Pickering乳液稳定机理及其在食品中的应用研究进展

吴昱春，陈小草，张 琦，丁玉庭,2，周绪霞,2,

（1.浙江工业大学食品科学与工程学院，浙江 杭州 310014；2.国家远洋水产品加工技术研发分中心（杭州），浙江 杭州 310014）

乳液是由水、油和乳化剂形成的热不稳定体系，广泛存在于工业化生产和日常生活中。由于乳液具有应用方便、感官性质优良等特性，常被用于食品工业中。乳化剂因具有乳化、稳定和增溶等特性而在乳液体系的稳定中发挥重要作用。常用于制备O/W（水包油）型乳液的食品乳化剂通常可以分为天然高分子乳化剂和小分子表面活性剂两大类[1]，在GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》中，高分子乳化剂种类较少，主要包括果胶、卡拉胶、辛烯基琥珀酸淀粉钠、酪蛋白酸钠等，而目前食品工业应用较多、需求较大的乳化剂大多属于小分子乳化剂，如蔗糖酯、吐温和司盘等。研究表明，小分子表面活性剂可能会对生物具有负面效应[2]，而且随着人们食品安全意识的提高，对安全天然的食品材料和产品的需求也在日益增加。因此，科学家们正在寻找具有高效乳化效果的食品材料以代替传统的乳化剂来构建更安全的乳化体系。Pickering乳液因具有不依赖传统乳化剂的特点而引起人们的关注，并逐渐成为研究热点。

Pickering乳液一般被定义为由固体颗粒充当乳化剂稳定的乳液[3]，或者由胶体颗粒稳定的乳液[4]，但实际上很多可以稳定乳液的颗粒并不是严格意义上的固体，其粒径也不一定处于胶粒粒径范围（10-9～10-7m）内，因此也有文献直接将其解释为由颗粒稳定的乳液[5]。多糖和蛋白质是目前应用较多的食品级颗粒，且为了形成更稳定的乳液，通常需要对天然颗粒进行改性以增强其两相润湿性。本文在阐述Pickering乳液稳定机理的基础上，重点对目前常用的食品级固体颗粒及其改性方法进行详细论述，并对Pickering乳液在食品领域中的应用进行综述。

1 Pickering乳液的稳定机理

传统乳液的稳定可以通过小分子表面活性剂降低界面张力或两亲性大分子在降低界面张力的同时形成空间膜来实现。而Pickering乳液的稳定性是通过颗粒在两相界面上的吸附形成机械屏障，改变颗粒间的空间位阻而实现的，是一个热力学不可逆过程。颗粒作为Pickering乳液稳定剂的条件有3 个：1）颗粒能被两相部分润湿，但不溶于任何一相；2）颗粒能保持合适的部分润湿性以获得足够的界面吸附效率；3）颗粒尺寸小于目标乳液液滴至少一个数量级[6]。由于对两相亲和性的差别，颗粒吸附在两相界面时，浸入两相中的体积不同，三相之间会形成一定角度，其中，颗粒与水相的接触角被称为三相接触角（θ），常用来表示颗粒在两相中的润湿性。一般认为，如果θ小于90°，则颗粒浸入水相的部分更多，颗粒更亲水，反之则更疏水（图1）。吸附在界面上的颗粒会使两相界面朝着对颗粒亲和性差的那一相弯曲，所以当颗粒更亲水时，体系倾向于形成O/W型乳液，更疏水时体系则倾向于形成W/O（油包水）型乳液。因此θ是反映颗粒乳化性的一个重要参数。θ接近90°的近中性润湿性不仅利于颗粒在油-水界面上的吸附，还会产生空间位阻阻止油滴聚集[7]，所以一般认为θ越接近90°则颗粒乳化性越好。一些颗粒在油-水界面能够发生形变，从而增加乳液稳定性，如杆状的纤维素纳米晶在两相界面上能发生轻微的弯曲，使颗粒之间的结构发生重组，其形变过程中产生的毛细管力是导致Pickering乳液初期异常稳定的原因，也是高内相乳液能够稳定的原因[8-9]。柔软的球形微凝胶颗粒从溶液中迁移到油-水界面上时也可能发生结构变化而改变界面的张力和流变性质[10]。除了润湿性和粒径，颗粒的表面均匀性、形状、表面电位等因素都会对其乳化性造成影响。

图1 Pickering乳液中颗粒三相接触角示意图[6]Fig.1 Particles’ contact angle of Pickering emulsion[6]

Pickering乳液形成及稳定的复杂过程涉及多种作用力。Tsabet等[11]将乳化过程分为两个步骤，即颗粒接近并接触两相界面和颗粒吸附到两相界面并被固定。图2为原子力显微镜测试中有探针悬臂弹力参与的情况下，颗粒接近界面和吸附过程中受到的作用力，图3为颗粒在整个过程中所受吸附力和排斥力的变化。当油-水两相界面形成时，游离于水相中的颗粒受到界面疏水作用吸引向油相靠近，在靠近两相界面的过程中颗粒受到双电层力、流体动力、水合作用力等排斥作用，但此时界面对颗粒的吸引大于排斥，颗粒仍向界面靠近。当两者接触时，界面迅速对颗粒产生初始吸附力，达到一定程度后吸附力减弱，并逐渐达到平衡状态，此时的吸附力称为最终吸附力。在乳液液滴形成并稳定之后的一段时间内，颗粒在两相界面上的位置仍不断改变，以达到最稳定的状态，因此颗粒在界面上达到平衡状态所需的时间（吸附时间）远长于乳液液滴稳定的时间。

图2 颗粒在接近界面和吸附过程中涉及的力[11]Fig.2 Forces involved in the approach of particles to the interface and in the adsorption process[11]

图3 颗粒在接近液-液界面和吸附过程中的典型力变化[11]Fig.3 Typical force evolution during particle approach and adsorption at the interface[11]

2 食品级Pickering乳液稳定固体颗粒及其改性方法

目前用于制备Pickering乳液的天然食品级颗粒主要包括多糖和蛋白质两大类。多糖中淀粉和纤维素最为常用，环糊精、海藻酸盐、壳聚糖等也常见于各种研究，微晶纤维素及各种纤维素衍生物近年来也开始受到关注[12-13]。醇溶蛋白因可以自组装成胶体颗粒而成为研究热点，玉米胚芽蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白等也具有稳定Pickering乳液的潜力。

虽然一些天然颗粒无需改性就可以形成稳定的Pickering乳液[14]，但大多数天然颗粒更倾向于被水相浸湿而无法不可逆地吸附在油-水界面上并形成稳定乳液，它们通常需要通过改性来改善其两相润湿性。目前常用的改性方法主要包括酸解、酯化改性等化学改性方法，胶体磨、高压均质等物理改性方法以及颗粒与其他物质的复合改性方法等。

2.1 化学改性方法

将疏水基团添加到亲水颗粒上以削弱其过强的亲水性是常见的化学改性方法，目前应用较多的是用辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）进行酯化改性[15-16]。OSA改性可以显著提高淀粉颗粒的乳化能力，且OSA取代度不同时，产生的颗粒乳化能力也不同。OSA取代度适宜时可以形成颗粒稳定的O/W型Pickering乳液；OSA取代度进一步提高时，颗粒稳定W/O型乳液的能力提高；但过高的OSA取代度会导致颗粒的疏水性太强而失去稳定乳液的能力。Marefati等[17]利用OSA改性藜麦淀粉，陆兰芳等[18]利用OSA改性小米淀粉成功稳定了O/W型乳液。淀粉颗粒表面的酯化反应会对颗粒表面造成一定的破损，提高颗粒表面的粗糙度，同时酯化反应只发生在淀粉的无定型区，因此淀粉颗粒的晶型不会变化，颗粒仍保持良好的完整性。OSA也可以用于蛋白质颗粒改性，Li Xiaomin等[7]利用OSA改性麦醇溶蛋白纳米粒子稳定O/W型乳液，发现该纳米粒子的接触角随着OSA含量的增加而增大，质量分数6% OSA修饰的蛋白粒子接触角为87.6°，此时颗粒乳化性良好。

β-环糊精（beta-cyclodextrin，β-CD）可与十八烯基琥珀酸酐（octadecenylsuccinic anhydride，ODSA）进行酯化反应生成ODS-β-CD颗粒而改变两相润湿性。ODS-β-CD的形态结构、表面电荷密度、尺寸和接触角均发生变化，表现出更强的乳化能力。由β-CD颗粒稳定的乳液在经过60 d的贮存后，其粒径从最初的34.3 μm增加到83.9 μm，而由ODS-β-CD颗粒稳定的乳液液滴粒径明显小于同期贮存的β-CD液滴[19]。

通过酸解大颗粒淀粉减小颗粒粒度也是常用的化学改性方法之一，也是得到淀粉纳米晶的方法之一。淀粉的无定形区域在酸解过程中被水解除去，而结晶部分则转化为不同尺寸的淀粉晶体[20]。Saari等[15]对不同的淀粉酸解及OSA改性研究发现，大颗粒淀粉能够被酸解成更小的颗粒，且小颗粒淀粉形成的乳液乳化率更高，其液滴尺寸也更小。酸解纤维素的作用与酸解淀粉相似。周敬阳等[21]利用硫酸酸解微晶纤维素得到纳米微晶纤维素，纤维素粒径随着酸解时间的延长而减小，而乳化率逐渐增加，酸解3 h时得到的颗粒乳化效果最佳；但过度的酸解会破坏纳米微晶纤维素的结构，从而降低纤维素的乳化效果。

2.2 物理改性方法

物理改性通常指利用机械方法，如高压均质、球磨、超声等对物质进行破碎以减小其颗粒尺寸，常用于淀粉和纤维素改性。介质研磨技术可以将纤维素的尺寸降至亚微米级别，且研磨过程中的机械剪切力破坏了纤维素内部高度有序的结晶结构，将大量亲水基团从内部释放出来，增强了颗粒的亲水性[22]。天然纤维素无法稳定乳液，而用研磨纤维素制备的乳液具有良好的稳定性：研磨5 h纤维素稳定的乳液粒径为57 μm，贮存一个月后变为67 μm；研磨15 h纤维素稳定的乳液粒径则从42 μm增加到了45 μm[22]。适当延长研磨时间能够产生更多小尺寸的颗粒，形成的乳液不仅液滴粒径更小，稳定性也更高。机械作用同样会破坏淀粉的结晶区域，产生的淀粉纳米颗粒结晶度较低[23]。而反应挤压技术会通过高温糊化作用破坏淀粉晶体结构，以减小淀粉颗粒尺寸。与化学改性相比，物理改性不会产生污染性废液，且操作简单，但是其适用范围较窄，纳米晶体的得率低。

2.3 复合改性方法

2.3.1 直接复合改性

通过天然大分子聚合物或天然小分子物质对颗粒复合改性也可以改变颗粒的润湿性。复合改性是指两种及以上不同物质通过疏水相互作用、氢键、静电相互作用等非共价作用相互结合，生成具有乳液稳定能力颗粒的方法。在基础物质不变的情况下，仅通过调整食品级玉米醇溶蛋白与壳聚糖胶体粒子的比例就可以获得具有不同表面润湿性的颗粒，因此，复合颗粒能够灵活地适应不同的两相体系，具有较大的潜在应用价值。蛋白质与多糖的复合是最常见的复合模式[24]，其中以玉米醇溶蛋白为基础物质的研究是一个热点：多糖的亲水性能够有效改善蛋白质过强的疏水性，且荷电多糖具有较大的分子质量和较大的电荷密度，因此将蛋白质与多糖复合能有效增加颗粒的空间位阻或增强静电作用，以此来改善界面稳定性[10]。

复合改性中以玉米醇溶蛋白为基础物质的研究较多。玉米醇溶蛋白的强疏水性使其可以通过反溶剂法自组装成纳米颗粒，但这也意味着它不能直接用于制备稳定的O/W型Pickering乳液，往往需要同其他物质复合改性而增强其水相润湿性。蛋白质和多糖的比例会影响复合颗粒的性质，过量的多糖会导致颗粒聚集，使粒径增大甚至产生沉淀。单宁酸具有大量氢键，可以通过疏水相互作用和氢键与醇溶蛋白相互作用而明显降低蛋白颗粒的疏水性，形成的颗粒能够稳定内相体积分数达60%的O/W型乳液[25]。且复合颗粒的粒径和网络特性受pH值的影响，低pH值时玉米醇溶蛋白质子化程度和电荷密度增加使静电斥力增大，降低了蛋白质聚集程度，从而使复合颗粒粒径减小[26]。在酸性条件下，玉米醇溶蛋白的羰基与单宁酸羟基之间的氢键起主导作用，通过增加颗粒表面羟基而降低其疏水性。在不同pH值下单宁酸会表现出不同的质子化、中性、离子化状态，所以通过调节pH值可以改变单宁酸与大分子的氢键作用。在相同的蛋白/单宁酸比例下，pH 5.0条件下制备的复合颗粒粒径明显小于在pH 3.0和pH 7.0下制备的颗粒，前者的乳化率也明显优于后两者[27]。玉米纤维胶可以通过静电相互作用与玉米醇溶蛋白结合而显著减小乳液粒径[28]。玉米醇溶蛋白-玉米纤维胶复合颗粒能够在油-水界面均匀吸附，并在界面处形成致密的填充层，在稳定乳液的同时更有助于乳液液滴形成凝胶网络结构。阿拉伯树胶也可以通过静电作用和疏水相互作用吸附在玉米醇溶蛋白上形成具有核-壳结构的复合颗粒（zein/gum Arabic complex nanoparticles，ZGAPs），该颗粒的润湿性在合适的蛋白/胶配比例下接近中性，在环境pH值变化时具有良好的稳定性[29]。ZGAPs在油滴表面形成的密集粒子层能够阻止乳液聚结和奥氏成熟，而当油相体积达到较高的水平时，体系中生成的弹性凝胶网络可以促进乳液的稳定，且30 d后其仍能保持较好的稳定性[30]。

Xie Jin等[31]通过高压均质制备了羧甲基纤维素钠修饰的纤维素纳米晶，成功稳定了Pickering乳液。Nan Fangfang等[32]利用预混膜乳化法制备了均匀的亚微米级海藻酸盐颗粒，并利用壳聚糖涂覆以增强疏水性，用作Pickering乳液稳定剂。细菌细胞和壳聚糖也可以通过静电相互作用自组装从而稳定Pickering乳液[33]。带正电荷的壳聚糖结合到带负电荷的乳酸乳球菌IO-1细胞表面，可以使细胞表面特性改变而成为稳定Pickering乳液的软质疏水材料，且细菌产生的细菌素可为材料提供抗菌特性[34]。

2.3.2 表面活性剂介导的复合改性

已有研究表明，表面活性剂吸附到颗粒表面可以改变颗粒的润湿性，并且还可以增加连续相的黏度并促进颗粒在连续相中的絮凝、减少界面张力[35]。通过表面活性剂与颗粒的复合可以调整颗粒的润湿性以适应不同的体系需求。由于表面活性剂仍是食品行业的一种重要材料，研究表面活性剂与颗粒之间的相互作用及其对乳液体系的作用对工业生产具有重要的价值。

目前对颗粒与表面活性剂的复合机理在非食品体系中的研究比较成熟。Binks等[36]将不同浓度的阳离子表面活性剂（di-decyldimethylammonium bromide，di-C10DMAB）吸附到二氧化硅颗粒上，发现粒子润湿性随着表面活性剂浓度的增加而改变，乳液发生了从O/W型到W/O型的相转变（图4）。当表面活性剂浓度较低时，其带正电的亲水基团与颗粒表面带负电基团通过静电结合而暴露疏水基团，且随着浓度增加，表面活性剂会在颗粒表面形成单分子层而增强复合物的疏水性；当浓度超过某个值时，表面活性剂单分子层饱和，剩余的表面活性剂疏水端会与吸附在颗粒表面的表面活性剂疏水端结合而形成双分子层，暴露出亲水端而增强复合物的亲水性；因此表面活性剂和颗粒的比例对于体系的稳定性至关重要，如果颗粒的亲水性或疏水性变得过强，颗粒将无法同时被两相充分润湿，从而易从油-水界面上脱附[37]。Portet等[38]对非离子型表面活性剂吸附多孔二氧化硅颗粒的研究表明，在颗粒表面形成完整的单层表面活性剂前，未被结合的表面活性剂分子倾向于与已结合在颗粒表面的分子结合形成片状的双层聚集体，而且聚集随表面活性剂的浓度增加而逐渐加强，从而在颗粒表面形成褶皱。

图4 表面活性剂在二氧化硅颗粒表面的吸附[36]Fig.4 Adsorption of surfactant on the surface of silica particles[36]

Gao Zhiming等[39]研究了β-乳球蛋白原纤维（β-lactoglobulin fibrils，BLGF）与表面活性剂——二棕榈酰磷脂酰胆碱（dipalmitoyl phosphatidylcholine，DPPC）的相互作用及其对乳化性的影响，也发现了与上述类似的聚集体。少量DPPC能够降低乳液的粒径，而过多的DPPC会导致乳液稳定性变差。如图5所示，纯BLGF在疏水区域沿着原纤维轴分布并相对均匀地横向吸附于油-水界面，形成扁平的界面层[39]。少量DPPC加入后会在疏水相互作用下吸附到BLGF的部分疏水区域，掩盖蛋白质和表面活性剂的疏水区域，导致颗粒疏水性降低。颗粒的疏水区域沿原纤维轴的分布变得不均匀，干扰了BLGF沿界面的横向吸附，疏水区域突出到油相中，亲水区域突出到水相中，在界面处这种相对垂直的蛋白质原纤维排列产生更厚、更紧密的界面层。相应地，在这个区域内，界面黏弹性模量变高。而如果继续增加DPPC浓度，蛋白质表面过多的DPPC及其聚集体使颗粒亲水性过大而无法被两相同时润湿，并且大量的DPPC在与颗粒的竞争性吸附中占据优势，倾向于从油-水界面上取代BLGF，体系转变成表面活性剂稳定的乳液。

图5 BLGF在不同DPPC浓度下形成的油-水界面示意图[39]Fig.5 Oil-water interface formed by β-lactoglobulin fibrils with different dipalmitoyl phosphatidylcholine contents[39]

Rutkevičius等[40]在制备W/O型乳液的过程中发现，向油相中添加疏水性的大豆卵磷脂可以增强玉米醇溶蛋白的疏水特性，乳液发生相转变时水相含量提高了10%，同时玉米醇溶蛋白的润湿特性改变。Dai Lei等[41]对卵磷脂-玉米醇溶蛋白复合颗粒的研究表明，两者的结合方式包括静电相互作用和疏水相互作用。当卵磷脂含量过高时，卵磷脂会将蛋白颗粒完全包裹起来，形成以蛋白质为核心的囊泡状结构，这种结构适合用于包埋物质，却不利于稳定乳液。

3 Pickering乳液在食品中的应用

3.1 装载、稳定生物活性物质

由于油-水界面颗粒层的存在，Pickering乳液能够更稳定地包埋活性物质，增加其生物可接受性[42]。Matos等[43]利用OSA改性的藜麦淀粉包埋白藜芦醇，制成稳定的Pickering乳液，包埋效率达98%，是吐温20的两倍。将藻酸钠和鱼明胶组成的生物聚合层吸附到玉米醇溶蛋白表面形成复合颗粒，以其稳定的乳液包埋姜黄素，体外模拟消化实验显示，该体系能够有效提高姜黄素的生物可接受性和在胃肠道中的抗氧化能力[44]。Pickering乳液对β-胡萝卜素也有良好的荷载稳定性，还能提高其生物利用度[45]，其初始荷载率可以达到64.15%，虽然贮藏1 d后荷载率降低至45.17%，但之后6 d荷载率都能保持稳定[46]。当乳液形成凝胶后，颗粒在油-水界面形成致密的颗粒层，液滴之间的聚集程度也因为絮凝作用提高，因此会在一定程度上增强凝胶网络结构，并提高活性物质在乳液中的半衰期和保留率[47]。Ding Mengzhen等[48-49]利用交联明胶颗粒制备了长期稳定的鱼油乳液，也证实了Pickering体系应用于鱼油产品的可行性。除了将活性物质包裹在内相中，还可以将活性物质与颗粒结合而达到改良颗粒和负载活性物质的目的，如卵转铁蛋白[50]、抗氧化果胶[51]、亚麻籽蛋白[52]等都被用于制备复合颗粒。

3.2 提高油脂氧化稳定性

乳液中油脂的氧化会对食品体系的口味、外观和稳定性产生不利影响。传统乳液中脂质氧化速率通常比纯油更快，这是由于乳液中存在油-水界面，脂质更容易接触到水中的自由基或金属离子从而加速氧化[53]。Pickering乳液中，颗粒层的存在能够更好地隔离油脂与水相中各种物质，从而降低油脂的氧化速率[54]。Xiao Jie等[53]对比了开菲尔颗粒稳定的Pickering乳液、吐温-80稳定的传统乳液及纯油的脂质氧化情况，传统乳液脂质氧化速率较快，Pickering乳液氧化速率较低，与纯油相当。Nasrabadi等[55]研究了Pickering乳液中亚麻籽油的氧化情况，其初级氧化产物和二次氧化产物含量均明显低于传统乳液中二者的含量。某些颗粒本身或其改性物质就具有一定的抗氧化功能，能够延缓油脂氧化，如大豆分离蛋白-花青素复合颗粒[56]、玉米醇溶蛋白-芦丁复合颗粒[57]，它们在提高乳液稳定性的同时，也保留了活性物质的抗氧化性能。

3.3 制备基于液体油的脂肪替代物

杜冠华[58]利用金针菇纳米多糖和棕榈油制备乳液作为脂肪替代物加入到香肠中，发现该乳液能有效提升香肠的品质。一些基于蛋白质颗粒的Pickering高内相乳液能够将不饱和度较高的液体油转化为固态黏弹性乳液凝胶，呈现出类似于饱和脂肪的流变特性，因此其具有作为食品组分中饱和脂肪、氢化油替代物的潜力。Zeng Tao等[59]利用醇溶蛋白/壳聚糖杂化粒子在较低的颗粒浓度下制备分散相高达83%的高内相乳液，密集的液滴之间相互挤压、相邻液滴紧密堆积从而形成了网络结构。厚实的颗粒界面层与网络结构共同赋予Pickering高内相乳液黏弹性软固体的特性。为了使乳液凝胶更接近固态油的性质，Ahmadi等[60]利用二十二烷酸改良乙基纤维素稳定的Pickering油凝胶，二十二烷酸的存在削弱了油凝胶网络强度，改变了凝胶的热力学性质。在适当的比例下，油凝胶能够保持良好的热稳定性，且热响应性质得到了显著改善，复合黏度在45～60 ℃内迅速降低，更加接近固态油的性质。

4 结 语

食品级颗粒具有优良的生物相容性，经过适当的改性或复合处理可以稳定Pickering乳液。颗粒的性质对乳液的界面性质和流动特性具有重要影响，而随着对颗粒改性和复合方法研究的不断深入，将会获得性质多样的颗粒，研发出界面和流动性质不同的乳液系统，并将在复杂的食品体系中得到充分利用。由于Pickering乳液独特的界面固体层及其空间位阻效应，活性物质被包封于分散相后难以从界面溢出，因而Pickering乳液具有良好的包封稳定性，可以将生物活性物质稳定在食品体系中。而且与常规乳液相比，Pickering乳液可以降低小分子表面活性剂带来的潜在风险。但目前，Pickering乳液在食品领域的商业化应用仍需进一步研究，尤其需要研发新的食品级颗粒和Pickering乳液稳定性的控制技术，并更深入阐述其在复杂食品基质中的稳定性和相互作用机制。