加工条件对食品级Pickering乳液稳定性的影响

葛艳争，石爱民，冯新玥，任广跃，王 强*

（1 中国农业科学院农产品加工研究所 农业农村部农产品加工综合性重点实验室 北京100193 2 河南科技大学食品与生物工程学院 河南洛阳471000）

20世纪初期，Pickering[1]发现固体颗粒能吸附在油-水界面，自组装形成刚性的阻隔膜可抑制液滴的合并，从而得到稳定的乳液，由此这种乳液被命名为Pickering乳液，这种颗粒被称为Pickering颗粒或稳定剂。固体颗粒稳定的乳液与表面活性剂稳定的传统乳液相比具有非常明显的优势：乳化剂用量显著降低；生产成本减少；对人体的危害作用小；环境友好；稳定性高，不易受外界酸碱性、离子浓度、温度、油相组成等因素的影响[2]，在食品加工、化工、医药等领域有着广泛应用。

食品级Pickering乳液是以蛋白质、多糖等可食性固体颗粒为原料稳定油水界面的乳液。可食用的天然蛋白质、多糖等原料是自然界中的可再生资源，具有良好的生物相容性和可降解性，在食品级Pickering乳液的生产中具有一定优势。目前，Pickering乳液在食品领域的应用主要包括生物活性物质的包埋，作为具有抗菌及抗氧化性能的食品成分的包装，作为脂肪替代物等。

本文综述颗粒条件、干燥过程、制备过程、消化过程等加工因素对Pickering乳液的影响，展望其未来发展方向，为Pickering乳液在食品领域中的进一步应用提供参考。

1 颗粒条件对Pickering乳液的影响

1.1 颗粒种类

固体颗粒的性质会直接影响Pickering乳液的稳定性，在制备过程中必须使其具备良好的两相润湿性、适宜的粒径大小和几何形状[3]。目前用于稳定Pickering乳液的固体颗粒主要有蛋白类颗粒、多糖类颗粒、脂肪类颗粒以及其它复合颗粒。

蛋白质是由各种氨基酸组成的、具有空间结构的高分子聚合物，许多常见蛋白质自身具有很高的营养价值和良好的功能特性（两性特征、乳化性能和营养特性）[4-5]，大豆蛋白、花生蛋白、玉米醇溶蛋白及乳清蛋白等均可有效稳定Pickering乳液体系，是制备食品级固体颗粒的优质原材料。有研究团队以天然的β-伴大豆球蛋白为固体颗粒，采用高速剪切法制备了高内相Pickering乳液，所制备的高内相Pickering乳液具有较高的热稳定性和贮藏稳定性[6]。Jiao 等[7]利用花生分离蛋白微凝胶颗粒制备了稳定的高内相Pickering乳液，其内相质量分数高达87%，是目前高内相Pickering乳液中最高的，具有类似人造奶油的组成和状态，应用前景广阔。Peng 等[8]采用醇诱导β-伴大豆球蛋白制备高内相Pickering乳液，醇诱导使β-伴大豆球蛋白形成较大的、更具致密结构的颗粒，可以极大地改善其乳化性质和界面稳定性。

天然多糖是自然界中丰富的可再生资源，具有对人体毒性作用小、经济价值高、生物活性稳定等优势。淀粉、壳聚糖和纤维素等天然多糖均可稳定Pickering乳液体系。He 等[9]采用高压均质的方法制备了水不溶性竹笋膳食纤维颗粒，并将其作为Pickering乳液的稳定剂。所制备的植物性食品颗粒具有新颖的乳化能力，表现出良好的贮藏稳定性，对pH 值、离子强度等的变化不敏感。有研究报道了玉米纤维素具有稳定乳液的能力并且所得的乳液外观均一，具有良好的稳定性[10]，在Pickering乳液的开发中具有良好的应用潜力。

通过亲、疏水性互补的方法调节天然蛋白质-多糖的界面行为可以制备润湿性好、适合稳定Pickering乳液的复合颗粒[11]。有学者通过静电相互作用制备由玉米醇溶蛋白-玉米纤维胶复合颗粒稳定的Pickering乳液并对其进行表征，发现当玉米醇溶蛋白与玉米纤维胶的质量比为2∶1 时，三相接触角接近90°，有利于制备稳定的Pickering乳液[12]。Santos 等[13]将玉米醇溶蛋白-黄原胶复合物用于Pickering乳液的制备，发现玉米醇溶蛋白-黄原胶复合物具有良好的乳化和稳定性能，可用于制备高稳定性、可调黏度和黏弹性的乳液。

总的来讲，不经修饰的天然蛋白质、多糖等原料具有良好的Pickering乳液稳定性能，然而大多需要通过热诱导、水解或与其它颗粒复合等处理改善其性质才能有效地稳定Pickering乳液。探寻具有良好润湿性的原料已成为未来发展方向。目前，在制备稳定乳液的颗粒时大多采用颗粒复合改性的方式辅助稳定，复合颗粒的研究对于新型、环保和可持续的乳液发展具有重要的参考意义。

1.2 颗粒大小与形状

固体颗粒的粒径大小直接影响Pickering乳液的液滴大小。同时，固体颗粒的粒径大小与形状也影响Pickering乳液的稳定性。固体颗粒的形状主要包括球形颗粒、棒状颗粒、纤维状颗粒等其它类型的颗粒。有团队研究了β-乳球蛋白（球形颗粒和纤维状颗粒）对支链淀粉-木葡聚糖乳液稳定性的影响，发现球形颗粒可以使乳液在pH<5.0 的条件下稳定化长达24 h。将添加的颗粒形态从球形替换为纤维状，24 h 后乳液在pH=6 时保持稳定，在pH=7 时实现部分稳定。然而，纤维状颗粒不能在pH=4.0 时使乳液稳定，而球形颗粒却能使乳液保持稳定[14]，这表明Pickering乳液的稳定性还取决于颗粒形态。

固体颗粒的粒径越小，其吸附能力越强，越有利于形成稳定性更高的Pickering乳液[15]，而固体颗粒粒径越大会使分散液液滴和乳液向强黏附液滴和絮凝乳液演化，导致它们的内部结构不均匀，进而影响乳液的稳定性[16]。现有研究表明，通过改变纳米颗粒的粒径大小可以精细地调节由蛋白质纳米颗粒稳定的Pickering乳液的稳定性[17]。Lu等[18]采用湿磨法获得粒径大小不同的苹果渣颗粒，并研究了不同粒径颗粒的结构特征，理化性质和Pickering乳液性能。苹果渣颗粒的粒径在研磨过程中从12.9 μm 逐渐减小到550 nm。随着颗粒粒径的减小，形态变得更不规则。固体颗粒粒径的减小导致乳液液滴的尺寸减小，增强了乳液的稳定性和抗氧化活性。Wang 等[19]采用酸碱预处理的方法对玉米醇溶蛋白的分子结构进行改性，并用反溶剂沉淀法制备了玉米醇溶蛋白颗粒。发现使用中性和碱性溶液预处理玉米蛋白时，可以获得粒径更小的纳米颗粒，且能制备高度稳定的Pickering乳液。

综上，可以通过控制固体颗粒的粒径大小和形状调节所制备Pickering乳液的稳定性。一般而言，通过酸碱预处理、热处理、高压均质、超声等工艺处理原料可以有效地调节天然颗粒的大小和形状，有利于稳定性更强的Pickering乳液形成。

1.3 颗粒润湿性

固体颗粒的润湿性决定着粒子在油水界面上的吸附能力，是能否成功制备稳定的Pickering乳液的关键因素，一般用颗粒吸附在界面上的油、水、颗粒三相的接触角（θ）进行表征[20]。亲水性颗粒更倾向于被水润湿，颗粒从界面脱附进入到水相中的能量要小于从界面脱附进入到油相中所需要的能量，界面会以油滴为中心呈球面包裹，此时三相接触角θ 小于90°，形成水包油（O/W）型乳液；相反，则形成油包水（W/O）型乳液；当三相接触角θ 接近90°时，颗粒的界面吸附能最大，表现出独特的两亲性，可形成稳定的O/W 或W/O 乳液；当三相接触角θ 接近0°或180°时则不能形成稳定的乳液。研究发现，颗粒太亲水或太亲油时均不能得到稳定的乳液。只有当三相接触角约为90°，即颗粒亲水亲油性基本平衡时，才能形成稳定的乳液[21]。然而，一般可食用的天然多糖、蛋白质等通常不具备良好的润湿性，需要经过复合、改性、修饰等手段才能稳定Pickering乳液。Zhang等[22]用羧甲基纤维素钠（Sodium carboxymethyl cellulose，CMCNa）与麦醇溶蛋白复合以改善麦醇溶蛋白基颗粒的润湿性。在与CMCNa 结合的过程中，麦醇溶蛋白的亲水基团通过氢键与CMCNa 的羟基相互作用，从而减少了亲水基团和羟基的暴露，增强其疏水性。当麦醇溶蛋白与CMCNa 的质量比为2∶1 时三相接触角约为90°，此时颗粒能够分布在油水界面形成稳定的乳液。有研究团队[23]通过对多肽进行糖基化处理来增强蛋白质的亲水性。

1.4 带电性

固体颗粒的表面电荷可能会直接影响颗粒表面活性及其在油水界面的润湿性，进而影响乳液的稳定性[24]。一般而言，当固体颗粒电位的绝对值大于30 mV 时，有利于乳液体系的稳定，这主要是因为较高电荷固体颗粒之间的静电斥力更大，固体颗粒在油滴表面上以单层排列的形式存在，阻止了颗粒之间的聚结，有利于形成稳定性较强的乳液[25]。有团队报道了以大豆分离蛋白（Soy protein isolate，SPI）和花青素（Anthocyanins，ACN）为原料制备一种新型的SPI-ACN 复合纳米颗粒稳定的Pickering乳液，发现SPI 和ACN 之间的共价络合作用导致SPI-ACN 复合纳米颗粒的电位值增加，制备的乳液乳化稳定性、氧化稳定性增强[26]。

1.5 水相的pH 值

通过调节水相pH 值可以直接影响固体颗粒的表面电荷，进而影响颗粒的表面润湿性。张会等[27]采用高压均质的方法制备不同pH 值的玉米胚芽蛋白Pickering乳液，发现随着pH 值的增大，乳液粒径先增大后减小，电位绝对值先减小后增大；当pH 值为11 时乳液稳定性最佳，这是因为随着pH 的增大，蛋白包裹的液滴表面静电荷量增大，液滴之间的静电斥力增大，能使液滴之间保持平衡而不发生聚集。Zhang 等[28]研究了豌豆蛋白微凝胶分散液在不同pH 值（pH 2.0～pH 9.0）下的胶体行为。豌豆蛋白微凝胶颗粒分散液在pH 值为5.0 时表现出最高的粒子聚集度，在该pH 值下，豌豆蛋白微凝胶颗粒液滴内和液滴间均发生了聚集，从而分别提高了吸附效率和黏度。综上可知，pH 值的变化会直接影响固体颗粒的粒径和电位，进而影响Pickering乳液的稳定性。对于不同固体颗粒，由于种类和性质的差异，pH 值的变化对乳液稳定性的影响显著，尤其是蛋白类颗粒。这可能是因为蛋白质在靠近等电点的pH 值下所带电荷几乎为零，分子间存在强相互作用，不利于界面吸附，导致乳化能力降低。

2 干燥过程对Pickering乳液的影响

乳液是由2 种或2 种以上不混溶液体组成的多相体系，分为分散相和连续相。乳液为热力学不稳定体系，其稳定性随着贮存时间的延长而降低，导致其货架期短，限制了其在食品工业中的应用。乳液体系的脱水处理可有效的延长保质期、并且利于运输与储存[29-31]。Pickering乳液干燥过程，大多局限于采用喷雾干燥、冷冻干燥等方式直接获得干燥油粉，相比之下，对于微凝胶颗粒分散液干燥和再水化后保持原有Pickering 功能的研究较少。

冷冻干燥是溶剂在低温下结晶，然后通过降低产品周围的压力直接从冷冻状态的结晶升华为蒸汽的过程[32]。该技术有利于原料营养和风味物质的保持，然而存在干燥时间长、设备贵、成本高的缺点[33]。Zafeiri 等[34]首次采用冷冻干燥研究具有Pickering 功能的脂质颗粒干燥后再复水制备Pickering乳液的可行性。结果表明：用酪蛋白酸钠在熔融-乳化过程中制备的脂质颗粒在冻干后能保持其原有的Pickering 功能，即重组后仍能形成稳定的O/W 乳液，其液滴大小与前驱体（未经过冻结和干燥阶段的脂质颗粒）所产生的液滴大小相同。Marefati 等[32]以辛烯基琥珀酸酐改性淀粉稳定的Pickering乳液为原料，采用冷冻干燥的方法开发出可再分散性好的食品级充油型粉体，并探讨了冷冻干燥对Pickering乳液的影响。结果表明：干燥所得的油粉可以制备稳定的Pickering 乳液，这可能是淀粉的部分糊化增加了乳液冷冻干燥的稳定性。

喷雾干燥是将乳液雾化成无数小液滴，并与较高温度的干燥气流进行热交换迅速除去水分，转换成粉末颗粒的过程[35-36]。喷雾干燥具有干燥迅速、易于连续化生产、能耗低、能够较好保持产品营养品质等优点[33]。有团队研究了喷雾干燥微胶囊化大豆分离蛋白-姜黄素纳米复合物的特性，喷雾干燥后的大豆分离蛋白-姜黄素纳米复合物仍为纳米级，并证实了喷雾干燥微胶囊技术是制备具备良好的再分散性、高姜黄素保留率和生物活性（抗氧化和抗癌活性）的大豆分离蛋白-姜黄素纳米复合粉体的有效方法[37]。研究表明，喷雾干燥可以提高乳铁蛋白，燕麦β-葡聚糖和姜黄素（Curcumin，Cur）分子间的缔合程度。与自组装技术相比，喷雾干燥的OG 基三元配合物可作为稳定O/W Pickering乳液的潜在乳化剂，具有更高的乳化能力，可以提高乳液的稳定性[38]。Lu 等[39]的报道证实了采用喷雾干燥或冷冻干燥制备含有生物活性营养物质（β-胡萝卜素）的魔芋葡甘聚糖或单甘酯结构乳液粉末是可以实现的。

综上可知，通过干燥的方式获得粉末或油粉后再水化制备Pickering乳液是可行的。在干燥过程中液滴内水分蒸发及物料迁移均会影响干燥颗粒的组分分布、颗粒形态和粒径大小等，进而影响最终所得颗粒的性质。目前，国内外的研究主要集中在通过干燥的方式获得油粉再重构Pickering乳液性质方面的研究，对微凝胶颗粒分散液干燥后再复水制备乳液的研究相对较少，未来对颗粒配方元素、干燥动力学参数、贮存条件等对Pickering 功能的影响有待深入研究。

3 制备过程对Pickering乳液的影响

3.1 超声处理

超声处理是典型的物理改性方法，利用超声波在液体中的空化效应及物理作用来达到均质的效果[40]。超声处理操作简单，处理效果均匀，可以诱导蛋白质分子结构发生变化，改变蛋白质分子之间的相互作用，使得蛋白质在油水界面的吸附能力增强，改善蛋白质的乳化能力[41]。现有的研究结果表明，超声时间对Pickering乳液的形态和稳定性影响不显著[42]，而适宜的超声功率处理有助于制备液滴尺寸更小、乳液黏度更高、稳定性更强的乳液[43]。丁俭等[44]研究发现，超声功率400 W 处理大豆分离蛋白-壳聚糖复合物制备的O/W 乳液的液滴粒径较小，乳化活性指数和乳化稳定性指数最高，这主要是因为超声处理使具备表面活性结构的蛋白数量增多，与壳聚糖形成的复合物具有较强的吸附能力。

适宜的超声功率处理乳液，有助于提高乳液的稳定性，而超声功率过强时会表现出乳液凝聚现象，主要是过强能量的输入会导致液滴破碎，破碎后的液滴重新凝聚，当凝聚速率大于破碎速率时会使乳液液滴的粒径增大，进而影响乳液的稳定性。与高压均质、高速剪切预处理乳液相比，超声处理对液滴尺寸的大小调控能力有限，但能改善乳液的乳化均匀性，可用于制备对乳液液滴无要求但对乳化稳定性有要求的产品。

3.2 高压均质

高压均质现已被广泛应用于乳液的生产。将油相、水相组成的混合液置于入口孔板处，在高压均化器或振荡器的作用下，混合液颗粒破碎，得到纳米级粒径的乳液[45]。高压均质作为一种高能乳化方法，在食品级Pickering乳液制备过程中得到了广泛应用，如大豆蛋白、豌豆蛋白、纤维素纳米颗粒稳定的Pickering乳液。其制备过程要充分考虑均质压力、循环次数等对颗粒和乳液性质的影响[46]。Ni 等[47]分别采用10，30，50 MPa 和70 MPa的均质压力处理4 个循环，获得不同长度的纳米纤维素颗粒。结果表明：通过将均质压力从10 MPa 增加到70 MPa，纳米纤维素的长度从1 500 nm 减小到406 nm。较短的纳米纤维素具有较高的疏水性，有利于降低油水界面张力。Ren 等[48]以茶叶渣为原料，采用高压均质法制备了油水比为6∶4 的Pickering乳液。随着均质压力（0～80 MPa）和均质次数的增加，茶水不溶性蛋白纳米颗粒的粒径明显减小，可能是由于高压均质产生的剪切力破坏了大液滴的结构，形成小液滴，且更多的小蛋白簇可以吸附在界面层所致。从流变特性分析，高压均质改善了茶水不溶性蛋白纳米颗粒稳定的Pickering乳液的凝胶性质。高压均质处理主要用于制备乳液液滴尺寸小和乳化稳定性较高的产品。

3.3 高速剪切

高速剪切是通过极高的剪切速度和高频的机械效应强化溶解和分散等过程，增强乳液体系分散相颗粒的均匀度、降低乳液粒径大小，以获得细小、均匀、稳定性更强的乳液体系。一般而言，粗乳液的液滴尺寸较大并且稳定性很差，通过高速剪切，粗乳液的液滴尺寸逐渐减小，最终得到液滴分散均一，且具有较好稳定性的乳液体系[49]。一般情况下，乳液的制备过程中高速剪切机以10 000～15 000 r/min 的转速混合油相和固体颗粒来制备细乳液，获得的细乳液粒径小，具有更强的稳定性。曹亚倩等[10]证明了转速过高或过低都不利于Pickering乳液的稳定。当转速分别为5 000 r/min和17 000 r/min 时，前者所制备的乳液体系发生了严重的析油现象，后者出现了粒径较大的乳滴，表明乳滴发生了聚集，可能是当分散速度过高时，产生的剪切力导致颗粒从乳滴表面解吸下来，造成了乳滴聚集及乳析指数较高的现象。当转速为11 000 r/min 时，所制备的乳液形态规则、分布均匀，并且此时乳液的乳析指数最小、稳定性最强。

以上简述了几种目前研究者常用的制备Pickering乳液的方法对其稳定性的影响，当前对于制备过程学者不局限于采用单一的方法，而更倾向于多种方式相结合制备乳液并研究其乳液的稳定性。然而当前对同种物质不同制备方法之间的优劣对比，以及多种方式结合的制备方法是否增效还未可知，未来还需要深入研究，高效的制备技术也是未来的发展方向。

表1 食品级固体颗粒及其稳定的Pickering乳液的制备Table 1 Preparation of food-grade solid particles and their stable Pickering emulsion

4 消化过程对Pickering乳液的影响

消化过程不仅对于营养物质的转运和吸收具有重要作用，而且影响饱腹感和能量摄入[55]。近年来，利用体外消化模型研究乳液输送体系的脂质消化特性及其包埋活性物质的生物利用度已成为研究热点。消化过程会对乳液体系的界面组成、粒径大小、电位值等产生影响，进而影响乳液的消化特性。

乳液在口腔中的停留时间只有几秒到几分钟，但乳液会出现各种形式的失稳现象[56]。口腔中黏蛋白和离子强度的变化是影响乳液性质的主要因素。现有的研究结果表明，口腔阶段导致乳液的Zeta 电位绝对值增加，平均粒径增加并且会出现轻微絮凝现象。这可能是液滴与黏蛋白之间的相互作用导致桥连絮凝，从而增加液滴的粒径大小[57]。

乳液在胃部的消化过程主要受高酸性环境以及胃蠕动和胃蛋白酶等因素的影响[58]。Zhou 等[59]研究了醇溶蛋白-花青素复合颗粒（GPHPs）稳定的Pickering乳液消化过程。醇溶蛋白稳定的乳液（GCPEs）的平均粒径低于25 μm，在消化开始时略微絮凝（如图1），10 min 后Pickering乳液的平均粒径从22.00 μm 增加到94.75 μm，这可能是由于pH 值向高酸性转变的缘故。花青素的引入有效地阻止了GPHPs 稳定的Pickering乳液（GPHPEs）在胃消化过程中的凝结。在胃消化1 h 后，液滴发生合并，液滴大小从19.73 μm 增加到102.88 μm。胃消化后，乳液中的油滴会聚结在一起，从而失去其完整性。Araiza-Calahorra 等[60]首次研究了以乳清蛋白分离物-葡聚糖共轭的微米级凝胶颗粒作为稳定剂的Pickering乳液，并测定其在延缓界面材料溶解方面的功效。与通过非共轭的基于乳清蛋白的纳米凝胶颗粒稳定的乳液相比表现出降低的胃蛋白酶消化动力学。

图1 在模拟胃肠（GI）消化过程中，不同时间的GCPEs（a），GPHPEs-1（b）和GPHPEs-5（c）的微观结构演变[59]Fig.1 Microstructure evolution of GCPEs（a），GPHPEs-1（b），and GPHPEs-5（c）during the simulated GI digestion at different times[59]

小肠是人体消化吸收的主要场所（碱性环境），乳液进入小肠后，首先面临的是pH 值和离子强度的增加，然后是消化酶的进一步作用[61]。有团队研究了壳聚糖盐酸盐-羧甲基淀粉（Chitosan hydrochloride-carboxymethyl starch，CHC-CMS）稳定的Pickering乳液的消化特性。在小肠阶段，乳液粒径急剧减小。与吐温80 稳定的乳液相比，CHC-CMS 稳定的Pickering乳液的尺寸略有减小。这一结果可以解释为：一些大的油滴在脂质消化后被去除；脂质消化产生了相对较小的胶体颗粒的复杂混合物，这有助于液滴尺寸的减小。在肠道消化结束时所有样品均呈现高负电位，这归因于胆汁提取物中的阴离子胆汁盐和磷脂吸附在脂滴表面导致其负电荷增加。小肠消化后观察到大量油滴，表明样品不能完全消化，这一结果主要是脂质消化延迟所致[57]。周敬阳等[62]分析了不同时间内纳米微晶纤维素乳液的肠液消化行为。随着消化的进行，游离脂肪酸的释放速度有所降低。主要是由于游离脂肪酸的增加，使pH 值减小，产生更多的游离脂肪酸，并吸附在油水界面，阻止了脂肪酶与界面的接触；随着消化反应的进行，出现溶胀行为甚至是破乳现象，乳液液滴增大引起相对表面积减小，反应速率逐渐下降。

近年来研究发现，与常规乳液相比，颗粒稳定的乳液消化具有延迟作用，这是由于颗粒在界面处的不可逆吸附所致。研究发现，利用Pickering原理来调整界面特性，从而控制乳液体系的消化特性是可行的[63]。现有的研究显示，可通过颗粒复合调控乳液界面性质，制备出强界面结构的Pickering乳液，使乳液具有超强稳定性，从而调节脂质消化程度及包埋生物活性物质的生物利用率[59]。未来，对该类颗粒的制备方法、调控机理及其在消化过程中的生物利用度，及其在实际的动物体内消化利用情况还有待进一步研究。

5 结语

食品级Pickering乳液具有稳定性强、环境友好、原材料成本低、应用前景广等诸多优势。近年来对Pickering乳液的研究已取得较大的进展，广泛应用于食品加工、化工、医药等诸多领域，但仍存在一些问题：1）大多数天然食品级Pickering 固体颗粒不具备良好的润湿性，需要通过加热、水解等方法对其进行亲疏水改性，因此探寻具有良好润湿性的原料及高效制备技术成为未来发展方向。2）目前的研究局限于直接从乳液中获得油粉，关于Pickering 颗粒干燥再复水的理论研究较少，且颗粒制备方法、干燥方式、贮存条件等因素对Pickering乳液性质的影响尚不清楚，下一步要深入研究干燥过程对颗粒及复水后其稳定乳液性质的影响。3）肥胖是一个全球性的健康问题，延缓脂质分解是对抗肥胖的一种潜在策略。未来，对该类颗粒的制备方法、调控机理及其在消化过程中的生物利用度的研究将具有重要意义。