基于多糖颗粒稳定的Pickering乳液研究进展

张朵朵，朱婷伟，陈复生*，殷丽君

1. 河南工业大学粮油食品学院（郑州 450001）；2. 中国农业大学食品科学与营养工程学院（北京 100083）

皮克林（Pickering）乳液是指以固体颗粒作为稳定剂，在两种不混溶相（通常指油相和水相）之间的界面处积累，并稳定液滴防止聚结的一种乳液。与其他乳液相比，Pickering乳液由于具有以下优点：（1）纳米/微米级固体颗粒在油/水（O/W）界面处的吸附几乎是不可逆，使其形成的Pickering乳液具有较强的稳定性；（2）通过调控稳定颗粒，可赋予制备材料导电性、pH或温度响应性等特性；（3）食品级固体颗粒毒性较低，安全性较高[1-5]。由此，Pickering乳液的优越性使其在许多领域引起了研究者的极大关注，并广泛地应用于生物医学、化妆品、食品工业等各个行业中。特别地，在Pickering乳液应用中，固体颗粒作为界面稳定剂，同时要考虑其生物相容性、安全性等因素。有关食品级的Pickering乳液稳定粒子的研究主要有蛋白质、淀粉、结晶脂肪及其衍生物等。而其中多糖由于其廉价易得、无毒、无刺激性等优点，在食品加工业和生物医学界受到关注。近年来，越来越多的研究学者以淀粉、壳聚糖、纤维素等多糖颗粒，使用超声、高速均质、高压均质等技术手段制备了稳定性高的食品级Pickering乳液，并且对其在食品工业上的应用进行深入研究[6-9]。由此可见，基于多糖颗粒构建稳定的Pickering乳液在食品递送领域等有很大的发展空间。又基于此，主要对由多糖颗粒稳定的Pickering乳液以及影响其稳定性的因素进行综述，并对目前存在的问题及未来发展方向进行了分析与展望。以期为多糖颗粒基Pickering乳液在食品工业中的应用提供理论依据。

1 多糖颗粒稳定Pickering乳液研究

近年来，一些改性的淀粉、纤维素、壳聚糖等多糖在Pickering乳液的构建过程中得到了广泛的应用。例如，使用辛烯基琥珀酸酐（OSA）对1～3 μm大小的藜麦淀粉颗粒进行改性以制备改性淀粉基Pickering乳液[10]。目前，多糖基Pickering乳液主要应用于生物活性化合物（如姜黄素、β-胡萝卜素）的包封和递送方面[11-13]。

1.1 淀粉类

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，存在于玉米、马铃薯、大米等多种植物中；由于其具有可生物降解、便宜易得等优势而广泛应用于食品工业中。小粒径淀粉颗粒稳定的Pickering乳液，其液滴粒径小，储存稳定性好，但由于某些天然淀粉颗粒由于其粒径过大不适合制备稳定的Pickering乳液[14-15]。因此，通常采用酸水解、非溶剂沉淀法、超声处理、离子凝胶法和介质研磨等方法来对淀粉进行改性，制备粒径较小的淀粉纳米颗粒和纳米晶[16-18]。Saari等[19]对非溶剂沉淀法制备淀粉纳米颗粒的制备工艺进行了优化，研究发现，淀粉溶液和乙醇在适当的比例下（V（8%淀粉溶液）：V（乙醇）=1：1），可以制备出最小的淀粉纳米颗粒（100～200 nm）。Zhu等[20]利用超声处理对淀粉进行改性制备淀粉纳米颗粒，发现超声处理产生的空化效应局部产生高剪切和高温，降低了淀粉颗粒尺寸。此外，考虑到淀粉颗粒的疏水性较差，需进行改性才能更成功地稳定O/W型Pickering乳液[21]。陆兰芳等[22]用辛烯基琥珀酸苷（OSA）对小米淀粉进行疏水改性，进而制备Pickering乳液，研究发现，在改性后小米淀粉的乳化性能得到了很大提高；取代度不同的小米淀粉乳化效果不同。可见，改性后的淀粉颗粒可以制备稳定的Pickering乳液，但由于天然淀粉颗粒大小的局限性及化学改性淀粉颗粒的制备非常复杂且会引入各种危险化学品，因此，非淀粉类多糖逐渐被应用到Pickering乳液的制备中。

1.2 非淀粉类

自然界的多糖，除了淀粉外，还有非淀粉多糖如纤维素、壳聚糖等也通常用于Pickering乳液的制备。

纤维素作为一种非淀粉多糖，主要是从纤维植物中提取的纤维，但也可由藻类和一些细菌合成，在自然界中分布广且含量丰富，可作为制备Pickering乳液的潜在稳定剂[23]。Le等[24]使用辛烯基琥珀酸酐（OSA）对纳米纤维素晶体（CNCs）进行改性来制备水包油型Pickering乳液，研究表明，OSA改性的CNCs具有良好的乳化性能，其疏水性显著提高，静态水接触角从56°（未经处理的CNCs）增加至80.2°，这使得改性纳米纤维素晶（MCNCs）被两相部分润湿并稳定Pickering乳液；此外，由1.0% MCNCs稳定的Pickering乳液（20%油）具有非常小的液滴尺寸（1.22 μm），并且在冷藏条件下可抵抗长达4周的相分离。Chen等[25]探究了纳米纤维素晶（CNCs）稳定的Pickering乳液的稳定性及微观结构变化规律，结果发现，CNCs与微流控乳化技术相结合，可以制备出表面平均粒径低至0.22 μm的Pickering乳状液，所形成的Pickering乳液具有较好的抗聚结性能，且通过改变颗粒质量分数（c，0.3%～1.2%）或油分数（ø，0.1～0.4）来调节Pickering乳液的微观结构和稳定性（防止乳脂化和聚结）。

壳聚糖（CS）作为自然界中唯一的天然阳离子非淀粉类多糖，具有易降解、相容性高、无生物毒性等优良性能，在医药、食品等领域得到广泛研究。Wang等[26]研究了pH和超声处理对壳聚糖（CS）稳定的Pickering乳液的影响，研究发现超声处理（尤其在pH≥4.5）能有效地破碎和分散聚壳聚糖团聚物，同时降低壳聚糖的分子量，有利于其乳化性能；通过调节壳聚糖溶液的pH来控制Pickering乳液的稳定性，在pH 6.5时（壳聚糖的酸解离常数（pKa）），壳聚糖分子在超声波辅助作用下自组装成分散性好的纳米颗粒（dV=82.1 nm），从而形成液滴最小粒径为1.7 μm、长期稳定性（最高可达5个月）的水包油型Pickering乳液。Ribeiro等[27]研究了脱臭法和离子凝胶法制备的壳聚糖（CS）纳米颗粒对不同脂相含量的Pickering乳化液的稳定性，并以此作为包裹烘焙咖啡油的替代方法，发现与游离油相比，用壳聚糖包封咖啡油，在低含油量（33 g油/100 g乳液）的情况下，采用脱臭法可获得较好的液滴稳定性，从而提高总酚类化合物的生物可利用性。

此外，其他多糖颗粒也可用于稳定Pickering乳液的制备中。Zhang等[28]以pH敏感的疏水改性海藻酸钙纳米粒（MCA）为稳定剂，制备了pH敏感的水包油型Pickering乳液，并研究了姜黄素的体外释放行为，结果表明，MCA稳定的Pickering乳液在4 h内在模拟肠液（37%，pH 6.8）中比在模拟胃液（3%，pH 1.5）中更好特异地释放姜黄素，证明MCA稳定pH敏感性Pickering乳剂是一种潜在的药物控释口服制剂。Yang等[29]以金针菇多糖纳米粒（FVPN）为稳定剂，制备了Pickering乳液，并部分替代了普通乳化香肠的原脂肪，开发了一种新的香肠稳定剂替代脂肪替代品。非淀粉多糖来源广泛，种类多样，且具有多种优良性能，由其制备的Pickering乳液在食品工业和医药业应用广泛。

1.3 多糖与其他物质复合类

相对于仅使用多糖颗粒作为稳定粒子制备的Pickering乳液，多糖与蛋白质通过静电或电荷等相互作用形成的多糖-蛋白质复合物可以更好地提高Pickering乳液的稳定性[30]。Sun等[31]研究了纤维状甲壳素纳米纤维（ChNFs）与球形醇溶蛋白胶体粒子（ZCPs）协同稳定Pickering乳液的稳定性，通过透射电子显微镜发现，一部分ZCPs与ChNFs链相连，但没有纠缠，ChNFs与ZCPs之间的主要驱动力可能是氢键和疏水作用；ChNFs和ZCPs两者的比例影响Pickering乳液的稳定性，当ZCPs：ChNFs的比例大于5 g·g-1时，ChNFs和ZCPs复合稳定的Pickering乳液具有较小的粒径和较高的稳定性。随着多糖及蛋白混合物在食品乳液体系应用中优势的突显，多糖-蛋白质复合物构建性能稳定的Pickering乳液及相关应用，在今后食品行业中具有很大的发展空间。

2 多糖颗粒基Pickering乳液稳定性影响因素

多糖颗粒稳定的Pickering乳液是具有合适润湿性的多糖粒子不可逆地吸附在乳液液滴界面，通过稳定的空间效应及毛细管力作用，使得乳液稳定。在此过程中，多糖颗粒的润湿性、粒径大小、浓度、表面所带电荷大小等因素可对乳液液滴的大小及分布情况及乳液稳定性造成影响。

2.1 颗粒润湿性

Pickering乳液的稳定性主要取决于固体颗粒的润湿性，这就要求稳定粒子具有双亲性。颗粒的润湿性通常采用油水界面的接触角θ大小表示：θ＜90°，说明颗粒主体位于水相中，易制得水包油型乳液；θ=90°，说明颗粒在油水界面都易积累，既能制得油包水型乳液又能制得水包油型乳液，并且制得的乳液稳定性较高；θ＞90°，说明颗粒主体位于油相中，易制得油包水型乳液[32]。钱鑫等[33]探究了由辛烯基琥珀酸酐（OSA）改性的蜡质玉米淀粉颗粒的润湿性及Pickering乳液的稳定性，研究发现改性后的玉米淀粉颗粒疏水性增强，当改性蜡质玉米淀粉（OSAWS）的取代度为2.67%时，其θ接近于90 ℃，在油水两相中的润湿性几乎相同，且制得的Pickering乳液比未改性玉米淀粉颗粒制得的Pickering乳液稳定性好。Sharkawy等[34]对不同质量比的壳聚糖/阿拉伯树胶纳米颗粒（CH/GA）的润湿性以及CH/GA纳米颗粒复合稳定的Pickering乳液的稳定性进行了研究，结果发现由于阿拉伯树胶结构中存在的两亲性结构，即阿拉伯半乳聚糖蛋白质部分（AGP），其中包含疏水性多肽链和亲水性多糖块，它们提供了优异的界面性能，所以随着GA量的增加（CH/GA比例范围为4：1～1：4），接触角增大（θ：83°～95°），在pH为4，CH/GA质量比为1：1时，制备的复合颗粒具有接近中性的润湿性（θ=89.2°±0.94°），所形成的CH/GA复合稳定的高油体积分数（φ=0.6，0.7）的Pickering乳液具较高的贮藏稳定性。

2.2 颗粒的粒径大小

多糖颗粒粒径大小也会影响液滴的大小及乳液的稳定性。乳液滴的直径随着固体颗粒粒径的增大而增大[35]。粒径越大，在界面处的吸附时间越长，导致最终的液滴粒径增大[36]。而减小颗粒粒径有助于减小Pickering乳液的液滴尺寸，同时提高其贮存稳定性。Lu等[18]以介质研磨法对玉米淀粉进行改性，并探讨研磨后的淀粉颗粒稳定Pickering乳液的能力，研究发现随着研磨时间的延长，淀粉粒径逐渐减小，乳液的平均液滴尺寸也逐渐减小，当研磨时间增加到25 h时，淀粉颗粒平均粒径减小到700 nm左右（天然玉米淀粉颗粒粒径约为2～20 μm），Pickering乳状液的液滴大小在400 μm左右，所得Pickering乳液在6个月的贮存期内表现出抗聚结的稳定性。黄强等[37]研究了酸解时间对小颗粒玉米淀粉粒径及对稳定Pickering乳液的影响，发现玉米淀粉颗粒粒径随着酸解时间的增加而减小，其平均粒径从15.6 μm降低到6.6 μm，玉米淀粉颗粒呈碎片状，且分散均匀；以小颗粒玉米淀粉制备的Pickering乳液的稳定性随着玉米淀粉颗粒粒径的减小而增加；酸解48 h复合改性小颗粒玉米淀粉颗粒制备的Pickeing乳液稳定性较好。

2.3 颗粒浓度

多糖颗粒浓度是影响Pickering乳液的稳定性的另一重要因素。多糖颗粒浓度较低时，在液滴表面的排列不紧密，形成的乳液不稳定；随着浓度升高，多糖颗粒会在液滴表面形成界面膜，来提高乳液稳定性；当浓度进一步增大时，多余的多糖颗粒分散在连续相中，增加连续相粘度，进一步增加乳液稳定性[38]。肖志刚等[39]研究了改性藜麦淀粉颗粒浓度对Pickering乳液稳定性的影响，结果表明当颗粒浓度为7.5%（2.5%～10.0%）时，大部分淀粉颗粒吸附到油水界面上，进一步提高淀粉颗粒浓度时，多余的颗粒会分散到连续相中，连续相粘度增大，乳液呈凝胶状，阻止了乳液分层、聚集，增强了Pickering乳液的稳定性。戴晓婧等[40]在以竹基纳米纤维素晶体（CNC）稳定的Pickering乳液稳定性研究中，发现随着CNC浓度升高，用于覆盖油相液滴表面的CNC数量增加，形成了更多更小尺寸的乳液液滴，当CNC浓度从0.002 g/mL增加至0.010 g/mL时，乳液液滴尺寸从10 μm降至3μm，且Pickering乳液的Zeta电位在-30 mV以下，形成的体系较稳定。陈金凤等[41]以硫酸水解的微细化玉米淀粉制备Pickering乳液，探究其添加量对Pickering乳液的乳化能力和贮藏稳定性的影响；微细化玉米淀粉添加量为0.6 g制备的Pickering乳液贮藏1 d时的乳化指数呈现最大值（76.89%），显著高于微细化玉米淀粉添加量为0.8 g和0.4 g Pickering乳液的乳化指数，且随后6 d的贮藏期内，乳液自身达到稳定状态。

2.4 颗粒表面电荷、体系pH和离子强度

除了颗粒润湿性、粒径大小、浓度，颗粒表面电荷也是一个影响Pickering乳液稳定性的参数。一般而言，当粒子表面电势值介于|5|～|15|mV，乳液容易发生絮凝；当粒子表面电势值≥|30|mV，颗粒之间会形成静电稳定状态[42]。与低电荷颗粒相比，高电荷颗粒具有更大的亲水性，较低的表面活性，并且颗粒之间的静电排斥力增大，使固体颗粒以单层排列的形式存在于油滴的表面上，有效地防止了油滴的碰撞和聚集，因此形成的乳液更稳定。

pH或盐浓度的改变，也会引起颗粒的zeta电位、三相接触角的显著变化，进而对Pickering乳液稳定性产生影响。Xiao等[43]通过在羧甲基玉米淀粉（CMS）上接枝不同量的2-（二甲胺）甲基丙烯酸乙酯（DMAEMA），制备了具有pH响应特性的共聚物纳米粒子，并将其用于稳定Pickering乳液；Pickering乳液的接触角和Zeta电位随pH和CMS/DMAEMA比值的变化而变化，当pH从2.0增加到10.0时，CMS-20、CMS-40、CMS-60（20，40和60为DMAEMA/CMS比率（g/100g））稳定Pickering乳液的zeta电位分别从20.8，10.7和5.44 mV变为10.3，12.3和18.9 mV，且所有Pickering乳液样品在pH高于6.0时均表现出良好的稳定性。Zhu等[44]使用多巴胺修饰透明质酸（HA-DOPA）自组装成纳米颗粒作为Pickering乳液稳定剂，并研究了pH和盐度变化对HA-DOPA纳米粒子结构的影响，发现纳米颗粒在pH升高时膨胀，pH高于6.20时开始解离，在固定pH为6.20时，纳米颗粒的大小随着盐度的增加而减小，当盐浓度大于0.3M时发生絮凝；不同pH和盐浓度下HA-DOPA纳米颗粒的乳化性能表明，中等膨胀结构的纳米颗粒具有更好的乳化性能、乳化效率和乳化稳定性。

2.5 油的类型和油水相比例

即使其他参数如颗粒类型、颗粒浓度和乳化过程等保持不变，油的变化也会对Pickering乳液的类型和稳定性产生很大的影响，因此，油的选择至关重要。三相接触角与通过界面张力使用的油直接相连，由Young方程可知，油的类型与油水相比例对乳液液滴尺寸和稳定性产生影响。Tzoumaki等[45-46]研究了不同类型的油（向日葵油和玉米油）对几丁质纳米晶Pickering乳液稳定性的影响，结果发现使用向日葵油制备的Pickering乳液滴尺寸（5～10 μm）明显小于用玉米油制备的Pickeing乳液10～100 μm）。此外，油相和水相的比例也会影响液滴的大小和乳液的类型。Yang等[47]在以豆渣中不溶性大豆多糖纳米粒作为稳定剂制备一种独特的水包油型Pickering乳液的实验中，研究表明，增加油体积分数有利于乳液中的乳脂稳定，在较高的油粒比下，由于疏水相互作用以及桥接的颗粒单层（两个液滴共用一个单层），乳状液中的大多数液滴呈现出更大的絮凝状态，部分＜0.1 μm粒径的细油滴被包裹在由粒径约为8 μm的大油滴组成的絮凝结构中，使得这些纳米颗粒具有优异的乳化性能和乳液稳定性。

式中：γpo、γpw、γow分别为颗粒—油、颗粒—水和油—水界面张力。

2.6 其他影响因素

除上述条件，多糖Pickering乳液的稳定性也受到一些其他因素的影响，如多糖来源、形貌、改性程度、颗粒表面粗糙度等。Kalashnikova等[48]采用不同来源的纤维素胶体纳米棒（来源于棉花、细菌纤维素和枝霉）作为Pickering乳液的稳定剂，研究吸附在油-水界面的不同细长形状对Pickering乳液性能的影响，结果发现这些纳米晶不可逆地吸附在油水界面上，形成超稳定的Pickering乳液；在稀释条件下获得了直径相近的液滴，三种不同类型的纳米晶体具有相似的润湿性和纳米晶体的柔韧性，对于较长的纳米晶，55%的纳米晶被引入到材料网络中。Xie等[49]用辛烯基琥珀酸酐（OSA）对甘薯渣纤维素（NSPRC）进行改性，研究了改性纤维素（OSA-SPRC）在不同取代度下稳定的Pickering乳液的形成和稳定性，与低取代度（0.001 7±0.000 3）OSA-SPRC相比，高取代度（0.006 3±0.000 5）OSA-SPRC稳定的Pickering乳液具有较好的乳脂指数、较低的粒径、均匀的液滴分布、较高的表观粘度和乳液稳定性。

3 结语与展望

由于多糖颗粒稳定的Pickering乳液具有成本低、制备简单、稳定性好等优点，在食品领域方面已崭露头角。近年来，随着相关研究的逐步深入，人们对其制备、影响因素、稳定机理等方面有了一定了解，但是在与无机物颗粒稳定的Pickering乳液的机制异同等方面还需进一步深入研究。此外，探索更为绿色、高效的Pickering乳液的制备方法，以推进其在食品工业生产中的应用。