食品級Pickering乳狀液穩定劑研究進展

陳家雪，孫哲浩

（1.佛山科學技術學院，廣東 佛山 528000；2.河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

當前，Pickering乳狀液的研究逐漸成為國際的熱點，該類型乳狀液是由Ramsden發現并由Pickering發展，其特點是使用固體顆粒替代傳統乳化劑來實現體系的穩定，此類乳狀液以Pickering而命名。與傳統表面活性劑穩定的乳液相比較，Pickering乳狀液具有其自身的優勢：1）可以大大降低乳化劑的用量，節約成本；2）對人體的毒害作用遠小于表面活性劑；3）對環境友好；4）界面層厚，乳液穩定性強，不易受體系pH值、離子強度、溫度及油相組成等因素的影響[1-3]。Pickering乳狀液中起乳化作用的固體顆粒既不溶于水相也不溶于油相，而是在兩相中部分潤濕，其在水-油界面上的吸附是不可逆的，這些微米級或納米級的固體顆粒不僅降低了體系的總自由能，也為液滴之間的接觸提供了空間上的物理屏障，賦予乳液更強的穩定性。目前Pickering乳狀液在實際中的應用包含3個方面，其一是應用于高內相比產品，可以創新乳狀液結構，如沙拉醬、攪打奶油等類型的食品；其二是作為包埋結構應用于低內相比的產品，包埋活性物質，起到緩釋、靶向輸送等作用；其三是本身乳狀液的聚合體，可以在創新的可食性包裝膜中應用，開發對環境保護有益的包裝[4-5]。

穩定Pickering乳狀液的固體顆粒，吸附在油-水界面時需產生小的變形，因此固體顆粒需要具備一定的剛性，傳統Pickering乳狀液的固體顆粒來自一些無機礦物質如蠟質、黏土、羥磷灰石等，而這些無機的固體顆粒由于使用量及食用安全問題在食品中的應用受限，因此需要尋找一些新的材料，既能滿足固體顆粒的特性，又在成本和安全性上適合于食品工業的要求[6-8]。天然的生物聚合物高分子包括蛋白質及多糖類，是優質的生物資源，具有生物相容性及親水、親油等特性，這類生物高分子通過一定的改性后能夠滿足食品級固體顆粒的要求，目前已有眾多的報道[9-11]，本文就生物大分子固體顆粒穩定劑及其穩定Pickering乳狀液機理進行探討和綜述。

1 Pickering乳狀液質構的構建

目前，公認的Pickering乳液的穩定機理主要為固體顆粒不可逆地吸附于油-水界面并形成固體顆粒單層或多層膜，從而穩定乳液，圖1是Pickering乳狀液穩定機理的示意圖。

圖1 Pickering乳液穩定機理示意圖Fig.1 Schematic representations of stabilization mechanism of Pickering emulsions

分散相和連續相的性質影響著顆粒在界面上的吸附強度。一般認為，常規乳狀液中的乳化劑通過降低界面的張力而形成液滴，而固體顆粒并不能降低油-水表面的張力，因此要選擇合適的分散相，研究表明，增加分散相的極性能夠降低界面張力。另外兩相百分占比也是一個重要的因素，分散相的濃度決定了顆粒的總表面積，也就決定了所需固體顆粒的數量，過量的固體顆粒的添加會導致顆粒在連續相中的凝結。圖2總結了影響Pickering乳狀液穩定性的因素[12-13]。

圖2 Pickering乳液穩定性的影響因素Fig.2 Factors affecting Pickering emulsion stability

固體顆粒是Pickering乳狀液的核心，顆粒的潤濕性、表面電荷、形狀和尺寸都顯著影響著乳液的構建和穩定性。選擇合適尺寸的顆粒是重要的，過大不易于顆粒迅速地在界面的分配聚集，過小由于布朗運動會導致界面的不穩定性。顆粒尺寸越小，形成的乳液粒徑越小，一般的固體顆粒直徑都在納米級。表面電荷決定了顆粒間的相互作用，研究表明，當表面電荷電位（Z-電位）高于30 mV或低于-30mV時，顆粒間靜電排斥作用占優勢，顆粒的聚集受到抑制，當顆粒的電位在-30 mV～30 mV區間內，范德華力占優勢，顆粒會輕度聚集，有利于乳狀液的形成。對于Pickering乳液來說，高電位的靜電排斥作用降低了顆粒吸附在界面的能力。因此，適度的降低顆粒的電位，能夠有利于顆粒吸附到油-水界面上，形成輕度的聚集，這種聚集作用有利于顆粒在水相中形成更好的網絡結構，從而有利于乳狀液的穩定。固體顆粒濃度變化對乳液的影響與表面活性劑相似，當濃度高于界面飽和度時，多余的顆粒會進入連續相中[14-15]。

為使固體顆粒能夠有效地穩定乳液，其中一個重要條件是固體顆粒能夠被兩相液體部分潤濕，即顆粒具有一定的潤濕性。顆粒的潤濕性與表面活性劑的親水親油平衡值相似，過高或者過低都不利于乳液的穩定。通常用三相接觸角θ來描述顆粒的潤濕性。圖3為固體顆粒在油水界面三相接觸角示意圖。

圖3 固體顆粒在油-水界面的三相接觸角示意圖Fig.3 Schematic representation of the three-phase contact angle of a particle at oil-water interface

由圖3可見，當θ<90°時，固體顆粒親水性較強；當θ>90°時，固體顆粒親油性較強；當θ=90°時，顆粒既親水又親油。因此，當θ值在0～90°時，一般形成O/W型的乳狀液，而θ值在90°～135°時，一般形成W/O型的乳狀液，這種規律適合于單分散的乳狀液。

納米固體顆粒包括有球形、立方體、飛碟狀及桿狀等，形狀如圖4所示。顆粒的形狀可以用縱橫比來描述，縱橫比是顆粒最小直徑與其正交的最大直徑的比率，具有較高縱橫比的顆粒對乳液的穩定性更好，因此飛碟狀和桿狀的穩定性要高于球狀的。

圖4 固體顆粒的形狀Fig.4 Graphical illustration of solid particles with varies shapes

顆粒的形態會影響乳狀液的穩定性，當顆粒為規則的各向同性顆粒時，其吸附能符合等式ΔG=-πR2γ（1-|cos（θ）|）2，其中 ΔG 為解吸能，R 為顆粒的半徑，γ為界面張力，θ為接觸角。通過電鏡的觀察發現許多的納米固體顆粒其實并不是規則的，而且表面是粗糙的，而這種不規則及表面粗糙的各項異性的顆粒其實對于乳狀液的穩定性影響是正向的，如纖維素微纖絲，其更容易在界面上形成纏繞型的網絡結構，使乳狀液更加趨于穩定，這可能是由于各項異性的顆粒引起了顆粒在界面上的毛細管變形，增加了相鄰顆粒間的毛細管吸引力，從而增強乳狀液的穩定性[16-17]。

2 生物聚合物大分子固體顆粒穩定劑

傳統的Pickering無機顆粒制備工藝復雜、條件嚴苛、成本也較高。目前，高分子生物聚合物因具有細胞毒性低、易被降解、生物兼容性良好和利用率高的優點而備受青睞，蛋白質與多糖類是最常用作固體顆粒的生物高分子，已成為食品領域制備Pickering固體顆粒的熱點材料，常用凝聚技術、噴霧干燥技術以及反溶劑沉淀等方法制造納米級固體顆粒。生物高分子存在的問題是由于來源及提取分離方法的不同，其在分子量、尺寸、功能特性等方面差異性很大，因此怎樣用最簡單的制取及改性方法獲得所需特性的固體顆粒是食品研究者們需要解決的問題[18-34]。

2.1 蛋白質固體顆粒穩定劑

蛋白質由于具有親水親油的兩親性質，可以吸附在油-水界面上，降低界面的自由能，同時也能夠在界面上形成一層厚的立體阻隔層，防止乳狀液的聚結從而穩定常規的乳狀液。蛋白質在等電點會發生凝聚而導致乳狀液的不穩定，因此蛋白質固體顆粒穩定的乳狀液要考慮系統的pH值、離子強度等影響因素。蛋白質也可以制成蛋白質纖維絲，增加顆粒的縱橫比，在高濃度的添加時，可以通過立體排斥作用而達到高的乳化穩定性[35-38]。

2.1.1 基于植物蛋白的固體顆粒穩定劑

植物蛋白因為其具備更強的疏水性以及其分離純化較為困難，之前作為固體顆粒穩定劑的研究并不多。近些年來由于技術進步，植物蛋白的分離純化及改性技術的發展，促進了其在Pickering乳狀液的應用。大豆蛋白、花生蛋白由于其過敏原的性質，應用受到一定的限制，但其它的植物來源的改性蛋白應用在Pickering乳狀液的報道越來越多，如豌豆蛋白、玉米蛋白、大麥醇溶蛋白等都有許多的報道[39-44]。Céser[45]開發了食品級的羽扇豆蛋白熱誘導的固體顆粒，具有高的表面帶電性質和部分的潤濕性，有效地穩定了乳狀液，與原初未熱變性的蛋白相比，熱誘導凝集的蛋白表現出更好的乳化活性，14 d貯存期表現出好的抗分層特性；微觀結構研究表明，由該蛋白形成的乳液是典型的Pickering乳狀液。一些難溶的蛋白質通過適度的改性也可以制備Pickering乳狀液，Ren等[46]研究從茶葉中得到的難溶蛋白質對于Pickering乳狀液的影響，在內外相O/W 6∶4的體積比下，添加4%的茶葉難溶蛋白，40 MPa的均質壓力下，能夠制得穩定的Pickering乳狀液。

2.1.2 基于動物及微生物蛋白的固體顆粒穩定劑

一些可溶蛋白進行適度的變性，交聯等方法形成蛋白質聚集體顆粒，可以制備Pickering乳狀液。Chen等[47]用戊二醛交聯的酪蛋白納米凝膠顆粒，平均粒徑179 nm，具有較好的穩定性。Xu等[48]從大腸桿菌中獲得的熱休克蛋白能夠穩定Pickering乳狀液，0.3%～0.45%的熱休克蛋白添加量，能夠穩定5%～20%內相制得的乳液，且在pH 7，溫度≤40℃，離子強度≤50 mmol/L，乳狀液表現出最強的穩定性。

2.2 多糖類的固體顆粒穩定劑

2.2.1 基于淀粉的固體顆粒穩定劑

淀粉廣泛存在于自然界，因其非過敏原、材料便宜等特點是食品制造業的常用的配料之一。乳狀液的液滴直徑一般在1μm～10 μm，一般需要固體顆粒直徑小一個數量級，在納米級的水平。天然淀粉以顆粒形式存在于自然界中，直徑一般在幾納米，因此需要降低淀粉的直徑以滿足固體顆粒的要求。淀粉也可以通過其它的改性方式來滿足固體顆粒的要求，如水解、有機溶劑沉淀、超聲波處理、離子膠凝、接入疏水基團如辛烯基琥珀酸酐改性等，通過這些方法可以制備具有特定屬性的改性淀粉納米顆粒、納米結晶體及納米微球粒等固體顆粒產品[49-51]。

最簡單的方法是天然淀粉直接研磨成納米顆粒，可以用于乳液的穩定，但穩定性及能耗方面需要進一步的改善。酸水解一般用H2SO4或者HCl，酸解的主要作用是去掉淀粉的非結晶區，從而有力于淀粉納米結晶體的形成。有機溶劑沉淀法一般是用酒精將糊化的淀粉沉淀來制造納米顆粒。酸解和有機溶劑沉淀可以采用超聲波輔助，由于超聲波的空穴效應，產生強的剪切力，有助于減小淀粉的顆粒，從而提升納米顆粒的得率。離子凝膠是用二價的鈣離子與淀粉的結合體制備微凝膠顆粒的方法，是一種創新的方法。

淀粉由于其自身的結構特性，親水性要高于其親油性，因此其在界面上是多數在水相這一側，為了能夠更加穩定乳狀液，需要對其進行疏水性改造。接入辛烯基琥珀酸酐是常用的改性方法，目前來自于大米、馬鈴薯、蠟質玉米等天然淀粉經改性后制得的微球粒，都表現出良好的穩定乳狀液的能力。淀粉也可與其他的多糖類如纖維素納米結晶體復配使用，來穩定Pickering乳狀液[52-53]。

不同來源的淀粉及不同的改性方式形成了不同的淀粉固體顆粒，其差異表現在顆粒在界面上的變形以及接觸角上。酸解由于將淀粉的非結晶端去掉，因此所制得的顆粒剛性高，而研磨的淀粉納米顆粒則既有剛性的顆粒，又有柔性的顆粒，而有機溶劑沉淀法制得的顆粒則包含更多的柔性顆粒，因此更多的是多孔的結構，更容易變形。直鏈淀粉的含量決定了顆粒的潤濕性質，直鏈淀粉含量高，形成的接觸角大，表明更加的親油和穩定，研究表明木薯、馬鈴薯以及常規的玉米淀粉的納米顆粒接觸角θ在84°～95°左右，而蠟質玉米淀粉接觸角θ為46°，因此蠟質玉米淀粉在界面上表現出更強的親水性，因此使用時則更需要進行疏水性改造[54-55]。

2.2.2 甲殼素及殼聚糖顆粒

甲殼素與纖維素類似，骨架上含有羥基，除此之外還含有氨基，因此表現出不一樣的帶電性質和對于體系pH值的依賴性。當pH值低時，甲殼素帶有正電荷，因此可以利用其帶電性質制備相應的顆粒，當在高pH值時，氨基去質子化，變為不帶電的聚合物，依賴于其高分子聚合物的特性來制備顆粒[56]。另外，其結構也是半結晶的結構，通過水解可以制得完全結晶桿狀結構的固體顆粒來穩定乳狀液。Li等[57]研究殼聚糖鹽酸鹽與羧甲基淀粉復合的納米微凝膠制作的Pickering乳狀液的穩定性并包埋β-胡蘿卜素進行靶向輸送實驗，與傳統小分子乳化劑形成的乳狀液相比，其對熱是穩定的，可以降低30%脂質氧化。

2.2.3 基于纖維素及其衍生體的固體顆粒穩定劑

最近有關纖維素及其衍生體制造納米固體的報道越來越多。纖維素是自然界存在最多的生物質資源，一般包括植物來源的纖維素以及微生物來源的纖維素。植物來源的如柑橘纖維、竹筍纖維、紅杉木等。微生物來源的纖維素如木醋桿菌發酵的細菌纖維素，由于不含木質素和半纖維素，因此純度高，使用比較方便，一般在醫藥中使用[58-59]。

目前研究比較集中于植物來源的纖維素的開發，來源于竹筍纖維、木材、柑橘、麥類的纖維經過改性用于Pickering乳狀液。植物來源的纖維素是構成細胞壁的主要材料，天然的纖維素結構包含有結晶區和非結晶區，非結晶區由于聚集的分子鏈被打開，羥基基團暴露出來，因此表現出一定的親水性，而結晶區具有一定疏水性，因此一種方法是可以直接制造微纖化纖維素納米顆粒，這種類型的纖維素其直徑一般達到納米級，而長度是微米級的，其穩定機理一般認為是通過纏繞形成凝膠網絡結構而穩定乳狀液。Caroline等[60]研究甜菜根陽離子化的纖維素納米晶體和納米纖維絲，前者是桿狀的結構，顆粒在納米級別，而后者是纖維素絲狀結構，在直徑上是納米級的，而在長度上是微米級的，兩者都表現出良好的穩定性。非結晶區可以通過酸水解而去掉一部分或完全去掉，變成結晶結構占主體，可以制作第二種類型的納米固體顆粒，即微晶纖維素或者納晶纖維素，納米晶體纖維素通過靜電吸引，高密度的排列于界面上穩定乳狀液，因此是很好的固體顆粒的來源。Li[61]研究了五節芒稻草制得的納米纖維素結晶，添加0.15%能夠不可逆的吸附于界面上，形成穩定的Pickering乳狀液，且乳狀液表現出在不同pH值、溫度及離子強度下的穩定性。

纖維素的疏水改造有利于制造固體顆粒，Hoang等[62]研究了辛烯基琥珀酸酐改性的纖維素納米晶體，由于具有更多的疏水性質而穩定乳狀液。

除天然的纖維素外，目前的一些化學改性纖維素如甲基纖維素、乙基纖維素、羥丙基纖維素等也有制成固體顆粒的報道[63-66]。這些纖維素溶解性表現出一定的溶劑選擇性，因此可以利用不同溶劑中溶解度的不同，調節pH值和離子強度，通過沉淀法制備不同形狀和尺寸的固體顆粒。因此，可以預測，未來改性的纖維素必將是食品級固體顆粒重要的材料來源[67-69]。

2.3 基于分子間相互作用的共聚體顆粒的開發

蛋白與小分子乳化劑、多糖與小分子乳化劑、蛋白質與多糖的交互作用會影響固體顆粒的性質，這些分子間的交互作用在一定的pH值、離子強度、溫度等條件下產生協同增效用，有效地穩定Pickering乳狀液[70-74]。

蛋白質由于其結構的關系，尤其是植物蛋白，親脂性要高于親水性，其在界面上是偏向于油相，這樣形成的乳液穩定性不強，因此需要進行親水性改造，多糖類由于親水性強，因此常用來與蛋白質復配使用來構造乳狀液的固體顆粒[75-78]。多糖與蛋白質可以通過物理或化學作用形成共聚體或復合體，在界面上進行親水-親油調節，達到平衡，從而穩定乳狀液[79-81]。一種方法是將多糖作為傳統的穩定劑，吸附在蛋白質的納米顆粒上，包裹蛋白質納米顆粒，形成多層的核-殼結構，這種核-殼的結構在廣泛的pH值和高的離子強度下表現出穩定性，這主要是依賴于多糖的空間阻隔和靜電排斥作用。第二種方法是創造蛋白質與多糖的絡合體納米顆粒，通過疏水交互作用、氫鍵等化學鍵結合形成的緊密的結合體，這種緊密結合體直徑大約100 nm，因此是理想的納米固體顆粒。這樣的顆粒均勻分布在液滴的表面，防止液滴之間的聚集，同時在液滴之間有架橋鏈接穩定作用，導致一些高內相比的乳狀液形成凝膠狀的結構，限制了油滴的流動，從而穩定了乳狀液[82-85]。值得注意的是這類絡合體有時是受體系pH值的影響，在不同的pH值條件下，顆粒表現出不同的穩定機理或者表現出不穩定性，導致乳狀液的分層及聚結。Chen[86]研究玉米蛋白與果膠的共聚體包埋白藜蘆醇的研究，玉米蛋白-果膠顆粒降低了乳狀液液滴顆粒的直徑，顆粒接觸角78°，能夠作為一穩定的包埋結構，包埋生物活性物質。Zhang[87]研究了卵白蛋白-海藻酸鈉共聚體能夠穩定高內相比的Pickering乳狀液，類似的研究已經有很多報道。

食品的成分構成是復雜的，有時蛋白質、多糖、小分子乳化劑是共存的，因此研究多成分下乳狀液的穩定性更趨于實際。Wei等[88]研究了鼠李糖脂、皂苷以及茶皂素等天然的小分子乳化劑對于玉米蛋白-藻酸丙二醇脂固體顆粒的界面特性的影響，這些小分子乳化劑能夠滲透到界面之間而且也能夠吸附到界面上調節顆粒的潤濕性，一些帶負電荷的小分子乳化劑能夠增強顆粒的靜電排斥作用以及通過與顆粒的作用提高顆粒的立體排斥作用，液滴的直徑也由于一定濃度的小分子乳化劑的加入而變小，Pickering乳液趨于更加穩定。

總之，分子間的相互作用是復雜的，也是可以被食品的研究者所利用的，通過這些分子間的相互作用能夠形成一些獨特結構或者獨特性質的納米固體顆粒，對于Pickering乳狀液的流變特性、微觀結構、潤濕性產生影響，創造出更加穩定的乳狀液體系，為食品的研究者提供理論基礎和實際的產品應用。

3 結論與展望

盡管目前有關Pickering乳狀液研究及不同的固體顆粒開發有許多的報道，怎樣將其轉化為實際的應用是關鍵。一些實際的問題依然存在，正如Brent[89]提出的，如何測量一些不規則的顆粒、表面不均一的顆粒的接觸角；盡管依據能量等式計算的解吸能，如何來解釋實際顆粒要從液滴表面解吸時需要更大的能量；盡管一些報道表明Pickering耐受剪切，其實真實的結果并非這樣，一種解釋是當剪切發生時，作用力并非均勻地作用于液滴周圍的每個顆粒，而是聚集了所有的力作用于部分顆粒，這樣的能量遠遠大于吸附在液滴表面的解吸能，因此導致了顆粒與液滴的分離，液滴開始聚結從而乳液變得不穩定，但真實的原理是什么還需深入的研究；許多的天然聚合物形成的納米顆粒形狀并不是均一的，因此在界面上也很難均勻排列；在真實的食品體系內，納米固體顆粒要和小分子乳化劑在界面上形成競爭性吸附，一般分子越小，越容易快速的吸附在界面的表面，因此固體顆粒是否能夠真正像理論上講的能夠均勻地吸附于液滴的表面以及其真實的接觸角是多少，這些都需要食品研究者們進一步的研究。