多糖/蛋白颗粒基Pickering乳液性能调控及应用研究进展

许 威,吴冠辰,李志帆,江 灵,李芃琳,李翠平,罗登林

(1. 信阳师范大学 生命科学院, 河南 信阳 464000; 2. 河南科技大学 食品与生物工程学院, 河南 洛阳 471023)

0引言

乳液是由两种互不相容液体组成的均匀分散体,其中一相以小液滴的形式分散到另一相中,属于热力学不稳定体系[1]。传统乳液通常是由表面活性剂或两亲性聚合物稳定,在石油、化工、材料等领域应用广泛[2]。但表面活性剂对人体的毒副作用和对环境的污染,限制了它在食品、医药、化妆品等领域的广泛使用,而Pickering乳液是由颗粒稳定的,可以避免传统乳液的缺点。

20世纪初期,研究者发现胶体颗粒可自发地组装到不混溶的两相之间,并形成有效的界面屏障,使分散相以液滴的形式存在于连续相中,这种以胶体或者固体颗粒稳定的乳液被称为Pickering乳液[3]。随着营养健康的饮食追求及安全可持续的绿色消费理念全球化,成分天然、安全无毒及稳定性高的Pickering乳液在各领域的应用越来越广泛[4-5]。相较于传统乳液,Pickering乳液可有效避免表面活性剂对人体或环境的毒副作用,更高的抗聚结和抗奥氏熟化能力使Pickering乳液具有良好的稳定性,可有效延长产品货架期。此外,独特可控的流变性质使Pickering乳液能够提供产品所需质地与黏度,赋予产品更好的感官体验[6-8]。因此,Pickering乳液在生物活性成分的包埋、增溶和提高环境敏感型物质生物利用率等方面展现出较大的应用潜力。

Pickering乳液通过固体颗粒在液滴表面吸附形成界面膜来稳定,属于热力学稳定体系[9],相较于传统乳液可有效对抗液滴絮凝、聚结、奥斯特瓦尔德熟化等不稳定现象,还可减少乳化剂的使用,降低生产成本[10]。对Pickering乳液性能进行调控可用来制备多功能化乳液产品,满足人们日常所需。影响Pickering乳液性能的因素很多,其中,具有天然高分子电解质、良好生物相容性的蛋白质和多糖因优异的界面活性和乳化性能备受关注[11-12]。因此本文着重介绍多糖、蛋白质、颗粒稳定剂浓度等因素对Pickering乳液性能的调控。此外,还从包埋、增溶、提高环境敏感型物质生物利用率等方面介绍Pickering乳液的应用,为构建新型食品体系提供思路。

1 Pickering乳液结构与性能的调控

颗粒吸附在液滴表面形成一层/多层界面膜稳定Pickering乳液,该界面膜可保护液滴免受挤压或剪切等作用的影响,还可提高连续相的黏度降低乳液流动性,保护乳液不受重力分离、絮凝、聚结和奥斯特瓦尔德熟化等物理化学机制的影响[13]。多糖、蛋白质、颗粒稳定剂浓度和油相体积分数等因素可调控Pickering乳液的结构与性能,以期创造出具有理想功能特性的产品。

1.1 多糖对Pickering乳液的调控

多糖经物理化学改性或耦合其他生物大分子可改变乳液界面性质,还可在连续相形成三维网络结构,进而对Pickering乳液的稳定性、黏弹性等性能进行调控。天然高分子多糖通常具有亲水性,可与疏水性较强的生物聚合物结合形成润湿性适中、具有更强界面活性的复合颗粒稳定剂。颗粒稳定剂吸附在油滴周围形成有效的空间屏障阻碍液滴之间发生聚集,用于Pickering乳液中液滴界面的稳定。当疏水和静电相互作用可提供足够强的吸引力时,多糖可在两个或多个液滴之间形成桥联来促进絮凝。XU等[14]研究发现菊粉和魔芋葡甘露聚糖具有调节乳液稳定性和流变性能的潜力。经辛烯基琥珀酸酐(osa)改性的非溶剂沉淀淀粉如芋头淀粉具有较好的乳化特性,其稳定的Pickering乳液的黏弹性、离心稳定性及贮藏稳定性均逐渐提高[15]。王小凤等[16]通过简单的研磨工艺对玉米淀粉颗粒的结构和形态进行改性后制备的乳液在长达6个月的储存期间表现出抗聚结稳定性。玉米淀粉与对甲苯磺酰氯和棕榈酰氯发生酯化反应,玉米淀粉中的羟基被疏水基取代后制备的疏水淀粉酯基纳米粒子具有适当的润湿性和更高的油水界面吸引力,使其在稳定乙酸乙酯-淀粉分散液的水滴中避免聚集以及在乙酸乙酯中崩解[17]。

多糖通过物理相互作用,实现Pickering乳液性能的调控。在环境诱导(温度、离子强度、pH)下多糖的特性会受到影响,进而调控乳液性质,如NaCl的添加导致静电屏蔽的产生,使明胶颗粒基Pickering乳液液滴粒径增大,乳液乳化分层加快,但随着离子强度增加到100～500 mmol,液滴之间的相互作用得到改善,液滴粒径和稳定性随着处理时间的延长而增加[18]。由改性藜麦淀粉稳定的水包油Pickering乳液在pH3～8和盐离子浓度0～2 mol/L下可保持较好的稳定性[16]。

1.2 蛋白质对Pickering乳液的调控

蛋白质与多糖通过静电、疏水、氢键等分子间作用力及复凝聚和美拉德反应等形成复合物,可改善蛋白质颗粒在油水界面的位置,形成有效的空间屏障阻止液滴絮凝,还可耦合其他生物聚合物如多酚对Pickering乳液的剪切黏度、乳化稳定性等特性进行调控,形成具有长期储存稳定性的Pickering乳液。水溶性蛋白质通过静电相互作用与相反电荷的多糖形成复合物、络合物或共价交联形成永久性复合物,对乳液的性质产生影响[19],例如从界面油吸附的多酚晶体(带负电荷)和从水侧吸附的乳清蛋白(带正电)之间的界面处产生静电络合物,界面剪切黏度大幅增加[20]。除静电和疏水相互作用外,氢键也可参与复合纳米颗粒的形成,通过调节pH值和热处理形成的玉米醇溶蛋白/酪蛋白酸盐/果胶复合物纳米颗粒在胃肠道模拟条件下具有较高的稳定性,可用于潜在口服给药体系的建立,为构建功能型乳液体系提供思路[21]。在pH3.5时,乳清分离蛋白与果胶(质量比1∶2)发生复凝聚反应形成的复合物,可作为乳化剂制备均匀且具有良好贮藏稳定性的甜橙油香精乳液[22]。溶菌酶(Ly)与黄原胶(XG)在非共价键作用下通过热处理和酸碱诱导发生自组装形成XG/Ly NPs,其表面含有大量的蛋白和两亲性基团,可快速吸附到界面层,降低表面能量以赋予乳液较好的乳化能力,还可与油相的相关组分相互作用形成致密的界面层,从而提高Pickering乳液的稳定性[23]。

蛋白质还可在物理场作用下充当稳定剂的角色,改变乳液性能,如豌豆蛋白微凝胶通过在较大pH值和离子强度范围内阻止液滴聚结来稳定Pickering乳液[24]。同时采用适当的加工处理,使蛋白质黏度增加或凝胶化,可实现对Pickering乳液稳定性的调控,如酸处理凝胶酪蛋白酸盐[25],凝固的液滴或微球在水相中形成三维网络结构,乳液在低应力下呈固体状,在中等应力下呈流体状剪切稀化的特征,但在高应力下表现出过度的聚集和相分离。

1.3 颗粒稳定剂浓度对Pickering乳液的调控

适当增加颗粒稳定剂的浓度可提高乳液体系黏度,延缓液滴迁移,从而在一定程度上抑制聚集的发生,可有效抑制分散相和连续相的重力分离来实现Pickering乳液的稳定,对于易挥发氧化的生物活性成分具有很好的保护作用[26]。当颗粒浓度较低时,形成的Pickering乳液液滴尺寸较大,相邻液滴之间容易聚结和絮凝,稳定性较差。随着颗粒浓度的增加,乳化速度降低,布朗运动效应的存在使乳液液滴尺寸减小,液滴之间排列紧密且不易发生剧烈碰撞,油水界面形成较厚的颗粒吸附层,防止液滴发生聚结和絮凝,以此提高Pickering乳液的稳定性[27]。当颗粒浓度增加到一定值时,液滴尺寸几乎不再变化,界面层增厚形成具有牢固外壳的液滴,未吸附的颗粒在连续相中形成致密的三维网络结构赋予乳液类固体的性质[28],可防止液滴之间发生碰撞、沉淀和聚结,Pickering乳液的稳定性不受影响。张兴中等[29]以细菌纤维素纳米纤维与海藻酸钠复合物作为乳化剂制备O/W Pickering乳液,并通过钙离子交联形成乳液凝胶,凝胶强度随复合物浓度的增加显著增加。WANG等[16]以淀粉基纳米颗粒为乳化剂制备的W/O Pickering乳液的稳定性随颗粒浓度的增加而增加。以片状双强氧化物颗粒稳定的Pickering乳液的分层稳定性,随颗粒浓度(0.5%～4.0%)的增加显著增强[30]。然而颗粒浓度的增加有时也不利于乳液的稳定,如酪蛋白酸钠和亚麻籽胶稳定的乳液中,质量浓度0.1%亚麻籽胶下乳液稳定性有所改善,而当浓度增加到0.2%～0.3%时,未吸附亚麻籽胶的增加导致耗尽吸引力的增加,直到足以克服液滴与亚麻籽胶之间的排斥相互作用发生絮凝而降低乳液稳定性[27, 31]。

1.4 油含量对Pickering乳液的调控

对于O/W Pickering乳液,随着油含量的增加,颗粒稳定剂不足以稳定油水界面,导致液滴尺寸变大,形成的界面层较薄抗破裂能力低,连续相中未吸附的颗粒减少,乳液容易发生聚结使液滴凝结成膏状或沉淀物,稳定性变差。油含量的增加还可导致乳液分散相体积分数增加,从而对乳液的流变性质产生影响,例如由壳聚糖纳米粒子稳定的Pickering乳液随d-柠檬烯浓度的增加(5%～25%),乳液黏度逐渐增加[32]。相反,降低油相体积分数可使颗粒乳化剂与油的接触面积增加,乳液液滴尺寸减小而得到更加稳定的Pickering乳液。对于W/O Pickering乳液则相反。甜橙油香精乳液的冷藏、冻融、pH和离心稳定性随含油量的增加而增强,热稳定性则随之降低[22]。

1.5 其他因素对Pickering乳液的调控

环境因素(pH、离子强度、温度等)、乳化剂的加入以及连续相中存在的游离表面活性剂分子等可防止液滴聚集、降低乳液界面张力并改善乳液的流变性能,最终实现Pickering乳液的稳定。环境变化可影响液滴之间的静电吸引或排斥作用的大小和范围,在防止液滴聚集中起重要作用。通过控制pH值改变表面电荷或者盐的加入,改变液滴之间的静电斥力,可使液滴适度絮凝或沉降,这促进了颗粒稳定Pickering乳液的形成和稳定性[3, 30]。在以片状双强氧化物颗粒稳定的Pickering乳液中,乳液稳定性随盐浓度的增加逐渐增强,当盐浓度增加到1～2 mol/L时,乳液稳定性保持不变[30]。温度的变化对乳液的稳定性也会产生影响,乳清蛋白稳定的乳液(pH7)液滴之间由于较强的静电斥力具有抗絮凝稳定性,但是当它们被加热到70 ℃时变得不稳定[27]。乳化剂的加入可与已经位于界面上的另一表面活性剂或生物聚合物层,共存于界面,形成一层或多层厚的界面膜,得到稳定性明显改善的Pickering乳液[33]。

此外,连续相中存在游离的表面活性剂分子可提高连续相的黏度,它们在乳液液滴之间起“结构剂”的作用[34],也可对乳液的流变性质产生影响。例如木本植物培养基乳清蛋白微凝胶在连续油相中与多酚晶体形成聚集体,能够抑制静止状态下的聚合,由其稳定的W/O乳液在进行剪切和/或加热条件下仍然保持稳定[35]。

2 Pickering乳液的应用

2.1 包埋与递送功能性生物活性成分

利用Pickering乳液可实现功能性活性成分的有效包埋与递送,如具有良好着色、抗氧化和营养功能的天然色素β-胡萝卜素[16]。基于壳聚糖盐酸盐-羧甲基淀粉纳米凝胶制备的O/W Pickering乳液可有效包裹和输送β-胡萝卜素,即使在储存1个月并经过紫外线处理后,Pickering乳液中β-胡萝卜素的保留率也高于散装油和吐温80稳定的乳液。热处理后,Pickering乳液平均粒径、ζ电位、β-胡萝卜素保留率和微观结构无显著差异[36]。由茶多酚/细菌纤维素纳米纤维复合胶体颗粒制备的Pickering乳液可实现对维生素E的包埋和保护,包埋量大于7 mg/g的乳液在室温下贮藏一周的维生素E包封率达80%以上[37]。

2.2 难溶性物质的增溶

Pickering乳液对疏水性抗真菌化合物进行传递,提高其溶解度,以明胶颗粒制备的Pickering乳液对β-胡萝卜素进行负载,37 ℃下储存27 d后,其保留率由8%增加到了90%[38]。陈硕[39]研究发现短链醇、有机盐等均能提高微乳体系中薄荷属精油的增溶能力,其中丁醇作为一种短链醇,对薄荷属精油微乳液的增溶效果最好。许威等[40]制备了黄原胶/溶菌酶纳米凝胶(XG/Ly NPs)颗粒,并将该胶体颗粒稳定的 Pickering乳液应用于结晶紫处理,发现Pickering乳液对结晶紫具有良好的吸附效果。

2.3 提高环境敏感型物质的生物利用率和可及性

胶体颗粒稳定剂可吸附在不混溶的两相之间,形成独特的界面结构,保护对环境(氧、热或光等)较敏感的生物活性物质,实现可控释放[16]。冯鑫等[18]构建的明胶基Pickering乳液可负载β-胡萝卜素并显著改善其遇光降解的不稳定性,该乳液于4 ℃储藏30 d后仍可保留70%以上的β-胡萝卜素。张璐璐[41]探究了Pickering乳液在模拟口腔-胃-小肠消化过程中释放虾青素的机制,该乳液在口腔中具有一定的稳定性,在胃液中由于复合胶体颗粒中的氧化淀粉与β-乳球蛋白相互作用力减弱,会释放出少量的虾青素,进入小肠后乳液的胶粒界面层由于消化降解逐渐变薄,促使油相中虾青素的释放与吸收,提高了虾青素的生物可及性。

3 展望

由固体颗粒在两相之间形成界面膜包裹液滴稳定的Pickering乳液,避免了由小分子表面活性剂稳定的传统乳液的潜在毒副作用、生物相容性等缺点,使之具有理想的稳定性及在各领域中应用的潜力。Pickering乳液应用在食品、化妆品、医药等领域,在加工过程中避免不了环境的变化(包括加热、冷冻、运输等过程),环境因素造成Pickering乳液失稳的机制还尚未完全清楚。蛋白质、多糖结构复杂,其对Pickering乳液调控的机制还不清楚,同时Pickering乳液对负载营养物质的释放行为与体内差异性有待进一步研究。