基于玉米醇溶蛋白纳米颗粒稳定的Pickering乳液研究进展

王文莉，柴向华，范宇婷，吴克刚，段雪娟，于泓鹏，刘晓丽

(广东工业大学 轻工化工学院，广东 广州，510006)

乳液是由分散相和连续相这2种不相溶的液体组成的体系，是热力学不稳定体系。通过固体颗粒不可逆吸附在油/水界面来稳定液滴的皮克林乳液因具有高抗聚结性和避免使用表面活性剂等优点而受到广泛的关注[1-2]。食品级皮克林乳液可有效地解决传统乳液的稳定性差、安全性低、生物不相容与难降解等问题[3-4]，并且具有缓释和递送功能性物质和作为传统脂肪的替代品等功能[5-6]，在化妆品[7]、制药[8-9]等领域也有良好的发展前景。

常用来稳定皮克林乳液的食品级固体颗粒有蛋白质、多糖、多酚等[10-12]，其中玉米醇溶蛋白(zein)不仅具有安全无毒、可再生、纯天然、成本低、稳定、生物相容性和生物降解性好的特点[13]，而且具有独特的分子结构和自组装形成纳米球形颗粒的能力[14]，这些特性使其作为皮克林乳液稳定剂十分有优势。但单独zein纳米颗粒的亲疏水性不够均衡，不能长期有效地稳定皮克林乳液[15]。因此，越来越多研究者用多糖、多酚等亲水物质对zein表面修饰后的复合颗粒制备皮克林乳液，这不仅提高了乳液的稳定性也扩展了其功能特性。

将zein与多糖、多酚等其他物质复合后制备的玉米醇溶蛋白复合纳米颗粒(zein complex nanoparticles，ZCNPs)能在乳液中形成稳定的界面薄膜从而阻止液滴聚结，减少脂质氧化。ZCNPs复合颗粒相互作用能够增强皮克林乳液的界面结构和调控乳液特性，本文对不同种类玉米醇溶蛋白复合纳米粒子稳定的皮克林乳液及其性质表征方法进行综述，并介绍了其在食品方面的应用，以期为ZCNPs食品级皮克林乳液的研究和发展提供一些参考。

1 ZCNPs对Pickering乳液性质的调控

1.1 ZCNPs相互作用对乳液界面结构和稳定性的影响

玉米醇溶蛋白含有超过50%的疏水性氨基酸，具有两亲性，并且含有大量的α-螺旋结构。随着zein溶液中溶剂极性增加时，由于分子间的疏水相互作用、范德华力、氢键以及毛细管作用力，蛋白质的α-螺旋转变为β-折叠，β-折叠结构逐渐转变为条状，条状卷曲成环状，接着自组装成球形颗粒[14]。因此常用反溶剂法制备玉米醇溶蛋白复合纳米颗粒，多糖等其他物质在zein自组装过程中通过氢键、静电相互作用和疏水相互作用调控玉米醇溶蛋白的性质如电势、颗粒大小、形状和润湿性等，从而增强颗粒在界面处的吸附[16]。如图1所示，ZCNPs一般为核壳结构，且颗粒表面粗糙，溶液乳化后，另一物质包覆在玉米醇溶蛋白颗粒周围并在一定浓度时将其进行桥连[17]，复合颗粒在界面处堆积，界面呈网状结构，界面层的厚度和密度较高，阻止了液滴聚结和奥斯特瓦尔德熟化，使得乳液的稳定性提高[18-19]。另外，利用层层静电沉积法可制备得到玉米醇溶蛋白/多糖双层皮克林乳液，研究表明其也具有稳固的界面结构和优异的抗聚结稳定性[20-22]。

图1 玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合颗粒稳定的皮克林乳液界面结构[17]Fig.1 A schematic representation of the interface structure of the Pickering emulsion stabilized by zein/chitosan complex particles[17]

1.2 ZCNPs对乳液流变性的调控

皮克林乳液的流变性行为主要受到自身性质(如液滴尺寸、分散相体积分数、液滴多分散性)和界面性质(如界面张力、界面黏弹性)的影响。ZCNPs皮克林乳液基本都具有剪切变薄性，而且复合颗粒浓度越大，油相含量越高，乳液的表观黏度越高[23-24]。一般情况下，ZCNPs皮克林乳液的储存模量(G′)大于损耗模量(G″)，即乳液为弹性凝胶结构，颗粒间相互作用越强，乳液体系的弹性凝胶网络越稳固。ZOU等[25]通过调节zein/单宁酸的颗粒大小和电荷密度来控制高内相乳液的结构和流变特性，发现粒子间相互作用增加时，凝胶的强度会进一步增加。另外，ZOU等[26]研究了zein/单宁酸复合颗粒的疏水性对皮克林乳液凝胶流变性的影响，结果表明疏水性越强的复合颗粒稳定的乳液凝胶网络结构越强，提高油相极性可以降低高疏水性颗粒稳定的乳液的凝胶强度、增加低疏水性颗粒的凝胶强度。

1.3 ZCNPs对乳液功能特性的调控

抗氧化活性的颗粒与zein复合后稳定皮克林乳液，使得包裹油滴的壳层具有抗氧化性，减少脂肪的氧化，从而赋予皮克林乳液较好的抗氧化性。WANG等[27]利用zein/壳聚糖复合颗粒调控界面结构得到了物理稳定性和氧化稳定性强的皮克林乳液。ZHOU等[28]用zein/单宁酸复合纳米颗粒稳定乳液，发现加入具有抗氧化活性的单宁酸可以有效防止乳化液中油脂的氧化变质。JIANG等[29]从山楂酒糟中提取抗氧化性果胶，将其与zein纳米颗粒制备成复合纳米颗粒后稳定皮克林乳液，脂质氧化分析表明具有较强抗氧化能力的抗氧化性果胶作为复合纳米颗粒的壳材料能发挥屏障作用和抗氧化作用。并且除了果胶的生物活性不同之外，不同类型的果胶(如柑橘果胶、苹果果胶等)和zein纳米粒子组成的颗粒也可能是影响乳液抗氧化能力的重要因素。

Zein-生物大分子稳定的可食用皮克林乳液包埋具有抗菌性的植物精油不仅使精油缓释也增强了乳液的抗菌能力，在食品的抗菌保鲜方面能得到有效的利用[30-31]。JIANG等[32]的抗菌试验结果表明zein/果胶复合纳米粒子稳定的肉桂精油皮克林乳液比纯精油对2种食源性微生物有明显的抑菌效果，对苹果切片有较好保鲜效果，说明该皮克林乳液可以作为一种有效的抗菌体系。

2 不同类型ZCNPs稳定的Pickering乳液

为了优化ZCNPs皮克林乳液的功能特性和提高其稳定性，许多研究者尝试采用其他物质与玉米醇溶蛋白相互作用共同稳定皮克林乳液，玉米醇溶蛋白与不同种类颗粒共同稳定的皮克林乳液研究如表1所示。

表1 Zein与不同种类颗粒共同稳定的皮克林乳液研究Table 1 The research of Pickering emulsions stabilized by different zein complex nanoparticles

2.1 zein-多糖复合颗粒稳定的Pickering乳液

液滴大小通常随着复合颗粒浓度增大而减小，低浓度的多糖可以促进蛋白质颗粒的电荷中和以及颗粒桥连，但是高浓度的多糖可能会阻止蛋白质颗粒的形成。玉米醇溶蛋白与阳离子多糖(如壳聚糖)结合后表面电荷升高[17]，与阴离子多糖(如藻酸丙二醇酯、阿拉伯胶等)结合后电位降低为负值，但是多糖的亲水性使得zein的界面润湿性都能得到改善。ZHU等[19]发现玉米纤维胶使得玉米醇溶蛋白纳米粒子的电位降低、粒径增大，复合颗粒在界面层形成致密的堆积层和凝胶网状结构。

果胶具有丰富的生物活性，在与zein相互作用制备皮克林乳液中被研究得最多，不仅能使乳液具备抗氧化性、抗菌性优势，而且zein/果胶稳定的高内相皮克林乳液也具有坚固有序的界面结构[29, 33]。SOLTANI等[24]发现甜菜果胶静电沉积在玉米醇溶蛋白界面能增加乳液的硬度和黏度，调节其含量可以将乳液转化为乳液凝胶。JIANG等[34]发现zein/苹果果胶稳定的芝麻油乳液表现出优异的黏弹性，可以作为芝麻糊的健康替代物。

阿拉伯胶[35]、藻酸丙二醇酯[18]、甲壳素纳米纤维[36]、黄原胶[37]、羧甲基淀粉[38]等多糖与zein通过非共价相互作用结合后稳定的皮克林乳液也都具有很好的物理稳定性和黏弹性。

2.2 zein-多酚复合颗粒稳定的Pickering乳液

zein与多酚类物质结合后稳定的皮克林乳液抗氧化性和抗聚结稳定性都显著提高，多酚类物质在油滴界面形成一个抗氧化保护壳，阻止油滴的氧化和聚结，对于递送姜黄素也有显著效果[39]。ZHAO等[40]通过调节zein的浓度构建乳液界面结构，发现其对于抗氧化剂没食子酸的分布具有重要作用。ZOU等[41]制备了氢键相互作用稳定的zein/单宁酸复合纳米粒子，这种具有可调润湿性的胶体颗粒在界面有序堆积，并且可以用一步均质法制备稳定的皮克林乳液凝胶。另外一些研究表明由zein/单宁酸复合颗粒稳定的皮克林乳液以及皮克林高内相乳液的微观结构和流变特性可被复合颗粒的浓度、电荷、油相含量调节[25-26]。

2.3 zein-蛋白质复合颗粒稳定的Pickering乳液

利用蛋白质的两亲性可以弥补zein的亲疏水性不均匀导致其无法完全包覆液滴的不足，zein与其他蛋白质结合能调节其表面的润湿性和电荷，提高zein胶体颗粒在乳液中的稳定性和分散性。FENG等[42]通过超声处理得到zein/酪蛋白酸钠复合物，研究表明在一定的pH值和离子强度下，乳液的稳定性有所改善。LIU等[43]利用谷物麦醇溶蛋白的相似相溶性，通过不同配比来调整zein/麦胶蛋白的亲疏水性，从而提高了颗粒的中间润湿性，醇溶蛋白之间的相互作用引起的絮凝形成了较坚固的界面膜，所得乳液具有良好的黏弹性和贮存稳定性。

2.4 zein-表面活性剂相互作用稳定的Pickering乳液

玉米醇溶蛋白与小分子表面活性剂的联合使用是改变胶体粒子表面疏水性的有效方法，小分子表面活性剂降低了界面张力，易于在油水界面瞬间动态吸附和扩散，利用小分子乳化剂的高表面活性可以促进粒子在界面的有效堆积，从而形成阻碍液滴聚结的空间屏障。GAO等[44]制备了zein/硬脂酸钠复合物，发现颗粒在油水界面聚集和紧密堆积，形成了阻止油滴聚结的空间屏障。但是合成的表面活性剂可能不利于生物降解和人体健康，使用无毒的乳化剂会更具吸引力。另外，JIANG等[45]发现zein和卵磷脂这2种天然乳化剂具有协同稳定作用，可以形成稳定性好的W/O/W双重皮克林乳液，卵磷脂使界面膜具有较强的表面弹性，模拟消化实验表明其有效地保护内相水珠不受胃液的影响。

表面活性剂与zein复合纳米颗粒共同稳定的乳液能显著提升皮克林乳液的稳定性和功能特性[46]。WEI等[47]研究了3种天然表面活性剂与zein/藻酸丙二醇酯共同稳定的皮克林乳液，发现天然小分子表面活性剂的种类和浓度对乳液的稳定性、微观结构和流变性有重要影响，并且体外消化实验表明天然表面活性剂的存在延缓了Pickering乳剂在小肠中的脂质消化。ZHAO等[48]的研究也表明吐温20促进了zein纳米颗粒的界面吸附，增强了皮克林乳液的物理稳定性。

2.5 基于zein的三元复合物稳定的Pickering乳液

zein和其他乳化剂制备得到的三元复合物与二元复合物相比具有独特的性能，能够用于制备高内相乳液。SUN等[49]证明了用pH循环法制备的zein/酪蛋白酸钠/藻酸丙二醇酯三元纳米配合物可以作为油相含量为80%的Pickering乳液天然界面稳定剂，这种乳液具有蛋黄酱的外观和凝胶状结构。另外，纳米复合物的结构可以通过酪蛋白酸钠的数量来调整，3种物质的混合顺序会对颗粒的尺寸和分散稳定性产生影响。DAI等[50]的研究也表明zein/藻酸丙二醇酯/鼠李糖酯稳定的高内相乳液在不同环境条件下都具有良好的稳定性，而且乳液为弹性凝胶状结构。

3 ZCNPs皮克林乳液的性质表征方法

3.1 界面结构表征方法

目前几种主要zein复合纳米颗粒稳定的皮克林乳液微观结构表征方法如表2所示。其中使用范围较广和频率较高的方法是光学显微镜法、荧光光谱法和激光共聚焦显微镜法。冷冻扫描电子显微镜法和受激发射损耗显微技术是表征微观结构的新型方法。激光共聚焦显微镜比光学显微镜的观察范围更广、程度更深，它能提供皮克林乳液的界面结构、不同物质的分布情况和形态等信息。冷冻扫描电子显微镜可以观察到乳液液滴表面的真实结构、形态和界面厚度等，其分辨率高，表征范围包括平均粒径在100 nm以下的颗粒，这在光学显微镜和激光共聚焦显微镜观察范围外。受激发射损耗显微技术是一种新兴的高分辨率成像技术，可以突破传统共焦成像的极限，提供近真实的荧光成像，比激光共聚焦显微镜和冷冻扫描电子显微镜得到的微观形貌图更加清晰[29]。

表2 Zein复合纳米颗粒稳定的皮克林乳液微观结构表征方法Table 2 Microstructure characterization of Pickering emulsion stabilized by zein composite particle

3.2 稳定性表征方法

根据乳液的物理降解和化学降解机制[51]，在ZCNPs稳定的皮克林乳液中乳液稳定性评估方法包括物理稳定性、离心稳定性、乳化稳定性、环境稳定性、储存稳定性、氧化稳定性等[52]。这些表征方法从不同角度对乳液的稳定性的进行分析，其中物理稳定性的表征被使用最多。物理稳定性表征主要包括：光学法、显微结构法、电荷分布法、高速离心法和直接观察法，其中光学法主要包括激光衍射法[53]、Turbiscan法[37]、Lumisizer法[47]等， Turbiscan法和Lumisizer法是较为精密的稳定性分析方法，能够清晰指示乳液各部分的乳化状态，并且Turbiscan法无需接触样品和对样品稀释。环境稳定性和长期贮存稳定性分析内容主要是测试不同pH、离子强度、温度和贮存时间下的外观、液滴大小和Zeta电位以比较分析乳液的稳定状态。常通过测试乳液自由基清除能力来表征乳液的抗氧化能力，而脂质氧化稳定性分析方法一般通过加速氧化测量初级氧化产物和二级氧化产物的含量来表征，这种方法较为直观地反映了乳液的脂质分解情况。体外消化模拟实验中，通过游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)的释放量来测定脂解程度[47]，FFA的释放量以消化时间释放的FFA百分比(%)来确定,如公式(1)所示：

(1)

式中：VNaOH和CNaOH分别代表氢氧化钠溶液中和FFA所需的体积(L)和浓度(mol/L),Wlipid和Mlipid代表油相初始质量(g)和分子质量(g/mol)。

3.3 流变性表征方法

流变性反映乳液的黏弹性和凝胶结构强度，皮克林乳液流变性研究常通过旋转流变仪的静态黏度测试和动态振荡测试得到表观黏度(η)、G′、G″、损失因子(tanδ=G″/G′)、幂律指数(n)等数据并进行拟合来表征流变性质[21]。一般只测试黏度随剪切速率的变化以及G′和G″随振幅的变化就能反映体系的流体类型和是否具有弹性凝胶状结构。这种流变学测试手段相较于传统的毛细管黏度计等测量手段方便快速，测量范围广，精确度高，适合样品数量多且精确度要求高的流变性质研究。

4 ZCNPs皮克林乳液在食品领域的应用

玉米醇溶蛋白复合纳米颗粒稳定的Pickering乳液在生物活性物质递送方面具有极高的应用价值。研究表明zein和壳聚糖[27]、单宁酸[39]、羧甲基淀粉[38]复合稳定的皮克林乳液作为递送系统能够对姜黄素产生保护作用和控释性。zein/藻酸丙二醇酯和乳化剂共同稳定的皮克林乳液对β-胡萝卜素也有较好的包封率和缓释性[46]。此外，ZCNPs皮克林乳液对于百里香酚[30]、薄荷油[31]、肉桂油[32, 54]等易挥发植物精油的包埋也效果显著，实验表明乳液对精油起到保护和稳定的作用，具有优于纯精油的抗菌稳定性，这在食品的抗菌保鲜方面很有应用前景。并且将含有抗菌性精油的皮克林掺入壳聚糖基食用薄膜中，可以提高其结构、力学性能、屏障性能和抗菌性能[55]。

在减缓脂质氧化方面，ZCNPs形成的壳层具有屏障效果和界面处抗氧化剂的分布，所以其稳定的Pickering乳液具有比普通乳液更强的稳定性和抗氧化能力，尤其是zein-多酚类复合颗粒制备的乳液[39-40]。另一方面， ZCNPs还可作为皮克林乳液高内相乳液的优良稳定剂并且制备成不漏油的油相凝胶，这在替代传统脂肪，减少有害脂肪和反式脂肪酸的摄入方面具有重要意义[17, 24]。

5 总结和展望

玉米醇溶蛋白与生物大分子复合后稳定的皮克林乳液具有优异的长期稳定性、氧化稳定性、环境稳定性以及黏弹流变性，还可以荷载姜黄素、抗菌精油等脂溶性物质，替代传统脂肪，减少食品中的有害脂肪和油脂氧化，具有十分广阔的发展前景。

目前关于zein通过非共价相互作用与其他物质复合后稳定Pickering乳液的研究较多，未来可以挖掘zein通过共价相互作用复合其他物质以及化学、酶法等其他方法改性后的颗粒对乳液稳定性的提升效果。对于ZCNPs稳定的高内相乳液、多重皮克林乳液、双层皮克林乳液以及皮克林纳米乳液等还有待于开发研究。在应用方面，可以深入探究生物活性物质的递送并拓宽ZCNPs皮克林乳液的功能特性应用，还应确定该类型乳液在体内的吸收作用和毒性反应。