多酚基颗粒稳定Pickering乳液的研究进展

蓝漫钰，欧仕益，刘 付，2*

（1 暨南大学食品科学与工程系 广州510632 2 生物技术与资源利用教育部重点实验室（大连民族大学）辽宁大连116600）

乳液是指不混融两相（一般为水和油）中的一相以液滴形式分散到另一相中的体系，常见于奶油、乳状饮料、调味品等食品中[1]，也可被用于物质的递送[2-3]。传统乳液使用增稠剂、乳化剂（一般为合成小分子表面活性剂）来避免快速相分离[4]。然而，化学合成的乳化剂具有一定的毒性，容易造成食品安全隐患。近年来，由颗粒稳定的Pickering乳液渐渐成为研究的热点。与传统乳液（界面乳化剂可逆吸附）不同，Pickering乳液中界面颗粒一般为不可逆吸附[5]，因而能有效抑制凝聚、奥式熟化等乳液不稳定现象[6]，且具有特殊流变学特性[7]。除了常见的无机颗粒和有机合成颗粒外，Pickering乳液的稳定剂还可来源于食品材料，如淀粉、蛋白质等，所形成乳液的类型以水包油型居多[8]。有机晶体颗粒如脂质晶体同样具有稳定油水界面的作用[9]，乳液类型包括水包油和油包水型。相比小分子表面活性剂，这些天然的固体颗粒既具有可食用性又具有良好的生物相容性及可降解性，可广泛应用于食品、化妆品等领域。

多酚是自然界中普遍存在的植物次生代谢产物，常见于水果、蔬菜、红酒、咖啡中[10-11]，具有抗氧化[12-13]、抗炎[14]、抑菌[15]、调节肠道菌群[16]、抗动脉粥样硬化[17]、预防糖尿病[18]、预防阿尔兹海默症[19]等多种生理活性功能。目前鉴定出的多酚类化合物共8 000 多种[20]，主要分为类黄酮和非类黄酮两大类。类黄酮结构中含有2 个芳香环，通过3 个碳原子连接起来，根据官能团不同可进一步细分为黄酮、异黄酮、黄烷酮、黄烷醇、黄酮醇、花青素等；非类黄酮主要分为酚酸、二苯乙烯类和木酚素[21-22]。多酚结构中含有疏水性苯环和亲水性羟基[23]，基团的数量和位置各异。多酚的溶解度与多酚结构密切相关，大多数多酚的水溶性很小，而对有机溶剂可溶[24]，如黄酮类、黄烷酮类、黄酮醇类等类黄酮均难溶于水，而含糖基的多酚易溶于水，如花青素类、缩合单宁普遍溶于水[25]。多酚的疏水性则一般使用lg P 值（P 指正辛醇和水之间的分配系数）进行评价[26]，lg P 值越大，疏水性越强。大多数多酚的生物利用度很低，肠道半衰期短，吸收效果及代谢速度不理想，无法完全发挥其生理活性功能[27]。

Luo 等[26]首次提出不溶性多酚化合物类黄酮颗粒具有稳定油水界面的作用，说明多酚的研究前景不仅局限在其生物活性上。随着Pickering乳液的不断发展，多酚作为Pickering乳液稳定剂的潜能值得深入挖掘。本文以多酚为对象，从Pickering乳液的稳定性及影响因素、多酚基颗粒在Pickering乳液稳定中的作用、多酚Pickering乳液的应用等方面进行综述，为多酚在食品级Picker ing乳液及功能食品等工业中的应用提供理论参考。

1 Pickering乳液的稳定性及影响因素

1903年，Ramsden[28]首先提出了颗粒可能在油水界面上吸附的猜测。四年后，该猜想被Pickering[5]的研究所证实，揭示了固体颗粒在稳定水包油乳液中的特征。此后，这种固体颗粒在油水界面上吸附稳定的乳液被称为Pickering乳液。

Pickering乳液的形成取决于颗粒在油水界面处的吸附能力，用颗粒脱离界面的能量ΔEd表示，球形颗粒的ΔEd可用下面的公式计算：

式中，r——球形颗粒半径，m；γ——界面张力，N/m；θ——三相接触角，o[30]。

颗粒的大小与ΔEd成正比。固体颗粒过小（＜0.5 nm），ΔEd降低，颗粒容易从界面上脱离，造成乳液失稳[31]。Levine 等[30]认为稳定Pickering乳液的颗粒粒径应该比所需液滴的粒径小一个数量级以上。除此之外，颗粒的大小也会通过影响三相接触角，间接影响乳液的稳定性[32]。当Pickering乳液颗粒的粒径大于10 nm 时，其解吸能ΔEd比热能U（kT，298 K）和传统乳液的表面活性剂分子解吸能（小于10 kT）高几个数量级，颗粒能在界面上快速形成不可逆的吸附[29，33]（图1）。

图1 球形颗粒在Pickering乳液液滴表面的解吸能[29]Fig.1 Energy of detachment of spherical particle at the droplet interface[29]

颗粒的三相接触角θ 表征颗粒的润湿性，即颗粒被油水两相润湿的能力，这是颗粒稳定Pickering乳液的主要影响因素。亲水性颗粒的接触角θ 通常小于90°，表现为颗粒表面大部分被水润湿，倾向于稳定水包油型（O/W）Pickering乳液；亲油性颗粒的θ 则大于90°，在非极性相中的接触面积大于水相，形成油包水型（W/O）Pickering乳液[31]（图2）。当θ=90°时，解吸能最大，通常由该种颗粒所形成的乳液较为稳定[32，35]。

图2 稳定水包油型（O/W）和油包水型（W/O）Pickering乳液的球形颗粒在油水界面上的接触角示意图[34]Fig.2 Contact angle of particles stabilized at the oil-water interface in O/W and W/O Pickering emulsions[34]

颗粒形状也是导致乳液稳定性差异的因素之一。稳定Pickering乳液的固体颗粒通常呈球状[36]、薄片状[37]或棒状[38]等。不同的形状造成颗粒的覆盖方式、刚性程度以及在油水界面横截面积有差异，进而导致颗粒吸附到界面的能力不同。Lou 等[38]发现长径比大的二氧化硅颗粒即使没有完全覆盖油水界面，也能利用较大的空间位阻防止液滴聚结。某些棒状的颗粒还可以灵活地在界面上弯曲覆盖[39]。

除了受颗粒本身的性质影响外，乳液稳定性还受颗粒浓度、油相性质等因素影响。颗粒浓度是影响乳液稳定性的一个重要因素。当颗粒浓度较低时，液滴的凝聚发生在颗粒吸附到界面之前，颗粒不足以稳定乳液液滴[40]。当乳化时产生的界面面积略大于颗粒能够稳定的界面面积时，则会发生有限聚结（Limited coalescence），液滴增大直至颗粒能够完全覆盖在表面，并且液滴大小与颗粒浓度呈反比[41]。当颗粒浓度过高时，除了吸附到界面上的颗粒外，连续相中的剩余颗粒还可以形成网络结构从而增加乳液的稳定性[29]。油相性质对Pickering乳液稳定性的影响主要包括黏度和极性。油相黏度不仅能够阻碍颗粒的运动和吸附，还会影响液滴粒径分布[42]；油相极性则影响油水界面张力，Thickett 等[43]发现非极性油乳液的油水界面张力比极性油乳液高，使氧化石墨烯颗粒形成更大的空间位阻和静电壁垒，有利于颗粒在油水界面上吸附形成更稳定的乳液。

简便的制备方法、优良的物理稳定性和可调控的液滴粒径等优点，使Pickering乳液具有良好的应用前景，尤其在食品行业上。食品级Pickering乳液的开发能帮助解决人们对生物相容性、稳定性和环境友好型食品的需求，主要的食品固体颗粒包括多糖、蛋白质、脂肪结晶等[9，44-45]。然而，食品级颗粒的种类仍然相当有限，尤其是用于稳定油包水乳液的颗粒。开发更多符合绿色天然且高效的食品级Pickering 颗粒稳定剂成为食品乳液发展的主要挑战之一[46]。

2 多酚基颗粒在Pickering乳液稳定中的作用

天然植物成分多酚因具有多种有益健康的生理活性功能而备受关注。然而，由于溶解性差的问题，多酚进入人体后，其功效并不能得到充分的发挥。将多酚应用到Pickering乳液中，对解决多酚的生物可及性和拓展Pickering乳液的功能具有重要的意义。在Pickering乳液体系中，多酚既能以简单的晶体颗粒形式或自组装（反溶剂沉淀）形成纳米颗粒的形式吸附于油水界面，也可以通过与其它乳化剂协同稳定或形成杂化颗粒进行稳定。由于Pickering乳液的稳定机制在于颗粒对油水两相的部分润湿性，故乳液的稳定性很大部分取决于多酚颗粒的亲水/疏水性平衡[47]。此外，颗粒来源、种类及制备方法均可能对多酚基颗粒稳定Pickering乳液的性能产生影响。

2.1 多酚晶体颗粒的稳定作用

相比用于稳定传统乳液的小分子表面活性剂，用于Pickering乳液稳定的多酚晶体颗粒粒径大约在几百纳米到几十微米之间，颗粒的形状多呈多面体、棒状、球状或不规则状，颗粒在油水界面的解析能远高于热能和传统乳液的解析能。天然多酚普遍具有低溶解性的特点，其水溶性和油溶性与多酚晶体颗粒稳定Pickering乳液的能力密切相关[26]。具有部分润湿性的多酚晶体颗粒吸附到油水界面后排列形成的固体颗粒界面膜，是其有效抵抗各种乳液失稳的重要原因。颗粒的大小、形状、表面粗糙度和加工方式等因素都会对颗粒的润湿性产生影响，进而影响多酚晶体颗粒稳定Pickering乳液的类型和稳定性。

水溶性差的多酚颗粒（接触角通常大于90°），若首先被分散于油相，则趋于形成W/O Pickering乳液[29]。一些不溶性类黄酮的亲油性大于亲水性，较容易分散到油中，如姜黄素和槲皮素被高速分散到大豆油中可得到0.5～15 μm 的多面姜黄素晶体颗粒和5～35 μm 的棒状槲皮素晶体颗粒。两种不溶性类黄酮的油分散体分别与5%水相混合均质后，可稳定液滴粒径d3，2约为6 μm 的W/O 型Pickering乳液，乳液的界面张力均未显示出明显减小，并且颗粒在水滴表面覆盖形成了致密的颗粒层[47]。

接触角小于90°的亲水性多酚晶体颗粒，将优先被水相润湿，故通常以分散有亲水性多酚颗粒的水相作为连续相，与纯油相乳化形成稳定的O/W Pickering乳液。如芦丁水合物颗粒和柚皮苷颗粒对水的接触角均小于40°，具有较强的亲水性，若将其分散于油相制备内相分数为20%的W/O乳液，24 h 内乳液便发生完全相分离；而将其分散于水相制备的内相分数为20% O/W 乳液时，液滴粒径明显减小，并且能有效抵抗液滴聚结超过14 d[48]。Aditya 等[49]利用纳米化技术及蛋白质的表面修饰作用获得了可分散于水相中的非晶态纳米级姜黄素颗粒，其亲水性明显增强。颗粒水分散液与10%油相混合后同样形成了粒径约为1 μm 的O/W 型Pickering乳液。

界面处的多酚晶体颗粒被油相部分溶解是造成乳液形成后失稳甚至破乳的原因之一，如姜黄素纳米晶水分散体在稳定油水界面过程中，最初颗粒趋向于溶解在油连续相中，不具有Pickering稳定能力，直至达到饱和后，剩余的姜黄素纳米晶颗粒才会形成壳状结构包裹在油滴表面[50]。多酚溶解的程度通常与乳液体系的pH 值和温度密切相关。

除了颗粒溶解度外，乳液pH 值的变化对多酚等生物聚合物类固体颗粒的官能团电离度、接触角和表面电荷等性质都会产生影响，进一步造成乳液稳定性的改变[51]。Duffus 等[48]认为具备对连续相的亲和力以及足够的电荷是颗粒可用于Pickering乳液稳定的先决条件之一。多酚分子结构中带有羟基基团，碱性的增强使基团不断发生解离，多酚的负Zeta 电位强度随之增大[48]。电荷的增加可导致多酚晶体颗粒疏水性减小，却有助于其分散和稳定[52]。鉴于温度和pH 值对多酚晶体颗粒性质的影响，一方面需要注意由此带来的对乳液消化稳定性的影响，另一方面可以深入研究具有响应性的多功能Pickering乳液。

使用多酚晶体颗粒制备Pickering乳液，是一种较为简便的乳化方法，然而目前该类Pickering乳液的研究领域相对空白，应拓宽多酚作为稳定剂的应用，尤其是多酚纳米颗粒的开发以及对多酚晶体颗粒形状和大小的控制。

2.2 多酚颗粒与乳化剂的协同稳定作用

研究发现，卵磷脂[53]、吐温80[54]等表面活性分子能够改善Pickering乳液的稳定性。乳液稳定性增强的原因主要是表面活性分子降低了Pickering乳液体系的表面张力，并通过固体颗粒和分子之间的相互作用改变了乳液的黏度[54]。具有两亲性的蛋白质分子是常见的食品表面活性剂[55]。Zembyla 等[56]首次研究了分别位于油水界面两侧的蛋白质分子和多酚晶体颗粒对油包水乳液的协同稳定机制，发现水相中具有表面活性的球状乳清蛋白分离物与油相中的不溶性类黄酮晶体颗粒之间由于产生了静电吸引力，可分别从所处的两相共同向油水界面迁移并组装形成界面复合物，增强了界面膜的机械强度。

除了表面活性分子外，添加不同的颗粒稳定剂同样能达到增强界面强度的效果。例如乳铁蛋白纳米凝胶颗粒和菊粉纳米颗粒在界面处形成的颗粒-颗粒复合层，提高了Pickering乳液的储存和消化稳定性[57]。通常这2 种颗粒的电荷互为相反电荷，并因此产生使之相互吸引的作用力。由于该相互作用力决定了颗粒吸附在界面上的能力，故可通过调节颗粒的电荷比以及颗粒在界面的填充数量来调控乳液的稳定性[58]。Zembyla 等[59]通过加热变性及剪切处理，将乳清蛋白转变成水分散性微凝胶溶液，调节pH 值使乳清蛋白微凝胶带正电后，油相中带负电的多酚晶体颗粒通过静电吸引作用与微凝胶在界面层结合，形成油包水Pickering乳液，并且稳定超过90 d。除此之外，生物聚合物及其凝胶颗粒也能增强多酚晶体颗粒稳定Pickering乳液的温度稳定性和剪切稳定性[60]。鉴于多酚颗粒与乳化剂在油水界面的协同稳定机制，改变乳液系统的pH 值以及一定浓度范围内协同稳定剂的量都可对乳液的稳定性起调节作用[56]。

2.3 多酚杂化颗粒的稳定作用

多酚结构中含有的活泼基团使其容易与蛋白质、碳水化合物和脂质等食物基质成分发生相互结合作用，生成二元或多元复合物，并且在一定比例下呈现较低溶解性[61-62]。多酚杂化颗粒多为球状，结合后颗粒的性质会发生不同程度的改变。首先，颗粒的润湿性改变。通过调节颗粒表面的亲水或疏水基团的数量，可灵活调节颗粒的亲、疏水性，如单宁酸和小麦淀粉以1∶1 的质量比结合后，亲水性单宁酸的三相接触角由55°显著增加到86°[63]。其次，颗粒的功能性质改变，例如多酚的抗氧化性得到提高[64]。相比单一原料形成的颗粒，复合物颗粒的界面热稳定性和黏弹性提高，乳液的物理稳定性增强[65]。多酚杂化颗粒的应用有效丰富了Pickering乳液稳定剂的种类，尤其是用于开发油包水型乳液的固体颗粒。

多酚与蛋白质主要通过疏水相互作用和氢键作用形成不溶性纳米复合颗粒[66]，如表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）的酯基可与糖化乳清蛋白分离物苯环上3 个羟基之间形成氢键。该复合颗粒稳定的乳液液滴粒径约为50～60 μm，具有良好的热稳定性和耐盐能力[67]，并能延缓包埋物的降解[68]。由于多酚与蛋白质的结合过程易受pH值、温度、离子浓度以及二者的相对浓度等因素的影响[69]，需要充分考虑乳液环境对吸附在界面的复合颗粒稳定性的影响。

多酚与多糖在氢键和疏水作用力的驱使下也可以获得用于稳定乳液的杂化颗粒[70]。颗粒能在油水界面上形成的具有一定厚度的致密颗粒层是

有效稳定Pickering乳液的重要因素[63]。Li 等[71]利用单宁酸与β-葡聚糖的自组装形成了平均粒径在300～900 nm 范围的近似球形的胶体颗粒。当多酚/多糖比例为0.4～0.5 时，油滴的周围被致密颗粒层包裹，乳液稳定性较好[63]。

表1 多酚基颗粒稳定Pickering乳液的制备方式、类型及应用Table 1 Preparation，emulsion type and application of polyphenols-based particles stabilized Pickering emulsions

多酚与脂质形成的脂肪酸酯复合物颗粒也具有稳定Pickering乳液的潜力。Luo 等[72]发现，将茶多酚与棕榈酸形成的茶多酚棕榈酸酯分散于山茶油后重结晶，通过简单的剪切方法成功获得W/O型Pickering乳液，颗粒的平均粒径仅为359.47 nm，而不同颗粒浓度获得乳液的体积平均直径在（4.67±0.88）～（7.96±0.27）μm 范围，在4 ℃条件下表现出良好的储存稳定性。

3 多酚稳定Pickering乳液的应用

目前关于多酚稳定Pickering乳液在食品领域等方面的应用研究并不丰富。多酚乳液的功能主要体现在良好的物理稳定性和多酚的生物学活性上，潜在应用包括抑制油脂氧化、减缓脂质消化和递送活性物质（图3）。

图3 多酚基颗粒稳定Pickering乳液的作用及创新应用Fig.3 Function and innovative application of polyphenolbased particles in Pickering emulsion stabilization

3.1 抑制油脂氧化

油相中具有表面活性的氢过氧化物倾向于迁移到油水界面上，与水相中的过渡态金属离子反应形成自由基，促进油脂氧化形成脂质过氧化物[77]。该过程容易发生在乳液的加工、储藏或消化过程，并造成细胞毒性、炎症等危害[78]。因此，氧化稳定性是评价乳液的重要指标，可受油水两相的性质以及乳液的界面厚度、界面面积、连续相中存在的蛋白质等因素影响[79-80]。在Pickering乳液的油水界面上，天然抗氧化剂多酚形成的较厚吸附层，既能阻碍自由基与脂质分子的接触，还能与油相中的脂质过氧化物结合，阻碍其与促氧化剂反应，降低氧化油脂的危害[61]。Zhao 等[81]研究发现仅由蛋白颗粒形成的乳液界面层对油滴氧化的抑制能力较弱，而当没食子酸与蛋白颗粒共存于油水界面上时，清除自由基的效果明显，并且体系的氧化稳定性由蛋白界面上多酚的荷载量主导。Noon等[73]发现在没有促氧化剂亚铁离子存在的条件下，水合芦丁颗粒稳定乳液的氧化稳定性高于吐温20 和十二烷基磺酸钠乳液。多酚基颗粒稳定Pickering乳液的氧化稳定性受颗粒的种类、数量、形状、水相中过渡金属离子、油脂的种类以及环境条件等因素影响。有些研究指出，蛋白质的结合对多酚的抗氧化能力产生了负面作用[61]。在制备多功能性Pickering乳液时，需充分考虑食品成分对乳液性能的影响。

3.2 减缓脂质消化

油脂摄入过多会导致肥胖的发生，危害身体健康。脂质的消化吸收主要发生在小肠的近端，然而如果延长油脂的消化，并将其转移到小肠远端，则会诱导身体产生饱腹感，阻止摄入更多食物[82]，有助于预防肥胖。研究表明，Pickering乳液的抗凝聚性、抗溶性和抗收缩性可以有效地延长脂质的消化时间[83]，其主要机制是：吸附在界面上的颗粒能够阻止胆汁盐和脂肪酶的置换；颗粒和肠液中的化合物在油水界面的竞争阻碍了油脂的水解[84]；颗粒在液滴间形成桥连，减少了油脂水解的作用面积[85]。多酚对脂肪的消化吸收也会产生直接影响，如降低消化后游离脂肪酸浓度[86]，抑制对胆固醇的吸收[87]等。多酚还能与脂肪酶通过非共价相互作用抑制脂肪酶的消化活性[88]。使用直径在200～500 nm 范围的球状大豆分离蛋白-花青素杂化颗粒作为水包油Pickering乳液的稳定剂进行体外模拟消化时，发现游离脂肪酸释放速率从31.8%下降到22%，脂解程度减小，并且脂解的抑制程度与花青素负载量呈正相关[89]。由于Pickering乳液油滴中脂质的释放速率涉及颗粒在油水界面的解吸能，因此多酚颗粒的性质、大小、形状、表面电荷、表面负载情况等都是影响Pickering乳液抗脂质消化能力的因素[83]。

3.3 递送活性物质

生物活性物质具有抗氧化、抗炎、降低胆固醇等功效，然而许多活性物质的水溶性差、半衰期短、生物利用度低，并且由于含有活泼基团，对温度、紫外线、pH 值等环境条件极为敏感，容易发生氧化降解而失去价值。使用固体颗粒作为Pickering乳液稳定剂，不仅能有效避免化学合成表面活性剂对人体的刺激，还能通过固体颗粒形成的物理屏障实现对活性物质的保护[29]。以多酚为原料制备的Pickering乳液抗氧化性得到增强，可有效延缓活性物质的氧化和降解速度，拓宽其在食品等领域的应用范围。研究表明，水难溶性黄酮葛根素以纳米晶颗粒形式稳定Pickering乳液后，在水中的溶解度提高了84.48%[90]。将姜黄素溶解于乳液的油相中，同时使用姜黄素纳米晶颗粒稳定的Pickering乳液作为载药系统，有效提高了姜黄素的体外释放率和乳液的载药量[50]。Liu 等[68]使用糖化乳清蛋白分离物和EGCG 杂化颗粒制备O/W型Pickering乳液并用于运载脂溶性姜黄素时发现，EGCG 中的酚羟基可以有效地保护姜黄素，延缓其降解，提高姜黄素的稳定性。玉米醇溶蛋白/单宁酸复合胶体颗粒制备的凝胶状Pickering乳液也被证实能够有效减缓姜黄素的释放[91]。

4 结论

多酚基固体颗粒的乳化潜力正在被逐渐发掘，形成的食品级Pickering乳液具有高稳定性、良好抗氧化性和生物相容性等优点，在抗脂质消化、抑制油脂氧化和递送活性物质方面具有良好的应用前景。根据现有研究，多酚基颗粒主要以3种形式存在于油水界面上：晶体颗粒或纳米颗粒自稳定、晶体颗粒与具有乳化能力的分子或颗粒协同稳定、与其它食品成分形成杂化颗粒稳定。然而，目前对多酚基颗粒稳定Pickering乳液的机制研究仍存在较大的空白，对颗粒乳化性能的预测缺少可靠的指标，乳液的功能性和安全性评价不足，以及多酚乳液在体内消化后的变化仍不明确。基团修饰、分子作用力结合，加热以及自下而上或自上而下的纳米化技术等方法可被应用于调节多酚颗粒的润湿性及大小。鉴于生物相容性材料所获得的固体颗粒稳定剂多呈亲水性，趋向于稳定水包油型Pickering乳液，而疏水性颗粒较缺乏，因此制备疏水性多酚晶体颗粒或改性多酚颗粒用于稳定油包水型及多重乳液尤为关键。结合多酚的功能，制备具有美白、抗菌或抗糖基化作用的Pickering乳液也是值得探究的方向。开发纳米级多酚颗粒和具有油滴均匀性、多重功能性、长期稳定性、生物相容性和环境友好型的多酚基颗粒稳定Pickering乳液将成为食品乳液领域的一个重要发展分支。