Pickering乳液穩定機理及其在食品中的應用研究進展

吳昱春，陳小草，張 琦，丁玉庭,2，周緒霞,2,

（1.浙江工業大學食品科學與工程學院，浙江 杭州 310014；2.國家遠洋水產品加工技術研發分中心（杭州），浙江 杭州 310014）

乳液是由水、油和乳化劑形成的熱不穩定體系，廣泛存在于工業化生產和日常生活中。由于乳液具有應用方便、感官性質優良等特性，常被用于食品工業中。乳化劑因具有乳化、穩定和增溶等特性而在乳液體系的穩定中發揮重要作用。常用于制備O/W（水包油）型乳液的食品乳化劑通常可以分為天然高分子乳化劑和小分子表面活性劑兩大類[1]，在GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》中，高分子乳化劑種類較少，主要包括果膠、卡拉膠、辛烯基琥珀酸淀粉鈉、酪蛋白酸鈉等，而目前食品工業應用較多、需求較大的乳化劑大多屬于小分子乳化劑，如蔗糖酯、吐溫和司盤等。研究表明，小分子表面活性劑可能會對生物具有負面效應[2]，而且隨著人們食品安全意識的提高，對安全天然的食品材料和產品的需求也在日益增加。因此，科學家們正在尋找具有高效乳化效果的食品材料以代替傳統的乳化劑來構建更安全的乳化體系。Pickering乳液因具有不依賴傳統乳化劑的特點而引起人們的關注，并逐漸成為研究熱點。

Pickering乳液一般被定義為由固體顆粒充當乳化劑穩定的乳液[3]，或者由膠體顆粒穩定的乳液[4]，但實際上很多可以穩定乳液的顆粒并不是嚴格意義上的固體，其粒徑也不一定處于膠粒粒徑范圍（10-9～10-7m）內，因此也有文獻直接將其解釋為由顆粒穩定的乳液[5]。多糖和蛋白質是目前應用較多的食品級顆粒，且為了形成更穩定的乳液，通常需要對天然顆粒進行改性以增強其兩相潤濕性。本文在闡述Pickering乳液穩定機理的基礎上，重點對目前常用的食品級固體顆粒及其改性方法進行詳細論述，并對Pickering乳液在食品領域中的應用進行綜述。

1 Pickering乳液的穩定機理

傳統乳液的穩定可以通過小分子表面活性劑降低界面張力或兩親性大分子在降低界面張力的同時形成空間膜來實現。而Pickering乳液的穩定性是通過顆粒在兩相界面上的吸附形成機械屏障，改變顆粒間的空間位阻而實現的，是一個熱力學不可逆過程。顆粒作為Pickering乳液穩定劑的條件有3 個：1）顆粒能被兩相部分潤濕，但不溶于任何一相；2）顆粒能保持合適的部分潤濕性以獲得足夠的界面吸附效率；3）顆粒尺寸小于目標乳液液滴至少一個數量級[6]。由于對兩相親和性的差別，顆粒吸附在兩相界面時，浸入兩相中的體積不同，三相之間會形成一定角度，其中，顆粒與水相的接觸角被稱為三相接觸角（θ），常用來表示顆粒在兩相中的潤濕性。一般認為，如果θ小于90°，則顆粒浸入水相的部分更多，顆粒更親水，反之則更疏水（圖1）。吸附在界面上的顆粒會使兩相界面朝著對顆粒親和性差的那一相彎曲，所以當顆粒更親水時，體系傾向于形成O/W型乳液，更疏水時體系則傾向于形成W/O（油包水）型乳液。因此θ是反映顆粒乳化性的一個重要參數。θ接近90°的近中性潤濕性不僅利于顆粒在油-水界面上的吸附，還會產生空間位阻阻止油滴聚集[7]，所以一般認為θ越接近90°則顆粒乳化性越好。一些顆粒在油-水界面能夠發生形變，從而增加乳液穩定性，如桿狀的纖維素納米晶在兩相界面上能發生輕微的彎曲，使顆粒之間的結構發生重組，其形變過程中產生的毛細管力是導致Pickering乳液初期異常穩定的原因，也是高內相乳液能夠穩定的原因[8-9]。柔軟的球形微凝膠顆粒從溶液中遷移到油-水界面上時也可能發生結構變化而改變界面的張力和流變性質[10]。除了潤濕性和粒徑，顆粒的表面均勻性、形狀、表面電位等因素都會對其乳化性造成影響。

圖1 Pickering乳液中顆粒三相接觸角示意圖[6]Fig.1 Particles’ contact angle of Pickering emulsion[6]

Pickering乳液形成及穩定的復雜過程涉及多種作用力。Tsabet等[11]將乳化過程分為兩個步驟，即顆粒接近并接觸兩相界面和顆粒吸附到兩相界面并被固定。圖2為原子力顯微鏡測試中有探針懸臂彈力參與的情況下，顆粒接近界面和吸附過程中受到的作用力，圖3為顆粒在整個過程中所受吸附力和排斥力的變化。當油-水兩相界面形成時，游離于水相中的顆粒受到界面疏水作用吸引向油相靠近，在靠近兩相界面的過程中顆粒受到雙電層力、流體動力、水合作用力等排斥作用，但此時界面對顆粒的吸引大于排斥，顆粒仍向界面靠近。當兩者接觸時，界面迅速對顆粒產生初始吸附力，達到一定程度后吸附力減弱，并逐漸達到平衡狀態，此時的吸附力稱為最終吸附力。在乳液液滴形成并穩定之后的一段時間內，顆粒在兩相界面上的位置仍不斷改變，以達到最穩定的狀態，因此顆粒在界面上達到平衡狀態所需的時間（吸附時間）遠長于乳液液滴穩定的時間。

圖2 顆粒在接近界面和吸附過程中涉及的力[11]Fig.2 Forces involved in the approach of particles to the interface and in the adsorption process[11]

圖3 顆粒在接近液-液界面和吸附過程中的典型力變化[11]Fig.3 Typical force evolution during particle approach and adsorption at the interface[11]

2 食品級Pickering乳液穩定固體顆粒及其改性方法

目前用于制備Pickering乳液的天然食品級顆粒主要包括多糖和蛋白質兩大類。多糖中淀粉和纖維素最為常用，環糊精、海藻酸鹽、殼聚糖等也常見于各種研究，微晶纖維素及各種纖維素衍生物近年來也開始受到關注[12-13]。醇溶蛋白因可以自組裝成膠體顆粒而成為研究熱點，玉米胚芽蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白等也具有穩定Pickering乳液的潛力。

雖然一些天然顆粒無需改性就可以形成穩定的Pickering乳液[14]，但大多數天然顆粒更傾向于被水相浸濕而無法不可逆地吸附在油-水界面上并形成穩定乳液，它們通常需要通過改性來改善其兩相潤濕性。目前常用的改性方法主要包括酸解、酯化改性等化學改性方法，膠體磨、高壓均質等物理改性方法以及顆粒與其他物質的復合改性方法等。

2.1 化學改性方法

將疏水基團添加到親水顆粒上以削弱其過強的親水性是常見的化學改性方法，目前應用較多的是用辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）進行酯化改性[15-16]。OSA改性可以顯著提高淀粉顆粒的乳化能力，且OSA取代度不同時，產生的顆粒乳化能力也不同。OSA取代度適宜時可以形成顆粒穩定的O/W型Pickering乳液；OSA取代度進一步提高時，顆粒穩定W/O型乳液的能力提高；但過高的OSA取代度會導致顆粒的疏水性太強而失去穩定乳液的能力。Marefati等[17]利用OSA改性藜麥淀粉，陸蘭芳等[18]利用OSA改性小米淀粉成功穩定了O/W型乳液。淀粉顆粒表面的酯化反應會對顆粒表面造成一定的破損，提高顆粒表面的粗糙度，同時酯化反應只發生在淀粉的無定型區，因此淀粉顆粒的晶型不會變化，顆粒仍保持良好的完整性。OSA也可以用于蛋白質顆粒改性，Li Xiaomin等[7]利用OSA改性麥醇溶蛋白納米粒子穩定O/W型乳液，發現該納米粒子的接觸角隨著OSA含量的增加而增大，質量分數6% OSA修飾的蛋白粒子接觸角為87.6°，此時顆粒乳化性良好。

β-環糊精（beta-cyclodextrin，β-CD）可與十八烯基琥珀酸酐（octadecenylsuccinic anhydride，ODSA）進行酯化反應生成ODS-β-CD顆粒而改變兩相潤濕性。ODS-β-CD的形態結構、表面電荷密度、尺寸和接觸角均發生變化，表現出更強的乳化能力。由β-CD顆粒穩定的乳液在經過60 d的貯存后，其粒徑從最初的34.3 μm增加到83.9 μm，而由ODS-β-CD顆粒穩定的乳液液滴粒徑明顯小于同期貯存的β-CD液滴[19]。

通過酸解大顆粒淀粉減小顆粒粒度也是常用的化學改性方法之一，也是得到淀粉納米晶的方法之一。淀粉的無定形區域在酸解過程中被水解除去，而結晶部分則轉化為不同尺寸的淀粉晶體[20]。Saari等[15]對不同的淀粉酸解及OSA改性研究發現，大顆粒淀粉能夠被酸解成更小的顆粒，且小顆粒淀粉形成的乳液乳化率更高，其液滴尺寸也更小。酸解纖維素的作用與酸解淀粉相似。周敬陽等[21]利用硫酸酸解微晶纖維素得到納米微晶纖維素，纖維素粒徑隨著酸解時間的延長而減小，而乳化率逐漸增加，酸解3 h時得到的顆粒乳化效果最佳；但過度的酸解會破壞納米微晶纖維素的結構，從而降低纖維素的乳化效果。

2.2 物理改性方法

物理改性通常指利用機械方法，如高壓均質、球磨、超聲等對物質進行破碎以減小其顆粒尺寸，常用于淀粉和纖維素改性。介質研磨技術可以將纖維素的尺寸降至亞微米級別，且研磨過程中的機械剪切力破壞了纖維素內部高度有序的結晶結構，將大量親水基團從內部釋放出來，增強了顆粒的親水性[22]。天然纖維素無法穩定乳液，而用研磨纖維素制備的乳液具有良好的穩定性：研磨5 h纖維素穩定的乳液粒徑為57 μm，貯存一個月后變為67 μm；研磨15 h纖維素穩定的乳液粒徑則從42 μm增加到了45 μm[22]。適當延長研磨時間能夠產生更多小尺寸的顆粒，形成的乳液不僅液滴粒徑更小，穩定性也更高。機械作用同樣會破壞淀粉的結晶區域，產生的淀粉納米顆粒結晶度較低[23]。而反應擠壓技術會通過高溫糊化作用破壞淀粉晶體結構，以減小淀粉顆粒尺寸。與化學改性相比，物理改性不會產生污染性廢液，且操作簡單，但是其適用范圍較窄，納米晶體的得率低。

2.3 復合改性方法

2.3.1 直接復合改性

通過天然大分子聚合物或天然小分子物質對顆粒復合改性也可以改變顆粒的潤濕性。復合改性是指兩種及以上不同物質通過疏水相互作用、氫鍵、靜電相互作用等非共價作用相互結合，生成具有乳液穩定能力顆粒的方法。在基礎物質不變的情況下，僅通過調整食品級玉米醇溶蛋白與殼聚糖膠體粒子的比例就可以獲得具有不同表面潤濕性的顆粒，因此，復合顆粒能夠靈活地適應不同的兩相體系，具有較大的潛在應用價值。蛋白質與多糖的復合是最常見的復合模式[24]，其中以玉米醇溶蛋白為基礎物質的研究是一個熱點：多糖的親水性能夠有效改善蛋白質過強的疏水性，且荷電多糖具有較大的分子質量和較大的電荷密度，因此將蛋白質與多糖復合能有效增加顆粒的空間位阻或增強靜電作用，以此來改善界面穩定性[10]。

復合改性中以玉米醇溶蛋白為基礎物質的研究較多。玉米醇溶蛋白的強疏水性使其可以通過反溶劑法自組裝成納米顆粒，但這也意味著它不能直接用于制備穩定的O/W型Pickering乳液，往往需要同其他物質復合改性而增強其水相潤濕性。蛋白質和多糖的比例會影響復合顆粒的性質，過量的多糖會導致顆粒聚集，使粒徑增大甚至產生沉淀。單寧酸具有大量氫鍵，可以通過疏水相互作用和氫鍵與醇溶蛋白相互作用而明顯降低蛋白顆粒的疏水性，形成的顆粒能夠穩定內相體積分數達60%的O/W型乳液[25]。且復合顆粒的粒徑和網絡特性受pH值的影響，低pH值時玉米醇溶蛋白質子化程度和電荷密度增加使靜電斥力增大，降低了蛋白質聚集程度，從而使復合顆粒粒徑減小[26]。在酸性條件下，玉米醇溶蛋白的羰基與單寧酸羥基之間的氫鍵起主導作用，通過增加顆粒表面羥基而降低其疏水性。在不同pH值下單寧酸會表現出不同的質子化、中性、離子化狀態，所以通過調節pH值可以改變單寧酸與大分子的氫鍵作用。在相同的蛋白/單寧酸比例下，pH 5.0條件下制備的復合顆粒粒徑明顯小于在pH 3.0和pH 7.0下制備的顆粒，前者的乳化率也明顯優于后兩者[27]。玉米纖維膠可以通過靜電相互作用與玉米醇溶蛋白結合而顯著減小乳液粒徑[28]。玉米醇溶蛋白-玉米纖維膠復合顆粒能夠在油-水界面均勻吸附，并在界面處形成致密的填充層，在穩定乳液的同時更有助于乳液液滴形成凝膠網絡結構。阿拉伯樹膠也可以通過靜電作用和疏水相互作用吸附在玉米醇溶蛋白上形成具有核-殼結構的復合顆粒（zein/gum Arabic complex nanoparticles，ZGAPs），該顆粒的潤濕性在合適的蛋白/膠配比例下接近中性，在環境pH值變化時具有良好的穩定性[29]。ZGAPs在油滴表面形成的密集粒子層能夠阻止乳液聚結和奧氏成熟，而當油相體積達到較高的水平時，體系中生成的彈性凝膠網絡可以促進乳液的穩定，且30 d后其仍能保持較好的穩定性[30]。

Xie Jin等[31]通過高壓均質制備了羧甲基纖維素鈉修飾的纖維素納米晶，成功穩定了Pickering乳液。Nan Fangfang等[32]利用預混膜乳化法制備了均勻的亞微米級海藻酸鹽顆粒，并利用殼聚糖涂覆以增強疏水性，用作Pickering乳液穩定劑。細菌細胞和殼聚糖也可以通過靜電相互作用自組裝從而穩定Pickering乳液[33]。帶正電荷的殼聚糖結合到帶負電荷的乳酸乳球菌IO-1細胞表面，可以使細胞表面特性改變而成為穩定Pickering乳液的軟質疏水材料，且細菌產生的細菌素可為材料提供抗菌特性[34]。

2.3.2 表面活性劑介導的復合改性

已有研究表明，表面活性劑吸附到顆粒表面可以改變顆粒的潤濕性，并且還可以增加連續相的黏度并促進顆粒在連續相中的絮凝、減少界面張力[35]。通過表面活性劑與顆粒的復合可以調整顆粒的潤濕性以適應不同的體系需求。由于表面活性劑仍是食品行業的一種重要材料，研究表面活性劑與顆粒之間的相互作用及其對乳液體系的作用對工業生產具有重要的價值。

目前對顆粒與表面活性劑的復合機理在非食品體系中的研究比較成熟。Binks等[36]將不同濃度的陽離子表面活性劑（di-decyldimethylammonium bromide，di-C10DMAB）吸附到二氧化硅顆粒上，發現粒子潤濕性隨著表面活性劑濃度的增加而改變，乳液發生了從O/W型到W/O型的相轉變（圖4）。當表面活性劑濃度較低時，其帶正電的親水基團與顆粒表面帶負電基團通過靜電結合而暴露疏水基團，且隨著濃度增加，表面活性劑會在顆粒表面形成單分子層而增強復合物的疏水性；當濃度超過某個值時，表面活性劑單分子層飽和，剩余的表面活性劑疏水端會與吸附在顆粒表面的表面活性劑疏水端結合而形成雙分子層，暴露出親水端而增強復合物的親水性；因此表面活性劑和顆粒的比例對于體系的穩定性至關重要，如果顆粒的親水性或疏水性變得過強，顆粒將無法同時被兩相充分潤濕，從而易從油-水界面上脫附[37]。Portet等[38]對非離子型表面活性劑吸附多孔二氧化硅顆粒的研究表明，在顆粒表面形成完整的單層表面活性劑前，未被結合的表面活性劑分子傾向于與已結合在顆粒表面的分子結合形成片狀的雙層聚集體，而且聚集隨表面活性劑的濃度增加而逐漸加強，從而在顆粒表面形成褶皺。

圖4 表面活性劑在二氧化硅顆粒表面的吸附[36]Fig.4 Adsorption of surfactant on the surface of silica particles[36]

Gao Zhiming等[39]研究了β-乳球蛋白原纖維（β-lactoglobulin fibrils，BLGF）與表面活性劑——二棕櫚酰磷脂酰膽堿（dipalmitoyl phosphatidylcholine，DPPC）的相互作用及其對乳化性的影響，也發現了與上述類似的聚集體。少量DPPC能夠降低乳液的粒徑，而過多的DPPC會導致乳液穩定性變差。如圖5所示，純BLGF在疏水區域沿著原纖維軸分布并相對均勻地橫向吸附于油-水界面，形成扁平的界面層[39]。少量DPPC加入后會在疏水相互作用下吸附到BLGF的部分疏水區域，掩蓋蛋白質和表面活性劑的疏水區域，導致顆粒疏水性降低。顆粒的疏水區域沿原纖維軸的分布變得不均勻，干擾了BLGF沿界面的橫向吸附，疏水區域突出到油相中，親水區域突出到水相中，在界面處這種相對垂直的蛋白質原纖維排列產生更厚、更緊密的界面層。相應地，在這個區域內，界面黏彈性模量變高。而如果繼續增加DPPC濃度，蛋白質表面過多的DPPC及其聚集體使顆粒親水性過大而無法被兩相同時潤濕，并且大量的DPPC在與顆粒的競爭性吸附中占據優勢，傾向于從油-水界面上取代BLGF，體系轉變成表面活性劑穩定的乳液。

圖5 BLGF在不同DPPC濃度下形成的油-水界面示意圖[39]Fig.5 Oil-water interface formed by β-lactoglobulin fibrils with different dipalmitoyl phosphatidylcholine contents[39]

Rutkevi?ius等[40]在制備W/O型乳液的過程中發現，向油相中添加疏水性的大豆卵磷脂可以增強玉米醇溶蛋白的疏水特性，乳液發生相轉變時水相含量提高了10%，同時玉米醇溶蛋白的潤濕特性改變。Dai Lei等[41]對卵磷脂-玉米醇溶蛋白復合顆粒的研究表明，兩者的結合方式包括靜電相互作用和疏水相互作用。當卵磷脂含量過高時，卵磷脂會將蛋白顆粒完全包裹起來，形成以蛋白質為核心的囊泡狀結構，這種結構適合用于包埋物質，卻不利于穩定乳液。

3 Pickering乳液在食品中的應用

3.1 裝載、穩定生物活性物質

由于油-水界面顆粒層的存在，Pickering乳液能夠更穩定地包埋活性物質，增加其生物可接受性[42]。Matos等[43]利用OSA改性的藜麥淀粉包埋白藜蘆醇，制成穩定的Pickering乳液，包埋效率達98%，是吐溫20的兩倍。將藻酸鈉和魚明膠組成的生物聚合層吸附到玉米醇溶蛋白表面形成復合顆粒，以其穩定的乳液包埋姜黃素，體外模擬消化實驗顯示，該體系能夠有效提高姜黃素的生物可接受性和在胃腸道中的抗氧化能力[44]。Pickering乳液對β-胡蘿卜素也有良好的荷載穩定性，還能提高其生物利用度[45]，其初始荷載率可以達到64.15%，雖然貯藏1 d后荷載率降低至45.17%，但之后6 d荷載率都能保持穩定[46]。當乳液形成凝膠后，顆粒在油-水界面形成致密的顆粒層，液滴之間的聚集程度也因為絮凝作用提高，因此會在一定程度上增強凝膠網絡結構，并提高活性物質在乳液中的半衰期和保留率[47]。Ding Mengzhen等[48-49]利用交聯明膠顆粒制備了長期穩定的魚油乳液，也證實了Pickering體系應用于魚油產品的可行性。除了將活性物質包裹在內相中，還可以將活性物質與顆粒結合而達到改良顆粒和負載活性物質的目的，如卵轉鐵蛋白[50]、抗氧化果膠[51]、亞麻籽蛋白[52]等都被用于制備復合顆粒。

3.2 提高油脂氧化穩定性

乳液中油脂的氧化會對食品體系的口味、外觀和穩定性產生不利影響。傳統乳液中脂質氧化速率通常比純油更快，這是由于乳液中存在油-水界面，脂質更容易接觸到水中的自由基或金屬離子從而加速氧化[53]。Pickering乳液中，顆粒層的存在能夠更好地隔離油脂與水相中各種物質，從而降低油脂的氧化速率[54]。Xiao Jie等[53]對比了開菲爾顆粒穩定的Pickering乳液、吐溫-80穩定的傳統乳液及純油的脂質氧化情況，傳統乳液脂質氧化速率較快，Pickering乳液氧化速率較低，與純油相當。Nasrabadi等[55]研究了Pickering乳液中亞麻籽油的氧化情況，其初級氧化產物和二次氧化產物含量均明顯低于傳統乳液中二者的含量。某些顆粒本身或其改性物質就具有一定的抗氧化功能，能夠延緩油脂氧化，如大豆分離蛋白-花青素復合顆粒[56]、玉米醇溶蛋白-蘆丁復合顆粒[57]，它們在提高乳液穩定性的同時，也保留了活性物質的抗氧化性能。

3.3 制備基于液體油的脂肪替代物

杜冠華[58]利用金針菇納米多糖和棕櫚油制備乳液作為脂肪替代物加入到香腸中，發現該乳液能有效提升香腸的品質。一些基于蛋白質顆粒的Pickering高內相乳液能夠將不飽和度較高的液體油轉化為固態黏彈性乳液凝膠，呈現出類似于飽和脂肪的流變特性，因此其具有作為食品組分中飽和脂肪、氫化油替代物的潛力。Zeng Tao等[59]利用醇溶蛋白/殼聚糖雜化粒子在較低的顆粒濃度下制備分散相高達83%的高內相乳液，密集的液滴之間相互擠壓、相鄰液滴緊密堆積從而形成了網絡結構。厚實的顆粒界面層與網絡結構共同賦予Pickering高內相乳液黏彈性軟固體的特性。為了使乳液凝膠更接近固態油的性質，Ahmadi等[60]利用二十二烷酸改良乙基纖維素穩定的Pickering油凝膠，二十二烷酸的存在削弱了油凝膠網絡強度，改變了凝膠的熱力學性質。在適當的比例下，油凝膠能夠保持良好的熱穩定性，且熱響應性質得到了顯著改善，復合黏度在45～60 ℃內迅速降低，更加接近固態油的性質。

4 結 語

食品級顆粒具有優良的生物相容性，經過適當的改性或復合處理可以穩定Pickering乳液。顆粒的性質對乳液的界面性質和流動特性具有重要影響，而隨著對顆粒改性和復合方法研究的不斷深入，將會獲得性質多樣的顆粒，研發出界面和流動性質不同的乳液系統，并將在復雜的食品體系中得到充分利用。由于Pickering乳液獨特的界面固體層及其空間位阻效應，活性物質被包封于分散相后難以從界面溢出，因而Pickering乳液具有良好的包封穩定性，可以將生物活性物質穩定在食品體系中。而且與常規乳液相比，Pickering乳液可以降低小分子表面活性劑帶來的潛在風險。但目前，Pickering乳液在食品領域的商業化應用仍需進一步研究，尤其需要研發新的食品級顆粒和Pickering乳液穩定性的控制技術，并更深入闡述其在復雜食品基質中的穩定性和相互作用機制。