食品體系中泡沫的穩(wěn)定性及其影響因素研究進(jìn)展

陳玉峰，巫麗君，嚴(yán)紅云，孫 怡，高肖靜，劉書來(lái)，丁玉庭，周緒霞

（浙江工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，浙江省深藍(lán)漁業(yè)資源高效開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家遠(yuǎn)洋水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)分中心（杭州），浙江 杭州 310014）

泡沫是氣體分散在液體或半固體中的分散體系，因其獨(dú)特的性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)領(lǐng)域，如食品、化妝品、清潔、能源礦產(chǎn)、金屬加工、醫(yī)療衛(wèi)生等[1-4]。以界面為主導(dǎo)的食品結(jié)構(gòu)與泡沫密切相關(guān)，如稀奶油、慕斯、冰淇淋、蛋糕、奶昔、啤酒和軟飲料，泡沫的存在賦予這些食品獨(dú)特的口感、質(zhì)地和外觀[5-6]。將發(fā)泡技術(shù)應(yīng)用于界面主導(dǎo)食品還可以降低產(chǎn)品密度與熱能攝入、降低成本、改善流變特性和增加比表面積，同時(shí)泡沫狀態(tài)也是評(píng)價(jià)其品質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)[7]。

食品中的泡沫包括水基泡沫和油基泡沫，并且可以產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很多，例如卵磷脂、酪蛋白、乳清蛋白、溶菌酶等都被視為起泡性質(zhì)優(yōu)良的物質(zhì)。近年來(lái)，從鱈魚、蘑菇和土豆等來(lái)源中制得的卵磷脂和明膠也可作為發(fā)泡劑，代替雞蛋和奶油制備食品級(jí)泡沫[8-10]，同時(shí)越來(lái)越多的研究表明，以多糖與蛋白質(zhì)等材料制備的微納米顆粒同樣具有起泡和穩(wěn)定泡沫的能力[11-12]。然而，食品中的泡沫屬于典型的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在沒(méi)有表面活性劑、食品乳化劑或微納米顆粒的情況下，泡沫高度不穩(wěn)定，為減少氣-液界面表面積，界面較高的自由能自發(fā)降低的趨勢(shì)會(huì)促使發(fā)生排液、聚結(jié)和歧化等現(xiàn)象[13]。同時(shí)，由于食品體系中不同物質(zhì)本身的物化特性、加工助劑、加工處理?xiàng)l件及技術(shù)等也會(huì)影響食品中泡沫的形成與穩(wěn)定，因此，對(duì)于不同食品體系中泡沫穩(wěn)定的影響機(jī)制需要從多角度來(lái)闡釋。

基于此，本文主要介紹食品中泡沫的失穩(wěn)機(jī)制和不同物質(zhì)的泡沫特性，概述不同界面主導(dǎo)食品中泡沫的穩(wěn)定機(jī)制，并重點(diǎn)從氣-液界面分析表面活性劑或加工助劑、界面間固體顆粒對(duì)食品中泡沫穩(wěn)定性的影響，最后基于加工處理?xiàng)l件和技術(shù)對(duì)泡沫界面和分散性的影響進(jìn)行闡述，以期為推動(dòng)泡沫在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 食品中泡沫失穩(wěn)的機(jī)制

泡沫是氣體分散在連續(xù)液體或半固體中高度濃縮的分散體[14]，根據(jù)將能量輸入連續(xù)相產(chǎn)生泡沫的方式，發(fā)泡技術(shù)可分為物理發(fā)泡、化學(xué)發(fā)泡和生物發(fā)泡3 種[8]。泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，易受環(huán)境因素影響而被破壞，并最終導(dǎo)致兩相分離。為進(jìn)一步闡明泡沫的失穩(wěn)機(jī)理，許多研究嘗試建立不同方法進(jìn)行解釋。從微觀到宏觀大致可分為4 類：界面、液膜間、多個(gè)氣泡間和氣泡層（圖1）。

圖1 不同角度研究泡沫失穩(wěn)的方式[15-16]Fig. 1 Ways of studying foam instability from different angles[15-16]

從微觀角度，單個(gè)泡沫的失穩(wěn)受多種因素影響，包括稠度系數(shù)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力、零剪切黏度、損耗模量、復(fù)模量、表面張力等[17-18]。此外，表面活性劑或固體顆粒在泡沫氣-液界面的吸附行為也是影響泡沫失穩(wěn)性的因素[19]。而液膜間泡沫的穩(wěn)定以液膜間作用力和高原邊界吸力等為主，相鄰氣泡間由高原邊界和液體薄膜（液膜）組成，理想的氣泡為正十二面體。如圖2所示，液膜夾在兩個(gè)高原邊界（圖中多個(gè)泡沫包圍形成的三角區(qū)域）中間，液膜壓力P1與氣泡內(nèi)壓力相等（液膜呈平面界面），高原邊界處的壓力P2小于液膜壓力P1，液體會(huì)從液膜向兩側(cè)高原邊界流失，液膜逐漸變薄直至兩氣泡相觸破裂或歧化，這種切向力稱為高原邊界吸力。高原邊界吸力與氣泡的曲率半徑成反比，曲率半徑越小則高原邊界吸力越大，排液速度就越快，同時(shí)因重力發(fā)生的排液也會(huì)通過(guò)液膜和高原邊界向下流動(dòng)，引起泡沫層整體排液[13]。相鄰兩個(gè)氣泡間隔一層液膜，這些作用在液膜間的徑向力同樣也會(huì)影響氣泡的穩(wěn)定性，許多研究用液膜間分離壓力∏描述液膜間單位面積的力，其為DLVO理論的分離壓力（由范德華引力∏van和靜電斥力∏dl組成）和其他分離壓力∏non-DLVO（空間斥力等）之和[20]，表達(dá)式如下式所示。

由上述公式可知，正向的∏值有利于泡沫穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)，∏數(shù)值越大，泡沫越穩(wěn)定?！莢an會(huì)使兩氣泡相互趨近并聚結(jié)，兩氣泡距離越小，∏van絕對(duì)值越大，則不利于穩(wěn)定。但當(dāng)兩氣泡靠近到一定距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生∏dl，阻止氣泡進(jìn)一步趨近，因此分離壓力∏DLVO的大小取決于∏van和∏dl的共同作用。另外其他分離壓力∏non-DLVO，如空間斥力也會(huì)影響∏的數(shù)值，改變泡沫的穩(wěn)定性。

圖2 泡沫微觀圖像[21]及其結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Microscopic image of foam[21] and schematic diagram of its structure

從多個(gè)氣泡間相互作用的角度出發(fā)，將泡沫不穩(wěn)定機(jī)制分為以下3 種類型：排液（液體因重力作用向下流出泡沫）、聚結(jié)（兩氣泡合并成一個(gè)大氣泡）和歧化（小氣泡合并入大氣泡）[22-23]（圖3）。泡沫的排液、歧化和聚結(jié)相互作用：隨著液體從泡沫中排出，液膜變薄并促使氣泡聚結(jié)，而氣泡聚結(jié)將導(dǎo)致進(jìn)一步排液，歧化可以通過(guò)控制氣泡的尺寸影響排液，反之排液導(dǎo)致的液體體積分?jǐn)?shù)變化也會(huì)影響歧化速率[3,24-26]。

圖3 多個(gè)氣泡間泡沫的不穩(wěn)定機(jī)制Fig. 3 Three mechanisms for foam instability

不少學(xué)者也嘗試從宏觀角度來(lái)闡釋泡沫穩(wěn)定的機(jī)制，泡沫柱動(dòng)力學(xué)描述了泡沫整體的瞬間行為，包括泡沫的生長(zhǎng)、排液和坍塌，具體表現(xiàn)為泡沫頂層破裂前后的泡沫體積分?jǐn)?shù)變化，Rafael等[27]建立不同的泡沫柱動(dòng)力模型，嘗試通過(guò)模型預(yù)測(cè)泡沫的生長(zhǎng)速度和最終平衡高度，從宏觀尺度描述泡沫失穩(wěn)機(jī)制，為工業(yè)化控制泡沫提供依據(jù)；而Hartland等[28]推測(cè)，泡沫的最終平衡高度會(huì)隨密度、表面張力和膜厚度的增大而減小，隨液體黏度、氣流速度和氣泡尺寸的增大而增大。不同發(fā)泡方法之間較難比較，因此，不少學(xué)者借用能量密度衡量其對(duì)泡沫容量、直徑和界面面積的影響[16]。能量密度是指輸入系統(tǒng)的能量，單位為J/m3，可以用于描述攪打和噴射過(guò)程中新界面區(qū)域的形成[29]。

2 不同食品體系中的泡沫

2.1 食品中具有泡沫特性的物質(zhì)

食品體系中較為穩(wěn)定的發(fā)泡現(xiàn)象往往是多種物質(zhì)共同參與形成的結(jié)果。食品中具有發(fā)泡特性的一大類物質(zhì)多來(lái)自于蛋白質(zhì)，其中牛乳蛋白（酪蛋白和乳清蛋白）和雞蛋蛋白（卵清蛋白和溶菌酶）以其優(yōu)異的發(fā)泡特性而廣泛應(yīng)用于食品系統(tǒng)[30]。卵清蛋白是一種公認(rèn)的起泡劑，具有良好的起泡性和泡沫穩(wěn)定性，在糕點(diǎn)和甜品中均有應(yīng)用，然而由于泡沫破裂或收縮，通常需要添加多糖（果膠、黃原膠、卡拉膠等）增加連續(xù)相的黏度從而維持其泡沫穩(wěn)定性[31-33]。乳清蛋白具有優(yōu)異的表面活性，因此非常適合泡沫結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定[34]，相較于乳清蛋白，酪蛋白酸鈉穩(wěn)定的泡沫具有更高的體積膨脹率，然而，由于排液和氣泡聚結(jié)的綜合作用酪蛋白酸鈉會(huì)使泡沫體積分?jǐn)?shù)減小[35]。

近年來(lái)，植物蛋白也表現(xiàn)出優(yōu)越的泡沫特性，且因環(huán)保健康理念的興起備受推崇。花椒仔仁、大米中均可以提取得到有利于泡沫穩(wěn)定的蛋白[36-37]。小扁豆類豆科蛋白的等電點(diǎn)約為4.6，親水性（～38%）和疏水性（～40%）殘基平衡，具有高表面疏水性和溶解度。因此，小扁豆類豆科蛋白在pH值分別為5.0和7.0時(shí)表現(xiàn)出良好的起泡能力和穩(wěn)定性，同時(shí)還有研究將小扁豆類豆科蛋白在不同pH值下與瓜爾膠、黃原膠、果膠混合，發(fā)現(xiàn)添加多糖對(duì)蛋白質(zhì)的起泡能力沒(méi)有顯著影響，但在pH 3.0和5.0時(shí)，泡沫穩(wěn)定性大大增強(qiáng)[38]。Aquafaba是一種由鷹嘴豆制成的純素蛋清替代品，這種植物基液體在與食品相關(guān)的pH值和氯化鈉濃度條件下，既能作為發(fā)泡劑又能作為乳化劑，是良好的蛋清替代品[39]。除此之外，卵磷脂也是一種廣泛使用的發(fā)泡劑，它主要存在于蛋黃和大豆中，但天然來(lái)源的卵磷脂對(duì)酸性條件敏感，在高溫下起泡能力也會(huì)下降[9]。

2.2 不同食品中泡沫的穩(wěn)定機(jī)制

水基和油基泡沫均賦予各類食品獨(dú)特的口感，同時(shí)也是檢驗(yàn)其品質(zhì)的代表性指標(biāo)之一，尤其是酒、甜品、咖啡、奶制品、冰淇淋。表1列舉了不同食品體系（氣-水兩相體系和氣-水-油三相體系）的發(fā)泡方式及其促進(jìn)起/發(fā)泡的關(guān)鍵性物質(zhì)。

表1 不同食品體系的發(fā)泡方式及促進(jìn)其起/發(fā)泡的關(guān)鍵性物質(zhì)Table 1 Foaming methods for different foods and key substances which promote foaming

泡沫是啤酒、香檳等各類起泡酒的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。有研究表明阿拉伯木聚糖在小麥啤酒泡沫特性的維持中發(fā)揮重要作用[45]。大麥蛋白、酒花酸和非淀粉多糖吸附于氣泡的氣-水界面是啤酒泡沫形成和維持穩(wěn)定的主要因素；此外，添加樹(shù)膠、果膠、藻酸鹽、藻酸丙二醇酯等也可維持泡沫的穩(wěn)定性。然而，飲料的酸堿度、氣體在液體中的溶解度和擴(kuò)散率以及液體黏度等其他因素也會(huì)影響泡沫穩(wěn)定性，其中脂類還會(huì)破壞泡沫的穩(wěn)定性[40,46]。

咖啡頂部的泡沫層是高品質(zhì)咖啡的標(biāo)志，泡沫層可以保留揮發(fā)性芳香物質(zhì)，防止?jié)饪s咖啡冷卻過(guò)快，提高感官品質(zhì)[47]。在濃縮咖啡飲料的頂部泡沫中，具有界面表面活性化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其相互作用機(jī)制尚未完全闡明，但已知兩類具有表面活性的可溶性化合物——多糖（半乳甘露聚糖和阿拉伯半乳聚糖）和類黑素可促進(jìn)泡沫的穩(wěn)定[21]。速溶咖啡和濃縮咖啡的成分有所區(qū)別，濃縮咖啡中存在少量可溶性固體和親脂性成分，但速溶咖啡中不含可溶性固體和親脂性成分，因此，速溶咖啡泡沫的穩(wěn)定性主要是通過(guò)咖啡中其他成分在水分蒸發(fā)過(guò)程中不可逆聚集形成固體顆粒并吸附在氣-水界面，增加了界面黏度，從而穩(wěn)定氣泡[48]。

冰淇淋是一種冷凍充氣乳狀液（水包油型），冰淇淋中氣體體積分?jǐn)?shù)可達(dá)10%～50%，泡沫主要由部分聚結(jié)的脂肪球、氣泡和冰晶在氣-液界面形成的剛性結(jié)構(gòu)來(lái)穩(wěn)定，其中還包括高分子質(zhì)量多糖、礦物鹽和蛋白質(zhì)[49-51]。為提高冰淇淋品質(zhì)，許多學(xué)者尋找不同的添加助劑改善泡沫特性。研究發(fā)現(xiàn)，吐溫-20、蔗糖酯、酪蛋白酸鈉等乳化劑可以促進(jìn)冰淇淋中脂肪和蛋白質(zhì)的相互作用，抑制聚結(jié)；羧甲基纖維素、阿拉伯樹(shù)膠等增稠劑可以替代脂肪在結(jié)構(gòu)中的作用，在界面吸附并形成網(wǎng)絡(luò)，賦予氣泡良好的穩(wěn)定性，并在冰淇淋融化過(guò)程中抑制排液[42,52-53]。

攪打稀奶油是一種經(jīng)攪打充氣后制得的乳制品，因其獨(dú)特的口感在飲料、甜品中均有廣泛應(yīng)用。奶油是以乳脂肪、蛋白質(zhì)為原料制成相對(duì)穩(wěn)定的水包油型乳液，再經(jīng)攪打充氣后形成較為穩(wěn)定的泡沫結(jié)構(gòu)[54]。在動(dòng)物奶油中，酪蛋白和乳清蛋白起到主要的表面活性作用，β-乳球蛋白和α-乳清蛋白會(huì)緩慢地吸附在氣-水-油三相界面上，形成一層黏彈性膜穩(wěn)定泡沫[44,55]。

3 基于氣-液界面特性解析影響泡沫穩(wěn)定性的因素

3.1 小分子表面活性劑或加工助劑

食品中泡沫的形成往往是多種因素共同作用的結(jié)果，泡沫的制備和穩(wěn)定性與表面活性成分的性質(zhì)有很大關(guān)系[56]。表面活性劑可通過(guò)改變液體表面張力、吸附動(dòng)力、表面黏彈性和兩相/三相界面之間的相互作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定液膜和泡沫的目的[20]。表面張力的演變包括兩個(gè)過(guò)程：表面活性劑分子向表面擴(kuò)散和表面活性劑分子在界面吸附[57]。表面活性劑的吸附對(duì)液膜行為起主要作用，可以抵抗排液過(guò)程中局部變薄的現(xiàn)象，即表面活性劑的黏彈性效應(yīng)使液膜動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，同時(shí)承受由排液產(chǎn)生的切向應(yīng)力，使得液膜達(dá)到“臨界厚度”。

食品中用于充當(dāng)表面活性劑的物質(zhì)有很多，皂苷的表面活性已被廣泛報(bào)道，它是一種新型的天然表面活性劑，會(huì)形成具有高泡沫穩(wěn)定性的亞穩(wěn)態(tài)泡沫。皂苷的表面活性歸因于其兩親結(jié)構(gòu)，由與三萜或類固醇苷元相連的高分子質(zhì)量糖苷組成，苷元的類型及連接的糖殘基數(shù)量顯著影響泡沫的界面吸附性能[58]。研究表明，皂角根提取物（富含72 種皂苷的復(fù)雜混合物）表現(xiàn)出非牛頓行為（其黏度隨剪切時(shí)間/應(yīng)力的增加而下降，剪切停止可恢復(fù)原有黏度），在剪切時(shí)會(huì)呈現(xiàn)低黏度形態(tài)，這有利于包裹進(jìn)更多氣體，而停止剪切后黏度增大阻止氣體溢出，因此皂角根提取物能夠產(chǎn)生具有彈性、高泡沫穩(wěn)定性和高泡沫容量的亞穩(wěn)態(tài)固體狀泡沫，且氯化鈉、蔗糖、乙醇和低酸堿度對(duì)泡沫性能沒(méi)有顯著影響，適當(dāng)加熱還會(huì)增加泡沫容量[30]。Santini等[59]也研究皂苷和皂苷殼聚糖混合溶液對(duì)體系的影響，發(fā)現(xiàn)皂苷在溶液中具有高表面活性，并使膨脹黏彈性有所提高。除天然表面活性劑外，還有很多人工合成表面活性劑，例如聚甘油脂肪酸酯、蔗糖酯、司盤類、吐溫類、丙二醇脂肪酸酯等，這類物質(zhì)會(huì)在氣泡的氣-水或氣-水-油界面形成瞬間快速吸附在界面上，形成單分子膜保護(hù)氣泡，并降低表面張力[60]。

研究發(fā)現(xiàn)中性pH值下沒(méi)食子酸能誘導(dǎo)乳清蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)變化，促進(jìn)蛋白在界面聚集，減少泡沫聚結(jié)、歧化，提高其發(fā)泡性能[61]。沒(méi)食子酸還能夠修飾酪蛋白酸鈉的表面活性，降低其表面疏水性，減小液膜處的表面張力，而酪蛋白酸鈉與沒(méi)食子酸由疏水作用和氫鍵驅(qū)動(dòng)形成的絡(luò)合物，可以穩(wěn)定空氣-水界面，使氣泡具有更高的界面厚度，提高界面黏彈性，因此沒(méi)食子酸也可作為潛在的加工助劑用于改善食品中泡沫的穩(wěn)定性[22]。除此之外，蘇恩誼等[62]還利用天然甜味劑甘草酸自組裝制備納米纖維作為起泡穩(wěn)定劑，該納米纖維會(huì)快速吸附到氣-水界面并形成多層界面纖維膜，固定泡沫結(jié)構(gòu)形成超穩(wěn)態(tài)泡沫。這些加工助劑在泡沫穩(wěn)定方面的效果也非常顯著。

3.2 界面間固體顆粒

在泡沫穩(wěn)定機(jī)制中，顆粒在氣-液界面的吸附被認(rèn)為是泡沫實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的必要環(huán)節(jié)，顆粒因其在氣-液界面上具有強(qiáng)不可逆的吸附性，實(shí)現(xiàn)了泡沫的穩(wěn)定[12,63]?？捎糜谥苽涫称芳?jí)固體顆粒的物質(zhì)大多為基于蛋白質(zhì)的復(fù)合聚合物。大多數(shù)蛋白質(zhì)都具有高表面活性，以此為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)固體顆粒可以在氣-水界面吸附，但是許多其他材料，如多糖通常為非表面活性，需經(jīng)過(guò)改性或與其他成分（如蛋白質(zhì)）結(jié)合才能發(fā)揮作用[64]。如圖4所示，水流可在高原邊界內(nèi)朝一定方向流動(dòng)（水流方向受重力和壓差影響），高原邊界內(nèi)固體顆粒的存在可以減緩水分流動(dòng)，減少泡沫的排液行為，同時(shí)固體顆粒的剛性結(jié)構(gòu)，也可在泡沫間的三維空間內(nèi)形成機(jī)械屏障，阻止泡沫的聚結(jié)或歧化行為[65]。

圖4 氣泡間固體顆粒的穩(wěn)定機(jī)制Fig. 4 Schematic diagram of the mechanism for the stability of solid particles between bubbles

3.2.1 蛋白質(zhì)基固體顆粒

多數(shù)蛋白質(zhì)可通過(guò)加熱、調(diào)節(jié)pH值或與其他物質(zhì)反應(yīng)等方式改性制得聚集態(tài)固體顆粒，并在穩(wěn)定食品泡沫方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。酪蛋白膠束聚集體顆粒（casein micelle aggregates，CMAs）的存在以及膠粒的大小和結(jié)構(gòu)決定了其所在分散體系的泡沫穩(wěn)定性，完整的酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)和氣-水界面的膠束-膠束相互作用力是CMAs穩(wěn)定泡沫的關(guān)鍵[55,66]，使CMAs能有效地將整個(gè)膜分割成半徑較小的膜單元，使膜破裂的臨界膜厚度減小。同時(shí)，CMAs顆粒有一定親水性，其在氣-水界面上的潤(rùn)濕性會(huì)導(dǎo)致膜單元的曲率半徑變大，膜單位曲率半徑的改變進(jìn)一步導(dǎo)致高原邊界與液膜間的局部壓差發(fā)生變化，從而降低排液速率，因此CMAs可用于提高乳制品泡沫的功能性，且泡沫穩(wěn)定性隨CMAs濃度的增加而提高[67]。醇溶蛋白膠體納米顆?？梢酝ㄟ^(guò)改變pH值或溫度表現(xiàn)出更好的泡沫特性，其在氣-液界面的有序吸附可以明顯改善食品的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性[5,68]。玉米醇溶蛋白顆粒（zein colloidal particles，ZCPs）加入到含多不飽和脂肪酸的鮮奶油中可以增強(qiáng)其泡沫穩(wěn)定性，乳液中的粒子在液滴表面形成阻擋層，阻礙液滴進(jìn)一步聚結(jié)，改善了氣-水-油三相體系的結(jié)構(gòu)，ZCPs增強(qiáng)型攪打奶油在攪打過(guò)程中溢出率和泡沫穩(wěn)定性更佳，并且表現(xiàn)出理想的硬度和形狀[69]。一些乳制品的發(fā)泡與蛋白顆粒的作用密切相關(guān)，牛乳中天然脂肪球的表面蛋白質(zhì)組成影響泡沫穩(wěn)定性[70]，乳清中的β-乳球蛋白具有獨(dú)特的三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)，熱處理和粒徑變化都會(huì)影響其表面疏水性，從而影響其聚集體在界面的覆蓋性能，進(jìn)而影響泡沫穩(wěn)定性[19,71]。除此之外，米糠蛋白通過(guò)在氣泡表面聚集形成界面膜，促進(jìn)泡沫穩(wěn)定；椰子蛋白通過(guò)脫酰胺反應(yīng)使蛋白或肽的凈電荷數(shù)量增加從而促進(jìn)起泡，并在膜內(nèi)形成蛋白吸附層減少泡沫歧化；小麥蛋白通過(guò)減少粒子間靜電斥力和增加粒子間相互作用，減少泡沫排液和聚結(jié)。這些蛋白材料也可用于制備穩(wěn)定泡沫的固體顆粒。

3.2.2 蛋白質(zhì)基復(fù)合固體顆粒

其他物質(zhì)和蛋白質(zhì)復(fù)合制得的固體顆粒在泡沫穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。研究表明，果膠等多糖與蛋白質(zhì)復(fù)合的固體顆粒能夠促進(jìn)泡沫穩(wěn)定，其作用機(jī)理為：多糖/蛋白質(zhì)復(fù)合顆粒在氣泡的氣-液界面吸附后，形成了黏彈性界面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致氣體滲透率降低，并抑制氣泡聚結(jié)，而果膠等多糖膠體的存在增加了整個(gè)連續(xù)相體系的黏度，進(jìn)一步降低了氣泡間的排液速率，從而發(fā)揮較好的泡沫穩(wěn)定作用[11,26,72-73]。蛋白質(zhì)-淀粉顆粒體系可作為有效的發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑，Asghari等[74]將辛烯基琥珀酸酐改性淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～5%）添加到泡沫中，由于淀粉與蛋白質(zhì)界面層的相互作用形成顆粒，泡沫穩(wěn)定性提高至未添加改性淀粉組的12 倍，且不損害泡沫容量，其中，熱處理后的淀粉-蛋白質(zhì)顆?？蓪?水界面的泡沫穩(wěn)定性提高至對(duì)照組的8 倍，其主要作用機(jī)理為淀粉與蛋白質(zhì)相互作用在界面形成軟木塞狀結(jié)構(gòu)，抑制泡沫排液。瓜爾豆膠、黃原膠和果膠與小扁豆類蛋白形成聚集體吸附于氣-液界面，形成堅(jiān)硬而厚實(shí)的凝膠狀界面網(wǎng)絡(luò)，從而避免泡沫歧化，減緩了排液速度，并顯著增加泡沫的表觀黏度，促進(jìn)泡沫穩(wěn)定[75]。玉米蛋白水解物與單寧酸通過(guò)絡(luò)合作用形成的復(fù)合物會(huì)在界面上形成強(qiáng)黏彈性界面網(wǎng)絡(luò)，減緩氣泡間的液體流動(dòng)，從而減少氣泡排液，實(shí)現(xiàn)泡沫的長(zhǎng)期穩(wěn)定[76]。

3.2.3 多糖固體顆粒

一些由多糖或多糖與其他材料制得的復(fù)合顆粒在食品中表現(xiàn)出良好的泡沫穩(wěn)定性[77]。絕大部分多糖本身不具有表面活性，在食品中，大多是利用多糖在氣-液界面形成凝膠態(tài)結(jié)構(gòu)，通過(guò)提升界面剛性來(lái)穩(wěn)定泡沫，如波斯膠作為天然水膠體與黃原膠混合加入到巴氏殺菌蛋清中，通過(guò)蛋白質(zhì)和水膠體之間的物理相互作用在氣-液界面形成彈性結(jié)構(gòu)，減少因重力引起的排液，改善泡沫結(jié)構(gòu)并提高巴氏殺菌蛋清泡沫的穩(wěn)定性[78]。Beatrice等[79]利用植物細(xì)胞壁制備納米纖維，再與木聚糖、木葡聚糖和果膠結(jié)合制備一種復(fù)合顆粒，該材料會(huì)聚集在氣泡附近，在水中形成網(wǎng)狀（凝膠）結(jié)構(gòu)，可以減緩氣泡間排液，具有良好的保水能力，由此制得的泡沫高度穩(wěn)定。還有研究通過(guò)淀粉納米晶體與蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合制備由淀粉納米晶體粒子群和蛋白質(zhì)三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的界面膜，利用空間位阻穩(wěn)定泡沫[80]。

3.2.4 其他物質(zhì)固體顆粒

因安全性的要求，除了蛋白質(zhì)、多糖等本身可作為食品的原料外，能夠用于制備固體顆粒的材料十分有限，有學(xué)者對(duì)碳酸鈣粒子能否用于食品中穩(wěn)定泡沫進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣親水性粒子首先需要部分疏水，用乳化劑使顆粒表面活化后才能吸附在氣-水界面，最終制得超穩(wěn)定的水性泡沫[81]。Jiang Xiaoyi等[82]用辛烯基琥珀酸酐對(duì)嗜酸乳桿菌進(jìn)行改性，提高了嗜酸乳桿菌表面疏水性，改性后的細(xì)菌能很好地吸附在油-水或氣-水界面并穩(wěn)定泡沫。

表2列舉了可用于食品中泡沫穩(wěn)定的固體顆粒以及制備方法和可能的穩(wěn)定機(jī)制。

表2 食品中用于穩(wěn)定泡沫的固體顆粒及其制備方法Table 2 Solid particles used for stabilizing foam in foods and preparation methods

4 加工處理?xiàng)l件和技術(shù)對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

除了不同食品體系、表面活性劑及加工助劑、界面間固體顆粒等，不同的加工處理?xiàng)l件（壓力、溫度、pH值、時(shí)間等）和加工技術(shù)（傳統(tǒng)機(jī)械攪拌技術(shù)、空化技術(shù)和微流體技術(shù)等）對(duì)泡沫界面的表面張力、泡沫的顆粒和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，也會(huì)改變體系的泡沫穩(wěn)定性。

4.1 不同加工處理?xiàng)l件對(duì)泡沫界面的影響

加工處理?xiàng)l件的不同會(huì)顯著影響體系泡沫穩(wěn)定性，例如pH值、壓力、溫度、時(shí)間等。此外，實(shí)現(xiàn)體系的泡沫穩(wěn)定也要考慮體系自身的特性。醇溶蛋白對(duì)啤酒的泡沫特性起主導(dǎo)作用，Peng Dengfeng等[5]用不同pH值（3.0～5.8）處理醇溶蛋白納米顆粒發(fā)現(xiàn)，隨著pH值下降，醇溶蛋白納米顆粒粒徑減小，氣-液界面初始吸附速率減慢，無(wú)法在氣-液界面及時(shí)形成能夠抑制氣泡聚結(jié)的膜，界面穩(wěn)定能力下降，起泡性和泡沫穩(wěn)定性也顯著降低。壓力也會(huì)改變兩相間蛋白質(zhì)聚集體的結(jié)構(gòu)并影響體系的泡沫穩(wěn)定性，有研究表明高壓射流工藝中的壓力變化對(duì)脫脂牛乳發(fā)泡和乳化性能有一定影響，當(dāng)加工壓力大于300 MPa時(shí)脫脂牛乳黏度顯著增加，蛋白質(zhì)大量聚集在氣-水界面，可以抑制泡沫聚結(jié)，這是因?yàn)楦邏阂鸬鞍踪|(zhì)膠束二級(jí)結(jié)構(gòu)變化，聚集在界面的蛋白質(zhì)形態(tài)發(fā)生改變并形成更大的聚集體，顯著提高了牛乳的起泡性[86]。此外，加工溫度對(duì)脂質(zhì)晶體控制泡沫特性的體系的泡沫性質(zhì)影響顯著。例如，加工溫度影響全脂牛乳中乳脂球的結(jié)晶狀態(tài)，在10～30 ℃時(shí)全脂牛乳的泡沫穩(wěn)定性最低，這是因?yàn)榇藭r(shí)乳脂的結(jié)晶狀態(tài)不利于其在氣-液界面上的吸附[87-88]。Heymans等[89]采用不同回火工藝處理食品級(jí)單甘酯時(shí)發(fā)現(xiàn)，加工時(shí)間和溫度對(duì)油凝膠性能影響很大，油相泡沫通過(guò)油脂晶體顆粒固定，溫度的變化首先影響界面油脂晶體的結(jié)晶和黏度，油脂晶體顆粒會(huì)形成較穩(wěn)定的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)抑制氣泡聚結(jié)、歧化和排液。此外，奶油中油脂含量較高，油脂結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)是控制奶油泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵，奶油加工中的急冷工藝使奶油迅速降溫，促使油脂晶體迅速微?；?，通過(guò)溫度控制界面晶體狀態(tài)以達(dá)到最佳的泡沫特性[90]。

然而，食品體系中的泡沫特性變化通常不是由單一因素直接造成，當(dāng)溫度等因素對(duì)體系的泡沫穩(wěn)定性影響有限時(shí)，選用不同的加工工藝所產(chǎn)生的效果不同。有研究表明，用亞臨界技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱水處理大豆分離蛋白，120 ℃亞臨界水處理后的大豆分離蛋白在氣-水和油-水界面表現(xiàn)出更高的表面活性、較低的聚集度和更靈活的構(gòu)象，因此可以更好地吸附于界面，形成的密集界面層使泡沫容量和穩(wěn)定性得到顯著改善[91]。類似地，超聲處理可以改變雞蛋卵白蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)，并一定程度上提升其起泡穩(wěn)定性[92]。由上述研究可知，加工處理?xiàng)l件的變化會(huì)對(duì)食品中的泡沫穩(wěn)定界面產(chǎn)生較大影響（可能是改善也可能是削弱），但是不同的食品體系相差較大，單一的加工工藝和條件并不適用于所有食品，泡沫特性需要考慮多種因素的綜合影響，針對(duì)不同的食品探尋最適宜的工藝條件。

4.2 不同加工技術(shù)對(duì)泡沫分散性的影響

氣泡間壓差造成的泡沫歧化是造成泡沫體系崩塌的誘因之一。傳統(tǒng)的泡沫可通過(guò)轉(zhuǎn)子-定子混合、湍流混合和蒸汽噴射制得，雖然應(yīng)用廣泛但無(wú)法控制氣泡大小，產(chǎn)生的氣泡粒徑分布高度分散，不利于泡沫穩(wěn)定，因此生產(chǎn)結(jié)構(gòu)盡可能均勻的單分散泡沫有助于泡沫穩(wěn)定[93]。

傳統(tǒng)的物理發(fā)泡方式，例如利用最常見(jiàn)的機(jī)械攪拌裝置——廚房攪拌器進(jìn)行發(fā)泡，其基于空氣夾帶和剪切作用下系統(tǒng)性氣泡破裂的原理：攪拌器先將空氣帶入混合液體產(chǎn)生大氣泡，大氣泡在連續(xù)剪切作用下破裂形成小氣泡，空氣夾帶和氣泡破裂相互作用導(dǎo)致氣體體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，平均氣泡尺寸減小直到達(dá)到平衡，獲得的氣泡尺寸可以在幾十微米到幾毫米之間，呈高度分散的狀態(tài)[94]。相比之下，澆注和插入噴射法產(chǎn)生的湍流行為會(huì)使進(jìn)料溶液包裹更多的空氣，產(chǎn)生類似緊密堆積的六角單分散球體的理想泡沫，有利于泡沫穩(wěn)定，目前在飲料中應(yīng)用較多[15]。

空化技術(shù)在泡沫生產(chǎn)中也應(yīng)用廣泛，其原理包括超聲波空化和流體動(dòng)力空化（人為瞬間降壓），前者生產(chǎn)效率低，因此后者成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，其原理是通過(guò)泡沫液體的快速流動(dòng)，瞬間產(chǎn)生巨大壓降，從而產(chǎn)生空化氣泡，生產(chǎn)出微米級(jí)的理想氣泡[95]。微流體技術(shù)被認(rèn)為是制備單分散泡沫的有效方式之一，微流體裝置可通過(guò)剪切力或自發(fā)破裂形成尺寸均一的單個(gè)氣泡，從而得到分散性較理想的泡沫，根據(jù)剪切裝置形狀的不同，可將其大致分為T形接頭、流量聚焦和共流裝置3 種，由此制得的氣泡大小一致，可減少歧化[93]。Muijlwijk等[96]使用微流控技術(shù)設(shè)計(jì)一種裝置，包括一個(gè)T型接頭，兩相在此處相遇并形成氣泡或液滴，通過(guò)微流體聚結(jié)通道分別探究聚結(jié)和液滴形成情況（圖5），該裝置有助于更好地了解乳化過(guò)程中的流體界面穩(wěn)定性。

圖5 微流體裝置產(chǎn)生氣泡示意圖[96]Fig. 5 Schematic diagram of bubble generation in microfluidic device[96]

產(chǎn)生氣泡的技術(shù)還有很多，例如生物發(fā)酵、電解發(fā)泡、發(fā)泡劑發(fā)泡等[8]，此類發(fā)泡方式往往針對(duì)不同體系，無(wú)法作統(tǒng)一類比，因此應(yīng)根據(jù)不同食品的要求，選擇合適的發(fā)泡技術(shù)以得到分散性好、尺寸形狀理想的泡沫，從而更有利于食品中泡沫的穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

在食品體系中，任一因素均可能影響泡沫穩(wěn)定性，可在食品中應(yīng)用的具有泡沫特性的物質(zhì)有限，且需要在一定條件下多種物質(zhì)聯(lián)合參與才能實(shí)現(xiàn)較好的泡沫穩(wěn)定性。本文從食品中泡沫穩(wěn)定的角度出發(fā)，介紹了泡沫失穩(wěn)的機(jī)制，并探究了物質(zhì)種類、界面行為、加工技術(shù)與處理?xiàng)l件等因素對(duì)食品體系泡沫穩(wěn)定性的影響及機(jī)理。小分子加工助劑可以降低界面的表面張力，界面間固體顆?？梢晕接谝耗け砻鏈p少排液、聚結(jié)，加工處理?xiàng)l件與技術(shù)在宏觀上對(duì)體系內(nèi)蛋白質(zhì)等微觀物質(zhì)產(chǎn)生影響，從而改變泡沫穩(wěn)定性?；诖?，本文提出了以下幾點(diǎn)展望：1）泡沫賦予了不同食品體系獨(dú)特的風(fēng)味和口感，因此，可進(jìn)一步挖掘不同食品穩(wěn)定劑在風(fēng)味泡沫/營(yíng)養(yǎng)泡沫中的應(yīng)用潛力，同時(shí)結(jié)合口腔摩擦學(xué)研究泡沫的存在對(duì)不同食品體系感官感知的影響。2）基于氣-水或氣-水-油等不同界面行為，尋求更為有效的食品級(jí)泡沫穩(wěn)定劑仍是未來(lái)研究的一大重點(diǎn)。例如，可考慮同時(shí)降低泡沫表面張力和泡沫間排液，開(kāi)發(fā)新型蛋白質(zhì)/表面活性劑（例如卵清蛋白與皂素）固體顆粒，發(fā)揮雙重作用。3）表面活性劑晶體顆粒穩(wěn)定泡沫在泡沫浮選等非食品領(lǐng)域的研究較多，但也為食品中油性泡沫的穩(wěn)定提供了一個(gè)很好的方向，有望拓展油性泡沫穩(wěn)定劑的選擇種類。例如，在十二烷基硫酸鈉中添加氯化鉀，高濃度的鹽會(huì)使表面活性劑在氣泡表面沉淀，并在氣泡之間的空隙中形成晶體，晶體顆粒分散在液體中，當(dāng)泡沫形成時(shí)吸附于氣-液界面并減緩氣泡歧化和聚結(jié)，而停留在液體通道中的大量晶體相互堆積抑制泡沫排液，起到穩(wěn)定泡沫的作用[97-98]。

綜上，泡沫在食品中的作用不可忽視，研究泡沫在食品中的穩(wěn)定機(jī)制尤為關(guān)鍵，食品中理想的泡沫產(chǎn)品是多種機(jī)制綜合作用的結(jié)果，需要適當(dāng)和可靠的方法描述食品泡沫穩(wěn)定的機(jī)制，并借此實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的控制，未來(lái)仍需進(jìn)一步加強(qiáng)食品體系中泡沫穩(wěn)定性的研究。