编辑推荐：
本文聚焦牛奶成分构建的水性泡沫，探讨了牛奶蛋白稳定泡沫膜的机制、牛奶脂肪在气 - 水（A-W）界面的吸附及对泡沫稳定性的影响等。研究发现多种因素影响牛奶泡沫特性，为优化牛奶泡沫体系提供理论依据，值得相关领域研究者阅读。
引言
液体泡沫作为胶体系统，依据连续相的差异，主要分为水性泡沫和非水性泡沫（如油泡沫）。多数由牛奶成分构建的食品相关泡沫属于水性泡沫，像全脂牛奶泡沫和鲜奶油。牛奶富含多种表面活性成分，涵盖分子、介观和微观尺度，这使得牛奶的起泡过程成为一个多尺度问题。实际调控牛奶或奶油的起泡行为颇具挑战，因为牛奶成分在气 - 水（A-W）界面的行为复杂，部分关键的界面吸附机制仍有待深入研究。泡沫属于亚稳体系，其能量会趋向于更低的配置，进而导致聚结和排水，破坏泡沫结构，而泡沫稳定性主要由泡沫膜的动力学和力学所决定。尽管已有研究探讨了牛奶脂肪对起泡性能的影响，但从胶体和界面理论角度深入探讨牛奶脂肪球（MFGs）在泡沫稳定性中的作用机制的研究相对较少。本综述聚焦于牛奶成分构建的 “水性泡沫系统”，整合多学科知识，探讨优化泡沫稳定性的合理食品设计方案。
牛奶蛋白稳定的泡沫膜
牛奶中的表面活性成分遵循不同的界面吸附机制，部分尚未完全明晰。例如，在牛奶蛋白模型分散体系中，较高的酪蛋白 / 乳清蛋白（C/WP）比能诱导形成更稳定的泡沫，这一优异的泡沫稳定性归因于吸附的胶束酪蛋白颗粒，但酪蛋白胶束对 A-W 界面的稳定机制尚不明确。研究发现，β- 酪蛋白溶液和胶束酪蛋白分离物（MCI）分散液稳定的 A-W 界面层在膨胀变形时呈现不对称响应，如膨胀软化和压缩硬化行为，且 MCI 分散液稳定的 A-W 界面不遵循 Pickering 机制，可能是因为胶束未吸附在 A-W 界面，而是 MCI 分散液中的可溶性低摩尔质量蛋白优先吸附到 A-W 界面层，使酪蛋白胶束的界面吸附在能量上变得不利。
流体动力学在起泡过程中至关重要。空气和 / 或油滴的破碎动力学由韦伯数（We）决定，We=4?γτ?d ，其中τ 是施加的扰动剪切应力，d 是气泡直径，γ 是由表面活性剂吸附产生的界面张力。不同的起泡方法所引发的流体动力学不仅决定了泡沫气泡的最大尺寸，还显著影响整体的起泡性。例如，不同表面活性剂在快速和慢速起泡方法下的起泡性不同，酪蛋白酸盐的起泡能力也取决于起泡方法（如搅拌、喷雾和鼓泡），这可能是因为不同起泡方法引起的流体流动动力学导致了不同的界面渗透动力学，不过目前流体动力学湍流与牛奶蛋白起泡性能之间的详细关系仍有待进一步研究。
在 β- 酪蛋白和 β- 乳球蛋白的混合分散体系中，β- 酪蛋白是决定油 - 水（O-W）界面流变学特征的关键成分，表明其更易吸附。在 A-W 界面方面，研究显示虽然酪蛋白和乳清蛋白可能共同吸附在界面上，但增加混合物中胶束酪蛋白部分的比例会降低吸附蛋白膜的界面弹性。这些研究结果大多通过悬滴法获得，未考虑流体动力学因素，因此需要进一步研究牛奶蛋白在不同流体动力学条件下的竞争界面吸附行为及其起泡行为。
牛奶脂肪气 - 水吸附与泡沫膜失稳
全脂牛奶和高脂肪含量牛奶制成的泡沫是重要的食品胶体系统。MFGs 可能吸附也可能不吸附在 A-W 界面上，这会对牛奶泡沫产生稳定或失稳的影响，因此了解 MFGs 的吸附机制十分关键。从热力学角度来看，MFGs 在 A-W 界面的吸附能力由进入系数（E）决定，E=γAW+γOW?γOA ，当E>0 时，MFGs 可能吸附在 A-W 界面。在实际情况中，机械剪切可能破坏 MFGs 的完整性，释放出液态脂肪部分并使其扩散到气泡表面，进而导致界面膜变薄和破裂，遵循 “桥接” 和 “扩散” 膜失稳机制。吸附的 MFGs 或液态脂肪部分在 A-W 界面可能变形形成油滴 “透镜” 或最终 “扩散”，这些结构可能引发部分或完全润湿，其热力学平衡可用铺展系数（S）表示：S=γAW?γOW?γOA ，当S≥0 时，油滴会扩散，引发 Marangoni 驱动的流动诱导膜变薄效应。不过在实际中，泡沫层形成、界面吸附和扩散是热力学和动力学过程的综合结果，油滴的表面涂层和表面性质也会影响其与气泡的相互作用，进而影响泡沫的稳定性。
另一方面，液态脂肪的扩散对于高牛奶脂肪含量（如≥10% w/w）的半固体泡沫胶体（如鲜奶油和冰淇淋）的形成和稳定是有益且必要的。在搅打过程初期，泡沫气泡由蛋白质膜包裹，持续的机械剪切会促使液态脂肪扩散，有利于 MFGs 的吸附，形成由部分聚结介导的 MFGs 簇与牛奶蛋白共同包裹气泡的亚稳搅打乳液泡沫结构。当 A-W 表面压力（Πaw ）低于临界表面压力（Πcr ，约 15 mN/m）时，扩散得以发生。此外，蛋白质稳定的 A-W 界面膜具有非线性流变特性，这会影响 MFGs 在 A-W 界面的吸附和扩散，因此研究牛奶蛋白稳定的 A-W 界面膜的大变形膨胀流变性质，有助于优化由牛奶蛋白和 MFGs 构建的乳液泡沫的稳定性和质地，蛋白质膜流变学可通过大振幅振荡膨胀实验结合一般应力分解来量化。
如果 MFGs 未吸附在 A-W 界面上，它们可能会留在泡沫结构中的 Plateau 边界（Pb）通道和薄片层中。这对重力排水有重要影响，MFGs 会向 Pbs 移动，根据 MFGs 的大小，可能会在 Pb 处形成不对称的三相（O-W-A）膜，该膜可能因连续相的排水而破裂。若截留的 MFGs 足够小，有望形成相对稳定的 Pbs 壁，且泡沫膜不会被压缩。此外，截留的表面光滑、疏水性较低的 MFGs 可以增加 Pb 通道内的局部粘度，降低排水速率，从而提高泡沫结构的稳定性。
牛奶脂肪球：消泡剂还是起泡剂？
一般认为，全脂牛奶泡沫的稳定性低于脱脂牛奶泡沫。有研究表明，原料全脂牛奶的起泡性较差，且这一特性取决于起泡方法（空气鼓泡与机械搅拌），机械搅拌使原料全脂牛奶的起泡性比其他牛奶（包括脱脂牛奶和巴氏杀菌均质全脂牛奶）更差，这是因为 MFGs 具有消泡特性，其液态脂肪和脂肪晶体共存，脂肪晶体破坏脆弱的牛奶脂肪球膜（MFGM）后释放出液态脂肪，液态脂肪作为疏水性物质迅速进入或吸附在 A-W 界面，起到消泡剂的作用，这一行为可用 “快速消泡剂的桥接机制” 解释。同时，由于天然 MFGs（nMFG）和均质化 MFGs（hMFGs）在表面覆盖（MFGM 与蛋白质层）和平均液滴大小（大与小）上存在差异，它们作为起泡剂或消泡剂的行为是否不同也值得探讨。
当采用空气 / 蒸汽注入法起泡时，脱脂牛奶、原料全脂牛奶和巴氏杀菌全脂牛奶在起泡性和泡沫稳定性方面没有显著差异，这表明 nMFGs 和 hMFGs 不一定是消泡剂。一种推测是在这些起泡方法下，泡沫气泡的界面层被牛奶蛋白有效稳定，nMFGs 或 hMFGs 无法克服 “进入屏障” 大量吸附到 A-W 膜上，因此不能按照上述 “桥接和扩散” 机制起到消泡作用，由此可推断这些牛奶样品产生的泡沫细胞可能由富含牛奶蛋白的界面层稳定。间接证据显示，无论 nMFGs 的平均大小和表面层性质（nMFG 与 hMFG）如何，原料全脂牛奶和均质化牛奶的表面张力相当。总之，只要能控制或限制 MFGs 在 A-W 界面的吸附，全脂牛奶有望获得优化的起泡性和泡沫稳定性，未来应进一步研究 MFGs 对牛奶基乳液起泡性能的影响。
研究还发现，含有较小 nMFGs（S-nMFGs，平均直径 0.8 μm）的分级牛奶比含有较大天然 MFGs（平均直径 3.7 - 5.5 μm）的牛奶在任何起泡加工方法下都具有更高的起泡性。一种观点认为，较小的 MFGs 扩散性更高，能更快地吸附到 A-W 界面，但根据消泡机制，S-nMFGs 的快速吸附并不一定能导致更好的起泡性。另一种观点认为，含有小 nMFGs（约 0.8 μm）的牛奶富含 MFGM 磷脂（PLs），PLs 是活性表面活性剂，能吸附并诱导形成粘弹性泡沫和乳液界面层。在 MFGs 的分级和浓缩过程中，超速离心可能破坏 MFGM 并使 nMFGs 中的 PLs 减少，因此推测在 S-nMFGs 系统中，PLs 和牛奶蛋白共同吸附在 A-W 界面上，从而提高了起泡能力。PLs 和牛奶蛋白在油 - 水界面的共同吸附现象已得到证实，且在含有 PLs 和蛋白质的系统中，界面稳定受动力学而非热力学平衡的控制。因此，了解流体动力学对 MFGs 和非脂肪牛奶成分在 A-W 界面竞争吸附的影响，有助于设计出具有理想起泡性和稳定性的牛奶泡沫。
研究表明，当蛋白质含量相对于普通脱脂牛奶（如 0.5%，w/w）较低时，牛奶脂肪对起泡性的影响可能会被夸大；而对于 “无脂” 牛奶配方（如脂肪含量≤0.1%，w/w），较高的蛋白质（0.5 - 5%，w/w）和总固体（1.5 - 15%，w/w）含量无论采用蒸汽注入还是机械搅拌的起泡方法，都无法改善或改变牛奶的起泡行为。根据一般的牛奶蛋白 A-W 表面吸附等温线，牛奶蛋白具有高表面活性，αs1- 酪蛋白和 β- 酪蛋白的准平衡表面过剩浓度（Γ，mg/m2）约为 1.5 - 2 mg/m2 ，β- 乳球蛋白约为 1 - 10 mg/m2 ，这表明进一步增加牛奶蛋白的本体浓度可能不会显著改变已被蛋白质覆盖的膜。在低蛋白含量（0.5%，w/w）且含微量脂肪（≤0.1%，w/w）的牛奶系统中，气泡界面膜主要由牛奶蛋白构成，由于达到了临界吸附容量，增加蛋白质含量无法进一步增加泡沫体积和界面面积；而在蛋白质和脂肪含量均较低（0.5%，w/w）的均质化牛奶系统中，被牛奶蛋白覆盖的 hMFGs 和分散的牛奶蛋白都可能吸附到 A-W 界面，有限数量的 hMFGs 可能作为消泡剂，不过不同牛奶蛋白（酪蛋白胶束和乳清蛋白）与 hMFGs 之间的竞争界面吸附动力学仍有待深入研究。
关于 MFGs 对牛奶起泡行为的影响，未来应深入研究在含有不同含量牛奶蛋白和 MFGs 的牛奶系统中，MFGs 在 A-W 界面的吸附命运。例如，已知酪蛋白和乳清蛋白都能吸附到 A-W 界面，且通过调节本体分散液中的酪蛋白 / WPI 比例可改变界面蛋白膜的流变性质，但目前尚不清楚在起泡过程中 MFGs 的存在是否会改变这一现象。基于此前关于动力学驱动的 O-W 界面膜稳定机制的研究，推测如果先由牛奶蛋白分散液形成泡沫体系，再向其中添加 hMFGs 并进行二次起泡，原体系的起泡性可能不会降低，这一假设值得进一步验证，若成立，将为利用 MFGs 作为增稠剂改善液态牛奶泡沫质地提供清洁标签的解决方案。
结论
含有牛奶脂肪的牛奶系统的起泡性和泡沫稳定性，不仅取决于蛋白质和牛奶脂肪的含量与组成，还与 MFGs 相关因素密切相关，如 A-W 吸附和扩散行为、大小、表面涂层材料以及 A-W 界面膜的流变学等。为了获得具有优异膨胀率、稳定性和质地的优化牛奶泡沫体系，建议深入研究如何调控牛奶蛋白稳定的 A-W 界面膜的非线性，以调节 MFGs 在本体连续相和 A-W 界面之间的分配命运。
