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学术成果

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我院李斌教授团队基于天然材料的泡沫、稳定性、表征和应用的系统综述

作者:发布:2022-07-01点击量:

一、研究背景与研究意义

研究背景:众所周知,泡沫广泛应用于我们的日常生活中的各个领域,包括食品工业、制药、洗涤剂、化妆品和超轻材料等。泡沫是常见的多相分散体类型之一,由气体(分散相)在液体或固体(连续相)中分散而构成,它可以提供一系列独特的结构、质地和外观。从结构的角度来看,泡沫的机械性能及其轻质和大比表面积导致其热力学不稳定,这涉及到液膜排水、歧化和聚结,这些机制的综合作用决定了泡沫的寿命(泡沫稳定性)。因此,为了维持泡沫体系的长久稳定,通常通过添加稳定剂和施加高机械能的方式来实现。在实际食品加工中,常常使用大分子蛋白质和小分子表面活性剂作为泡沫的稳定剂,如大豆蛋白、乳清蛋白以及司盘80、吐温20等。为了提高生产效率,这两种表面活性剂通常作为复合物用于泡沫的制备。随着现代食品加工业的发展,消费者越来越关注食品及其成分的天然、营养和健康特性,一些常用的表面活性剂,特别是吐温20等小分子表面活性剂,已不能适应现代食品加工业的发展。因此,功能性食品泡沫的创制吸引了众多食品科学家的关注。

研究意义:最近,泡沫的研究重点已从使用无机材料转向使用生物来源材料(尤其是可食用材料)以进行稳定化。这种转变的动机是由于无机材料在食品和生物医学应用中的不相容性,以及它们较差的可持续性。因此,总结了近年来食品级材料稳定泡沫的研究进展。首先,我们回顾了泡沫的失稳机制,讨论了影响泡沫稳定性的因素,重点介绍了不同天然材料稳定的泡沫体系,最终为气/水界面的表征提供了全面的参考。其次,了解泡沫体系由浅到深的稳定机理,有助于我们分析实验结果,掌握可靠的结论。最后,基于这些研究,天然材料可以更好地用于为各种应用设计绿色、高效和多功能的系统。

二、成果介绍

2.1 泡沫失稳机理

泡沫是一个复杂的体系,其自由能会自发地降低,最终趋于坍塌、破裂。由于纯净的液体难以形成稳定的泡沫,因此,制造和稳定泡沫需表面活性物质的存在。通过搅拌或鼓吹含有表面活性物质的溶液,将气体引入到液体中,形成由液膜隔开的气泡,。在理想情况下,大小相等的气泡是十二面体形状,且被薄液膜隔开,三个相邻的液膜相交形成边界(“Plateau通道”)。根据复杂的泡沫结构,导致其不稳定的因素可分为以下几种:液膜排水、气泡聚合、气泡歧化。

图1(A)泡沫显微镜图片;(B)薄膜相交形成Plateau边界;(C)液体层,膏状层和泡沫层示意图

2.2 影响泡沫稳定性的因素

泡沫稳定性通常用泡沫的半衰期(t1/2)表示,即泡沫的体积/高度下降到初始体积/高度的一半所需的时间。从微观尺度的角度来看,泡沫体系宏观稳定性和界面液膜性能、连续相性质等之间有着不可分割的关系。因此,影响泡沫稳定性的因素可归纳为以下几种:表面张力(γ)、表面粘度、连续相粘度、表面张力“修复效应”、表面相互作用及泡沫中气体扩散。

图2 不同尺寸气泡之间气体的扩散

2.3 基于生物材料的泡沫系统

2.3.1 蛋白质稳定的泡沫系统

大多数蛋白质除了它们的营养特性之外,还具有良好的表面活性,因此能提供出色的发泡能力,其特征在于它们能够:(1)从体相向气/液界面相扩散;(2)吸附在气/液界面,降低表面张力;(3)蛋白分子去折叠、重新排列后形成粘弹性界面膜,进而减缓泡沫体系的液膜排水、聚合和歧化。蛋白质的起泡能力由多种因素决定,例如内部性质(即分子大小、结构、疏水性和表面电位等)和外部因素(即pH、温度和离子强度等)。通常,无序、小尺寸和柔性的蛋白质比有序、刚性和大尺寸的蛋白质能更快速地降低表面张力,因此具备更好的起泡能力。研究表明,许多蛋白质的起泡性在其等电点(IEP)附近显著提高,降低表面电荷(pH,IEP或高离子强度)可以使蛋白质在气/液界面上快速吸附,最终致使泡沫在短时间内形成。然而,如果需要保持泡沫体系的长期稳定,则需要形成具备一定粘弹性的界面膜。

2.3.2 蛋白质/多糖复合物稳定泡沫体系

尽管蛋白质是食品工业中常用的生物发泡剂,但是某些蛋白质在起泡性或泡沫稳定性方面有不同程度的缺陷,不能满足食品工业日益严格的要求。例如,与许多动物来源的蛋白质相反,大多数植物蛋白质疏水性较强,这使得植物蛋白具有更好的空间屏障效应。然而,蛋白质具有亲水和疏水成分是作为合适稳定剂的前提,有些植物蛋白可能过于疏水,缺乏亲水性的结构域,因而不能形成良好稳定的气/液界面。蛋白质的泡沫特性也可以通过与多糖结合来改善。对于蛋白质/多糖复合物,两者的结合可能对表面活性有协同作用:疏水性蛋白质主要锚定在空气相中,而亲水性多糖留在水相中以提供静电排斥和空间位阻。此外,向蛋白质稳定的泡沫体系中添加多糖分子也可以通过改变连续相的性质来提升泡沫的稳定性。

2.3.3 蛋白质/多酚复合物稳定泡沫体系

蛋白质和多酚的结合在食品中非常普遍,并且很多研究已经提出了蛋白质和多酚之间的结合机制类型。多酚具有多齿结构,能够通过不同位置的基团与蛋白质分子结合。酚类化合物由于其分子特性,能够在较宽的pH范围内引起蛋白质结构的变化。由β-乳球蛋白(β-lg)或酪蛋白与多酚制备的纳米颗粒尺寸处于30~90 nm之间,这可以用于稳定泡沫。同样,(+)儿茶素可以使β-lg基泡沫体系的稳定性提高。由于蛋白质和多酚种类繁多,以至于迄今还没有完全成熟的理论来解释蛋白质/多酚复合物稳定空气/水界面的对应关系,这也与该领域缺乏研究有关。多酚有广泛的营养健康益处,当多酚固定在界面上时,它们的生物学特性可以尽可能地被保留。因此,蛋白质/多酚复合物界面稳定机制的研究对于功能性食品的发展将具有重要的指导意义。

2.3.4 蛋白质/多酚/多糖复合物稳定泡沫体系

在食品体系中应用由蛋白质、多糖和多酚多组分组成的复合物可将其功能特性成功引入到食品产品中。最近,研究人员提出了使用蛋白质/多酚/多糖制备复合物作为乳化剂的方法。通过碱处理和美拉德反应制备了乳铁蛋白、聚葡萄糖和绿原酸的三元复合物,结果表明,三元复合物具备出色的乳化性及乳化稳定性,可有效抑止油相中β-胡萝卜素的氧化。然而,由于蛋白质/多酚/多糖复合物分子结构以及功能属性的复杂性,并且泡沫体系相对于乳液体系的难稳定性,迄今为很少有探究有关蛋白质/多酚/多糖复合物稳定的气/液界面。在我们最近的研究中,制备了酪蛋白酸钠/单宁酸/辛烯基琥珀酸淀粉复合物作为稳定气/水界面的活性成分。虽然这部分研究很少受到学者们的关注,但多酚、蛋白质和多糖之间产生的复合物仍然是改善食品基质和泡沫特性的重要选择。

图3 蛋白质、多糖和多酚相互作用的可能机制

2.4 气/液界面表征方法

2.4.1 动态界面张力测量

界面张力或表面压力的测量是研究表面活性成分在界面上吸附广泛使用的技术之一。总的来说,界面张力的测定方法包括以下几种:Langmuir法、Wilhelmy平板法和Du Noüy环法等。此外,依赖于Young-Laplace方程的悬滴法也经常用于表面活性成分吸附的研究。

图4 可用于确定界面张力的各种实验方法

2.4.2 界面流变学

目前,研究表面活性成分在界面上吸附行为以及流变性质最常用的方法是界面流变学。通过测量界面膜对形变的响应,考察表面活性成分的界面响应行为以及流变性质。根据不同的变形模式,界面流变学主要分为扩张流变和剪切流变两种类型。

图5 界面的剪切和扩张变形示意图

2.4.3 非线性界面流变学

由于对两相界面模型化,现在对界面流变性质的研究大多数处于变形区,也称为“线性粘弹性区”,即应力对应变具有线性变化规律。然而,在实际生产过程中,泡沫往往处于非平衡状态,会经历高应变和大变形过程。在这种情况下,界面的应力随应变的变化高度非线性。非线性响应是由施加的流场引起的界面结构变化的结果。因此,非线性流变学的研究更能真实地理解界面结构与宏观性质之间的关联性。

图6 典型的利萨茹曲线

2.4.4 界面微流变学

近年来,在微观水平上研究和表征复杂流体结构和动力学的技术发展取得了重大进展,这些动态实验技术被称为“微流变学”。微流变学是一门新兴技术,它有可能克服体流变学的某些局限性。通过使用嵌入复杂流体中的示踪粒子以非侵入方式探测微米级的空间机械特性;通过使用现代高分辨率显微镜记录粒子的运动与所产生的形变相关信息,并根据周围介质的局部粘弹性对它们的运动进行定量分析。示踪粒子位移对局部粘性和弹性力以及粒子和网络之间的化学和空间相互作用十分敏感。微流变技术通常根据施力的方式不同分为两大类型:主动技术和被动技术。前者要求通过外力操纵粒子,后者基于嵌入粒子的热波动。被动技术通常适用于测量低粘度样品,而主动技术可以将测量范围扩展到含有大量弹性物质的样品。

图7 探针粒子在磁场中运动原理

三、研究结论及展望

本综述讨论了食品级材料在泡沫中应用领域的动态发展和未来趋势。从不同泡沫性质的角度,如液膜、气/水界面、聚结和泡沫排出等,讨论了起泡性和泡沫稳定性问题。液膜排水、聚结和歧化是控制泡沫寿命的三个主要因素。然而,这三个因素的共同影响和相互作用使得研究泡沫稳定性非常困难。对泡沫薄膜、高原边界、表面压力的稳定和不稳定机制的研究仍然缺少量化,仍然存在几个关键挑战有待解决。首要的也是最重要的挑战涉及建立气/水界面和液膜特性评估与泡沫形成之间的关系。尽管研究尚未能够实现直接揭示,但将多种表征技术结合到一个平台使解析泡沫结构-功能之间的关系成为可能。迄今为止完成的研究的广度和深度表明,使用蛋白质、多糖和多酚可以制备多功能性材料,这些材料的使用为绿色、健康、可持续发展的理念提供了一些新的策略。

作者信息

第一作者:占福朝(fuchaofood@mail.hzau.edu.cn),食品科学与工程流动站博士后,华中农业大学食品科技学院

通讯作者:李斌(libinfood@mail.hzau.edu.cn),二级岗教授、博士生导师,华中农业大学研究生院常务副院长

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.107435

审核人:李斌

编辑:王丹娟

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