生物质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液

张 婷 赖河宇 王 琴 柳旭泽 郭舜远 方 云*

(1.江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡，214122；2.江南大学至善学院，江苏无锡，214122)

乳液在食品、药品、化妆品和石化工业等领域中有众多应用。传统乳液通常由表面活性剂稳定，因而直接或间接导致环境污染和回收困难等问题[1]。近年来，固体颗粒因其低毒性、低成本而成为小分子乳化剂的替代品，其稳定的乳液称为Pickering乳液[2]。解释Pickering乳液的稳定性一般依据固体颗粒界面膜理论或三维黏弹粒子网络理论[3]，如图1所示。前者认为，少量固体颗粒在油–水界面上不仅排列形成类似刚性球壳的膜阻碍乳液滴相互碰撞，而且其带电性也增加了乳液滴间的斥力，进一步促进Pickering乳液的稳定性；后者认为较高浓度的颗粒分布在连续相中形成三维网状结构，也会阻碍乳液滴彼此靠近和碰撞，从而有效地抑制乳液分层。

图1 Pickering乳液的稳定机制

生物质颗粒来源广泛，安全无毒，近年来因其良好的生物相容性而在Pickering乳液中扮演着非常重要的角色，主要包括多糖如纤维素纳米晶体[4]、蛋白质如s–卵清蛋白[5]，以及复合生物分子[6]等。一些应用场合需要Pickering乳液显示环境响应的有限稳定性，例如以Pickering乳液作为药物传输系统(DDS)，包封药物时需要稳定，而药物释放时需要快速破乳或者通过粒径的变化实现缓控释，因此具有环境刺激响应性的Pickering乳液具有非常重要的作用。生物质颗粒具有这种功能，因此推动了刺激响应型Pickering乳液的发展。

1 生物质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液

多糖是自然界中最丰富的生物聚合物。常用作Pickering乳化剂的多糖包括壳聚糖、纤维素和淀粉[6]，蛋白质则是另一类主要的生物聚合物；以下将分别介绍基于壳聚糖、纤维素、淀粉和蛋白质稳定的刺激响应型Pickering乳液的稳定机制、刺激响应机制以及研究进展。

1.1 壳聚糖颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液

壳聚糖(CTS)来源于天然几丁质，可再生、无毒并且具有良好的生物相容性，是许多食品的添加剂以及膳食的补充剂。由于CTS本身具有高亲水性，因此一般不直接作为乳化剂使用。但CTS分子主链中存在化学活性较高的羟基和氨基，较易通过化学修饰使其同时具有亲水性和疏水性[7]。Ren等[8]在酸性条件下，使含硒的阴离子表面活性剂11-(丁基硒烯基)十一烷基硫酸钠(C4SeC11S)与CTS通过静电吸引作用，结合形成CTS-C4SeC11S复合物，该复合物进一步自缔合成具有亲–疏水性的微米颗粒，借此来稳定O/W型Pickering乳液。CTS和C4SeC11S结构式如图2所示。因为C4SeC11S具有氧化还原响应性，所以当添加一定量的H2O2时，C4SeC11S被氧化失活，乳液油滴逐渐增大直至破乳。破乳的时间受H2O2剂量的影响，剂量越少破乳时间越长。此外，该Pickering乳液还具有pH响应能力，在pH 6.7～7.7时，CTS胺基的质子化度(δ)为1.4%～15%，此时，C4SeC11S在CTS上的吸附量较少，所以CTS-C4SeC11S的疏水相互作用不能诱导自缔合，故不能进一步自缔合形成颗粒乳化剂稳定Pickering乳液；而在pH＜6.7和pH＞7.7时，CTS-C4SeC11S均能形成颗粒并稳定Pickering乳液。这是因为在pH＜6.7时，CS中胺基的δ＞15%，因此C4SeC11S可以通过静电吸引作用很好地吸附在CS上对其进行现场疏水改性；而在pH＞7.7时，尽管CTS胺基的δ＜1.4%，但是由于分子间氢键的相互作用，C4SeC11S的结合使CTS仍然能够自缔合并形成颗粒乳化剂。因此，可以通过调节pH使该乳液在稳定和不稳定的状态之间发生转变。这种多重响应Pickering乳液能够作为化妆品、食品中一些功能成分的输送媒介，因而受到关注。

图2 壳聚糖(CS)和C4SeC11S的分子结构

pH和温度是较易实施的响应系统。Wang等[9]将CTS、交联剂MBA和异丙基丙烯酰胺(NIPAM)混合制备得到CTS-g-PNIPAM共聚物，然后通过高速均质油–水分散液得到Pickering乳液。由于PNIPAM链对pH和温度均较为敏感，所以该乳液同时具有pH和温度响应性，如图3所示。此外，将该乳液置于25～40℃下，通过3次交替地升高和降低温度，可以发生可逆破乳与再乳化。该体系还能实现CTS–g–PNIPAM微凝胶的重复利用，为壳聚糖颗粒稳定刺激响应型Pickering乳液提供了一种新思路。

图3 CTS—g—PNIPAM稳定的异辛醇/水Pickering乳液的pH和温度响应性

1.2 纤维素颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液

纤维素是一种来源丰富的生物大分子，富含于麦草、甘蔗渣和竹纤维等中[10]。纤维素具有良好的生物相容性和可再生性，是食品、化妆品和DDS等领域中理想的天然材料。然而，大部分纤维素润湿性较差，难以直接用来稳定Pickering乳液。近年来，开始通过物理改性或化学改性的手段获得具有良好润湿性的纤维素颗粒，并用于稳定Pickering乳液；同时致力于开发基于纤维素颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液，以期拓宽其应用范围。纳米纤维素晶体(CNC)(一类纤维素酸水解产物)是用于制备刺激响应型Pickering乳液的具有广阔前景的材料。但是，CNC分子中富含的羟基导致其亲水性较强，限制了它们的乳化能力。目前，有一些研究使用共价修饰的方法进一步增强CNC的疏水性[11]。为了简化修饰过程，Ren等[12]通过控制CNCs-COOH与热敏性的聚醚胺M2005之间的静电吸引作用，制备得到了具有生物降解能力的CNCs–M2005复合物。制备过程如图4所示。具有部分疏水性的M2005提高了CNCs的乳化能力，用其乳化水–正十四烷混合物形成O/W型乳液，该乳液液滴形态和大小在一个月内基本保持不变；在温度升至60℃ 20 min后，由于CNCs-M2005的聚集，发生了完全的相分离；在20℃时持续通CO220 min后， CNCs-M2005分解为CNCs-COOH和M2005＋而导致乳液发生破乳，机制如图5所示。温度和CO2诱导乳化和破乳的过程可以可逆操作3次而没有任何效率损失。这是首例报道的基于纤维素颗粒稳定的CO2和温度双响应Pickering乳液，显示在可控药物输送、食品和化妆品等领域的潜能。

图4 CNCs—COOH和CNCs—M2005的合成

图5 Pickering乳液的CO2响应原理

1.3 淀粉颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液

大部分淀粉颗粒较亲水，无法直接作为Pickering乳化剂，因此需要通过改性来赋予其良好的乳化性能。淀粉改性常用的方法有两种，即减小粒径和提高疏水性。为了赋予淀粉纳米颗粒(SNP)环境响应性，则可以在SNP上接枝一些具有刺激响应性能的聚合物。Pei等[13]使用图6所示策略制备SNP–g–PNIPAM作为Pickering乳化剂。PNIPAM是最常用的热响应性聚合物之一，它在水溶液中可以发生可逆相变，因此通过改变温度，用上述颗粒稳定的Pickering乳液可以可逆地乳化/破乳。除了在淀粉颗粒上接枝聚合物外，还可以将淀粉颗粒与其他具有刺激响应性的生物质颗粒复合，以此来稳定Pickering乳液[14]。

图6 从Br—SNP表面接枝聚合物的合成策略

1.4 蛋白质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液

蛋白质是生物细胞和组织的重要成分，一些种类的蛋白质显示了优异的乳化性能，因此各种基于蛋白质颗粒稳定的Pickering乳液在食品、化妆品和生化行业中具有创新性应用的前景。迄今为止，对该类乳液的研究还十分有限，并且大多数研究集中在玉米醇溶蛋白(zein)和麦醇溶蛋白等醇溶性植物蛋白和大豆蛋白、乳铁蛋白等水溶性蛋白方面[15]。另外，基于蛋白质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液的报道更加有限，且多集中在单刺激响应系统上。Xi等[16]使用源自酪蛋白的NaCas稳定乙酸乙酯–水分散体系并制得O/W型Pickering乳液。NaCas在中性和弱碱性条件下(pH≈8.0)会自动缔合成直径为20～40 nm的球形胶束，可以稳定乳液；当pH≈5.1时这些胶束会形成簇状结构，最终沉淀并造成破乳；而当pH回调至8.0时，这些沉淀物又会复原成20～40 nm的球形胶束进而稳定乳液，如图7所示。NaCas在不同pH下可逆的缔合和沉淀行为，为Pickering乳液引入了pH响应性，并且这种可逆行为可以持续至少5个循环，理论上可以实现乳化剂的回收和再利用，为制备可回收乳化剂以及有效绿色地分离产品提供思路。

图7 NaCas稳定的乙酸乙酯—水Pickering乳液的pH响应性能

2 生物质颗粒稳定的Pickering乳液的应用

目前，针对生物质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液应用的报道较少，主要集中在生物质颗粒稳定Pickering乳液的应用上。

2.1 医疗领域

近年来，人们致力于开发更有效的用于癌症治疗的药物输送载体，以减少在癌症治疗过程中的副作用，同时提高药物的疗效。生物质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液因具有独特的优势(如良好的生物相容性、刺激响应性、可包封不同的化合物)而广受研究者们的青睐。Low等[17]报道了一种以Fe3O4和纤维素纳米晶体(MCNC)复合颗粒稳定的具有磁响应性的Pickering乳液(MCNC–PE)，并以此来包封姜黄素(CUR)。实验结果表明，磁场不仅会触发CUR的释放，还能进一步提高MCNC–PE中CUR的释放速率，增强对模拟的直肠癌细胞的抗癌作用。因此，生物质颗粒稳定的Pickering乳液可以通过调控外部环境进而触发治疗药物的释放，是一种有效并具有发展前景的药物传输系统。

2.2 食品领域

目前作为Pickering乳液的生物基乳化剂主要包括多糖、蛋白质以及复合生物基分子。黄油蛋糕是现在非常受欢迎的甜点和休闲食品，但黄油因脂肪含量过高容易导致人体肥胖和一些其他疾病的产生。Feng等[18]将富含肉桂精油的以玉米醇溶蛋白纳米颗粒稳定的Pickering乳液部分代替黄油蛋糕中的黄油，降低了蛋糕的能量，使得蛋糕的口感更加绵密、质地更加均匀、颜色更加持久；并且包封的肉桂精油为黄油蛋糕引入了更强的抗菌能力，延长了蛋糕的保质期。所以，生物质颗粒稳定的Pickering乳液在冰激凌、巧克力、蛋糕等甜品的制备中可以提高产品的安全性和稳定性，使产品的口感更加绵密、质地更加均匀、保质时间延长。

2.3 日化领域

Pickering乳液可以用来包封个人护理用品中具有生物活性的功能成分，以此提高产品的稳定性和功效性。由于消费者对安全和绿色产品的需求不断增加，生物质颗粒稳定的Pickering乳液在化妆品行业受到关注。Sharkawy等[19]使用壳聚糖/阿拉伯胶纳米颗粒稳定Pickering乳液，以此包封反式白藜芦醇。在离体条件下，发现该体系提高了皮肤对白藜芦醇的吸收能力和渗透能力，这使得在不使用任何化学渗透促进剂的情况下保持较好的美容效果。此外，该Pickering乳液的包封导致白藜芦醇的光稳定性增加，提高了白藜芦醇的稳定性。生物质颗粒稳定的Pickering乳液提高了个人护理用品的安全性、稳定性和功效性，拓宽了个人护理用品的适用条件。

3 结语

目前，虽然以生物质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液还局限于实验研究阶段，大多数尚未投入实际应用，但随着人们对“美”和“健康”的标准日益提高，以生物质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液将会在未来的食品、化妆品和医疗领域占领一席之地。随着当前科技的发展和进步，对生物质颗粒稳定的刺激响应型Pickering乳液的要求也在不断提高，进一步开发具有多重刺激响应型Pickering乳液值得更多的研究和关注。