多糖乳化性改善方法、構效關系及應用研究進展

張漫莉，王 強，陳炳宇，劉紅芝

（中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品加工重點實驗室，北京 100193）

以多糖結構、功能和藥用價值為核心的糖工程被認為是繼蛋白工程、基因工程后生物化學和分子生物學領域中最后一個巨大的科學前沿。多糖具有優良的理化性質和廣泛的藥理作用，在食品、化妝品、醫藥等領域具有廣闊前景[1]。多糖的結構與構象是其重要的結構特征，與其理化性質和生物活性密切相關，如分支度為0.4的香菇多糖具有三股螺旋結構，在水溶性方面更具優勢，而線性連接的凝乳聚糖在室溫下幾乎不溶于水[2]。天然多糖主要具有親水性，僅少數天然多糖在油-水界面具有表面活性，適合作為乳化劑[3]。各國學者采用物理、化學和生物方法修飾多糖以改善其乳化性，研究其構效關系。本文對多糖的乳化性改善方法、構效關系及在食品中的應用進行了綜述，旨在為提高多糖乳化性、擴大應用范圍提供理論參考。

1 多糖乳化性改善方法

目前，多糖的乳化性改善有物理、化學和生物方法：物理方法包括輻照和熱處理等；化學方法包括乙酰化、硫酸化修飾、與蛋白相互作用等；生物方法包括酶解修飾。

1.1 物理方法

物理方法是通過機械力或其他作用破壞多糖分子內的糖苷鍵，降低其分子質量[4]。目前，改善多糖乳化性常采用的物理方法是熱處理法和輻照法。熱處理時，較高溫度會破壞糖苷鍵，并在一定程度上降解聚合物，使得乳液粒徑降低、乳化性提高，但側鏈共價結合蛋白質的果膠類多糖經熱處理會發生分子聚集，暴露出更多疏水基團，從而改善其乳化性[5]；輻照處理可使多糖鏈發生降解，暴露出更多的親水基團和疏水基團，有利于多糖在油-水界面的伸展，從而改善乳化性。

王珍[6]采用常壓蒸制、高壓蒸制、微波和炒制4 種方式處理燕麥可溶性膳食纖維，發現不同熱處理均可使乳液的黏度增加，乳化性有一定程度的提高，其中高壓蒸制的乳化穩定性最高可達65.4%，炒制的乳化穩定性最高可達88.7%。

Khan等[7]將酵母β-葡聚糖樣品裝于兩層的聚乙烯袋中，使用60Co γ射線，以2.0 kGy/h的劑量率照射，發現劑量的增加可使其乳化活性由66.2%增加至79.2%，乳化穩定性由95.2%增加至99.3%。Hamdani等[8]在20 ℃使用60Co γ射線以2.5 kGy和5.0 kGy的輻照劑量、80 Gy/min劑量率分別處理阿拉伯膠、刺梧桐膠、杏膠，發現阿拉伯膠與刺梧桐膠乳化性隨輻照劑量的增加而增強，但杏膠并無顯著性變化，這可能與糖苷鍵斷裂處疏水基團與親水基團的暴露有關。

物理方法工藝簡單，所使用的試劑相對較少，不需要后續步驟去除所添加的試劑，對環境友好；但設備成本高，對乳化性的改善效果有待進一步提升，且控制較麻煩，處理時間相對較長，可能伴隨副產品的產生，需要進一步分離純化。

1.2 化學方法

乙酰化、硫酸化、辛烯基琥珀酸修飾、與蛋白質相互作用等化學方法均可改善多糖的乳化性。化學修飾通過將乙酸酐、硫酸、辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）等基團引入到多糖羥基上，改變多糖親水基團與疏水基團的數量和比例，其中親水基團向水相伸展，疏水基團向油相伸展，使界面張力降低；此外，經修飾后多糖的空間位阻增加，且乳液粒徑也會降低，乳化性改善。多糖與蛋白相互作用一方面使蛋白質結構得到舒展，可吸附于油-水界面，降低表面張力；另一方面可形成靜電屏障，阻礙乳化液滴的聚集[9]。

1.2.1 乙酰化修飾

乙酰化是改善多糖乳化性的有效方法之一，隨著多糖含量的增加，乳液的平均粒徑降低程度越大，乳化性越好[10]。目前，已有利用乙酰化修飾青蒿多糖和果膠等多糖改善其乳化性的研究。Li Junjun等[3]將青蒿多糖溶于含體積分數10.0%吡啶的甲酰胺中，分別將青蒿多糖與醋酸酐以1∶8、2∶8、4∶8和6∶8（m/V）混合，室溫下反應12 h，經過透析和凍干得到乙酰化產物。該產物可降低表面張力、減小液滴尺寸、提高乳化性，但乙酰基對不同比例產物的乳化性貢獻程度有所不同。Schmidt等[11]將果膠溶液與醋酸酐在pH 8.0、5 ℃條件反應10 min后調節pH值至3.0終止反應，經醇沉、過濾、烘干后得到乙酰化果膠，其乳化性得到改善，并隨取代度的增加先不變后增強。

1.2.2 硫酸化修飾

錢亞楠[12]將纖維素與硫酸以1∶20（m/V）混合，45 ℃攪拌10 min后冰水浴結束反應，沉淀經洗滌和離心后得到膠體，透析除酸，隨后在50 kHz、300 W條件下超聲處理15 min，制得納米晶體，并研究了硫酸基團含量對納米晶體乳化性的影響，發現硫酸基團含量高，乳液的粒徑更小、黏度更高，其乳化能力更強。

1.2.3 辛烯基琥珀酸酐酯化修飾

多糖通過OSA修飾引入疏水基，改變表面活性，可提高乳化性[13]。劉嘉[14]將OSA與燕麥β-葡聚糖混合，于45 ℃反應5 h制備辛烯基琥珀酸葡聚糖酯，此多糖表面活性劑具有良好的乳化和穩定性。王慧[15]將短鏈葡聚糖糊化后，調節pH值至8.5，使短鏈葡聚糖與OSA反應形成辛烯基琥珀酸短鏈葡聚糖聚合物，其粒徑隨取代度增加而減小。李蓉[16]對酶解超支化葡聚糖的產物進行OSA修飾，將質量分數30.0%葡聚糖在35 ℃、pH 8.5條件下處理8 h，得到酯化葡聚糖，其乳化性隨反應程度增加而增強，且比酯化蠟質玉米淀粉乳化性更好。劉倩茹等[17]配制質量分數10.0%的大豆可溶性多糖（soybean soluble polysaccharides，SSPS）溶液，在40 ℃、pH 8.5條件下與OSA反應35 min后得到OSA-SSPS，研究發現，改性修飾后得到的OSA-SSPS因具有兩親性基團而體現優良的乳化性，且乳液的穩定性較好。

1.2.4 多糖與蛋白相互作用

蛋白質和多糖都可以作為乳化劑應用到食品中，但效果并不理想，而多糖和蛋白質共聚物應用于穩定乳液時[18]，其穩定效果由多糖與蛋白質自身性質和相互作用性質決定。蛋白質具有兩親性，可以在乳液界面存在，而多糖的親水基可以延伸到水相，液滴的聚集由于空間排斥的增加而受到阻礙[19]。李果[20]分別將殼聚糖與牛血清白蛋白溶解并在室溫下攪拌2 h，隨后比較了不同條件下多糖-蛋白復合物的乳化性能。研究發現，乳液的粒徑隨蛋白含量增加而減小；其中蛋白與多糖體積比為8∶1～1∶1、pH 3.0或pH 4.0時，所制備的乳液穩定性最好。

多糖與蛋白質共軛物在穩定油包水乳液中具有重要作用，多糖通過水相的增稠和凝膠行為賦予膠體穩定性，蛋白質可以在油-水界面吸附并形成黏彈層[21]。研究表明，多糖-蛋白共軛物的乳化性優于它們的混合物[22-23]。共軛物表面活性更高，可在更低的濃度下實現界面層飽和，且在不利條件下（高溫、低pH值），多糖在乳液液滴表面產生的空間斥力可防止蛋白質發生失穩現象[24]。Zhong Lei等[25]將燕麥分離蛋白與平菇β-葡聚糖以質量比1∶2在60 ℃、75.0%相對濕度條件下制備復合物，β-葡聚糖能在乳液表面形成空間排斥作用，促進液滴周圍形成穩定的膜，提高復合物的乳化活性。Sun Tao等[26]將燕麥β-葡聚糖溶解于蒸餾水中，分別加入谷氨酰胺、二肽、谷胱甘肽，在80 ℃回流反應40 h得到共軛物。燕麥β-葡聚糖由于引入疏水基團，乳化性得到改善，但三者乳化性有所不同，從大到小依次為β-葡聚糖-二肽共軛物＞β-葡聚糖-谷氨酰胺共軛物＞β-葡聚糖-谷胱甘肽共軛物；Chen Weijun等[27]用干熱法制備了乳清分離蛋白-阿拉伯膠復合物，其乳化性優于蛋白質和混合物。

化學方法引入其他基團可顯著改善多糖的乳化性，其中，多糖與蛋白質反應制備共軛物來穩定乳液被廣泛研究；但化學方法也存在化學試劑的毒性、包裹物質時可能影響物質的完整性、反應進程控制較難、對環境有一定的破壞等缺點。

1.3 生物方法

生物方法通常通過酶作用于多糖，常用的酶分為水解酶和氧化酶兩類；水解酶可水解多糖物質，降低其分子質量和乳液的界面張力；氧化酶可以使多糖分子產生鏈交聯，使乳液黏度和空間位阻增加，乳化穩定性得到改善。

李俊俊[28]采用多糖酶水解沙蒿多糖，水解后多糖可降低乳液的界面張力和Zeta-電位，有利于乳化進行，但當蛋白酶水解后，其乳化性降低明顯。Chen Haiming等[29]使用α-1,4-聚半乳糖醛酸酶、β-1,5-阿拉伯糖酶、α-1,4-半乳糖酶、阿魏酰酯酶等水解甜菜果膠，探討甜菜果膠中成分對乳化性的影響，研究發現，甜菜果膠中含有的阿魏酸和蛋白質可吸附于液滴的表面，降低表面張力；阿拉伯糖和半乳糖側鏈可將蛋白與阿魏酸與主鏈連接；而半乳糖醛酸、甲基和乙酰基在乳液穩定性方面發揮重要作用，半乳糖醛酸主鏈與中性糖側鏈可形成界面膜阻止液滴的聚集和融合，甲基和乙酰基可影響α-D-半乳糖醛酸向鈣離子的移動。Zhang Lu等[30]將果膠與H2O2及辣根過氧化物酶進行混合，于pH 6.5反應6 min后終止反應，并研究經過酶修飾后產物乳化性能的變化。結果表明，經過酶修飾，果膠中發生鏈交聯，分子質量和乳液黏度增加，其乳化穩定性得到改善。

生物方法具有反應條件溫和、高選擇性和專一性等特點，但其產率較低，且水解過程可能存在多個產物，需要進一步分離目標產物與不同產物。

2 多糖結構與乳化性的關系

2.1 分子質量對乳化性的影響

分子質量的大小與多糖來源、處理方式和結構有關，但多糖乳化性與分子質量的關系尚未明確，多糖分子質量的變化與溶液的黏度、界面活性和親疏水基團有關，乳化性隨溶液黏度的增加而改善，但黏度并不是影響乳化性的主要因素[31-32]。經過輻照、熱處理和水解酶處理，多糖的分子質量可由100 kDa以上降低至20～60 kDa[33-36]，可使多糖溶液的黏度增加，乳化效果更好；而氧化酶處理可以使多糖的分子質量先增大后減小，采用辣根過氧化物酶處理果膠時，分子質量最大可達1.86×106Da，之后由于溶解性的降低分子質量迅速減小[30]。分子質量增加可使多糖的空間位阻增加，阻止液滴的聚集和絮凝，乳化性得到改善[37]。而化學修飾對分子質量的影響分為兩部分，當烷基鏈較短、取代度較低時，多糖降解起主要作用，分子質量減小；當烷基鏈較長、取代度較高時，分子質量隨取代度增加而增大，取代度增加，多糖的疏水性增加，其乳液粒徑會有所減小，乳化性改善[38]。乙酰化修飾果膠時其分子質量隨取代度的增加呈現先減小后增大的趨勢，黏度隨取代度的增加呈先降低后增加的趨勢，乳化性均得到改善，乙酰化可改善多糖的疏水性；因此，取代度增加乳化性更好[3]。在多糖-蛋白復合物中，多糖的分子質量大于10.0 kDa才能有效地改善乳化性[39]。

2.2 構象對乳化性的影響

溶液構象是多糖結構研究領域的熱點問題之一，多糖分子鏈具有鏈構象，其形態特征包括多糖構象和分子鏈的柔韌性[40]。多糖的構象與其來源、鍵合方式、氫鍵、糖殘基、支化度和靜電斥力等因素有關[38]；其中，氫鍵等分子間和分子內相互作用力在多糖的構象中起決定性的作用，多糖已知的構象有單螺旋、雙螺旋、三股螺旋、無規卷曲、團聚體、棒狀、蠕蟲狀等[41]。

多糖的降解、修飾均可對多糖的構象產生影響，構象的變化影響親疏水基團的存在狀態、電荷變化影響多糖的乳化性[8]，但多糖乳化性的構效關系尚不明確[42]。研究發現，蠕蟲狀鏈較球狀鏈具有更多的電荷，能夠產生更大的空間位阻和斥力，具有更好的乳化性[43]。在比較不同提取方法制備的大豆種皮多糖乳化性時發現，球狀體結構的乳化性優于鏈狀結構[44]，這與其粒徑、網狀結構的致密程度、空間位阻、黏度等因素有關。多糖接枝反應能夠改變四級結構的柔順性，從而影響乳化性。輻照處理時，隨劑量增加，多糖鏈的降解主要發生在支鏈，多糖由于其取代基龐大，無螺旋結構在降解后轉為螺旋結構，分子質量更小的多糖形成隨機螺旋構象，黏度隨之增加，乳化性改善[45]。乙酰化程度和產物旋轉半徑增加，構象變得更加緊密，乳液粒徑和表面張力降低，黏度增加，乳化性提高[3]。在修飾果膠時發現，烷基鏈和取代度較低時能夠形成隨機螺旋結構，取代度和鏈長較長時呈球形構象[38]。但李俊俊[28]研究發現分子構象對沙蒿多糖的乳化性影響不大。綜上，不同修飾方法對多糖構象的影響見表1。

表1 不同修飾方法對多糖構象的影響Table 1 Effects of modification methods on the conformation of polysaccharides

3 多糖乳化性在食品中的應用

基于修飾后多糖乳化性得到顯著改善，可將其應用到飲料、焙烤食品、肉制品和果醬中，增加產品的黏度和穩定性，改善產品的質構，提高食品的品質。

3.1 在飲料食品中的應用

多糖與OSA發生酯化反應后，二者的結合物具有良好的乳化性，劉倩茹[55]分別將OSA-SSPS、SSPS與脫脂奶粉在水中混合并調pH值至3.6～4.6，經均質處理得到酸性蛋白飲料。其中，經OSA-SSPS穩定的飲料液滴分布均勻，穩定性更好。趙如霞[56]將制備的OSA-SSPS進行分級處理得到多糖、低分子質量OSA-SSPS和高分子質量OSA-SSPS，比較SSPS和高分子質量OSA-SSPS對酸性蛋白飲料的穩定效果，結果表明高分子質量OSA-SSPS可形成更大的空間位阻與靜電斥力，抑制蛋白的聚集，提高酸性蛋白飲料的穩定性。

3.2 在焙烤食品中的應用

王曉艷等[57]比較了預糊化淀粉、羥丙基二淀粉磷酸酯和乙酰化二淀粉磷酸酯對面包質構的影響，結果發現所有面包比容均增加，外形更加蓬松，且修飾后的淀粉也可降低冷凍對面包的影響。邢明[58]將燕麥淀粉水解后得到不同葡萄糖當量的淀粉用來制備重油蛋糕，所制備的低脂蛋糕與傳統蛋糕相比，質量損失增加，比容和硬度降低，持水能力、黏附性和彈性增加，咀嚼性和回復性得到改善。

3.3 在肉制品中的應用

Liu Rui等[59]比較了水解前后燕麥β-葡聚糖對低脂肉丸品質的影響，添加相對含量0.6%水解后的燕麥β-葡聚糖的肉丸質地更加光滑，硬度降低，保水能力增加，質構得到改善。辛烯基琥珀酸淀粉酯可用于雞肉灌腸中，且不同來源的淀粉也有一定區別，早秈米變性淀粉形成的灌腸制品結構更加緊密，咀嚼性、黏聚性和彈性要優于木薯淀粉制作的灌腸制品[60]。李玉瓊[61]通過加入相對含量為2%的蕓豆蛋白糖基化產物制備香腸，結果發現添加糖基化產物使香腸具有良好的乳化性和持水性，提高了香腸的得率，硬度、彈性均得到改善，結構更加緊密。

4 結 語

目前，關于多糖乳化性的相關研究仍存在以下問題：1）缺少綠色、高效、產業化可行的多糖乳化性改善方法。高壓、輻照等方法設備昂貴；乙酰化、硫酸化修飾等方法不易產業化生產且易導致環境污染；酶處理法專一性強，但成本較高。2）乳化性改善的構效關系還不夠系統和深入。目前研究發現多糖分子質量大于10 kDa時，所形成復合物的乳化性更好，但仍缺少其他方法修飾后乳化性與分子質量關系的研究；構象研究方面，發現蠕蟲狀鏈較球狀鏈具有更好的乳化性，球狀結構優于鏈狀結構，也有研究發現分子構象對乳化性影響不大；因此，多糖乳化性的具體構效關系尚不明確，仍需深入研究。3）多糖的應用范圍有待擴大。目前有關多糖的應用主要包括OSA修飾后多糖在蛋白飲料中的應用、乙酰化修飾后多糖在面包中的應用、多糖與蛋白相互作用后在香腸中的應用，但其他修飾改性后多糖的應用研究仍然較少。

針對上述問題，今后研究應重點包括3 個方面：1）開展物理-生物方法協同作用對多糖乳化性的影響。比較微波、超聲等與不同種類酶協同作用對多糖乳化性的影響，并開展中試實驗，建立產業化可行的多糖乳化性改善新技術。2）開展加工過程對多糖結構和乳化性的改善機制研究。研究單糖組成、糖苷鍵連接方式對一級結構和一級空間構象對多糖乳化性的影響機理，以及溫度、pH值等加工條件和超聲、微波、加工過程對多糖結構的影響。3）進一步拓寬具有乳化活性多糖的應用領域，提升產品品質。基于多糖良好的生物活性和功能特性，將其作為脂肪替代品改善肉制品品質，還可將其添加到焙烤食品、乳制品中改善口感和穩定性。而多糖作為食品壁材對實現營養成分的轉運和吸收也有待研究。