變化的減少，因此蛋白質(zhì)和多糖可以共存。當(dāng)少量蛋白質(zhì)分子吸附在單個多糖鏈上并根據(jù)總凈電荷形成可溶性復(fù)合物時，也可能發(fā)生混溶。熱力學(xué)不相容導(dǎo)致蛋白質(zhì)-多糖水性膠體排斥[1]。

2 相分離的驅(qū)動力分析

相的分離是由純熵力驅(qū)動的，可以用一種被稱為空缺絮凝的機(jī)制來解釋[2]。蛋白質(zhì)和水膠體的混合物可以看作是膠體/聚合體的混合物，如圖2所示。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)與水膠體的相互作用為凈排斥時，非吸附聚合物將從球形粒子周圍耗盡，稱為耗盡區(qū)。當(dāng)球形粒子足夠接近時，耗盡區(qū)重疊。由于兩個球體之間的距離小于聚合物顆粒的直徑，重疊區(qū)域中的聚合物鏈會被擠出。重疊體積中聚合物的缺乏導(dǎo)致滲透壓力不平衡，從而引起球形粒子之間的有效吸引力，當(dāng)該吸引力足夠強(qiáng)大時，系統(tǒng)將分相分離。

圖2 損耗相互作用的示意圖

3 pH值的影響

蛋白質(zhì)與水性膠體的絡(luò)合主要源于靜電吸引的相互作用，蛋白質(zhì)與水膠體之間靜電相互作用的性質(zhì)和強(qiáng)度取決于水膠體和蛋白的性質(zhì)和電荷密度。

對于聚電解質(zhì)，聚合物鏈分離成聚陰離子和小陽離子，解離程度取決于溶液的pH值。在較高的pH值時，聚合物鏈攜帶負(fù)電荷，隨著溶液pH值的減小，解離逐漸被抑制，在pH值值低于臨界pH值時，由于解離被完全抑制，電荷密度接近于零。

與水膠體不同，正電荷基團(tuán)（-NH3+）和負(fù)電荷基團(tuán)在蛋白質(zhì)分子上共存?？傠姾擅芏热Q于溶液pH值。隨著溶液pH值的減小，負(fù)電荷密度減小，正電荷密度增加。在高pH值時，蛋白質(zhì)攜帶凈負(fù)電荷；在低pH值時，蛋白質(zhì)攜帶凈正電荷；在中間pH值時，總電荷密度接近于零。凈電荷接近零的pH值被稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（IEP）。

因此，當(dāng)飽和pH值高于IEP時，聚電解質(zhì)和蛋白質(zhì)都攜帶凈負(fù)電荷。由此產(chǎn)生的靜電排斥相互作用阻止它們接近。在低于蛋白質(zhì)IEP和高于聚電解質(zhì)IEP的pH范圍內(nèi)，聚電解質(zhì)和蛋白質(zhì)將攜帶相反的電荷，它們之間的靜電相互吸引導(dǎo)致絡(luò)合。當(dāng)pH值進(jìn)一步降低到聚電解質(zhì)低于IEP時，由于完全抑制了聚合物鏈的解離，因此不存在靜電相互作用。

根據(jù)蛋白質(zhì)/多糖的混合物占比和溶液pH值的不同，可以形成兩種不同類型的復(fù)合物。①當(dāng)?shù)鞍?多糖的混合物占比較低或者飽和溶液的pH值較高時，蛋白質(zhì)分子可吸附到多糖鏈上形成可溶性基團(tuán)，但這種復(fù)雜鏈結(jié)構(gòu)仍然攜帶足夠的凈負(fù)電荷，使它們能在溶液中保持穩(wěn)定。②蛋白/多糖的混合物占比較高或者飽和溶液的pH值較低時，多糖攜帶的負(fù)電荷幾乎被吸附蛋白分子攜帶的正電荷中和，使復(fù)合物聚合和相分離，形成液-液或液-固相分離。

如果是弱聚電解質(zhì)，液-液相分離是非?？赡艿?。在兩個不同的水相中，一個相富含一種稱為共烯酸的膠體成分，其他相主要是溶劑。因此，液-液相分離通常被稱為復(fù)協(xié)同化。例如，阿拉伯膠是一種典型的弱聚電解質(zhì)[2]，阿拉伯膠與乳清蛋白、β-乳球蛋白、豌豆蛋白分離物[3-6]等復(fù)合物通常形成復(fù)合物。

如果聚電解質(zhì)是強(qiáng)聚電解質(zhì)，則會形成沉淀物而不是液體共容相[7]。例如，卡拉膠是一種較強(qiáng)的聚電解質(zhì)，由于磺酸鹽基團(tuán)，可以在卡拉膠與一些蛋白質(zhì)，如乳清蛋白和明膠的絡(luò)合反應(yīng)中產(chǎn)生沉淀[8-9]。

4 結(jié)語

蛋白質(zhì)-多糖靜電相互作用的性質(zhì)和強(qiáng)度取決于許多內(nèi)在參數(shù)，如分子量和電荷密度，以及各種外部變量，如pH值、離子強(qiáng)度、蛋白質(zhì)-多糖比和總聚合物濃度[10]。最重要的因素包括蛋白質(zhì)-聚電解質(zhì)的pH值和離子強(qiáng)度。只有在達(dá)到中和時，才能形成不溶性配合物。當(dāng)使溶液pH值降低時，蛋白質(zhì)的正電荷密度會增加，而多糖的負(fù)電荷密度由于其解離作用被部分抑制而降低[8]。