多层乳液递送系统的应用及研究进展

武琼琼，吴越，沈雪，赵福阳，藏小丹

（牡丹江医学院公共卫生学院，黑龙江牡丹江 157011）

活性成分（如姜黄素、花青素、茶多酚等）因其具有抗炎、抗氧化、降胆固醇、降脂等作用而备受关注[1]，有些还具有预防各种慢性病的医学作用[2]。同时，也有部分活性成分可以作为天然的食品添加剂而广泛应用于食品行业中[3]。然而，某些活性成分由于具有疏水性、易光解、对环境条件敏感等缺点而限制了它们的广泛使用[4]。为此，研究人员开发了各种递送系统以促进它们的广泛应用、提高其生物利用度。乳液因其操作简单、绿色经济等特点成为备受各行业关注的一类递送系统。虽然单层乳液制备简单，也能够提高活性物质的生物利用率，但面对外部环境压力（加工、储存、运输等）及体内复杂的代谢系统，仍具有极大的不稳定性，易发生絮凝、聚结等物理化学变化[5]。近年来，人们发现多层乳液可以改善乳液的稳定性、降低脂质消化率、保护活性成分不被破坏[6]，还可以实现活性成分的缓慢释放，极大地提升活性物质的生物利用率。

多层乳液近年来之所以能成为备受关注的热点，源于它具有较厚的界面层，可有效保护活性物质，也可以通过合理的设计，使活性成分到达靶部位并实现缓慢释放。因此，本文从结构、构建原理等方面对多层乳液进行介绍，全面阐述乳液界面层特性及其影响因素，并介绍目前多层乳液在食品行业的应用，以期为多层乳液在食品递送领域的应用提供参考。

1 多层乳液的结构及构建原理

多层乳液通常采用静电沉积法制备，常用的制备多层乳液的乳化方法有高压均质、微射流和超声均质法。将油、水和带电荷的乳化剂均质，形成带电荷的乳化剂包覆的水包油或油包水乳液。然后将该乳液与含有相反电荷的生物聚合物的溶液混合，这些聚合物吸附到油滴表面并形成额外的涂层[7]。这样层层结构的多层乳液便形成厚的界面层，增加空间斥力，从而提高乳液的稳定性。多层结构也可以形成更强的机械屏障，有效保护脂滴内或多聚体层的活性成分不被破坏[8-9]。同时，多层结构也允许在体内的胃肠道中控制释放。此外，界面涂层的材料和组成可以设计为具有条件刺激响应特性的乳液，以释放生物活性化合物[10-11]。

制备过程中通常需要在每个沉积之前增加一个洗涤步骤，可以采用饱和、离心、过滤等方法去掉多余的聚合物，以避免发生絮凝现象。然而，如果严格控制生物聚合物的浓度，确保油滴被充分涂覆，并且不产生桥接絮凝，便可以省略这一洗涤步骤[12]。

2 界面层特性在控制多层乳液稳定性方面的作用

在许多方面，多层乳液具有与传统乳液相似的整体物理化学性质（流变学、光学性质和稳定性等）以及相似的颗粒特征（浓度、粒径和净电荷等）[5]。界面层的物理化学特性（如层的厚度和结构、吸附的乳化剂之间的相互作用、界面的流变性等）在很大程度上决定了乳液的形成与稳定[13]。

2.1 界面层的形成与作用

乳化剂在油水界面展开或重新排列分子结构形成界面层，保证疏水部分与油相接触，亲水部分与水相接触。两种或多种不混溶相液体加入表面活性剂（乳化剂），可制备成动力学稳定的乳液。乳化剂的主要作用是通过吸附在新形成的油-水滴界面上来降低界面张力。由于它们的分子结构不同，在界面处分子重排和吸附乳化剂的程度和速率也不同，最终影响界面层的形成和性质[14]。控制界面特性是设计具有特定功能性的结构化体系最有力的方法之一。比如可以通过选择特定的乳化剂类型、改变体系组成或加工条件来控制界面层的特性，如张力、电荷、厚度、渗透性、流变性和环境响应性等[5]。具有良好界面特性的乳化剂应满足3 个基本要求：1）界面处快速吸附；2）分子结构在界面处的展开能力；3）形成具有内聚力和黏弹性的界面膜[15]。蛋白质、多糖及一些表面活性剂常作为乳化剂稳定乳液。蛋白质具有两亲性、聚合物结构和电荷特性，但由于对环境敏感[16]，食品工业中常与多糖组合制备食品级生物聚合物的多层乳液。

界面层的稳定性依赖于乳化剂的性质。蛋白质之所以能够作为优良的乳化剂吸附在油水界面主要是因为极性和非极性氨基酸[17]。此外，由于氨基酸上的负电荷（COO-）或正电荷（NH3+），可以通过静电排斥作用稳定乳液中的液滴，从而有助于防止蛋白涂层油滴聚集和控制乳液稳定性。蛋白质稳定的乳液的界面性质同时也强烈依赖于蛋白质的结构性质，包括表面疏水性和构象柔性[18]。表面疏水性太低不利于蛋白质吸附在液滴表面，太高则蛋白质容易聚集而失去表面活性[14]。同时，具有高柔韧性的吸附蛋白可以很容易地在油水界面展开和铺展，以覆盖最大的表面积形成稳定的乳液[19]。蛋白质的柔韧性可以通过结构修饰来改变，Li 等[18]研究表明，蛋白与多糖的结合可以增加蛋白的柔韧性且分子柔韧性与乳化活性及乳化稳定性之间具有良好的相关性。

此外，还可以用多糖或者表面活性剂十二烷基硫酸钠（sodium lauryl sulfate，SDS）作为乳化剂构建多层乳液，比如利用两亲性辛烯基琥珀酸酐（octenylsuccinic anhydride，OSA）淀粉制备初级乳液，然后用阳离子壳聚糖包覆形成多层乳液[20]。也有研究使用SDS形成阴离子表面活性剂包覆的初级乳液，然后用阳离子多糖壳聚糖形成第二层，第三层采用海藻酸钠/果胶包覆形成稳定的多层乳液[21-22]。

总之，乳化剂的类型、结构等对初级乳液的构建有极大的影响，选择高表面活性及高柔韧性的乳化剂有利于形成稳定的界面层。蛋白质由于具有两亲性、高表面活性、易于修饰及低致敏性等特性，常被用来作为天然乳化剂的首选。

2.2 影响界面层稳定性的因素

2.2.1 界面层的厚度

多层乳液在油滴周围具有更厚的界面层。与单层乳液相比，具有更好的抗外界应激性、更慢的脂质消化率，以及更好的生物活性保护作用[23]。界面层的厚度与乳化剂的分子量、结构密切相关，同时与分散相的条件也有关。例如，蛋白质作为乳化剂可形成1～15 nm厚的界面层。此厚度相对较薄，形成的空间位阻斥力不足以克服范德华引力，从而不能有效抑制液滴聚集。因此，可以通过适当调节亲水部分来增加界面厚度，有效抑制液滴聚集[24]。与此同时，过厚且高电荷的界面层也会因为减少脂滴间的引力、增加斥力导致絮凝和聚结。此外，界面厚度受连续相条件影响较大，如pH值、离子强度、温度（加热或冷冻）、脱水等。界面层的表面负载量和厚度是抑制乳液奥斯特瓦尔德熟化的重要决定因素[25]。因此，在制备过程中，需严格设计界面层的厚度以形成具有良好稳定性的界面。

2.2.2 界面层的流变性

乳化剂在油滴表面的吸附是一个动态过程。界面吸附机理和行为会显著影响界面层的结构和力学性能。同时，在乳化过程中，油水界面会发生改变，例如膨胀、压缩（液滴形状不变，但尺寸发生改变）和剪切（界面面积不变，但形状发生改变）[14]。因此，流变特性可视为界面动态特征的主要特性。界面流变学是研究界面应力和界面变形之间关系的学科。可分为扩张流变和剪切流变，两类流变侧重于界面层的不同方面。界面扩张流变学研究的是界面张力与界面面积之间的相对变化，是一种非常灵敏的技术，用于测量乳化剂的吸附和脱附动力学以及探索乳液的形成机理。乳状液的扩张流变特性是分析吸附机理、乳化剂行为和形成的界面层厚度的最重要特征，有助于预测分子水平的乳液稳定性[26-27]。界面剪切流变技术研究的是界面应力与界面形状之间的相对变化，可以用来作为研究吸附乳化剂的组成和相互作用的有力工具[28]。在剪切流变测量过程中，界面面积保持不变，而平面界面的面内形状在剪切变形过程中发生变化，因此界面剪切流变可提供关于界面层侧向黏聚力的信息。综上所述，在测量界面特性时，应该首先分析流变响应的界面贡献的主导作用。

2.2.3 多聚物分子间的相互作用

界面膜的稳定性通过多聚物分子间的静电作用、范德华力、疏水和氢键相互作用的组合来控制，因此提高界面层的稳定性可以在很大程度上有效改善多层乳液的物理化学稳定性和活性成分的生物可及性。例如Leiva-Vega 等[29]在研究酚酸与蛋白络合构建多层乳液时发现，姜黄素和椰子油之间建立了疏水相互作用，明胶和阿拉伯胶的组装体以静电相互作用为主，而单宁酸的沉积是由疏水相互作用和氢键驱动的。通过分子间的相互作用最终构建了稳定的多层乳液。

综上，界面层的稳定性受多方面的影响，需考虑乳化剂的类型、构象、界面厚度、流变性及分子与分子间的相互作用。构建具有良好稳定性的界面是保证多层乳液稳定性的关键。

3 多层乳液稳定性的影响因素及制备过程中的条件控制

3.1 多层乳液稳定性的影响因素

多层乳液的稳定性从微观层面上取决于生物聚合物特性（电荷密度、分子量和构象等）、乳化剂层厚度和本体物理化学条件[30]。宏观层面上取决于乳液中液滴的尺寸、液滴的浓度或多聚物的比例及加工参数（如pH 值、离子强度、介电常数、温度或搅拌等）等[16，31]。乳液形成后，因其为热力学不稳定体系，随着时间的推移，新形成的细小液滴会通过重力分离、液滴聚集和奥斯特瓦尔德熟化等多种物理化学机制分解以降低自由能。乳液中使用的乳化剂的特性和界面层的性质会极大影响上述物理化学过程。因此，乳液长期稳定性取决于乳化剂在多方面（吸附动力学、表面覆盖率、表面电荷、界面层的厚度及流变性）下的结构是否符合生成强界面层的要求及界面层的空间位阻和静电斥力[14]。多层乳液稳定性的影响因素见图1。

图1 多层乳液稳定性的影响因素Fig.1 Factors influencing the stability of multilayer emulsion

已有研究表明，多聚物的类型也对乳液的稳定有影响，选择合适的乳化剂与多聚物组合才能达到最佳的效果。同时，纳米乳液（尺寸在20～200 nm 之间）比常规乳液对重力分离和粒子聚集更稳定[32]。低浓度的多聚物容易因桥接而产生絮凝和电荷中和，而高浓度容易由于耗竭絮凝效应导致乳液不稳定[10]，因此合适浓度的乳化剂有助于形成稳定的纳米级初级乳液。油脂类型对乳液稳定也有一定的影响，Ozturk 等[33]研究发现，经过口腔及胃的消化后，中链和长链甘油三酯制备的多层乳液仍保持单峰分布，说明中长链油脂制备的多层乳液有抗液滴聚结的能力。

3.2 制备过程中的条件控制

多层乳液的稳定性依赖于界面稳定，界面层的稳定又同时依赖于pH 值、多聚物的初始浓度和分子量[34]。含有蛋白质和多糖的多层乳液的稳定性会随着多聚物浓度的变化而变化[35]。pH 值对油滴聚集趋势的影响，通常取决于界面层产生的各种排斥力随pH值的变化[16]，如静电排斥力和空间排斥力。Bassijeh等[36]将虾青素包埋于乳清蛋白和波斯胶混合稳定的多层溶液中，发现在中性条件下，静电斥力无法将两种合适比例的聚合物混合。当pH 值调至4 时，可形成稳定的双层乳液。Fioramonti 等[37]研究表明pH 值和海藻酸钠（sodium alginate，SA）浓度可显著影响乳清分离蛋白（whey protein isolate，WPI）稳定的亚麻籽水包油乳液的稳定性。研究发现在pH5 和SA 质量分数为0.25% 时，乳液最稳定；ζ-电位测量也表明SA 沉积到WPI 界面膜上，在油滴周围形成双层膜。Shi 等[38]研究表明高分子量岩藻聚糖制备的多层乳液在高盐浓度下具有更好的长期稳定性。综上所述，要在特定pH 值下形成稳定的多层乳液，需要使用不促进液滴絮凝的多层乳液制备条件，并选择在液滴之间提供足够强的静电和/或空间位阻斥力的多糖和乳化剂组合。制备过程中的条件控制总结见表1。

表1 制备过程中的条件控制Table 1 Condition control during preparation

4 多层乳液对体内、外环境压力的稳定性

4.1 外界压力

多层乳液由于存在较厚的界面层，对pH 值变化、高离子强度、温度和脱水具有较高的稳定性，多层乳液抵御外界环境压力的能力总结见表2。

表2 多层乳液抵御外界压力的能力Table 2 Ability of multilayer emulsion to resist external pressure

例如，在研究含乳清蛋白-黄原胶-刺槐豆多层乳液的物理稳定性时发现，在pH7 时，含0 mmol/L 和5 mmol/L NaCl 条件下的三级乳液的稳定性显著高于一级或二级乳液，且脂质氧化结果也表明多层乳液具有更好的氧化稳定性[40]。

Fang 等[20]研究表明由辛烯基琥珀酸酐（OSA）和壳聚糖（chitosan，CS）构建的多层乳液包埋β-胡萝卜素进行喷雾干燥时发现，多层乳液相比于单层乳液具有更好的水分散性及β-胡萝卜素保护作用。Aoki 等[22]研究一级、二级、三级乳液抵御外界环境压力的能力时，发现三级乳液中的液滴在pH 值（pH3.0～8.0）、NaCl 浓度（0～500 mmol/L NaCl）、热处理（30～90 ℃，20 min）和冻融循环（-20 ℃条件下冷冻22 h、30 ℃条件下融化2 h，循环数次）范围内对液滴聚集具有良好的稳定性。许多食品乳状液在生产、储存或使用过程中会经历热加工过程，如巴氏杀菌或烹饪等。一些具有风味的食品在干燥过程中使用高温也可能会因其挥发而导致香气的损失[45]。为了保证乳液承受这些热处理后，不会因液滴絮凝或聚结而破裂。Burgos-Díaz 等[43]研究了不同类型的多层乳液对D-柠檬烯在喷雾干燥过程中的保留率，并评价了其在不同环境胁迫下的稳定性。发现由海藻酸钠和果胶稳定的三层乳液显示出最高的风味保留值，且二层或三层乳液具有可以抵抗多种外界压力的能力。羽扇豆分离蛋白（lupine protein isolate，LPI）、卡拉胶（carrageenan，CA）和壳聚糖构建的多层乳液，在进行喷雾干燥条件下，对虾青素的保留率高于单层乳液，表明多层乳液在喷雾干燥条件下，对活性成分的保护作用更强[43]。

4.2 体内、体外消化

在人体消化系统中，乳液的消化主要依赖于胃脂肪酶和肠脂肪酶，脂肪酶作用于油水界面，与脂质底物发生反应[46]。小肠中分泌的胆盐和磷脂稳定在油水界面促进脂肪酶作用。Espinosa-Sandoval 等[47]在研究负载牛至精油的多层纳米乳液体系的体外消化实验时发现多层乳液中40%的牛至精油可供使用，而牛至精油在油中的可供使用比例仅为13%，多层乳液提高了牛至精油的生物利用率。Abbasi 等[48]以乳清蛋白（whey protein，WP）、海藻酸钠（SA）和聚合物混合物（WP-SA）为包封材料，利用超声辅助形成亚麻籽多层纳米乳液。体外消化实验表明两种聚合物稳定的纳米乳液在通过胃肠道环境的过程中更耐降解。Gasa-Falcon 等[42]开发了一种富含β-胡萝卜素的乳铁蛋白/海藻酸盐/ε-聚赖氨酸三级乳液，经过体外模拟消化后，结果显示三级乳液比一级和二级乳液具有更高的脂质消化率[（83.59±11.81）%]且β-胡萝卜素生物可及性[（70.10±5.26）%]也相对较高。

5 多层乳液的应用

当活性成分成功包埋于多层乳液体系之后，其物理化学稳定性显著提升，可有效抵抗外界复杂的环境压力、保护活性成分，有时也可以缓慢释放活性成分，从而有效提高活性物质的生物利用率。多层乳液在改善活性成分方面的应用见表3。

表3 多层乳液在改善活性成分方面的应用Table 3 Application of multilayer emulsion in improving active ingredients

多项研究表明，二层或三层乳液相对于单层乳液来说，在面对一些环境压力时，会表现出更强的物理化学稳定性。Guzey 等[49]用两步法制备乳球蛋白-果胶双层乳液，在果胶形成前后加入氯化钠溶液考察离子强度对含多糖-蛋白涂层液滴的水包油乳液的形成和稳定性的影响。结果显示在果胶吸附后加入食盐可以形成含有多糖蛋白涂层液滴的稳定乳液，而在果胶吸附前加入食盐则不能。

Mahmoodi 等[46]使用简单和多层乳液包封益生菌（鼠李糖乳杆菌和植物乳杆菌）生产一组益生菌酸奶。储藏期间，多层乳液包封的益生菌具有更好的存活能力，并且在多层乳液中包载益生菌导致酸奶中的结构更加均匀。Espinosa-Sandoval 等[47]制备牛至精油多层纳米乳液，发现其在纳米乳液中的包封率为97.1%。在4 ℃和20 ℃条件下进行21 d 的稳定性评价，结果表明三层纳米乳液是牛至精油的有效递送系统。

盛布雷[54]在研究pH 响应控制β-胡萝卜素缓慢释放时发现，由牛血清蛋白与阿拉伯胶制备的双层乳液可以有效保护β-胡萝卜素在模拟胃环境不被降解，在模拟肠环境添加下实现缓慢释放，为β-胡萝卜素在人体内的有效利用提供了重要途径。林传舟[55]制备亚麻籽油多层乳液时发现，多层包埋可以很好地保留亚麻籽油的营养价值，包埋后的亚麻籽油的脂肪酸组成基本与包埋前相似。并且多层乳液的氧化稳定性要比单层包埋的好，可以在贮藏过程中减缓酸价与过氧化值变化的速度，说明多层包埋对亚麻籽油起到很好的保护作用，可以有效延长亚麻籽油的货架期。

在多层乳液中，多聚物的层层包覆形成保护涂层，减少了脂肪酶与脂质的接触，从而延缓脂解反应[56]。Zeeb 等[57]利用结构设计原理控制人体胃肠道内脂质消化速率和程度，研究发现乳化油滴的稳定性对脂质消化速率和程度有重要影响。双层包被的脂滴具有更强的抵抗脂滴聚集的能力且多糖包被不影响脂滴消化。因此，可以通过结构设计控制胃肠道脂质消化和活性成分缓慢释放。

多层纳米复合包装材料可以通过延缓食品的成熟、脱水和微生物入侵来延缓食品的腐败，在食品保鲜膜中发挥了极大的作用。Zhang 等[58]研究表明以壳聚糖（CS）和海藻酸钠（SA）为成膜基质，肉桂精油（cinnamon essential oil，CEO）为主要抗菌成分制备的多层活性薄膜，可以缓慢释放CEO，达到长期防腐保鲜的目的。此外，使用具有CEO 的多层膜保鲜苹果比单层膜能实现更长时间地抑制青霉菌的侵染[59]。活性成分的缓慢释放可有效延长其货架期，提高搬运、储存期间的物理化学稳定性。

6 总结与展望

多层乳液具有良好设计及稳定性，不仅可以有效保护活性成分且可以实现活性成分在靶部位的缓慢释放，提高功能性活性成分的生物利用率。本文综述了影响多层乳液稳定性的诸多因素、多层乳液递送系统抵御环境压力的能力及多层乳液在食品方面的广泛应用。但目前对多层乳液的研究仍存在一些问题，如目前多层乳液研究多集中在单一活性成分的递送，对不同活性成分的协同递送研究有限；对多层乳液的研究主要停留在多层乳液的构建及界面层的特性上，对于多层乳液进入人体之后发生的反应并未进行系统研究。因此，接下来的研究可以倾向于以下几个方面：1）利用多层乳液不同层的极性特性，开发两种及以上活性成分的共递送系统，最大限度的提高活性成分的生物学功效。2）开发新型的聚合物界面层，如蛋白-多糖-多酚修饰，以提高其抗氧化活性，改善其功能。3）对其进行系统地研究及对人体机能的毒理学探索。期望更多的研究投入到多层乳液分子层面上及在复杂的人体系统内的代谢转化，早日实现从实验室到企业的大规模生产。