综述：植物蛋白在油水界面的吸附：使用交替亚相张力测量法的映射综述

本文利用交替亚相张力测量法（AST）对植物蛋白在油水界面的吸附进行综述。AST 可整合分析相关数据，展示不同植物蛋白（如豌豆、大豆等）的界面性能，明确影响因素，对比植物与动物蛋白，为食品工业选择合适蛋白提供参考。

　　

引言

随着人们对环境、健康和伦理问题的关注度不断提高，动物产品的消费受到越来越多的质疑。尽管无动物食品的趋势逐渐显现，但食品行业和家庭烹饪仍高度依赖动物源产品作为功能性食品成分。在这种背景下，植物蛋白作为可持续且符合伦理的动物蛋白替代品，正迅速崛起，有望用于乳液和泡沫的界面稳定等领域。然而，由于植物蛋白和动物蛋白在组成、结构和胶体行为方面存在较大差异，导致目前难以预测新型植物蛋白的界面性能、其各个组分的表现以及在不同加工条件下的行为。

在界面稳定方面，蛋白质在油水（o/w）或气水（a/w）界面的吸附能力以及降低界面张力的能力，是评估其用于稳定乳液和泡沫潜力的关键标准。乳液和泡沫是由不混溶流体组成的亚稳多相系统，降低界面张力对提高其稳定性至关重要。蛋白质在流体 - 流体界面的吸附行为受多种因素影响，包括结构稳定性、电荷、溶解度以及油相的疏水性等。基于油相疏水性与蛋白质吸附之间的关系，交替亚相张力测量法（AST）应运而生，它可通过测量或收集不同油亚相的界面张力数据，来比较蛋白质的吸附情况。本文将 AST 作为一种新方法，用于整理植物蛋白在 o/w 界面吸附的文献数据。

用交替亚相张力测量法绘制蛋白质吸附图谱

蛋白质在油水界面的吸附

乳液的特点是油和水具有高界面接触面积，这会产生 o/w 界面张力 γ_ow，进而导致乳液不稳定，如油滴聚结。蛋白质等表面活性物质可从水相本体吸附到 o/w 界面，降低 γ_ow，促进乳液稳定。蛋白质在 o/w 界面的吸附行为和 γ_ow降低程度取决于其结构稳定性、水溶液条件以及油相的疏水性。无规卷曲结构的蛋白质通常吸附最快，能最大程度降低 γ_ow；而结构更紧密的球状蛋白质，其吸附速度和 γ_ow降低程度受结构稳定性限制，因为吸附时结构重排较困难。

水溶液条件会通过改变蛋白质的溶解度和表面电荷影响其吸附。在等电点附近或离子强度增加时，蛋白质的表面活性通常较高，这是因为此时其水溶性降低，界面静电排斥减小。但如果净电荷过低，蛋白质可能会从溶液中沉淀出来，失去表面活性。对于油相，其疏水性（即反极性）决定了蛋白质的吸附动力学和 γ_ow降低程度。蛋白质在疏水性更强的油中吸附更快，γ_ow降低幅度更大，因为疏水界面能为蛋白质吸附提供更高的净能量增益。特别是球状蛋白质，在疏水性油中会因更高的侧向表面应力而发生更多的结构重排，而在极性油中则会更深地浸入油相，且重排有限。基于油疏水性和蛋白质吸附的这种相互关系，AST 可用于绘制文献数据，并预测任何油中蛋白质的 γ_ow降低情况。

交替亚相张力测量法的原理

AST 利用了油疏水性与表面活性物质在相应界面的界面张力降低之间的相关性。蛋白质降低 γ_ow的程度通常通过悬滴法、Wilhelmy 板法或 Du Nouy 环法来测定。使用 AST 时，选择合适的油并处理数据以关联 γ_ow降低和油疏水性，是绘制和预测蛋白质在任何油中界面张力降低情况的关键步骤。

1. 选择油并测量清洁 o/w 界面张力 γ_ow：清洁 o/w 界面的界面张力 γ_ow是衡量油疏水性的良好指标。例如，具有相似 C₈烃骨架结构但头基极性不同的油，其 γ_ow值不同。正辛烷等 n - 烷烃是疏水性最强的油之一，γ_ow约为 52 mN/m；引入极性头基后，γ_ow会降低，如 1 - 氯辛烷的 γ_ow约为 36 mN/m，辛醇的 γ_ow约为 8.5 mN/m；中链甘油三酯（MCT）油含有 C₈和 C₁₀脂肪酸的甘油三酯，是食品应用中常用的模型甘油三酯，其 γ_ow约为 25 mN/m。测量这些油的 γ_ow，可覆盖较宽的 γ_ow范围，适合用于 AST。在添加蛋白质前，测量清洁 o/w 界面的界面张力，可确保 γ_ow随时间稳定，且水相或油相中无表面活性污染物。
2. 测量蛋白质 o/w 界面张力降低：选择合适的油并确定清洁 o/w 界面的 γ_ow后，即可测定蛋白质吸附时的动态界面张力 γ。蛋白质从水相本体吸附到 o/w 界面会导致 γ 稳步下降。为便于与文献值比较，应选择高于最小单层覆盖浓度的蛋白质浓度，该浓度通常在 1 - 10 mg/L 之间，可通过实验确定，即增加蛋白质浓度直至 γ 不再下降。
3. 确定界面压力：为更好地可视化和比较不同 γ_ow的油中界面张力降低情况，将 γ 表示为净界面张力降低，即界面压力 Π = γ_ow - γ。
4. 通过 γ_ow归一化界面压力：为在更广泛的 γ_ow范围内比较界面张力降低情况，可将 Π 通过油的个体 γ_ow进行归一化，得到归一化界面压力 π? = (γ_ow - γ)/γ_ow。
5. 在 AST 图中绘制数据：最终，将最终表面压力 Π_∞或 π_∞?作为油初始 γ_ow的函数绘制在 AST 图中，以可视化蛋白质界面张力降低与油疏水性之间的相关性。蛋白质和其他表面活性物质的最终界面压力与油疏水性遵循幂律关系，即 Π_∞ ∝ γ_ow^a，其中 a 是拟合参数，对于蛋白质，a 通常在 1.25 - 1.50 之间，具体取决于其结构稳定性。由于这种普遍相关性，可将文献中不同油中蛋白质界面张力降低的数据补充到 AST 图中，实现对文献数据的整体可视化和拟合。

数据收集和纳入标准

研究筛选了报道植物蛋白在油水界面吸附的文献，提取其中不同油亚相的界面张力数据，并将表面压力数据绘制在 AST 图中。为成功提取具有普遍可比性的数据，需满足以下纳入标准：使用蛋白质浓缩物或分离物，且水溶液浓度≥10 mg/L（≥0.001 %（w/v））；明确报告理化边界条件（pH、离子强度、温度）；报告最终表面压力 Π_∞或动态界面张力 γ，或能通过 PlotDigitizer 从图表中明确提取；报告初始油水界面张力 γ_ow，且与文献数据一致，或使用试剂级油，或在使用前对油进行纯化。

通过对文献的筛选和表面压力数据的提取，获得了豌豆、大豆、鹰嘴豆、小扁豆、蚕豆、小麦和微藻蛋白的足够数据用于绘制 AST 图。所有收集的数据作为补充材料，并通过 Zenodo 以可编辑形式提供。

结果与讨论

豌豆（Pisum sativum）

豌豆蛋白是研究最广泛的用于界面稳定的植物蛋白之一，有大量文献报道其在 o/w 界面的吸附情况。多数研究使用常见食用油，如向日葵油、菜籽油、玉米油或 MCT 油等中等界面张力的油，少数研究涉及高 γ_ow的油，如凡士林油。通过绘制归一化界面压力 π_∞?与初始油界面张力 γ_ow的关系图，可将所有可用文献数据整合在 AST 图中。结果显示，豌豆蛋白遵循与其他蛋白质相同的趋势，即在疏水性更强的油中 γ_ow降低幅度更大。此外，通过不同颜色区分，可轻松识别不同豌豆蛋白组分及其个体表面活性，以及测量条件（如 pH）的影响。

• 分级的影响：AST 图显示，豌豆蛋白分离物的各个组分比整个豌豆蛋白分散体更具表面活性。豌豆蛋白分离物主要由 65 - 80 % 的球蛋白（盐溶性）和 10 - 20 % 的白蛋白（水溶性）组成。球蛋白包括 11S 豆球蛋白、7S 伴球蛋白等储存蛋白，7S 伴球蛋白比 11S 豆球蛋白更具表面活性，这是因为其尺寸较小，吸附速度更快。例如，伴球蛋白在 pH 7 时的溶解度较高，结构更灵活，而豆球蛋白结构更刚性、紧凑，表面疏水性更高，导致其展开速度较慢，乳化性能相对较低。但在 pH 7 时，豆球蛋白的乳化能力比伴球蛋白更高，这表明除 γ_ow降低外，其他因素如粘弹性界面层的形成对界面稳定也很重要。

白蛋白是水溶性代谢蛋白，分子量较低（4 - 26 kDa），以单体或二聚体形式存在，含较多含硫氨基酸。在 AST 图中，白蛋白比球蛋白组分更具表面活性，但由于其结构稳定性较低，形成的界面层粘弹性较差。例如，虽然白蛋白扩散速度快，优先吸附到界面，但因其结构不稳定，形成的乳液或泡沫稳定性较差。此外，白蛋白的表面性质还受 pH 影响。

豌豆蛋白分离物的组成可能因供应商或提取技术而异。例如，碱性提取 - 等电点沉淀法可能导致球蛋白不可逆聚集，降低蛋白质溶解度，影响其表面活性；而通过膜过滤、渗滤等替代纯化方法，可获得更全面的植物蛋白组分。

• pH 的影响：豌豆蛋白在不同 pH 值下的 π_∞?差异显著。豌豆球蛋白的平均等电点为 4.5，白蛋白的平均等电点为 6。研究发现，豌豆蛋白在中性或碱性 pH 下比在酸性条件下更具表面活性。例如，在玉米油水界面，豌豆蛋白在 pH 3 时的最终界面张力最高，在 pH 7 和 9 时较低。在 MCT 油水界面，豌豆蛋白球蛋白在 pH 7 时的初始吸附速度更快，但在酸性条件下（pH 2.4），动态界面张力下降较慢，但粘弹性模量显著更高。这可能是因为酸性条件下蛋白质解离，导致吸附和本体蛋白质之间的排斥相互作用，影响了其表面活性。此外，碱性提取条件可能诱导蛋白质 - 酚络合，降低豌豆蛋白表面活性；而在碱性 pH（如 pH 12）下，豌豆蛋白可能缺乏豆球蛋白 AB 亚基，且淀粉膨胀可能干扰蛋白质分离物的纯度。
• 油极性、预处理和离子强度的影响：蛋白质通常在疏水性更强的油中吸附更快、重排更多，在极性油中则倾向于更深地浸入而无重大重排。研究表明，豌豆蛋白在极性辛醇界面形成的粘弹性界面比在疏水性正辛烷界面更弱。

预处理也会影响蛋白质的吸附行为。例如，高压均质处理的豌豆蛋白分离物在不同油极性下的界面粘弹性模量无显著差异，这是因为预处理使蛋白质部分展开，油极性对其展开程度的影响不再明显。而酶水解处理可减小蛋白质尺寸，增强其表面活性；热处理可能导致蛋白质聚集，降低其表面活性。

离子强度对豌豆蛋白吸附也有复杂影响。在 pH 7 时，豌豆球蛋白在 100 mM NaCl 中的初始吸附速度更快，达到的表面压力更高，这可能是因为其较低的溶解度和静电排斥降低了吸附能垒。但蛋白质溶解度与盐浓度之间存在复杂的非线性关系，可能是由于离子条件下蛋白质的可逆展开改变了其构象和溶解度。

总体而言，豌豆蛋白的相关研究数据较为丰富，但多数研究集中在中等 γ_ow的油，对极性和疏水性油的数据有限。分级的豌豆球蛋白比未纯化的豌豆蛋白分离物更具表面活性，豌豆白蛋白似乎是最具表面活性的组分，但关于分级白蛋白的数据有限。此外，豌豆蛋白在中性或碱性 pH 下通常更具表面活性，但有迹象表明其在酸性 pH 下形成的界面层更具粘弹性，乳液更稳定。

大豆（Glycine max）

大豆蛋白是全球广泛种植和利用的食品作物，众多研究对其在 o/w 界面的吸附进行了探讨。AST 图展示了大豆蛋白的 π?与 γ_ow之间的幂律相关性。多数研究使用常见食用油，也有研究涉及高界面张力的烷烃，如十四烷和十二烷。研究覆盖了较宽的 pH 范围，但不同 pH 下的数据点较为分散，难以明确 pH 与大豆蛋白吸附之间的相关性。

• 分级的影响：大豆主要球蛋白组分包括 11S 大豆球蛋白和 7Sβ - 伴球蛋白。研究发现，大豆球蛋白在不同油中的测试数据有限，β - 伴球蛋白数据主要集中在 MCT 油水界面。与豌豆球蛋白、小麦醇溶蛋白相比，大豆球蛋白在凡士林油水界面降低界面张力的能力较弱。在 95 % 向日葵 + 5 % 玉米油水界面，天然大豆球蛋白降低界面张力的能力最强，但吸附速率、表面膨胀模量和界面蛋白质浓度最低，这归因于其刚性构象和展开能量。β - 伴球蛋白在大豆油 - 水界面降低界面张力的能力略强于大豆球蛋白，但动态界面张力测量需要更长时间以进行更明确的比较。在乳液研究中，7Sβ - 伴球蛋白在 pH 2 - 10 范围内的乳化能力优于 11S 大豆球蛋白，这可能与其较小的尺寸和非共价键连接有关，使其能更快扩散到界面。但 β - 伴球蛋白的吸附行为受离子强度、pH 和蛋白质浓度影响较大，导致其行为不一致。
• pH 的影响：多项研究表明，大豆蛋白在中性 pH 下的界面张力降低幅度更大。例如，在菜籽油 - 水界面和十二烷 - 水界面，大豆蛋白在 pH 7 和 9 时的表面压力高于 pH 2 - 5。在 95 % 向日葵 + 5 % 玉米油水界面，pH 7 时的平衡界面张力低于 pH 2.5，但初始吸附速率和膨胀粘弹性模量在 pH 2.5 时更高。大豆球蛋白和 β - 伴球蛋白的等电点分别为 6.4 和 4.8，在不同 pH 下会发生结构变化。例如，大豆球蛋白在 pH 3.8 时会从六聚体解离为三聚体。极端 pH 处理会使大豆球蛋白形成中间的部分展开的 “熔球” 状态，可能增强其乳化性能。
• 离子强度的影响：大豆蛋白对盐浓度变化敏感。例如，大豆蛋白分离物制成的泡沫在离子强度为 0.1 M NaCl 时稳定性提高。大豆球蛋白在离子强度低于 0.01M 时会从 11S 解离为 7S 和 3S，离子强度增加时 7S 可恢复为 11S，但 3S 无法恢复。β - 伴球蛋白在离子强度从 0.5M 变化到 1.0M 时会发生二聚化，从 7S 转变为 9S。在 AST 图中，β - 伴球蛋白在离子浓度从 100 mM 增加到 400 mM 时，π_∞?升高，但粘弹性模量和净 zeta 电位降低，这可能是由于静电屏蔽或盐析效应导致蛋白质聚集。
• 热处理的影响：大豆蛋白热处理后会聚集形成大豆蛋白颗粒，可作为 Pickering 稳定剂。AST 图包含了热处理的大豆蛋白分离物（SPI）数据，结果显示，部分热处理的 SPI 比天然 SPI 和其组分具有更高的 π_∞?。例如，Wen 等人的研究表明，随着 SPI 纳米颗粒浓度从 0.2 %（w/v）增加到 3.0 %（w/v），初始吸附速率和 γ_ow降低幅度增加，但当浓度高于 0.6 % 时，重排速率降低，这是因为界面拥挤。Cui 等人比较了天然 SPI 和热变性 SPI，发现热变性样品在 95 °C 加热 30 分钟后，γ_ow降低幅度更大。但也有研究表明，2 % SPI 纳米颗粒的 π_∞?较低。

鹰嘴豆（Cicer arietinum）

鹰嘴豆是地中海地区广泛种植的豆类，在全球范围内越来越受欢迎。鹰嘴豆蛋白分离物的等电点为 4.3，含有 60 % 的球蛋白和 15 % 的白蛋白。球蛋白包括 11S 豆球蛋白和 7S 伴球蛋白，白蛋白包括鹰嘴豆白蛋白 PA1 和 PA2。鹰嘴豆白蛋白 PA2 与豌豆白蛋白 PA2 的氨基酸序列高度同源，但由于其高半胱氨酸