纖維素納米晶體顆粒穩(wěn)定劑在食品Pickering乳液中的應用

N.A.Michael Eskin，倪 洋，段 慧，范柳萍

（1.加拿大曼尼托巴大學，農(nóng)業(yè)和糧食科學學院 食品與人類營養(yǎng)科學系，加拿大溫尼伯，曼尼托巴R3T 2N2；2.江南大學 食品學院，無錫 214122）

近年來，由固體顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液在食品、醫(yī)藥和化妝品領域受到越來越多的關注。相較于表面活性劑穩(wěn)定的傳統(tǒng)乳劑，Pickering乳液展現(xiàn)出更好的貯藏穩(wěn)定性、抗聚集、抗絮凝、可調(diào)控等特點。這種出色的乳液穩(wěn)定性歸因于固體顆粒不可逆的吸附在油水界面形成致密的界面膜[1]。通常，固體顆粒作為Pickering乳液穩(wěn)定劑需要具備以下幾點性質(zhì)[1]：1）顆粒應被連續(xù)相和分散相部分潤濕，但不溶于任何一個相；2）顆粒應保持適當?shù)牟糠譂櫇裥裕垣@得足夠的界面吸收效率；3）顆粒尺寸應遠小于目標乳液的乳滴大小（至少小一個數(shù)量級）。目前，用于穩(wěn)定Pickering乳液的固體顆粒主要包括二氧化硅、二氧化鈦等無機顆粒，蛋白質(zhì)、多糖等有機顆粒。但是無機顆粒的使用可能對健康存在潛在的危害，限制了其在食品領域的應用[2-3]。因此，從天然資源中開發(fā)生物基Pickering乳液顆粒穩(wěn)定劑具有重要意義。

纖維素由 β-1,4-糖苷鍵線性連接的脫水葡萄糖單元組成，是自然界分布最廣，含量最豐富的生物聚合物[4]。由于纖維素具有良好的生物相容性，生物降解性，可再生性，低成本等特點，受到越來越多的關注。纖維素納米晶體（CNCs），也被稱為納米晶纖維素或纖維素納米晶須，是一種從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中提取出來的呈現(xiàn)寬棒狀或針狀的具有高結晶度（CrI）和高縱橫比的納米纖維顆粒[4-5]。目前，CNCs已經(jīng)廣泛應用到多個領域，比如生物醫(yī)藥、納米復合材料、食品等。在食品工業(yè)中，CNCs可以作為食品增稠劑、穩(wěn)定劑、功能性成分和食品包裝材料等。尤其，作為生物相容性的納米顆粒，CNCs已經(jīng)成為食品級Pickering乳化穩(wěn)定劑的良好候選物之一。本綜述主要總結了 CNCs的制備方法及其影響穩(wěn)定Pickering乳液的因素。

1 CNCs的來源和制備方法

1.1 CNCs的來源

纖維素材料廣泛存在于自然界中，從天然的植物纖維素來源可以將纖維素資源分為六大類[6]：黃麻，亞麻等韌皮纖維；劍麻，菠蘿等葉子纖維；椰殼纖維，棉花等種子纖維；洋麻，大麻等內(nèi)芯纖維；水稻，玉米等秸稈纖維和木頭等其他類型。此外，細菌（Acetobacterxylinum）[7]和海洋生物[8]也是纖維素的來源之一。不管這些分類如何，來源于工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢料的木質(zhì)纖維素資源是優(yōu)良的纖維素原料。充分利用這些資源，不僅可以減少資源浪費，還可以提高廢料的附加值。天然纖維素顆粒存在大量的羥基，具有很強的親水性，展現(xiàn)出較差的潤濕性，無法穩(wěn)定Pickering乳液。因此，需要通過一定的方法處理天然纖維素制備出具有一定雙親性的納米纖維素。

1.2 CNCs的制備方法

通常，植物纖維素原料含有復雜的成分，主要包括纖維素、木質(zhì)素、半纖維素和其他成分（果膠、蛋白和臘質(zhì)等）。這些非纖維素成分的存在不僅會降低 CNCs的結晶度，還會影響其機械和乳化性質(zhì)[5,9]。因此，在制備CNCs顆粒前，需要對纖維素進行純化提取處理。目前，纖維素的純化方法主要包括三步[10-11]：（1）通過清洗、研磨（或蒸煮）去除原料中的灰塵和可溶性雜質(zhì)；（2）利用堿液去除原料中的半纖維素和木質(zhì)素成分；（3）隨后進行漂白處理（也稱為脫木質(zhì)素）進一步去除殘留的木質(zhì)素。其中，KOH和NaOH是最常用的堿，漂白液可以選擇NaClO2、NaClO或者H2O2。Ni等[12]利用 4%的 NaOH溶液和 1.7%的 NaClO漂白液對粉碎的白果殼進行純化處理。Winuprasith等[13]利用 25%的 NaOH溶液和 30%的H2O2按照0.013 4∶1（w/w）的料液比對山竹殼纖維素進行純化處理。Pelissari等[14]采用了5%的KOH溶液和1%的NaClO2溶液對香蕉皮纖維進行純化處理。更多的前處理方法見表1。

表1 不同方法制備得到的CNCsTable 1 CNCs were obtained using different methods

純化后的纖維素通常是細長的纖維素原纖維，由結晶區(qū)和非結晶區(qū)交替組成[4]，需要采用一定的方法將纖維素原纖維進一步制備成納米纖維素，見表 1。目前，酸水解法是制備 CNCs最常用的方法之一，其原理為強酸催化水解破壞纖維素的無定形區(qū)（非結晶區(qū)），留下結晶區(qū)[18,23-24]。常用的酸種類主要有硫酸、鹽酸、磷酸及磷鎢酸等[10]。值得注意的是，在酸水解過程，酸的種類、濃度、水解溫度、水解時間、料液比以及纖維素的來源都會影響CNCs的物理化學性質(zhì)[4,12,25]。硫酸是制備CNCs最常用的酸，經(jīng)硫酸水解后得到的 CNCs表面會帶有負電荷的磺基[4]，這種帶負電的性質(zhì)會提供一定的靜電排斥作用有利于CNCs懸浮液具有較好的膠體穩(wěn)定性，但是負電荷太多也會影響CNCs作為Pickering穩(wěn)定劑的穩(wěn)定效果[26]。本課題組倪洋等[12]以白果殼為原料，采用62%濃度的硫酸，在45 ℃下，水解30 min，可以有效去除纖維素非結晶區(qū)，然后通過調(diào)節(jié)高壓均質(zhì)壓力10～70 MPa，可以得到400～1 500 nm的CNCs。Wang等[15]以蘆筍為原料，通過濃度為60%的硫酸，在 50 ℃下水解 1.5～3.5 h，可以得到178.2～261.8 nm的CNCs。考慮到硫酸水解得到的CNCs具有較低的得率，較差的熱穩(wěn)定性和低的結晶度[27]，鹽酸、磷酸等也被用于制備CNCs。Kasiri等[11]以開心果殼為原料，以3 mol/L鹽酸溶液水解 180 min，可以得到直徑為（68.8 ±20.7） nm，具有高結晶度（79.4%）的球形CNCs，且CNCs得率高達77.1%。Kontturi等[28]以棉花纖維為原料，采用鹽酸蒸汽水解法制備得到長度為100～300 nm、直徑為7～8 nm的CNCs，其得率高達97.4%，此方法對纖維素基質(zhì)的形態(tài)影響小，不會在纖維素表面引入電荷，降解速度快、產(chǎn)量高，但存在成本高的問題。Camarero等[29]比較了硫酸水解、鹽酸水解和磷酸水解對棉花CNCs性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)磷酸水解得到的CNCs具有更好的熱穩(wěn)定性。

由于強酸會嚴重腐蝕設備且污染環(huán)境，國內(nèi)外研究者嘗試了很多綠色可循環(huán)利用的化學物質(zhì)來制備CNCs，比如有機酸[30]、離子液體[22]、固化酸[31]等。除了酸水解法外，酶法[21,32]和機械法[33-35]也可以用于制備 CNCs。值得注意的是，不同的提取制備方法和不同的纖維素來源都會影響制備得到的納米纖維素的形態(tài)和性質(zhì)。比如圖1，分別采用酶解法、機械破壞法和硫酸水解法處理木頭纖維素，用原子力顯微鏡（AFM）進行形態(tài)表征，可以發(fā)現(xiàn)不同方法得到的納米纖維素在形態(tài)上存在非常明顯的差異。圖2展示的是采用酸水解法處理不同纖維素原料得到的CNCs原子力顯微鏡圖片，也可以清晰看出，原料對CNCs的形態(tài)也有一定的影響。

圖1 不同方法制備得到的木頭納米纖維素[36]Fig.1 Nanocellulose from wood pulp were obtained from different methods

圖2 不同纖維素原料制備的CNCs原子力顯微鏡圖像。蘆筍[15]；白果殼[37]；軟木[36]；大蒜秸稈[38]；菠蘿葉[23]；細菌纖維素[36]。Fig.2 AFM images of CNCs obtained from various lignocellulosic materials.Asparagus[15]; Ginkgo seed shells[37]; Softwood[36];Garlic straw residues[38]; Pineapple leaf[23]; Bacterial cellulose[36].

2 影響CNCs穩(wěn)定Pickering乳液的因素

2.1 CNCs自身性質(zhì)的影響

2.1.1 CNCs形態(tài)的影響

不同于球狀的顆粒，比如淀粉和蛋白質(zhì)，CNCs是一種具有高縱橫比的短棒狀或針狀顆粒。這種棒狀顆粒可以在界面連接并形成橋式結構，可以更好的穩(wěn)定Pickering乳液[39]。即使CNCs顆粒都呈現(xiàn)出相似的棒狀形態(tài)，但不同來源，不同制備方法得到的CNCs在顆粒長度、縱橫比方面存在著一定的差異（見圖1和圖2）。這種形態(tài)上的差異會影響 CNCs顆粒穩(wěn)定乳液的表現(xiàn)。Kalashnikova等[40]制備了三種不同縱橫比的CNCs，分別為：縱橫比13的棉花CCN，縱橫比47的細菌BCN和縱橫比160的剛毛藻CLACN。作者分別利用這些不同縱橫比 CNCs制備Pickering乳液，結果發(fā)現(xiàn)乳液的乳滴尺寸相似，但是顆粒縱橫比直接影響乳滴上CNCs的表面覆蓋率。縱橫比13的CCN可以達到84%的表面覆蓋率，而縱橫比160的CLACN的表面覆蓋率僅僅為44%。這是因為低縱橫比CNCs可以緊密吸附在油水界面，而高縱橫比 CNCs吸附在油水界面后會產(chǎn)生較大的空間位阻，阻礙了部分顆粒的吸附。另一方面，掃描電鏡清晰顯示吸附在乳滴表面的高縱橫比的CLACN之間發(fā)生了糾纏，形成了三維網(wǎng)絡結構，見圖 3（A）。所形成的三維網(wǎng)絡結構可以增加乳液體系黏度，提高乳液的穩(wěn)定性。Ni等[12]以白果殼為原料，經(jīng)硫酸水解后得到纖維素微米晶體，然后調(diào)節(jié)高壓均質(zhì)壓力10～70 MPa，制備出不同長度的CNCs（400～1 500 nm），結果發(fā)現(xiàn)高壓得到的短的 CNCs具有更好的乳化性質(zhì)。Wang等[15]以蘆筍為研究對象，通過延長硫酸水解時間來降低 CNCs尺寸，結果發(fā)現(xiàn)水解時間越長，得到的 CNCs尺寸越小，且乳化性質(zhì)越好。

2.1.2 CNCs表面電荷的影響

利用酸水解制備 CNCs的過程中，尤其是硫酸和磷酸，會導致CNCs表面引入帶負電的基團。盡管這些負電荷會提供一定的靜電排斥促進CNCs穩(wěn)定懸浮在水溶液中而不聚集沉淀，但強的靜電排斥力也會導致CNCs無法穩(wěn)定Pickering乳液[41]。Kalashnikova等[42]采用鹽酸脫硫法對硫酸水解制備的棉花CNCs顆粒進行脫硫處理以調(diào)節(jié)CNCs的表面電荷密度。作者通過改變鹽酸處理時間（1～10 h）制備出電荷密度為0.123～0.019 e/nm2的CNCs顆粒。結果發(fā)現(xiàn)，當CNCs表面電荷密度＜0.03 e/nm2，CNCs可以有效穩(wěn)定乳液；而CNCs表明電位密度＞0.03 e/nm2，CNCs則無法制備出穩(wěn)定的乳液，見圖 3（B）。這是因為高電荷密度產(chǎn)生了過量的靜電排斥，阻礙了 CNCs在油水界面的吸附和排列。因此，很多研究人員利用 CNCs制備Pickering乳液或者研究CNCs的界面吸附行為時，會在 CNCs體系中加入一定濃度的氯化鈉溶液以起到靜電屏蔽效應，從而降低CNCs之間的靜電排斥行為[41-43]。

圖3 A：CNCs縱橫比對乳滴表面覆蓋率的影響[40]；B：CNCs表面電荷對乳液穩(wěn)定性的影響[42]；C：棉花CNCs在油/水界面穩(wěn)定的示意圖，（200）β疏水邊緣和油相接觸[42]。Fig.3 A represents the effect of CNCs aspect ratios on the surface coverage ratio of droplets [40]; B represents the effect of CNCs surface charged density on the stability of emulsions[42]; C represents Schematic representation of cotton CNCs stabilization at the oil/water interface, exposing the hydrophobic edge (200) to the oil phase[42].

2.1.3 顆粒潤濕性的影響

固體顆粒要成為Pickering乳液的穩(wěn)定劑，需要具備被連續(xù)相和分散相部分潤濕的性質(zhì)。這種潤濕性可以有助于固體顆粒吸附在油水界面。一般采用油水界面的三相接觸角（θ）去衡量顆粒的潤濕性[10]。三相接觸角越大代表顆粒具有越高的疏水性。CNCs的疏水性主要歸因于纖維素中的（200）β結晶邊緣[42]。如圖 3（C）所示，這個結晶邊緣直接和界面相互作用，使得 CNCs可以吸附在油水界面。但是相較于蛋白質(zhì)顆粒，未改性的CNCs顆粒具有相對較弱的疏水性。因此，提高CNCs疏水性一直受到研究者的關注。本課題組倪洋[12,44]分別利用高壓均質(zhì)和超聲處理白果殼CNCs，采用靜水接觸角衡量CNCs顆粒的潤濕性，結果表明，高壓均質(zhì)和超聲都可以提高白果殼CNCs顆粒的疏水性。這可能是因為高壓均質(zhì)和超聲處理可以破壞纖維素結晶結構，導致很多起初在角落的（200）β疏水區(qū)域得以暴露。Costa等[21]也發(fā)現(xiàn)超聲處理可以提高香蕉皮納米纖維素的疏水性。除了機械處理之外，很多研究者嘗試化學改性的方法提高 CNCs的疏水性。比如，Chen等[45]利用辛烯基琥珀酸酐（OSA）對CNCs進行疏水改性，改性后的CNCs的三相接觸角顯著提高（85.0°）。作者利用這些疏水性增強的CNCs成功制備出高內(nèi)相乳液。Du Le等[46]也利用了OSA對CNCs進行疏水改性，改性后顆粒的接觸角從56°增加到80.2°，所制備的乳液展現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。

2.2 環(huán)境因素的影響

由于CNCs的帶電特性，體系中離子強度和pH的變化會影響 CNCs的電荷密度和相互作用[47]。Bertsch等[48]以硫酸制備的CNCs為研究對象，探究一價（Na+）和二價（Ca2+）陽離子對CNCs體系的影響。結果顯示，陽離子的加入會改變CNCs懸浮液的zeta電位和流變性質(zhì)，當離子強度達到一定范圍，CNCs顆粒會相互聚集最終形成水凝膠。其中二價陽離子的影響更大，更少的二價陽離子就可以誘導 CNCs體系形成水凝膠。這種現(xiàn)象是因為陽離子會引起 CNCs的靜電屏蔽效應，導致起初帶電的 CNCs顆粒之間靜電排斥程度降低，允許更多的CNCs顆粒之間發(fā)生聚集，最終形成水凝膠體系。這意味著，在乳液制備過程中，體系中存在高離子強度不利于 CNCs穩(wěn)定乳液。Wen等[49]利用 CNCs穩(wěn)定 D-檸檬烯 Pickering乳液，研究體系中離子強度對乳液穩(wěn)定性的影響。當體系中鹽濃度從0增加到100 mmol/L NaCl，乳液體系的電位絕對值從46.3 mV降低到16.7 mV，乳液穩(wěn)定性下降。但是不少研究也發(fā)現(xiàn)一定濃度的低離子強度有利于CNCs吸附在油水界面。比如，Bertsch等[41,50]研究未改性的CNCs在油水界面/氣水界面的界面吸附行為時，會在CNCs體系中加入一定濃度的 NaCl溶液，起到靜電屏蔽作用，促使CNCs顆粒更容易吸附在界面。

同樣，乳液體系 pH的變化也會影響 CNCs乳液的穩(wěn)定性。Mikulcová等[51]研究 pH 對羧化CNCs顆粒穩(wěn)定Pickering乳液穩(wěn)定性的影響，結果顯示，pH=4和7條件下制備的乳液具有很好的穩(wěn)定性，沒有顯著的乳析和分層現(xiàn)象，而 pH=2條件下制備的乳液，水相和乳相完全分層。Wen等[49]制備CNCs乳液時，當體系pH從4.2升高到7.8，乳液電位絕對值增加，乳液的穩(wěn)定性也提高。簡而言之，低pH值或高鹽濃度環(huán)境不利于CNCs穩(wěn)定Pickering乳液。

3 CNCs穩(wěn)定Pickering乳液在食品體系中的應用

3.1 遞送生物活性成分

很多脂溶性活性成分的生物可及率和生物利用度往往會因為它們糟糕的水溶性、從食物基質(zhì)中不完全釋放以及消化過程中的降解而降低。CNCs穩(wěn)定的Pickering乳液可以作為活性物質(zhì)的運載體系來保護并提高活性物質(zhì)的生物可及率。Asabuwa等[52]利用胺化的 CNCs顆粒制備Pickering乳液，成功將香豆素和姜黃素包封在乳液中。包封效率達到90%以上。包封了香豆素和姜黃素的乳液展現(xiàn)出良好的體外抗癌和抗菌作用。Winuprasith等[53]將維生素 D3包封在山竹殼納米纖維素穩(wěn)定的Pickering乳液中，采用模擬胃腸道（GIT）模型研究納米纖維素對脂肪消化率和維生素D3生物可及率的影響。結果表明，提高纖維素濃度，可以降低乳液油脂消化程度和緩解維生素D3的降解。Le等[54]利用OSA改性的CNCs作為乳液穩(wěn)定劑遞送短鏈脂肪酸。作者希望CNCs穩(wěn)定的乳液可以在腸道消化過程中保護短鏈脂肪酸，從而允許更多的短鏈脂肪酸在結腸靶向釋放。測量乳液在體外胃腸道中的油脂消化率和脂肪酸釋放率，結果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過體外小腸消化后仍然有約65%的短鏈脂肪酸保留，這表明CNCs穩(wěn)定的Pickering乳液在結腸靶向遞送短鏈脂肪酸方面很有潛力。不同于淀粉、蛋白質(zhì)顆粒，纖維素在胃腸道內(nèi)不容易被消化酶水解[55]。這個特性有利于被包埋在乳液中的活性物質(zhì)盡量少受到胃環(huán)境的影響。另外，低 pH和高鹽的胃腸道環(huán)境會引起CNCs體系的靜電屏蔽效應，使得CNCs顆粒聚集在一起[54,56]。這種現(xiàn)象會使得 CNCs穩(wěn)定的Pickering乳液在經(jīng)過胃腸道消化時發(fā)生乳滴聚集，從而導致乳液結構的變化。正是這種聚集的乳液結構使得CNCs乳液不易被胃腸道中的酶利用，從而保護包埋在乳液中的活性物質(zhì)，并提高它們的生物可及率。

3.2 提高油脂氧化穩(wěn)定性

CNCs穩(wěn)定的Pickering乳液還可以用于提高油脂氧化穩(wěn)定性。油脂含量多的食品，尤其多不飽和脂肪酸多的食品，在貯藏期間容易發(fā)生油脂氧化，導致營養(yǎng)成分的損失和異味的產(chǎn)生，從而影響產(chǎn)品的貨架穩(wěn)定性和感官特性[10]。Wang等[57]通過簡單的剪切乳化法制備了CNCs和丹寧酸復合顆粒，并且利用復合顆粒成功制備出鱷梨油高內(nèi)相乳液。經(jīng)過加速貯藏實驗，乳液展現(xiàn)出良好的油脂穩(wěn)定性，復合顆粒有效防止乳液中的油脂氧化。Angkuratipakorn等[58]通過靜電相互作用制備出 CNCs和精氨酸月桂酸酯復合顆粒，并制備出Pickering乳液。結果顯示，0.2%CNCs和0.1%月桂酸酯形成的復合顆粒可以很好的延緩乳液中的油脂氧化。

4 總結和展望

CNCs作為天然來源的食品級納米顆粒，具有來源廣、成本低、兩親性、可再生性、生物降解性、高縱橫比、無毒性等性質(zhì)，可作為一種理想的Pickering乳液穩(wěn)定劑。CNCs的制備過程包含幾個關鍵步驟，包括原料預處理，木質(zhì)素和半纖維素的去除，以及通過化學處理或機械破壞分離CNCs。但需要注意的是，纖維素的來源和CNCs的制備方法都會影響CNCs的性質(zhì)。所選擇的制備方法和制備條件應取決于最終的目的。目前，傳統(tǒng)的 CNCs制備方法主要還是集中在強酸水解、高能機械和酶法。這些方法存在這明顯的缺點，比如強酸的腐蝕和產(chǎn)生的廢水，機械法所消耗的高能，酶法的長時間等。因此，開發(fā)出一些簡易、高效的適合大規(guī)模生產(chǎn) CNCs的綠色環(huán)保技術是非常有意義的。

已經(jīng)有很多研究證明了 CNCs可以不可逆的吸附在油水界面，形成堅固的界面膜，防止乳滴之間的聚集，從而穩(wěn)定Pickering乳液。但CNCs穩(wěn)定乳液的能力會受到其形態(tài)、表面電荷和疏水性等自身性質(zhì)的影響，也會受到環(huán)境中 pH和離子強度的影響。相比較于蛋白質(zhì)顆粒，CNCs在油水界面的相關研究較少，并且CNCs和其他物質(zhì)（比如，蛋白質(zhì)、多酚、表面活性劑、無機顆粒等）在油水界面的動態(tài)吸附過程、相互作用還需要進一步明確。CNCs作為一種膳食纖維，其穩(wěn)定的Pickering乳液在食品中的應用具有重大潛力。目前，CNCs乳液的應用主要集中在作為活性物質(zhì)的運載體系、提高穩(wěn)定性等，但在實際食品體系中的應用研究相對很少，比如奶油、沙拉醬、蛋黃醬、冰淇淋等。另一方面，基于 CNCs材料制備響應型Pickering乳液的研究還比較少，尤其應用于食品體系的響應型乳液，這CNCs在Pickering乳液應用中的重要研究方向。

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