基于蛋白質(zhì)、多糖混合體系的食品凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

李安琪，尚 靜，李前進(jìn)，郭 綽，楊 曦，郭玉蓉,*

（1.陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119；2.洛川縣蘋果產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心，陜西 延安 727400）

凝膠是指空間三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和束縛在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的水分子共同夠成的一大類軟物質(zhì)體系[1]。很多食品以凝膠的形式存在，例如果凍、果醬等，簡稱為凝膠食品或食品凝膠。凝膠食品口感獨(dú)特、熱量較低、易于吞咽，適合開發(fā)成為針對老年人等特殊人群的功能食品。多糖和蛋白質(zhì)是食品中廣為存在的天然高分子，是食品中主要的結(jié)構(gòu)性功能物質(zhì)。例如多糖具有顯著的增稠、膠凝、乳化、分散等特性，在食品領(lǐng)域作為質(zhì)構(gòu)改良劑已得到廣泛應(yīng)用[2-7]。與多糖相比，蛋白質(zhì)的增稠和膠凝能力相對不足，凝膠時通常需要更高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。然而，蛋白質(zhì)具有優(yōu)良的界面活性，在食品加工中可作為乳化劑、泡沫穩(wěn)定劑，賦予食品體系更加獨(dú)特的質(zhì)構(gòu)特點(diǎn)[8-12]。

雖然多糖和蛋白質(zhì)種類繁多、結(jié)構(gòu)各異、理化性質(zhì)差別也較大，然而單一體系往往流變學(xué)特性也較為單一，實(shí)際應(yīng)用中難以滿足凝膠食品結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。近年來，將兩種或兩種以上的多糖或蛋白質(zhì)結(jié)合使用已成為食品凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)方向[3-4,13-20]。其中，雙相混合聚合物體系是最基本、最簡單的混合聚合物體系。然而，即使雙相聚合物體系僅包括兩種聚合物，也能產(chǎn)生復(fù)雜的流變學(xué)性質(zhì)和凝膠結(jié)構(gòu)[21-22]。簡而言之，當(dāng)兩種聚合物存在足夠強(qiáng)的分子間引力時，可能會形成沉淀或者發(fā)生凝膠化，這取決于兩種聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分子間聚集速率。若兩種聚合物不存在明顯的分子間吸引作用，在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，兩種聚合物以均一相的形式存在，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高時，聚合物分子彼此排斥，導(dǎo)致相分離[23]。顯然，雙相混合聚合物的存在狀態(tài)是影響凝膠結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素。

目前，有關(guān)混合聚合物體系在凝膠食品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的報(bào)道日益增多，且大多集中在基于雙相聚合物體系的凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，有關(guān)多元混合聚合物體系的研究十分匱乏。盡管如此，雙相混合體系也包括多糖混合體系、蛋白質(zhì)混合體系以及多糖和蛋白質(zhì)混合體系3 種情況。與前兩種混合體系相比，多糖和蛋白質(zhì)混合體系在食品凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更具前景。例如通過引入蛋白質(zhì)和多糖的混合體系可構(gòu)建多尺度、多梯度層次的復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)[24-29]。此外，由于蛋白質(zhì)本質(zhì)上是天然兩親性大分子，因此引入蛋白質(zhì)后，可進(jìn)一步構(gòu)建包含親脂性成分的食品凝膠結(jié)構(gòu)[30]。本文通過綜述多糖和蛋白質(zhì)雙相混合體系在凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的基本理論、總結(jié)二者在凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本原則，旨在為凝膠食品質(zhì)構(gòu)調(diào)控和新型凝膠食品開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考，同時也為促進(jìn)多糖和蛋白質(zhì)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供新思路。

1 多糖和蛋白質(zhì)混合體系的相行為

當(dāng)溶質(zhì)溶于水中時會產(chǎn)生混合焓，一般而言，混合焓越高越易形成單相體系。通常，混合焓和溶液中溶質(zhì)分子的數(shù)目密切相關(guān)，與溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)無關(guān)。因此，與多糖或蛋白質(zhì)這類大分子物質(zhì)相比，小分子溶質(zhì)具有很高的混合焓，有利于形成單一相溶液。當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)混合時，若分子間存在較強(qiáng)的吸引力，例如多糖和蛋白質(zhì)攜帶相反電荷時，兩種聚合物傾向于形成單一相的凝膠結(jié)構(gòu)或沉淀。若多糖和蛋白質(zhì)不存在分子間吸引力時，兩種聚合物分子傾向于互相排斥，這種現(xiàn)象稱為聚合物的熱力學(xué)不兼容性[31]。對于熱力學(xué)不兼容的混合多糖和蛋白質(zhì)體系，當(dāng)總聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，多糖和蛋白質(zhì)分子彼此間距較大、排斥力較低，因此分子排斥效應(yīng)不明顯，容易形成均一相溶液；當(dāng)總聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，多糖分子間的間距減小，分子間斥力增大，導(dǎo)致多糖和蛋白質(zhì)分離為兩相，每一相中富含一種聚合物，形成“水包水”型乳液。此時，溶液體系中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的一種聚合物作為連續(xù)相，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的一種聚合物作為分散相。當(dāng)繼續(xù)增加聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，多糖相和蛋白質(zhì)相逐漸分離，最終形成層次分明的兩層體系，上層富集一種聚合物，下層富集另一種聚合物，這種現(xiàn)象稱為相分離，是不兼容混合聚合物體系中的典型情況[32]。

1.1 多糖和蛋白質(zhì)分子間引力及影響因素

1.1.1 多糖和蛋白質(zhì)靜電引力

對于多糖和蛋白質(zhì)，分子間引力主要包括靜電引力、氫鍵、疏水相互作用等[23]。其中，靜電引力是最主要的分子間引力形式[33]。當(dāng)陰離子多糖和處在等電點(diǎn)以下的蛋白質(zhì)混合時，即構(gòu)成典型的聚陰離子-聚陽離子體系，此時分子間靜電引力顯著存在，導(dǎo)致多糖和蛋白質(zhì)互相聚集。在靜電引力的作用下，多糖和蛋白質(zhì)發(fā)生電性中和，形成靜電聚集體。因此，靜電聚集體的形成是多糖和蛋白質(zhì)電荷中和的結(jié)果[23]。若蛋白質(zhì)和多糖電性中和不完全，聚集體仍然攜帶一定數(shù)目的電荷，此時聚集體仍然是可溶的，混合體系以均一相形式存在；若蛋白質(zhì)和多糖電性中和程度較高，即靜電聚集體本身攜帶的電荷密度很低，則其傾向于進(jìn)一步聚集形成團(tuán)聚物，此時混合體系形成分離的兩相，一相富集團(tuán)聚物，另一相富集溶劑分子（水），出現(xiàn)相分離。不難看出，聚集體形成和團(tuán)聚是兩個分離的步驟，聚集體形成不必然導(dǎo)致團(tuán)聚。

從熱力學(xué)角度而言，多糖和蛋白質(zhì)聚集體或團(tuán)聚物是否形成主要受熱動力學(xué)驅(qū)使，本質(zhì)上取決于混合體系中總吉布斯自由能變（ΔG）[34]。當(dāng)體系中總吉布斯自由能變降低時（即ΔG＜0），多糖和蛋白質(zhì)聚集體可自發(fā)形成，反之，聚集體不能自發(fā)形成。一般地，ΔG主要由兩部分組成，包括熵變（ΔS）和熱焓變（ΔH），其中ΔG＝ΔH－TΔS（T為體系溫度）。因此，ΔG是否大于0或小于0取決于ΔS和ΔH兩者間的平衡。簡而言之，體系熵增大（ΔS＞0）或焓減小（ΔH＜0，即放熱反應(yīng)）均有利于多糖和蛋白質(zhì)混合體系形成聚集體或團(tuán)聚物。研究表明，多糖和蛋白質(zhì)混合體系中，熵增（ΔS＞0）主要來自于聚合物對陽離子的釋放以及由于聚合物分子構(gòu)象變化而導(dǎo)致的溶劑分子釋放[34]；ΔH則主要反映混合體系中總的熱量變化，包括多糖和蛋白質(zhì)混合過程中產(chǎn)生的混合熱、由于聚合物稀釋效應(yīng)產(chǎn)生的熱、溶劑分子重排產(chǎn)生的熱、聚集體界面由于非共價(jià)鍵作用產(chǎn)生的結(jié)合熱等。此外，需要注意的是，熵變和焓變的過程并非是獨(dú)立的，兩者常相互影響。例如，由于熵是評估體系混亂程度的度量（體系混亂程度越高，熵越大），因此當(dāng)焓變有利于多糖和蛋白質(zhì)形成聚集體時（ΔH＞0），體系趨于規(guī)整、有序，此時體系的熵趨于降低。雖然影響和決定多糖和蛋白質(zhì)混合體系是否發(fā)生分子聚集或團(tuán)聚的因素眾多，但當(dāng)前較為普遍的觀點(diǎn)是，多糖和蛋白質(zhì)聚集體或團(tuán)聚物形成主要取決于ΔS，其中多糖和蛋白質(zhì)靜電相互作用是影響聚集體形成的主要因素[23,35]。

因此，混合體系中多糖和蛋白質(zhì)的電荷密度和電荷中性程度是決定兩者以均一相存在還是出現(xiàn)相分離的關(guān)鍵因素[35]。由于不同類型的多糖和蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)各異，所以它們的電荷特性也不同。此外，外界環(huán)境因素也會導(dǎo)致混合體系中多糖和蛋白質(zhì)電荷密度發(fā)生變化，最終改變兩種聚合物的靜電作用強(qiáng)度。理論上，所有能夠引起多糖和蛋白質(zhì)電荷特性發(fā)生變化的因素均能影響多糖和蛋白質(zhì)的電荷中和過程及團(tuán)聚現(xiàn)象，這些因素包括pH值、鹽離子類型和質(zhì)量分?jǐn)?shù)、聚合物混合比例、總聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、機(jī)械剪切等。此外，多糖和蛋白質(zhì)自身的電荷密度和分子質(zhì)量也對團(tuán)聚現(xiàn)象有一定影響。

1.1.2 靜電引力影響因素

通常，pH值能夠改變陰離子多糖一元弱酸基團(tuán)的解離程度，進(jìn)而引起多糖電荷密度變化。同理，蛋白質(zhì)作為兩性電荷大分子，pH值變化也能改變蛋白質(zhì)的電荷特性及電荷密度。因此，當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)混合體系的pH值發(fā)生變化時，兩者間靜電作用力也會發(fā)生變化。當(dāng)緩慢降低多糖和蛋白質(zhì)混合體系的pH值時，可得到兩個關(guān)鍵的pH值參數(shù)，即pHc和pH?[23]。pHc代表體系中形成第一個多糖和蛋白質(zhì)聚集體形成時所對應(yīng)的pH值，pH?代表體系發(fā)生宏觀相分離時（團(tuán)聚）所對應(yīng)的pH值。測定pHc和pH?的重要意義在于預(yù)測多糖和蛋白質(zhì)混合體系中聚集體或團(tuán)聚物的形成情況。例如，當(dāng)體系pH值分別對應(yīng)pHc以上、pH?以下、pHc和pH?之間時，體系中靜電聚集體的形成顯然不同。此外，對于每一個陰離子多糖和蛋白質(zhì)雙相混合體系，總是存在一個pH值，在此條件下多糖和蛋白質(zhì)所攜帶電荷數(shù)目相等但屬性相反，因此靜電引力最強(qiáng)，靜電聚集體形成程度也最高，該pH值定義為電荷等效pH值（electrical equivalence pH，EEP）[36]。通常，對于多糖和蛋白質(zhì)的混合體系，有pH?＜EEP＜pHc。

鹽離子對多糖和蛋白質(zhì)靜電作用的影響主要在于兩方面。其一，鹽離子能夠屏蔽多糖攜帶的負(fù)電荷，降低多糖電荷密度，從而減弱多糖和蛋白質(zhì)之間的靜電引力。其二，當(dāng)鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高時，聚合物釋放鹽離子的特性被削弱，不利于體系熵增加，因此也抑制了多糖和蛋白質(zhì)靜電聚集體的形成。再者，當(dāng)混合多糖和蛋白質(zhì)體系中鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高時，溶劑介電常數(shù)發(fā)生改變，同樣也不利于產(chǎn)生靜電相互作用。與一價(jià)陽離子相比，由于二價(jià)陽離子具有更高的電荷，因此在更低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下就能抑制靜電聚集體的形成。然而，混合體系稀釋后，可一定程度抵消由陽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高引起的靜電作用抑制，這是因?yàn)橄♂尯?，陽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，再次有利于靜電聚集體形成[23]。

此外，多糖和蛋白質(zhì)混合比例及總聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是影響多糖和蛋白質(zhì)靜電聚集作用的重要因素。在特定的pH值和離子環(huán)境中，多糖和蛋白質(zhì)電荷密度幾乎恒定，因此總是存在一個最佳的混合比例，此時多糖和蛋白質(zhì)電荷中性程度最高，靜電聚集體和團(tuán)聚物生成也最顯著[37]。需要注意的是，當(dāng)混合體系總聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，雖然多糖和蛋白質(zhì)靜電聚集體形成數(shù)目增多，但二者靜電聚集作用可能受到輕微抑制，因?yàn)榫酆衔镔|(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，分子相互接觸，流動性降低，形成靜電聚集體的熵優(yōu)勢也隨之減弱，不利于靜電聚集作用發(fā)生。

1.1.3 其他影響因素

除上述影響因素外，溫度、機(jī)械剪切、聚合物分子結(jié)構(gòu)（分子質(zhì)量、關(guān)鍵基團(tuán)）等因素也對多糖和蛋白質(zhì)靜電聚集作用有一定影響。就溫度而言，較低的溫度利于形成氫鍵，較高的溫度利于增強(qiáng)疏水相互作用。根據(jù)上文所述ΔG＝ΔH－TΔS，改變溫度（T）顯然能夠改變ΔG，進(jìn)而影響多糖和蛋白質(zhì)混合體系中靜電聚集體的形成。例如有報(bào)道稱，降低溫度能夠輕微增加多糖和蛋白質(zhì)混合體系的pH?，表明當(dāng)氫鍵作用增強(qiáng)時，需要更少的靜電相互作用即可誘導(dǎo)體系發(fā)生宏觀相分離（團(tuán)聚物形成）[38]。此外，溫度升高時，體系中疏水相互作用加強(qiáng)，當(dāng)疏水作用力足夠強(qiáng)時，可能導(dǎo)致靜電相互作用不能發(fā)生[39]。再者，溫度改變時，多糖和蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象也會發(fā)生變化，從而影響兩者的結(jié)合。如有研究表明，對于牛血清白蛋白和海藻酸鈉的混合體系（pH 6.8、0.1 mol/L NaCl），當(dāng)溫度在35～70 ℃之間時，沒有聚集體形成，但當(dāng)溫度高于70 ℃時，形成了明顯的聚集體[23]。原因可能是溫度升高時，牛血清白蛋白解旋，暴露了更多的疏水基團(tuán)，加強(qiáng)了疏水相互作用，導(dǎo)致聚集體形成。

由于混合多糖和蛋白質(zhì)時常涉及機(jī)械攪動，因此有研究表明，機(jī)械攪動也能影響多糖和蛋白質(zhì)靜電聚集體的形成[23]。由于機(jī)械攪動并不影響蛋白質(zhì)和多糖本身的分子結(jié)構(gòu)，因此施加機(jī)械剪切力時，多糖和蛋白質(zhì)的靜電結(jié)合幾乎不受影響，但團(tuán)聚物形成過程會受到較大影響[39]。通常，機(jī)械攪動速率越大，團(tuán)聚物尺寸越小。但也有研究表明，適當(dāng)?shù)臄噭铀俾誓軌蛟黾訄F(tuán)聚物尺寸，原因可能是，一方面適度的機(jī)械攪動利于多糖和蛋白質(zhì)靜電聚集體團(tuán)聚；另一方面攪動速率不至于過高，因此不會導(dǎo)致團(tuán)聚物碎裂[40]。

此外，多糖、蛋白質(zhì)分子質(zhì)量和所含官能團(tuán)類型也是影響兩者靜電聚集作用的重要因素。一般而言，含有羧基官能團(tuán)的陰離子多糖電荷密度低于含有硫酸基團(tuán)或磷酸基團(tuán)的陰離子多糖。因此，含有硫酸基團(tuán)的多糖能夠和蛋白質(zhì)發(fā)生更緊密的靜電聚集。同等條件下，多糖和蛋白質(zhì)分子質(zhì)量越高，流體力學(xué)體積也越大，更容易彼此接觸發(fā)生靜電聚集。

1.2 分子間排斥與相不兼容

當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)雙相體系中不存在分子間引力時，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下多糖和蛋白質(zhì)以均一相形式存在，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下兩者分離為不連續(xù)的兩相，或形成“水包水”型乳液，或形成分離的兩層，稱為相分離或排斥相分離。相分離是混合聚合物體系中的常見現(xiàn)象，也是構(gòu)建多重凝膠結(jié)構(gòu)的主要理論基礎(chǔ)。通常，多糖和蛋白質(zhì)混合體系發(fā)生相分離的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，主要受多糖和蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)特征和外部環(huán)境因素的影響。盡管影響因素較多，但它們影響相分離臨界濃度的本質(zhì)在于影響多糖和蛋白質(zhì)分子的流體力學(xué)體積[32]。對于特定的多糖和蛋白質(zhì)混合體系，當(dāng)外界因素有利于降低多糖或蛋白質(zhì)的流體力學(xué)體積時，相分離所對應(yīng)的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加，反之，相分離臨界濃度則減小。這是由于流體力學(xué)體積越大，多糖和蛋白質(zhì)分子間距越小，彼此之間的排斥力也越大，越容易誘導(dǎo)相分離。本文以相分離前后多糖和蛋白質(zhì)的混合體系為例，簡單闡述兩者的相行為。

1.2.1 均一相溶液中的分子間排斥

當(dāng)混合體系中總的多糖和蛋白質(zhì)濃度低于相分離臨界濃度時，多糖和蛋白質(zhì)以均一相的形式存在。盡管如此，分子間排斥作用仍然對混合體系的物理性質(zhì)有顯著影響。有些多糖，例如瓊脂糖、結(jié)冷膠等典型的凝膠多糖，能夠以無規(guī)卷曲構(gòu)象和螺旋構(gòu)象兩種狀態(tài)存在，與蛋白質(zhì)混合后，在分子間排斥力的作用下，多糖分子將優(yōu)先以更為緊密的螺旋構(gòu)象形式存在。因此，在這類混合體系中，分子間排斥作用能夠促進(jìn)凝膠多糖從無規(guī)卷曲構(gòu)象向螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)多糖凝膠化[41]。同理，分子間斥力也可能促進(jìn)蛋白質(zhì)的凝膠化。值得一提的是，這種情況下，混合體系僅表現(xiàn)出凝膠強(qiáng)度的輕微增加，幾乎不能形成多重結(jié)構(gòu)的凝膠。

1.2.2 相分離狀態(tài)下的分子間排斥

當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)總濃度高于相分離臨界濃度時，相分離隨即發(fā)生。為了更清楚地闡釋多糖和蛋白質(zhì)相分離的相關(guān)理論，本文引入有關(guān)多糖和蛋白質(zhì)雙相混合體系相分離的機(jī)制示意圖[42]。

如圖1A所示，曲線表示多糖和蛋白質(zhì)混合體系的濁點(diǎn)線，當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于濁點(diǎn)線以下時，混合體系以均一相的形式存在。當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于濁點(diǎn)線以上時，相分離發(fā)生，其中一相富集多糖且蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少（多糖相），另一相富集蛋白質(zhì)且多糖含量較少（蛋白質(zhì)相）。濁點(diǎn)線上的兩個實(shí)心圓圈處分別表示多糖相、蛋白質(zhì)相中多糖和蛋白質(zhì)各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，連接兩個實(shí)心圓圈后獲得一條直線（tie line），當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于直線上任意一點(diǎn)時，均會產(chǎn)生分離的兩相，且這兩相中多糖和蛋白質(zhì)各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別和兩個實(shí)心圓圈所對應(yīng)的多糖和蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)一致。然而，由于位于這條直線上的多糖和蛋白質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，因此相分離后多糖相和蛋白質(zhì)相的相對體積也不同[32]。

圖1 多糖和蛋白質(zhì)雙相混合體系相分離機(jī)制示意圖[42]Fig. 1 Schematic diagram of phase separation of mixed polysaccharide and protein systems[42]

如圖1B所示，如果將蛋白質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)記為φ1，且蛋白質(zhì)相中多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)記為A1，蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)記為C1；同時，將多糖相的體積分?jǐn)?shù)記為φ2，且多糖相中多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)記為A2，蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)記為C2，則混合體系中多糖和蛋白質(zhì)各自的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別如式（1）、（2）所示。

式中：A0和C0分別是混合體系中多糖和蛋白質(zhì)各自的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對于整個混合體系，有φ1＋φ2＝1，因此，式（1）和式（2）可以進(jìn)一步改寫成式（3）、（4）。

則φ1和φ2之比如式（5）所示。

由圖1B可知，當(dāng)混合體系中多糖和蛋白質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于直線上（tie line）不同位置時，它們總質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和是不同的，但產(chǎn)生相分離后，多糖相和蛋白質(zhì)相中多糖和蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不變，即A1、A2和C1、C2不變，只有A0和C0變化。因此，φ1和φ2之比也隨之改變。

1.2.3 相逆轉(zhuǎn)

當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于相分離臨界濃度以上時，混合體系將產(chǎn)生相分離，導(dǎo)致3 種情況：1）形成“水包水”型乳液。此時，混合體系中體積分?jǐn)?shù)較小的一相作為分散相，體積分?jǐn)?shù)較大的一相則作為連續(xù)相。2）當(dāng)連續(xù)相中的聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，“水包水”型乳液破乳，導(dǎo)致混合體系分離為兩層，一層富含多糖，另一層富含蛋白質(zhì)。通常，由于蛋白質(zhì)的流體力學(xué)體積總體上低于多糖，因此，富含蛋白質(zhì)的一相常處在下層，而富含多糖的一相常位于上層。3）當(dāng)連續(xù)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時，可誘導(dǎo)最初的連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?，而開始時的分散相轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相，稱為相逆轉(zhuǎn)[43]。相分離的3 種存在狀態(tài)是調(diào)控多糖和蛋白質(zhì)雙相混合物凝膠結(jié)構(gòu)的重要途徑。

2 雙相凝膠微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控原則

上文簡要概括了多糖和蛋白質(zhì)雙相混合體系相行為的基本概念和理論，本節(jié)將闡述多糖和蛋白質(zhì)混合體系相行為和雙相凝膠微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

2.1 單一相混合體系的凝膠化

當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)以均一相形式存在時，不產(chǎn)生明顯的相分離。這種情況下，混合體系發(fā)生凝膠化的前提是多糖和蛋白質(zhì)至少其中之一具有膠凝能力。該情況又分為兩種類型：1）多糖和蛋白質(zhì)存在分子間引力時，會形成可溶的靜電聚集體，隨后在改變外界環(huán)境因素的作用下誘導(dǎo)靜電聚集體發(fā)生凝膠化，從而產(chǎn)生凝膠[44]；2）多糖和蛋白質(zhì)不存在分子間靜電引力時，在分子排斥效應(yīng)的作用下，凝膠性聚合物的分子構(gòu)象以更緊密的形式存在，因此促進(jìn)了該聚合物的凝膠化。這一情況和1.2.1節(jié)中描述的情況相同。

2.2 相分離狀態(tài)下混合體系的凝膠化

當(dāng)多糖和蛋白質(zhì)混合體系形成“水包水”型乳液后，通過誘導(dǎo)連續(xù)相發(fā)生凝膠化，而分散相不發(fā)生凝膠化，可得到乳液凝膠。其中，分散相以液相的形式存在，作為“乳滴”分散于凝膠化的連續(xù)相中。此時，分散相的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于連續(xù)相的凝膠強(qiáng)度，因此分散相的存在削弱了整個凝膠體系的強(qiáng)度。當(dāng)施加一定剪切應(yīng)力時，分散相更容易發(fā)生形變，因此連續(xù)相和分散相表現(xiàn)出同等的應(yīng)變程度，稱之為“等應(yīng)變”條件[42]。此時，整個體系的模量可由式（6）表示。

式中：G是整個混合體系的模量；G1和G2分別是連續(xù)相和分散相的模量；φ1和φ2分別是連續(xù)相和分散相的體積分?jǐn)?shù)。

相反，通過誘導(dǎo)分散相發(fā)生凝膠化，而連續(xù)相不發(fā)生凝膠化則會產(chǎn)生分散于液體連續(xù)相中的凝膠小珠。此外，還有一種情況是分散相和連續(xù)相均發(fā)生凝膠化，此時若分散相凝膠強(qiáng)度低于連續(xù)相凝膠強(qiáng)度，整個體系仍然表現(xiàn)出“等應(yīng)變”條件下的模量變化規(guī)律。然而，當(dāng)連續(xù)相凝膠強(qiáng)度低于分散相時，分散相的存在能夠加強(qiáng)整個凝膠體系的強(qiáng)度，當(dāng)施加一定應(yīng)力時，分散相表現(xiàn)出比連續(xù)相凝膠更低的形變，此時整個凝膠體系表現(xiàn)出“等應(yīng)力”條件下的特性，即整個體系的柔量（J＝1/G）關(guān)系如式（7）。

對式（7）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到式（8）。

顯然，只需要得到混合體系中分散相和連續(xù)相各自的模量，就可以通過公式（7）、（8）預(yù)測雙相凝膠體系整體的模量。此外，值得一提的是，當(dāng)混合多糖和蛋白質(zhì)體系處在特定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)時，兩者均以連續(xù)相的方式存在，在這種情況下，混合體系的凝膠強(qiáng)度將位于“等應(yīng)變條件”條件和“等應(yīng)力條件”之間，具體是表現(xiàn)出更傾向于“等應(yīng)變條件”還是更傾向于“等應(yīng)力條件”，則取決于兩種聚合物的相對相體積[26,43]。

2.3 其他考慮因素

對于多糖和蛋白質(zhì)混合體系形成雙相凝膠的相關(guān)理論，在實(shí)際構(gòu)建雙相凝膠時仍然會存在一些問題。首先，本文所討論的多糖和蛋白質(zhì)混合體系的相行為是在假設(shè)混合體系所處外界環(huán)境不變的情況下推導(dǎo)得出的。然而，實(shí)際制備凝膠時，外界環(huán)境因素總會發(fā)生變化，可能導(dǎo)致多糖和蛋白質(zhì)分子間作用力變化，進(jìn)而影響混合體系的相行為。例如，當(dāng)添加陽離子誘導(dǎo)多糖或蛋白質(zhì)形成凝膠時，多糖或蛋白質(zhì)發(fā)生凝膠化，促成它們與另一種聚合物的不兼容性，可能導(dǎo)致臨界相分離濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。其次，實(shí)際制備凝膠時，選用的多糖和蛋白質(zhì)可能均具有膠凝能力，因此當(dāng)誘導(dǎo)混合體系形成凝膠時，相分離和凝膠化可能同時發(fā)生。這種情況下，最終的凝膠結(jié)構(gòu)主要取決于凝膠化發(fā)生時混合體系的相行為。最后，當(dāng)兩種聚合物具有不同的凝膠速率且凝膠速率差異較大時，凝膠速率較快的聚合物發(fā)生凝膠化時幾乎不受另一種聚合物的影響，但另一種聚合物凝膠時受第一種聚合物的影響較大。因此，實(shí)際制備凝膠時，常改變兩種聚合物的凝膠化次序以獲得不同的凝膠結(jié)構(gòu)和凝膠特性[45]。

盡管混合凝膠的發(fā)展還處在起步階段，但這樣的凝膠結(jié)構(gòu)在食品領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。例如，當(dāng)不兼容的兩種聚合物形成“水包水”型乳液時，通過誘導(dǎo)連續(xù)相形成凝膠同時使分散相保持溶液狀態(tài)，可以得到充滿囊泡的凝膠體系；在非凝膠化的分散相中添加風(fēng)味物質(zhì)，可以制備得到新型凝膠食品；再者，由于水膠體溶液具有比凝膠更好的風(fēng)味釋放特性，因此當(dāng)制備這種類型的凝膠食品時，可以減少風(fēng)味物質(zhì)和食鹽的添加量，利于減少人體對食鹽的攝入。

3 乳清蛋白和食品多糖雙相混合體系在凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)前，很多類型的多糖和蛋白質(zhì)都在食品工業(yè)中得到應(yīng)用，但就雙相凝膠設(shè)計(jì)而言，僅有一小部分蛋白質(zhì)被報(bào)道，包括乳清蛋白[43,46]、明膠[47-48]、酪蛋白[49-50]、大豆分離蛋白[51-52]、其他植物或動物蛋白[53-55]等。其中，乳清蛋白由于具有優(yōu)良的膠凝能力，因此是研究多糖和蛋白質(zhì)混合凝膠的理想蛋白。乳清蛋白是從牛奶中提取獲得的一種優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源，具有易消化吸收、含有多種活性成分等特點(diǎn)，而且是公認(rèn)的高營養(yǎng)價(jià)值蛋白質(zhì)[56]。乳清蛋白可在加熱、陽離子或酸性誘導(dǎo)的條件下發(fā)生凝膠化，因此是一類具有膠凝能力的食品蛋白質(zhì)。近年來，乳清蛋白已作為一種模型蛋白質(zhì)和各類食品多糖混合，用以構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的雙相凝膠。因此，本文以乳清蛋白和食品多糖的混合體系為例，列舉多糖和蛋白質(zhì)雙相混合體系在設(shè)計(jì)凝膠結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例。表1中整理了有關(guān)乳清蛋白和多糖混合體系在構(gòu)建雙相凝膠結(jié)構(gòu)方面的主要研究，并總結(jié)了不同凝膠構(gòu)建參數(shù)對雙相凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響。

表1 基于乳清蛋白和食品多糖混合體系的雙相凝膠形成條件及凝膠特性Table 1 Fabrication conditions and gel properties of binary gels based on whey protein isolate and food polysaccharides

由表1可知，乳清蛋白分散于水溶液后在高溫下加熱，蛋白質(zhì)發(fā)生解折疊，形成乳清蛋白聚集體溶液，進(jìn)一步和多糖溶液混合后，即可得到雙相混合體系。隨后，可采用兩種策略誘導(dǎo)混合體系發(fā)生凝膠化：1）再次加熱混合體系，誘導(dǎo)乳清蛋白聚集體發(fā)生熱凝膠化，之后冷卻混合體系，獲得雙相凝膠；2）在混合體系中添加酸化劑或陽離子，誘導(dǎo)乳清蛋白聚集體凝膠化。依賴于多糖的物理性質(zhì)和凝膠形成條件，最終獲得的雙相凝膠也表現(xiàn)出各異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和物理特性。需要注意的是，盡管近年來有很多關(guān)于乳清蛋白和多糖混合體系在雙相凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)例，但該混合體系在凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究仍然處在初步階段，需要進(jìn)一步完善。例如，Berg等[43]雖然研究了刺槐豆膠、高甲氧基果膠、結(jié)冷膠和乳清蛋白混合體系的凝膠化作用，并觀察到這3 種多糖對乳清蛋白凝膠結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，但由于該研究中所使用的多糖質(zhì)量濃度較低，不足以發(fā)生多糖凝膠化；因此該研究并未涉及多糖凝膠化對乳清蛋白凝膠結(jié)構(gòu)的影響。此外，有研究表明，乳清蛋白和淀粉的混合體系可產(chǎn)生不同于乳清蛋白和其他多糖混合體系的凝膠結(jié)構(gòu)，原因在于淀粉具有糊化作用，高溫下淀粉顆粒能夠吸水膨脹，從而和乳清蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生物理擠壓[46]。Lavoisier等[46]研究了馬鈴薯淀粉和乳清蛋白混合體系的凝膠化作用，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量濃度的淀粉能削弱混合凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但高質(zhì)量濃度的淀粉顯著增強(qiáng)了凝膠結(jié)構(gòu)，原因可能是高質(zhì)量濃度的淀粉糊化后，自身也形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，和原有的乳清蛋白網(wǎng)絡(luò)互相穿插，增加了整個凝膠網(wǎng)絡(luò)的密度。

4 結(jié) 語

多糖和蛋白質(zhì)的雙相混合體系可表現(xiàn)出各異的相行為，最終影響混合凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。通過制備合適的多糖和蛋白質(zhì)混合體系，并優(yōu)化凝膠形成條件，可獲得物理性質(zhì)更為優(yōu)良、凝膠結(jié)構(gòu)更加獨(dú)特的混合凝膠。此外，多糖和蛋白質(zhì)混合凝膠不僅具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，也具有蛋白質(zhì)的營養(yǎng)功能，對于功能性凝膠食品設(shè)計(jì)意義重大。然而，當(dāng)前有關(guān)多糖和蛋白質(zhì)混合凝膠的研究還處在初步階段，相關(guān)報(bào)道仍然較少。鑒于此，本文重點(diǎn)綜述了多糖和蛋白質(zhì)雙相混合體系的相行為，總結(jié)了雙相凝膠設(shè)計(jì)的基本原則，以期為國內(nèi)凝膠食品的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論參考。