植物源納米纖維對食品乳狀液穩定性的影響

孫哲浩 李巧玲

(河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018)

食品乳狀液是指將兩種互不相溶的液體通過特定的乳化技術制成的均一體系，且在一定的貯藏期內不會發生分層及聚集等現象，其中乳化劑可以降低油水界面張力，使油與水形成乳狀液并趨于穩定。

纖維素是世界上最豐富的生物質資源，可以來源于植物、動物以及微生物，其中植物來源的纖維素在自然界中廣泛存在，其與半纖維素、木質素一同構成植物細胞壁的結構性材料。植物纖維素在食品加工過程中多存在于末端，一般是加工其他產品的下腳料，用于飼料或返回到土壤中。近年來由于資源的短缺，纖維素受到了人們的廣泛關注。然而，天然存在的纖維素在食品所需的功能特性上還有所欠缺，近年來由于技術的進步，人們開始探討一些改性技術以賦予纖維素一些功能特性，從而擴大纖維素在食品工業中的應用。納米技術應用至纖維素中賦予了纖維素一些獨特的性質，其中乳化穩定能力是其重要的特性之一。植物納米纖維分為納米晶體纖維及微纖化納米纖維，納米晶體纖維主要通過酸水解而來，微纖化納米纖維主要通過機械力作用，再輔以一些前處理如Tempo氧化及酶解等進行制備。兩種類型纖維均能夠穩定乳狀液，尤其作為固體顆粒穩定食品Pickering乳狀液。納米纖維可以單獨作為乳化穩定劑或與蛋白質交互作用，緊密排列在乳狀液液滴表面，通過立體阻隔作用或靜電排斥作用或純粹的機械屏障(固體顆粒)防止乳狀液液滴聚集，也可與蛋白質形成多層結構穩定乳狀液。文章擬闡述植物來源納米纖維的制備及特性，分析納米纖維對食品乳狀液穩定性的影響，并對其制備與改性技術的研究方向進行展望，旨在為植物源納米纖維在乳狀液類食品中的廣泛應用提供技術基礎。

1 植物來源納米纖維的制備

植物來源纖維素十分廣泛，可以從禾本科植物、豆科植物、果蔬或木材中獲得。其分子鏈是由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4糖苷鍵連接而成的線性高分子，葡萄糖的C1位上的—CHO和C5位上的—OH形成半縮醛吡喃環結構。吡喃環上有3個裸露的—OH，分別位于2、3、6位的3個碳原子，其酸性順序為C2>C3>C6；C6位上的羥基酯化速度比其他兩個位置上的快10倍；C2位上的羥基醚化反應速度比C3位上的快2倍；這些—OH具備的反應性為纖維素的改性提供了可能性。同時由于游離—OH的存在，纖維素分子通過鏈內和鏈間氫鍵的作用形成纖維素的結晶結構，包含結晶區、介晶區以及無定型區。無定型區內的纖維素分子之間以及結晶區的表面是吸附水的主要區域，分子鏈上的非極性氫鍵是纖維素能夠水合的主要原因，纖維素經吸水后膨脹，分子鏈間距增大，為后續的改性提供了可能性[1-2]。

纖維素的制備及改性通常能耗高且可能產生化學污染，因此需對其相應方法的先進性進行評判，一般依據3個原則：獲得改性纖維素的質量、預處理方法的先進性以及工業化的潛在的可能性[3]。植物來源納米纖維的制備一般有兩個方向：① 通過酸水解，將纖維素無定型區去除，變為結晶度更高的纖維素，獲得的產品為納米晶體纖維，這類型產品一般直徑為幾納米到幾十納米，長度<350 nm；② 通過機械力作用盡量打開纖維的結晶區，使更多的基團暴露出來，增強水合及反應性，獲得的產品為微纖化納米纖維，其直徑為納米級，而長度為微米級[4-6]。從減少能耗和環保角度出發，納米纖維的制備一般會通過物理、化學及生物相結合的方法進行制備，其制備路線圖如圖1所示。

圖1 納米纖維的制備路線

納米晶體纖維的制備工藝較簡單，通過酸的水解使纖維的無定型區去掉，制備的產品性質與酸的類型、濃度及反應時間有關，通常使用的酸為H2SO4或HCl，但也有使用有機酸的報道。納米晶體纖維一般為桿狀或針狀[7-15]。

微纖化納米纖維的制備一般通過機械力的作用，打開纖維素的結晶結構，其制備過程中的能耗比較高。為減少力學處理過程的能耗，一些預處理方法如酶切、TEMPO氧化等已被應用至其制備過程中，這些預處理的方式同時也賦予了微纖化納米纖維一些獨特的功能特性[16-17]。Khadija等[18]研究了桉木漿經TEMPO氧化以及羧甲基化后，再利用雙螺桿擠壓制造納米纖維素，表明預處理會導致纖維素膨脹，減弱鏈內氫鍵，有利于纖維素變為納米微纖絲。預處理也會增加納米微纖絲的拉伸強度及堅韌度。與其他的機械力方法相比，雙螺桿擠壓是一種能耗較低的生產納米微纖絲的方法。纖維素在經機械力處理后，鏈間和鏈內部分氫鍵斷裂，纖維素的部分結晶結構被打開，一般會加入一些生物高分子，并與纖維素打開的單鏈發生相互作用，從而防止后期干燥過程導致的重新結晶或聚集。Deepa等[19]研究了添加CMC-Na對微纖化云杉纖維的流變及結構特性的影響，由于CMC-Na的加入，增加了微纖化纖維的黏度及干燥后其在水中的重新分散性。這可能是由于CMC-Na的帶電性質，及其與微纖化纖維作用，使打開的分子鏈不能夠重新聚集，從而改善了納米纖維的分散性。

微纖化纖維的后期改性也可以制造性質獨特的纖維素。這些后期改性技術利用吡喃糖上游離—OH的反應性，通過接枝共聚，包含酯化、醚化及電解質吸附等，使纖維素的親水性減弱，親油性加強，以制備不同內相比的乳狀液，同時后期的改性處理也使纖維凝膠性能得以加強。一般纖維素達到納米級時，會具有高強度和高硬度、長徑比大、比表面積大、熱穩定性強、密度低等特點。納米纖維水吸收能力強，在水溶液中具有良好的流變性質。這些特點有利于其吸附或纏繞在乳狀液液滴表面，防止液滴聚集，從而穩定乳狀液。圖2總結了植物納米纖維的特性，由于這些特性，使其在食品工業中有良好的應用前景。

2 納米纖維對食品乳狀液穩定性的影響

許多食品以乳狀液的形式存在，賦予了食品一定的外觀、質構、風味、滋味和口感。乳狀液是熱力學不穩定體系，在運輸和貯藏過程中會發生分層及聚集，導致油水分離，因此需要在體系中加入乳化劑或固體顆粒，降低乳狀液滴的表面張力，從而使其穩定。其中，通過固體顆粒穩定的乳狀液——Pickering乳狀液受到了人們的關注，與常規的乳化劑穩定機理不同，Pickering乳狀液是通過固體顆粒在水相和油相的部分潤濕性，強烈地吸附并緊密排列在液滴表面，通過空間排斥作用實現乳狀液的穩定，因此尋找合適的材料滿足固體顆粒的性質，同時又能夠滿足食品安全的要求是目前食品乳狀液研究的焦點[20-22]。植物來源纖維作為固體顆粒有其自身的優勢，如自然界中含量豐富、植物基的、可降解、生物相容性以及低成本，因此有眾多的研究報道了植物基的納米纖維在乳狀液中的應用[23-25]。

圖2 植物納米纖維的特性

2.1 植物納米纖維穩定乳狀液的機理

2.1.1 植物納米纖維在油水界面上的特性 納米纖維能夠在乳狀液制備中快速吸附到油—水界面上，降低界面的自由能，是生物固體顆粒的良好材料。通常固體顆粒接近角θ反映了其在水相和油相的潤濕性，當θ<90°時，形成水包油型乳狀液，當θ>90°時，形成油包水型乳狀液。納米纖維因為含有大量的—OH，因此是更加親水的，其θ值一般小于90°，通常形成O/W型乳狀液。納米纖維能夠在水相和油相部分潤濕，但更多的是親水的，能夠緊密排列在乳狀液液滴表面，形成O/W型乳狀液，通過立體排斥作用防止液滴的聚集，另外多數的納米纖維素在制備過程中，帶有硫酸基和羧基，使納米纖維素帶有大量的負電荷，因此又可以通過靜電排斥作用，防止液滴的聚集，從而穩定乳狀液[26-28]。

(1) 油的濃度與納米晶體纖維添加量的比例均影響乳狀液的穩定性，過多的納米晶體纖維的添加會帶來乳狀液的不穩定性。Aureliano等[29-30]研究了由納米晶體纖維穩定的Pickering乳狀液的穩定性，納米晶體纖維由酸水解而來，然后透析并經超聲波處理，因超聲波的機械力作用使油滴分散成更小的油滴，納米晶體纖維能夠通過立體阻隔作用和靜電排斥作用穩定形成的O/W型乳狀液。0.5%的納米晶體纖維添加在2.5%，5.0%，7.5%的油含量下都表現出良好的穩定性。

(2) 不同的納米纖維形狀產生了不同的穩定性。通常由納米晶體纖維形成的乳狀液液滴要小于由微纖化納米纖維形成的液滴，納米晶體纖維由于高度的結晶結構，能夠致密地排列在液滴表面，微纖化納米纖維因含有無定型區，這些松散的纖維素鏈可以纏繞在液滴的周圍，防止液滴聚集。在液滴表面，長徑比大的桿狀固體顆粒比球形的固體顆粒更能致密穩定地排列在液滴表面，所需的解吸能更大，納米纖維素的顆粒尺寸滿足這一條件，因此較一般的球形顆粒具有更好的乳化穩定性。

(3) 顆粒表面的電荷密度影響了納米纖維對乳狀液的影響。當ξ電位高于30 mV時，由于在界面上的靜電排斥作用可以形成穩定的乳狀液，因此一般纖維素都需進行表面改性接入更多的離子基團，如硫酸基、羧基以及磷酸根，從而改善納米纖維的帶電性質。但硫酸基的引入減弱了纖維的結晶結構，從而導致纖維的熱穩定性降低。

2.1.2 植物納米纖維改善了連續相的流變特性 納米纖維能夠改善連續相的黏度，同時可以形成架橋作用，減弱液滴的布朗運動，從而穩定乳狀液。Ellinor等[31]發現納米纖維可以改善蛋黃醬的流變特性，從而穩定蛋黃醬乳狀液。當蛋黃醬體系中油含量從79%降低至70%時，蛋黃醬的黏度和貯能模量降低，導致液滴的聚結，使體系變得不穩定。通過在體系中添加0.42%的納米纖維，可以彌補因油脂降低帶來的體系流變特性的劣變，這可能是由于納米纖維可以在連續相中形成一定的網絡結構加之與液滴的相互作用，提高了體系的黏度及貯能模量，從而穩定了蛋黃醬乳狀液。

2.2 不同改性方法生產的納米纖維對食品乳狀液的影響

通過不同的改性方法改善納米纖維的親水、親油及機械障礙能力，可以使乳狀液更加穩定。一般經Tempo氧化后，納米纖維表面帶有較多的負電荷。而經酶處理及機械力處理的納米纖維帶電荷量要少很多，因此導致該制造路線的產品在乳狀液中的表現也不同。Lu等[32]研究了水磨纖維的性質及其對Pickering乳狀液的影響，將微晶纖維素水磨15 h后，纖維素的溶解性增強，研磨后的纖維素長度為(855±215) nm～4 μm，由其制得的Pickering乳狀液能夠在0.1 mol/L離子強度下及廣泛的pH值條件下(pH 3～9)保持乳狀液的穩定。這是由于研磨的作用，微晶纖維素的晶體結構被打開，暴露出更多的羥基，靜電排斥作用加強防止了顆粒的聚集，同時由于纖維素分子的長鏈特性纏繞在顆粒的表面也可防止聚集；另外當纖維素的添加量足夠多時，一些未在界面吸附的纖維素分子溶解在水溶液中，通過形成弱的凝膠結構，阻止了乳狀液液滴的聚集，有利于乳狀液的穩定。將經高壓均質處理后的柑橘纖維應用至酸奶中，與常規的淀粉—果膠體系相比，添加均質的柑橘纖維在酸奶二次均質過程中，其黏度降低較小，表現出良好的保水性，酸奶乳狀液體系在30 d內保持穩定，且優于常規的穩定體系。

在制備高內相比(>40%)乳狀液時，可以通過對納米纖維素的親水—親油性進行校正，常用的方法是通過接枝共聚，將一些親脂的基團引入至纖維素中，以使納米纖維素達到親水—親油的平衡，形成不同內相比的乳狀液。Hoang[33]通過辛烯基琥珀酸酐(OSA)改性納米晶體纖維，由于OSA的引入，納米晶體纖維素的疏水性得到提高，θ從56.0°增加至80.2°，改性后的納米纖維素能夠在一定的pH值及離子強度下形成穩定的Pickering乳狀液，但當pH<4時，Pickering乳狀液呈凝膠狀；當離子強度>0.02 mol/L時，乳狀液開始變得不穩定，可能是體系的高離子強度削弱了納米晶體靜電排斥作用，范德華力作用增強，導致了乳狀液的絮凝。低內相比的Pickering乳狀液可以用來包埋生物活性物質，進行靶向輸送，開發一些足夠穩定的乳狀液作為包埋生物活性物質的載體是目前的研究熱點之一[34-37]。生物質顆粒研究主要集中于蛋白質和淀粉方面，但蛋白質與淀粉顆粒對于人體胃腸內的酶的耐受性較差，而纖維素對于人體胃腸內酶類具有一定的耐受性受到了人們的關注，但還是存在不穩定性，因此需要更細小的顆粒來穩定乳狀液，納米纖維包裹在液滴表面形成黏彈性的結構，這種結構可以進行微膠囊包埋脂溶性維生素、風味物質、不飽和脂肪酸等活性成分，以達到延遲脂質消化、風味物質保持等目的，因此其在飲料、保健食品的開發中具有廣闊的應用前景。

2.3 通過與蛋白質的交互作用穩定食品乳狀液

在復雜的食品體系中，一般是多種成分并存的。從親水親油性質方面，蛋白質是偏向于親油的，多存在于油的一端，而納米纖維素是偏向于親水的，多存在于水相一端，因此蛋白質與納米纖維通過交互作用可以形成既親油又親水的生物高分子，達到親水與親油的平衡，校正納米纖維在界面上的潤濕性，從而穩定不同內相比及不同極性油相乳狀液。納米纖維素與蛋白質可以形成3種界面結構，即復合體(composite)、復雜的團聚體(complex coacervates)和多層結構乳狀液(multilayer emulsions)[38-39]。

Pind’áková等[40]研究了酪酛酸鈉與納米晶體纖維在界面上的相互作用，pH值、添加順序影響了兩種穩定劑在界面上的相互作用，當pH為7時，納米晶體纖維素平衡了酪酛酸鈉在界面上的吸附；當pH為3時，同時添加酪酛酸鈉和納米晶體纖維比單獨順序添加酪酛酸鈉和納米晶體纖維素表現出更好的穩定性，說明兩種分子產生了協同增效作用，當pH為3，低于酪酛酸鈉的等電點時，帶正電荷，帶負電荷的納米晶體纖維可與其發生靜電交互作用，形成絡合體，從而穩定乳狀液。在乳狀液制備過程中，若先加入酪酛酸鈉后加入納米晶體纖維素，可以形成多層的乳狀液穩定結構。因此通過蛋白質和納米纖維的作用可以部分替代小分子乳化劑的功能。

3 總結

食品乳狀液尤其Pickering乳狀液研究是目前食品研究的熱點之一，高內相比的乳狀液用于食品結構構建，低內相比乳狀液用作微膠囊包埋生物活性成分，其中尋找能夠符合食品要求的固體顆粒是最重要的。納米纖維由于其結構特性及改性后所具備的功能特性符合固體顆粒的要求，必將具有廣闊的應用前景，但制備及改性技術仍需深入探究，尋找一整套耗能低及環境污染少的方法仍是食品研究者們未來的主攻方向，納米纖維穩定乳狀液的機理也仍需進行更加深入的探討。