纳米纤维素颗粒稳定的Pickering乳液的性能研究

牛付阁 韩备竞 寇梦璇 樊佳玫 潘伟春*

（1 浙江工商大学食品与生物工程学院 杭州310018 2 安徽荣达禽业有限公司 安徽宣城242200）

营养不良是困扰人类健康的主要问题之一，一直以来科学家和食品制造商都试图通过在食品中添加功能性营养成分来改善这一问题[1-2]。然而，食品功能性组分在使用过程中因水溶性差，对光、热敏感，易氧化、分解等问题，严重影响了其生物利用率[3-4]。 有研究者开发了各种包埋技术来提高功能性营养成分的生物利用率，如采用脂质体、微球、乳剂等，它们虽在一定程度上改善了药物/功能成分的生物利用度、缓控释放性能及稳定性等，但仍有一些目前无法解决的问题， 如脂质体在人体循环中不稳定， 微球降解速度会影响功能成分的释放，乳剂长时间放置易破乳等[5-7]。构建合适的输送载体是解决功能活性成分生物利用率的关键。

Pickering 乳液是一种由吸附到两相界面的固体颗粒稳定的乳浊液， 与普通的由表面活性剂稳定的乳液体系相比，具有更好的稳定性、控释性，并且能够降低脂质代谢率[8-9]。 有机和无机颗粒乳化剂相对于传统的商业乳化剂， 显示出对亲脂性成分具有较好的控释能力， 更稳定的抗氧化能力和更低的脂质消化率[10]。 虽然有很多研究表明固体颗粒乳化剂具有较好的稳定性能， 但是很少有颗粒能直接与食品兼容， 这是因为大部分颗粒型乳化剂都不适用于食品体系。 近几年， 大豆蛋白质、蛋清蛋白、玉米醇溶蛋白和多糖等生物大分子聚集体作为新颖的食品级乳化材料在食品和化妆品领域的研究受到关注， 因为它们具有与食品兼容和突出的乳化性能[11-13]。由于这些天然原料数量有限且成本较高，因此研究开发一种价格低廉、安全、稳定的功能性成分运载体系，是解决功能性成分安全高效利用的关键。

纤维素是植物资源的重要组成部分， 多存在于高等植物的细胞壁中， 是一种普遍存在的蕴藏最为丰富的天然生物资源[14]。 纳米微晶纤维素作为纤维素基纳米材料的代表产品， 目前已受到广泛的关注， 纤维素经物理化学方法处理后可得到纳米级纤维素， 它具有许多无机纳米粒子所不能比拟的优异特性[15]，如生物相容性、生物可降解性、纳米尺度效应、高强度和表面活性强等，被认为是未来世界能源、化工和食品的主要原料[16-17]。目前已有学者研究发现纳米纤维素具有良好的触变性，是一种优良的食品添加剂，并且在高温、高酸碱或高盐浓度的条件下也有较好的增稠效果，可作为增稠剂应用在肉丸、冰淇淋、酸奶等食品领域中[18]。 因此，基于纳米纤维素优越的功能特性，设计与构建以纳米纤维素为载体的Pickering 乳液体系， 并利用其对功能性营养素或者药物成分进行负载包埋， 在食品生物医药领域将具有良好的应用前景。 本试验研究纤维素浓度、 油脂添加量、 纤维素颗粒大小对纤维素乳液液滴粒径、电位、微观结构和稳定性的影响，制备得到稳定的纤维素乳液系统， 为后期功能活性成分的输送提供了良好的基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

纤维素原料由浙江省杭州语晗科技有限公司提供；葵花籽油购于益海嘉里投资有限公司，其中约含有13.0%饱和脂肪酸，26.0%单不饱和脂肪酸，61.0%多不饱和脂肪酸；氢氧化钠、盐酸、硫酸等试剂等均购自上海国药化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

超声波仪，江苏昆山超声波仪有限公司；纳米粒度及Zeta 电位分析仪，英国Malvern 仪器公司；接触角测量仪， 德国德菲仪器有限公司； 分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；电子显微镜，南京江南永新光学仪器公司；T25 高速分散器、磁力搅拌器，德国IKA 公司；实验高压均质机，美国APV 公司。

1.3 方法

1.3.1 纳米纤维素颗粒的制备 纳米纤维素颗粒的制备参考前期的研究方法[18]，纤维素浸膏在10 000 g 的条件下离心10 min，然后取下层沉淀溶于混合酸中（H2SO498%，HCl 37%和水的比例分别为42.5%，13.75%，45%）配置成质量分数为8%的分散液。然后把混合溶液置于超声处理条件下水解，分别在2，6，10 h 后取出样品，然后样品在8 000 g条件下离心10 min， 制备得到不同颗粒形貌的纳米纤维素颗粒放于4 ℃备用。

1.3.2 纤维素接触角测试 不同水解时间下制备的得到的纤维素颗粒， 冻干后经红外压片机压至约0.7 mm 薄片，滴加2 μL 去离子水以JY-82B 接触角测量仪测定其固液接触角。

1.3.3 纤维素乳液的制备 参照Niu 等[19]的方法稍有改动，配置一系列不同浓度的纤维素溶液，然后向溶液中添加不同体积的葵花籽油， 接着用高速分散器以11 000 r/min 的速度混合2 min， 得到粗乳液， 再用高压均质以40 MPa 的压力均质两次，最后得到终乳液，乳液密封放置于4 ℃条件下备用。

1.3.4 乳液的粒径分析 乳液平均粒径用马尔文粒度分析仪测定， 测量前乳状液用超纯水稀释100 倍以避免多重光散射。 样品测试前在仪器中平衡60 s，然后每次测试至少累计12 次。 每个样品平行测试3 次取平均值。

1.3.5 样品ζ-电位分析 样品的表面电荷分布用马尔文Zeta 电位分析仪测定。 样品用超纯水稀释100 倍以避免多重光散射。 样品测试之前在仪器中平衡60 s，测定样品的电泳迁移率，然后根据Smoluchowsky 数学模型分析乳液的ζ-电位。 每个样品平行测定3 次取平均值。

1.3.6 乳液液滴显微结构观察 BM2100 光学显微镜观察乳液液滴形貌结构。 将10 μL 乳液液滴放置于载玻片上，然后慢慢盖上盖玻片，防止气泡产生，平衡2 min 后，在40 倍的物镜下观察液滴的大小及分布情况， 每个样品选择4 个区域进行对比，用于评价乳液的特性。

1.3.7 纤维素乳液的稳定性分析 制备好的新鲜乳液放置在透明的螺盖小瓶里，在25 ℃下黑暗的环境里放置7 d，观察乳液分层情况，记录乳液的乳液层和清液层高度， 分析不同颗粒制备的乳液的稳定性。

2 结果与分析

2.1 不同油添加量对乳液粒径和稳定性的影响

图1 显示水解时间为6 h，纤维素质量分数为0.4%时， 不同油添加量对乳液液滴粒径和稳定性的影响。 由图1a 所示，随着葵花籽油添加量增加乳液液滴粒径逐渐增加， 并且乳液液滴显示出明显的絮凝现象。 可能是由于在纤维素浓度一定的情况下，随着油脂含量的增加，纤维素颗粒不足以完全覆盖油滴表面，乳液液滴之间排斥力降低，油滴之间由于奥氏熟化而互相靠近导致絮凝发生[20]。乳液放置7 d 后的分层现象由图1b 所示，当油添加为1%时， 乳液上层为清液层并且清液层较低，随着油脂添加量的增加乳液发生明显的分层现象，且乳液层上浮，进一步说明随着油脂含量的增加纤维素不能完全包埋油滴， 油滴由于奥氏熟化而聚集成大油滴漂浮于溶液上层。

图1 不同油添加量对乳液粒径（a）和稳定性（b）的影响Fig.1 The effect of oil volume on the size （a）and cream stability （b）of emulsions

2.2 不同纤维素颗粒浓度对乳液特性的影响

图2 油含量为1%时纤维素质量分数与乳状液颗粒粒径之间的相关性Fig.2 The correlation between the droplets particle size of emulsion and the mass percent of cellulose at 1% oil

图2 所示为油添加量为1%时，乳液液滴粒径和电位随纤维素浓度（水解时间为6 h）的变化情况。乳液粒径随着纤维素添加量的增加而降低，并且呈线性关系（R2=0.9928）。 这主要是由于在均质的过程中，油脂被分散成小液滴，然后纤维素颗粒快速地吸附到油滴的表面形成一层稳定的界面结构。 随着纤维素浓度的增加有更多的纤维素颗粒吸附到油滴表面， 降低了油滴发生奥氏熟化的几率。 前期的研究中已经证实纤维素颗粒表面带有负电荷[21]，因此从乳液液滴的表面电荷可以看出，随着纤维素浓度的增加， 油滴表面的纤维素颗粒的数量也增加，表现出负电荷含量越来越多（R2=0.9562）。 进一步说明了纤维素浓度越高油滴表面吸附的纤维素颗粒越多， 形成的界面层越来越稳定。在二氧化硅、甲壳素纳米晶和变性淀粉稳定的Pickering 乳液研究中发现了类似的结果， 随着颗粒浓度的增加乳液液滴的粒径同步降低， 这主要是由于颗粒浓度越大所能稳定的截面面积越大[8，22-23]。

图3 显示当油添加量为1%时，不同浓度纤维素颗粒稳定的乳液液滴的絮凝特性， 结果表明当纤维素颗粒质量分数为0.4%时，乳液液滴絮凝较严重，液滴之间粘结在一起，形成了部分聚集区和部分空白区。 当质量分数增加到0.6%时，依然可以观察到乳液液滴的絮凝现象， 当质量分数为0.9%时，乳液液滴均匀分布，没有明显的聚集现象发生，说明在此条件下乳液液滴稳定性较高，纤维素形成了一层稳定的界面层， 增加了液滴之间的排斥作用，抑制了液滴的聚集。

图3 不同质量分数纤维素颗粒稳定的乳液液滴絮凝特性Fig.3 The flocculation characteristics of emulsion stabilized with different mass percent of cellulose

如图4 所示，在1%的油量下水解6 h 制备得到的纤维素颗粒稳定的乳液放置7 d 后， 质量分数0.9%的纤维素稳定的乳液显示出较好的稳定性， 主要是由于纤维素质量分数较高时有更多的纤维素颗粒吸附到油滴的表面， 乳液液滴之间的静电作用和空间排斥作用增强， 纤维素界面层抑制了油滴的奥氏熟化现象[24]。 因此葵花籽油添加量为1%， 纤维素添加量为0.9%可制得较稳定的乳液结构。

2.3 不同水解时间下制备的纤维素颗粒特性分析

由图5a 可以看出， 随着水解时间的延长，纤维素颗粒的电位从0 h 的-11.5 mV 降低到10 h的-43.8 mV。这主要是由于随着纤维素的水解，纤维素中形成了较多的磺酸基团和硫酸酯， 同时释放出更多的-C-OH 基团，增加了纤维素表面的净电荷。 一般情况下， 当颗粒的电位的绝对值大于35 mV 时，颗粒显示出较好的稳定性。 由图5b 可知，0 h 的纤维素与水的接触角为39.68°， 随着水解时间的延长纤维素与水的接触角逐渐增大，当水解时间为10 h 时，接触角增加到了51.57°，说明纤维素颗粒具有较好的亲水湿润特性， 同时随着水解时间的延长得到的纤维素亲水性有降低的趋势。这一现象说明随着水解时间的延长，得到的纤维素颗粒在油水界面的吸附能力更强。

图4 油含量为1%时，不同浓度纤维素的乳液室温放置7 d 后照片Fig.4 At 1% oil， the photograph of emulsion stabilized with different mass percent of cellulose during storage for 7 days at 25 ℃

图5 不同水解时间的纤维素颗粒的电位和纤维素与水的接触角Fig.5 The potential of cellulose particle and the contact angle between cellulose and water under different hydrolysis time

2.4 不同纤维素颗粒粒度对乳液特性的影响

为了考察不同纤维素颗粒大小对乳液稳定性的影响， 研究了不同水解时间下制得的纤维素颗粒稳定的乳液（1%油，0.9%纤维素）的特性。 结果显示随着水解时间的延长， 纤维素稳定的乳液的粒径降低。 这主要是因为颗粒与其稳定的乳液颗粒之间存在粒度效应关系。 随着水解时间从2 h增加到10 h， 纤维素颗粒的疏水力学半径从205 nm 降低到89 nm[21]。 也就是说纤维素颗粒粒径越小，制备的乳液液滴的粒径也越小。这主要是由于随着水解时间的延长， 单位面积油滴可吸附更多的纤维素颗粒，因此增加了界面稳定性[25]。 从乳液的分层指数颗粒看出，当乳液水解时间为0 h 时，乳液也显示出较好的稳定性， 这是由于在此条件下乳液具有较高的黏度值，乳液液滴运动较慢，放置一周后乳液没有显示出明显的分层现象。 当水解时间为2 和6 h 时， 乳液放置一周后显示出轻微的分层现象，上层有清液层出现。当水解时间达到10 h 时，乳液显示出较高的稳定性，没有乳液分层现象发生，同时乳液具有较小的颗粒粒度。

图6 不同水解时间下，乳液粒径及稳定性变化Fig.6 Change of mean particle diameter and stability of emulsion at different hydrolysis durations

3 结论

随着纤维素浓度的增加， 油滴表面吸附的纤维素颗粒越多，液滴表面负电荷数量增加，乳液粒径逐渐降低， 纤维素浓度与乳液液滴粒径呈现良好的线性负相关（R2=0.9928）。 乳液放置一段时间后分层指数随着纤维素浓度的增加而降低， 稳定性提高。 当纤维素质量分数为0.9%，油添加量为1%时水解10 h 的纤维素制备得到的乳液颗粒粒径达到400 nm 左右，放置7 d 后没有分层现象发生，显示出较好的储藏稳定性。不同形貌的纳米纤维素颗粒与其稳定的乳液之间存在粒度效应关系，纤维素颗粒越小，制备得到的乳液液滴粒径越小。 本研究结果说明可以利用纤维素颗粒设计和构建稳定的Pickering 乳液体系，为生物活性物质或药物成分的包埋和输送提供一定的数据支持。