基于食品级胶体颗粒稳定 Pickering乳液的研究进展

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(1.北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,教育部北京市共建功能乳品重点实验室,北京 100083; 2.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

乳液是食品工业的重要组成部分,蛋黄酱、奶油、冰淇淋、沙拉酱、蘸酱等产品生产都离不开乳液体系,乳液不仅可以给予产品顺滑的口感,而且还可以实现生物活性成分的包埋与传递。乳化剂是制备乳液的关键组成部分。近年来小分子表面活性剂的安全性受到质疑[1],且表面活性剂常常难以稳定复杂的食品系统,而Pickering乳液的高稳定性、低毒性等优势使其能够弥补食品乳液体系的不足,将Pickering引入食品工业中可以促进食品工业的进一步发展。

Pickering乳液是一种以胶体颗粒稳定的乳液,这种乳液主要是通过胶体颗粒吸附于两相界面之间形成单层膜或多层膜,从而使乳液达到稳定状态。该种乳液具有较好的稳定性、较低的人体[2]和环境毒性[3]、低成本等优势。目前,Pickering乳液已在化工、医药等领域广泛应用,比如可提高化妆品的防晒性和降低皮肤的刺激性[4]、分离和回收化学加工中的催化剂[5]以及实现药物的局部释放[6]等方面。而这些常以无机颗粒(SiO2等)稳定的Pickering乳液无法满足人民对于健康可食理念的追寻,限制了Pickering乳液在食品工业方面的发展。

近年来,伴随越来越多以各类蛋白质、多糖等为原料的食品级胶体颗粒稳定的Pickering乳液的出现,以及这种食品级Pickering乳液在食品加工中的深入应用,食品级Pickering乳液的研发已经成为近年来的研究热点。本文从Pickering乳液稳定性的各类影响因素以及稳定Pickering乳液的各类食品级胶体颗粒这些方面进行综述,以期为Pickering乳液在食品领域的应用与发展提供更多理论依据。

1 Pickering乳液稳定性的影响因素

1.1 胶体颗粒的润湿性

Pickering乳液的稳定性很大程度上取决于胶体颗粒的润湿性,要求颗粒具有双亲性。这种能够吸附于油水界面的胶体颗粒在油水界面上的吸附几乎不可逆[7]。颗粒的润湿性可以用颗粒在油水界面的接触角θ大小进行表征。对于θ<90 °的亲水颗粒,颗粒主体位于水相中,形成水包油型乳液;对于θ>90°的疏水颗粒,颗粒主体位于油相中,形成油包水型乳液;对于θ=90 °的两亲性颗粒,颗粒易在油水界面积累,使乳液更加稳定[8]。

杜研学等[9]通过干法美拉德反应对米渣谷蛋白进行糖基化改性,改变蛋白的湿润性,使得蛋白表面疏水性降低,乳化性能得到改善。吴媛莉等[10]采取OSA对籽粒苋淀粉颗粒进行疏水改性,得到了两亲性颗粒,随颗粒浓度增加,乳液粒径减小,稳定性增强。

Feng等[11]探究了酪蛋白酸钠稳定的玉米醇溶蛋白纳米颗粒的润湿性以及酪蛋白酸钠/玉米醇溶蛋白纳米颗粒复合稳定的Pickering乳液的稳定性,发现一定浓度的(0.1%～0.2%,w/w)酪蛋白酸钠(NaCas)显著提高了玉米醇溶蛋白(zein)纳米颗粒在油中的润湿性,当zein∶NaCas质量比为10∶3时,颗粒达到了中间润湿性,在油水两相中的润湿性相同,zein/NaCas复合稳定的Pickering乳液比纯zein乳液具有更好的离心稳定性。Dai等[12]探究了阿拉伯树胶(GA)稳定的玉米醇溶蛋白纳米颗粒(ZGAPs)的润湿性以及GA/zein纳米颗粒复合稳定的Pickering乳液的稳定性,发现适宜比例GA与zein形成的ZGAPs具有优良的润湿性,可以在液滴周围形成致密的物理屏障,从而阻碍液滴聚结和奥斯特瓦尔德成熟,使得该复合乳液具有长期的贮藏稳定性。

1.2 胶体颗粒的润湿均匀性

颗粒表面润湿的均匀性也会影响稳定乳化时颗粒的性能,按颗粒表面湿润性是否均匀可分为两类:表面湿润均匀颗粒和表面湿润不均颗粒[13]。表面润湿均匀颗粒其表面的润湿性均匀,具有表面活性,但不具有两亲性;表面润湿不均颗粒(Janus颗粒)的表面润湿性不均匀,既有表面活性又有两亲性。在Tu等[14]的实验中,计算了Janus颗粒稳定乳液的自由能,发现当使用Janus颗粒稳定乳液时,能量最低值可以预测油水界面的优选区域,此区域的界面面积可用于预测乳液的无量纲化平均液滴半径,当系统中所有Janus颗粒均被吸附到液滴界面并形成紧密堆积的单层结构时,自由能最低,乳液的稳定性最好。

1.3 胶体颗粒的粒径大小

除了颗粒的润湿性之外,颗粒粒径大小也会影响乳液的稳定性。Binks等[15]研究了不同平均粒径大小的单分散疏水颗粒对乳液性能的影响。发现在粒径大小为0.21～2.7 μm内,乳液的沉降稳定性随颗粒粒径的增加而减小,所有乳液可以保持6个月以上的稳定性,乳液液滴的直径随着颗粒粒径的增加而增加,在稳定期间液滴直径保持恒定。Qi等[16]发现330 nm的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)颗粒可以在液滴界面处形成致密颗粒层,实现表面张力的最小化,比620、1150 nm的颗粒更能有效阻止液滴聚结。粒径较大的颗粒会导致较高的界面吸附障碍和较低的填充效率,在界面上的吸附能较高,一旦吸附,几乎不可解吸。

1.4 胶体颗粒的颗粒浓度

颗粒浓度变化也会影响乳液的稳定性。随颗粒浓度的升高,颗粒分子会逐渐在液滴表面聚集形成分子膜和三维网状结构,能够提高乳液的稳定性,浓度继续升高,剩余的表面活性剂分散在水相中,形成胶束,能够进一步提高乳液的稳定性。在Qi等[16]的实验中,测量了不同浓度(0.2%～3%，w/w)PLGA颗粒稳定的Pickering乳液的稳定性变化。当颗粒浓度低于1%时,乳液非常不稳定。随浓度升高,乳液稳定性逐渐提高,这种高颗粒浓度不仅可以给液滴提供高浓度颗粒覆盖,限制液滴中油相的释放,而且可以降低平衡时界面张力,形成更加致密的界面膜,颗粒还可在液滴周围的连续相中形成网状结构,进一步阻碍液滴的油相释放,从而阻碍聚结,提高乳液的稳定性。

在大豆纤维稳定O/W型Pickering乳液实验[17]中,随大豆纤维浓度的增加,液滴粒径增大,空间位阻增大,有效地抑制了液滴之间的聚结,且随大豆纤维浓度的增加,液滴表面包覆的纤维粒子与液相中的粒子相互缠结,絮凝程度增加,连续相黏度提高,凝胶性增强,抗聚结和分层稳定性增强。但当浓度继续升高,粒径持续增大,包覆在液滴表面的纤维粒子相互缠结,暴露在外的亲水基团的数量减少,液滴之间静电排斥作用减弱,乳液稳定性迅速下降,并伴随油析现象的出现,说明大豆纤维在合适浓度范围内,可作为制备Pickering乳液的稳定剂。

1.5 颗粒的表面粗糙度及油的类型

固体颗粒表面的粗糙度会引起接触角滞后从而影响乳液的稳定性,San-Miguel等[18]通过涂覆相反电性纳米颗粒,然后用不同浓度的丙酮或乙醇处理,从而改变颗粒表面的粗糙度,以癸烷作为油相,制备水包油型乳液,对其接触角以及滞后现象进行测定,发现随粗糙度的上升,颗粒的接触角逐渐下降,亲水性增强,接触角滞后程度增加,乳液的稳定性也随之提升。

除此之外,油相的类型选择也会对乳液产生影响。当油相极性大于水相时,θ<90 °,适合制备O/W型乳液,而当油相极性大于水相时,θ>90 °,适合制备W/O型乳液[19]。Binks等[20]探究了不同油的类型对Pickering乳液稳定性的影响,发现在极性油水界面(酯类和醇类)中,颗粒更具疏水性,更倾向于形成油包水型乳液,而在非极性油水界面(烷烃),倾向于形成水包油型乳液。

1.6 pH和电解质浓度

pH和电解质浓度常通过影响连续相的电导率、颗粒所带电荷以及颗粒的聚集状态影响Pickering乳液的稳定性[21]。

一般来说,若水相中含有电解质离子,则电解质离子会与颗粒进行电性中和,发生聚沉和凝集,破坏乳液的稳定性。Reynaert等[22]证明了电解质浓度和ζ电位对乳液稳定性的影响,随ζ电位降低,颗粒间斥力减小,使得颗粒轻微聚集,在油滴周围形成致密层;而随电解质浓度的提高,液滴间静电相互作用缓慢减弱,液滴间缓慢聚结。但在Binks所稳定的O/W乳液[23]中,加入盐可以提高乳液的疏水性,从而提高乳液的稳定性。Cherhal等[24]通过向纤维素纳米晶稳定的乳液中加入NaCl(50 mmol/L)能够降低静电排斥,有效地稳定液滴。

pH可以影响颗粒的润湿性和带电性,影响其界面吸附特性。Luo等[25]研究了pH对黄酮类胶体颗粒乳化的Pickering乳液的稳定性的影响,发现相比于pH=2时,pH=8时的黄酮类化合物的水溶性上升,ζ电位降低,颗粒的分散性提高,液滴所带电荷数增加,乳液的稳定性提升。Hu等[26]研究了pH对麦醇溶蛋白颗粒稳定的Pickering乳液的稳定性的影响,当pH为2.9和3.0时,发生相分离现象;随pH的增大,当pH为4.0～9.0时,乳液较为稳定,可贮藏两个月仍保持稳定。这可能是因为,带电颗粒在油水界面产生镜像电荷,当其靠近界面会受到静电排斥,对于高电荷态的麦醇溶蛋白颗粒,这种排斥力可能高于乳化作用产生的向界面的对流力,因此,难以吸附在油水界面上,导致乳液不稳定。

Mwangi等[27]研究了离子强度和pH对自聚集壳聚糖颗粒乳液的稳定性的影响,发现低pH(pH=2)会促进乳液液滴的聚结,导致乳液发生破乳,而在中性或碱性环境下(pH=7～8)乳液则高度稳定,这可能是由于随着pH的升高,颗粒间静电排斥降低,导致壳聚糖在油水界面的聚结沉积以及颗粒表面未吸附的壳聚糖的沉积,使界面膜强度增强,且粒子三维网络的形成阻碍了水相的运动,保持了界面的完整性。而随着pH的降低,壳聚糖上氨基基团的质子化导致静电排斥增强,导致颗粒溶解,界面膜逐渐变薄,界膜破裂,液滴聚结,最终在pH=2时完全破乳;在离子浓度方面,由于ζ电位的降低,液滴在所有NaCl浓度下都发生聚结现象。然而,在所有NaCl浓度下,乳液的聚结稳定性和乳化稳定性均得到了改善,可能是由于粒子间的静电斥力降低,导致颗粒吸附增加,从而导致界面膜增强。此外,由于连续相中粒子网络的形成阻碍液滴的聚结,导致乳液的稳定性增强。

2 食品级胶体颗粒

2.1 多糖颗粒

淀粉颗粒是自然界大多数植物储能的主要形式,参与植物的能量代谢[28]。天然淀粉颗粒的乳化能力较低,一般必须经物理或化学改性[29]使其部分疏水,比如用辛烯基琥珀酸酐(OSA)进行化学改性[30],或通过干加热使淀粉颗粒表面蛋白从亲水性转变为疏水性[31],从而具有油水界面的两亲性。这种改性淀粉颗粒常用于稳定O/W型Pickering乳液,比如以改性淀粉和微晶纤维素稳定的葵花籽油O/W型乳液[32]。但是,目前还不清楚这些颗粒改性之后是否仍然是食品级颗粒,即安全可食性固体颗粒,而且,Yusoff等[33]对OSA改性的淀粉纳米晶体是否仍然可以被认为是颗粒提出怀疑,因为研磨和加热环节会导致颗粒分解,并增加无定形结构[34]。

然而,一些研究成功地使用原生淀粉颗粒来稳定乳液如表1。例如Li等[35]成功用大米、玉米和小麦淀粉颗粒(15%，w/w)稳定乳液。大米淀粉颗粒制备的乳液稳定性最好,当大米淀粉浓度高于3%(w/w)时,具有较好的贮藏稳定性,可以连续放置几个月而不发生聚结。Ge等[36]以玉米、木薯、甘薯和糯玉米淀粉纳米颗粒制备了不同类型的Pickering乳液,其中用甘薯和玉米淀粉纳米颗粒稳定的Pickering乳液粒径在100～220 nm之间,具有较好的稳定性。

表1 基于淀粉和改性淀粉颗粒的研究Table 1 Research based on starch and modified starch granules

除此之外,还有一些基于其他碳水化合物颗粒的O/W型Pickering乳液的制备,比如以甲壳素纳米晶颗粒稳定的玉米油O/W型乳液[37],以改性纤维素纳米晶颗粒稳定的正己烷O/W型Pickering乳液[38]以及以疏水性壳聚糖涂层的海藻酸钠颗粒稳定的乙酸乙酯O/W型Pickering乳液[39]等。

2.2 蛋白颗粒

2.2.1 改性蛋白颗粒 由于组成蛋白质的氨基酸种类具有多样性,因此蛋白常具有两亲性。但是蛋白质聚集体在界面处吸附时会离解并展开[47],可以通过交联[48]或热处理[49]的方式来强化蛋白质结构以抑制界面处的展开。比如Xiao等[50]通过反溶剂沉淀法,制备了球形高粱醇溶蛋白纳米颗粒,颗粒具有更好的水相润湿性,倾向于形成O/W型乳液,所稳定的乳液具有良好的抗聚结性;Gao等[51]通过将玉米醇溶蛋白与硬脂酸进行超声波处理来制备玉米醇溶蛋白颗粒,与反溶剂法相比,颗粒具有较小的粒径,与硬质酸钠复合后润湿性得到改善,液滴表面的颗粒覆盖率和颗粒空间位阻提高,所稳定的乳液具有良好的聚结稳定性。Shao等[52]用pH3.0的豌豆蛋白纳米颗粒包被β-胡萝卜素,颗粒在乳液中形成三维凝胶状网络,乳液具有很好的抗聚结稳定性。然而,通过这些加工方式形成的乳液只能在非常精确的pH条件下[61]或依靠连续相中的过量蛋白质形成凝胶而稳定[62]。除此之外,蛋白质颗粒稳定的液滴可能表现为粘性液滴[53],这意味着,即使它们不发生聚结,乳液也可能会表现分层或沉淀。因此,只有内相较高(≥0.6)的乳液才能被某些蛋白质稳定,例如大豆蛋白颗粒[54]。部分蛋白相对疏水,可以通过热处理[55]或溶剂诱导[56]的方式增强其亲水性。

2.2.2 疏水蛋白颗粒 近几年对于疏水蛋白的研究较多,疏水蛋白一般由100±25个氨基酸组成,具有独特的八个半胱氨酸形成四个二硫键的主体序列[57]。其典型的二硫键结构会使蛋白产生一个紧密的核心,阻止蛋白在界面处的展开,是一种性能良好的Pickering颗粒。疏水蛋白可以凭借它们的两亲性吸附到任何表面,并发生转相[58]。

疏水蛋白的两亲性使其具有高度的表面活性,并有助于其自组装性能[59]。疏水蛋白会因浓度的不同以不同的聚集体(单一颗粒、二聚体、四聚体等)形式存在,并可以迅速吸附到在界面上,形成具有较强弹性的动态膜[60]。

根据溶解度和稳定性的不同,疏水蛋白可分为两类:I类和II类。I类疏水蛋白难溶于水,而II类疏水蛋白在含水环境中显示出良好的溶解性。I类疏水蛋白可以在100 ℃抵抗2%十二烷基硫酸钠(SDS)的解离,并且只能被三氟乙酸解离,II类疏水蛋白可以在60%乙醇和2% SDS中解离[61]。I类疏水蛋白具有较高的表面活性,它们在界面处自组装后,可以形成可见的光反射膜[62],这层反射膜会随着时间的推移而固化并被不可逆吸附[63]。

疏水蛋白因其独特的性质,在各个领域都具有广泛的应用。在医学上,有研究者探索了使用液氟稳定乳液的可能性,将疏水蛋白作为融合蛋白,来促进人类成纤维细胞在植入物表面上的结合,并防止导管表面上的细菌生长[64]。疏水蛋白还可以有效地阻止泡沫的歧化等[65]。但由于界面组装需要相当长的时间,而且疏水蛋白具有部分低溶解度的特性,这些使它们在工业生产中可能难以大规模处理[66]。蛋白颗粒的乳液有不同粒径造成不同稳定性，如表2。但不可否认的是,疏水蛋白确实有应用于多种分散系统的潜力,所以在拓宽这些疏水蛋白在食品级Pickering中应用的同时,更应该寻找更有效的两亲性物质来改善这种蛋白的溶解度,寻找加速界面组装的方法,实现疏水蛋白的大规模处理,使疏水蛋白更加符合工业生产的需要,促进疏水蛋白在食品工业的广泛应用。

表2 基于蛋白颗粒的研究Table 2 Based on protein granule research

2.3 脂质颗粒

脂质颗粒被广泛认为是制备食品级W/O型Pickering乳液的有效稳定剂[69],其固有的高疏水性有利于其在油相中通过乳化作用吸附到水相上,稳定液滴。目前已经有大量实验证明,可以用脂肪颗粒部分或完全稳定W/O型乳液,例如黄油、人造奶油等[70]。对于O/W型乳液,一般是用有一个或多个极性基团的脂质颗粒与蛋白质等亲水组分结合,增强颗粒的亲水性,从而实现O/W型乳液的稳定。目前,一些研究已成功使用脂质颗粒制备O/W型乳液,比如说用植物甾醇颗粒制备豆油的O/W型Pickering乳液[71],用类黄酮颗粒制备正十四烷O/W型Pickering乳液等[72]。

3 颗粒与乳化剂复合使用

由于食品组分的复杂性可能会影响颗粒与乳化剂的吸附性能,所以该类研究一般在非食品级系统上进行。首先,常规乳化剂(特别是表面活性剂)可以在乳化前吸附到胶体颗粒上,改变颗粒的润湿性。若初始颗粒具有高度亲水性或疏水性,可以通过疏水或静电相互作用提高乳化稳定效率[73]。而且表面活性剂与颗粒质量之比(w/w)对乳液的稳定性非常重要,如果颗粒的亲水性(或疏水性)变得太高,则颗粒可能不再被油水两相充分润湿,因此不能在界面处吸附[74],或者可能发生乳液的相转化[75]。Binks等[76]发现,表面活性剂浓度增加可能会导致颗粒从亲水性到疏水性再到亲水性的连续转变。Pichot等[77]表明,低表面活性剂浓度有利于乳化过程中的液滴分散,并防止液滴快速聚结。表面活性剂浓度的进一步增加,会导致液滴体积增大,原因可能是由于表面活性剂和颗粒之间的吸附竞争,导致表面活性剂不能完整覆盖界面,从而导致了乳液的相转变。最后,当表面活性剂浓度最高(1.5%)时,由于其在油水界面的充分覆盖,液滴粒径再一次减小,乳液的稳定性得到提高。

不过此类组合也有一定优越性,以酪蛋白酸钠和二氧化硅颗粒复合制备更小粒径的O/W型Pickering乳液;以β-乳球蛋白与几丁质纳米晶复合可以增强界面膜弹性[78];以玉米醇溶蛋白颗粒与海藻酸丙二醇酯复合可以使乳液具有凝胶性质,提高乳液的稳定性[79];以甘露醇胶体颗粒与纳米原纤化纤维素(NFC)复合共同包被维生素D,可以产生物理隔层并形成三维网络抑制液滴聚结[80];以玉米醇溶蛋白/单宁酸复合稳定姜黄素可以降低姜黄素降解率,减少光氧化作用[81];玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合壳聚糖颗粒(ZCPs)可以保护姜黄素乳液不受过氧化,提高乳液的氧化稳定性[82]。

这种系统的制备要首先将乳化剂吸附到颗粒表面改变其润湿性,计算好乳化剂与颗粒的含量之比,保证颗粒充分被两相润湿,防止出现转相[83]或无法在界面处吸附[84]的现象,然后再进行乳化。对于此类乳化剂,加工步骤会显著影响乳液的形成和稳定性,尤其是分散介质的影响。比如,将二氧化硅颗粒添加到油相中,有利于在以油胺为乳化剂的乳液中的小液滴的形成,并且可以阻止聚结的产生,但将二氧化硅颗粒添加到水相中,则会导致液滴聚结和相分离[85]。除此之外,当颗粒与乳化剂发生竞争吸附的现象时,可能会导致乳化后界面重组的现象[86]。原因可能是,乳化剂对颗粒表面的亲和性高于油水界面对于颗粒的亲和性,导致界面张力的降低,从而发生解吸[87]。可以看出,这种表面活性剂与纳米颗粒协同稳定乳液的方式在特定浓度下具有很好的稳定性,若能通过一些方式改善颗粒和乳化剂的竞争吸附现象,这种颗粒和乳化剂协同稳定的方式将更能促进Pickering乳液在食品工业中的应用,促进食品级Pickering乳液的进一步发展。

4 结论与展望

Pickering乳液除具有稳定性好、生物相容性强、应用前景广等优势。目前Pickering乳液体系在食物中的应用也已经非常普遍,比如软饮料、牛奶、奶油、冰淇淋、沙拉酱、蛋黄酱、汤、酱汁、蘸料、黄油和人造黄油等[88]。但由于食品级Pickering乳液常用的多糖、蛋白质等颗粒来源较为局限,且不具有良好的润湿性,因此,寻找通过水解、加热、物理或化学改性等方式改善其湿润性,寻找其他具有良好双亲性的食品级胶体颗粒,引进微通道、膜乳化等高效乳化技术等方法将成为未来的一个发展方向。另外可以深入探究食品级Pickering乳液的稳定性影响因素,通过控制这些因素,使Pickering乳液体系能够更加稳定地存在于各种复杂的食品体系中,也是一个有价值的研究方向。