一、研究背景與研究意義

研究背景：衆所周知，泡沫廣泛應用于我們的日常生活中的各個領域，包括食品工業、制藥、洗滌劑、化妝品和超輕材料等。泡沫是常見的多相分散體類型之一，由氣體（分散相）在液體或固體（連續相）中分散而構成，它可以提供一系列獨特的結構、質地和外觀。從結構的角度來看，泡沫的機械性能及其輕質和大比表面積導緻其熱力學不穩定，這涉及到液膜排水、歧化和聚結，這些機制的綜合作用決定了泡沫的壽命（泡沫穩定性）。因此，為了維持泡沫體系的長久穩定，通常通過添加穩定劑和施加高機械能的方式來實現。在實際食品加工中，常常使用大分子蛋白質和小分子表面活性劑作為泡沫的穩定劑，如大豆蛋白、乳清蛋白以及司盤80、吐溫20等。為了提高生産效率，這兩種表面活性劑通常作為複合物用于泡沫的制備。随着現代食品加工業的發展，消費者越來越關注食品及其成分的天然、營養和健康特性，一些常用的表面活性劑，特别是吐溫20等小分子表面活性劑，已不能适應現代食品加工業的發展。因此，功能性食品泡沫的創制吸引了衆多食品科學家的關注。

研究意義：最近，泡沫的研究重點已從使用無機材料轉向使用生物來源材料（尤其是可食用材料）以進行穩定化。這種轉變的動機是由于無機材料在食品和生物醫學應用中的不相容性，以及它們較差的可持續性。因此，總結了近年來食品級材料穩定泡沫的研究進展。首先，我們回顧了泡沫的失穩機制，讨論了影響泡沫穩定性的因素，重點介紹了不同天然材料穩定的泡沫體系，最終為氣/水界面的表征提供了全面的參考。其次，了解泡沫體系由淺到深的穩定機理，有助于我們分析實驗結果，掌握可靠的結論。最後，基于這些研究，天然材料可以更好地用于為各種應用設計綠色、高效和多功能的系統。

二、成果介紹

2.1 泡沫失穩機理

泡沫是一個複雜的體系，其自由能會自發地降低，最終趨于坍塌、破裂。由于純淨的液體難以形成穩定的泡沫，因此，制造和穩定泡沫需表面活性物質的存在。通過攪拌或鼓吹含有表面活性物質的溶液，将氣體引入到液體中，形成由液膜隔開的氣泡，。在理想情況下，大小相等的氣泡是十二面體形狀，且被薄液膜隔開，三個相鄰的液膜相交形成邊界（“Plateau通道”）。根據複雜的泡沫結構，導緻其不穩定的因素可分為以下幾種：液膜排水、氣泡聚合、氣泡歧化。

圖1（A）泡沫顯微鏡圖片；（B）薄膜相交形成Plateau邊界；（C）液體層，膏狀層和泡沫層示意圖

2.2 影響泡沫穩定性的因素

泡沫穩定性通常用泡沫的半衰期（t1/2）表示，即泡沫的體積/高度下降到初始體積/高度的一半所需的時間。從微觀尺度的角度來看，泡沫體系宏觀穩定性和界面液膜性能、連續相性質等之間有着不可分割的關系。因此，影響泡沫穩定性的因素可歸納為以下幾種：表面張力(γ)、表面粘度、連續相粘度、表面張力“修複效應”、表面相互作用及泡沫中氣體擴散。

圖2 不同尺寸氣泡之間氣體的擴散

2.3 基于生物材料的泡沫系統

2.3.1 蛋白質穩定的泡沫系統

大多數蛋白質除了它們的營養特性之外，還具有良好的表面活性，因此能提供出色的發泡能力，其特征在于它們能夠:（1）從體相向氣/液界面相擴散；（2）吸附在氣/液界面，降低表面張力；（3）蛋白分子去折疊、重新排列後形成粘彈性界面膜，進而減緩泡沫體系的液膜排水、聚合和歧化。蛋白質的起泡能力由多種因素決定，例如内部性質（即分子大小、結構、疏水性和表面電位等）和外部因素（即pH、溫度和離子強度等）。通常，無序、小尺寸和柔性的蛋白質比有序、剛性和大尺寸的蛋白質能更快速地降低表面張力，因此具備更好的起泡能力。研究表明，許多蛋白質的起泡性在其等電點（IEP）附近顯著提高，降低表面電荷（pH，IEP或高離子強度）可以使蛋白質在氣/液界面上快速吸附，最終緻使泡沫在短時間内形成。然而，如果需要保持泡沫體系的長期穩定，則需要形成具備一定粘彈性的界面膜。

2.3.2 蛋白質/多糖複合物穩定泡沫體系

盡管蛋白質是食品工業中常用的生物發泡劑，但是某些蛋白質在起泡性或泡沫穩定性方面有不同程度的缺陷，不能滿足食品工業日益嚴格的要求。例如，與許多動物來源的蛋白質相反，大多數植物蛋白質疏水性較強，這使得植物蛋白具有更好的空間屏障效應。然而，蛋白質具有親水和疏水成分是作為合适穩定劑的前提，有些植物蛋白可能過于疏水，缺乏親水性的結構域，因而不能形成良好穩定的氣/液界面。蛋白質的泡沫特性也可以通過與多糖結合來改善。對于蛋白質/多糖複合物，兩者的結合可能對表面活性有協同作用：疏水性蛋白質主要錨定在空氣相中，而親水性多糖留在水相中以提供靜電排斥和空間位阻。此外，向蛋白質穩定的泡沫體系中添加多糖分子也可以通過改變連續相的性質來提升泡沫的穩定性。

2.3.3 蛋白質/多酚複合物穩定泡沫體系

蛋白質和多酚的結合在食品中非常普遍，并且很多研究已經提出了蛋白質和多酚之間的結合機制類型。多酚具有多齒結構，能夠通過不同位置的基團與蛋白質分子結合。酚類化合物由于其分子特性，能夠在較寬的pH範圍内引起蛋白質結構的變化。由β-乳球蛋白（β-lg）或酪蛋白與多酚制備的納米顆粒尺寸處于30～90 nm之間，這可以用于穩定泡沫。同樣，(+)兒茶素可以使β-lg基泡沫體系的穩定性提高。由于蛋白質和多酚種類繁多，以至于迄今還沒有完全成熟的理論來解釋蛋白質/多酚複合物穩定空氣/水界面的對應關系，這也與該領域缺乏研究有關。多酚有廣泛的營養健康益處，當多酚固定在界面上時，它們的生物學特性可以盡可能地被保留。因此，蛋白質/多酚複合物界面穩定機制的研究對于功能性食品的發展将具有重要的指導意義。

2.3.4 蛋白質/多酚/多糖複合物穩定泡沫體系

在食品體系中應用由蛋白質、多糖和多酚多組分組成的複合物可将其功能特性成功引入到食品産品中。最近，研究人員提出了使用蛋白質/多酚/多糖制備複合物作為乳化劑的方法。通過堿處理和美拉德反應制備了乳鐵蛋白、聚葡萄糖和綠原酸的三元複合物，結果表明，三元複合物具備出色的乳化性及乳化穩定性，可有效抑止油相中β-胡蘿蔔素的氧化。然而，由于蛋白質/多酚/多糖複合物分子結構以及功能屬性的複雜性，并且泡沫體系相對于乳液體系的難穩定性，迄今為很少有探究有關蛋白質/多酚/多糖複合物穩定的氣/液界面。在我們最近的研究中，制備了酪蛋白酸鈉/單甯酸/辛烯基琥珀酸澱粉複合物作為穩定氣/水界面的活性成分。雖然這部分研究很少受到學者們的關注，但多酚、蛋白質和多糖之間産生的複合物仍然是改善食品基質和泡沫特性的重要選擇。

圖3 蛋白質、多糖和多酚相互作用的可能機制

2.4 氣/液界面表征方法

2.4.1 動态界面張力測量

界面張力或表面壓力的測量是研究表面活性成分在界面上吸附廣泛使用的技術之一。總的來說，界面張力的測定方法包括以下幾種：Langmuir法、Wilhelmy平闆法和Du Noüy環法等。此外，依賴于Young-Laplace方程的懸滴法也經常用于表面活性成分吸附的研究。

圖4 可用于确定界面張力的各種實驗方法

2.4.2 界面流變學

目前，研究表面活性成分在界面上吸附行為以及流變性質最常用的方法是界面流變學。通過測量界面膜對形變的響應，考察表面活性成分的界面響應行為以及流變性質。根據不同的變形模式，界面流變學主要分為擴張流變和剪切流變兩種類型。

圖5 界面的剪切和擴張變形示意圖

2.4.3 非線性界面流變學

由于對兩相界面模型化，現在對界面流變性質的研究大多數處于變形區，也稱為“線性粘彈性區”，即應力對應變具有線性變化規律。然而，在實際生産過程中，泡沫往往處于非平衡狀态，會經曆高應變和大變形過程。在這種情況下，界面的應力随應變的變化高度非線性。非線性響應是由施加的流場引起的界面結構變化的結果。因此，非線性流變學的研究更能真實地理解界面結構與宏觀性質之間的關聯性。

圖6 典型的利薩茹曲線

2.4.4 界面微流變學

近年來，在微觀水平上研究和表征複雜流體結構和動力學的技術發展取得了重大進展，這些動态實驗技術被稱為“微流變學”。微流變學是一門新興技術，它有可能克服體流變學的某些局限性。通過使用嵌入複雜流體中的示蹤粒子以非侵入方式探測微米級的空間機械特性；通過使用現代高分辨率顯微鏡記錄粒子的運動與所産生的形變相關信息，并根據周圍介質的局部粘彈性對它們的運動進行定量分析。示蹤粒子位移對局部粘性和彈性力以及粒子和網絡之間的化學和空間相互作用十分敏感。微流變技術通常根據施力的方式不同分為兩大類型：主動技術和被動技術。前者要求通過外力操縱粒子，後者基于嵌入粒子的熱波動。被動技術通常适用于測量低粘度樣品，而主動技術可以将測量範圍擴展到含有大量彈性物質的樣品。

圖7 探針粒子在磁場中運動原理

三、研究結論及展望

本綜述讨論了食品級材料在泡沫中應用領域的動态發展和未來趨勢。從不同泡沫性質的角度，如液膜、氣/水界面、聚結和泡沫排出等，讨論了起泡性和泡沫穩定性問題。液膜排水、聚結和歧化是控制泡沫壽命的三個主要因素。然而，這三個因素的共同影響和相互作用使得研究泡沫穩定性非常困難。對泡沫薄膜、高原邊界、表面壓力的穩定和不穩定機制的研究仍然缺少量化，仍然存在幾個關鍵挑戰有待解決。首要的也是最重要的挑戰涉及建立氣/水界面和液膜特性評估與泡沫形成之間的關系。盡管研究尚未能夠實現直接揭示，但将多種表征技術結合到一個平台使解析泡沫結構-功能之間的關系成為可能。迄今為止完成的研究的廣度和深度表明，使用蛋白質、多糖和多酚可以制備多功能性材料，這些材料的使用為綠色、健康、可持續發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），食品科學與工程流動站博士後，77779193永利官网食品科技學院

通訊作者：李斌（libinfood@mail.hzau.edu.cn），二級崗教授、博士生導師，77779193永利官网研究生院常務副院長

原文鍊接

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

審核人：李斌

編輯：王丹娟