乳液腔室结构与界面稳定性

赵国秀，邢琳琳，赵梦雅，刘 贺，朱力杰

（渤海大学食品科学与工程学院 生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心 辽宁锦州121013）

乳液是两种互不相溶的液相形成的非均相混合物，其中一种液相的液滴分散在另一种液相或连续相中[1]。常见的牛奶、奶茶、乳饮料、调味酱汁等均属于乳液产品，在日常生活中占据十分重要的地位。一般来说乳液的形成需要满足3 个条件：1）存在多种不溶性液体；2）适合的乳化剂；3）足够强度的机械搅拌[2]。

根据内部结构的差异，乳液可分为较为简单的单腔室乳液体系（O/W）或（W/O）、相对复杂的多腔室乳液体系（O/W/O）或（W/O/W）以及更为复杂的具有内外多腔室的等级多重乳液体系【（O/W）/O/W】。随着腔室结构多样性研究的深入，乳液界面的稳定机制连同影响乳液的制备方法都在发生变化。乳液体系愈加复杂化，其运载效率与稳定性也在进一步提升，不断拓宽着乳液的发展前景。目前乳液在食品[3]、化妆品[4-5]、建筑[6]、环境保护[7]等领域得到长足的发展，成长为多个行业中不可或缺的一种运载形式。本文综述几种典型乳液的腔室结构与界面稳定性研究进展，针对不同类型乳液的稳定性提升进行对比分析，为后续乳液的开发利用提供参考。

1 单腔室乳液

单腔室是最为简单的一种乳液存在形式，它由两种互不相溶的液体组成，其中一种液体的液滴悬浮在另一种液体的连续相中[8]，可以用来保护或有效输送与内相具有良好互溶性的物质。单腔室乳液的油-水界面通常是不稳定的，需要添加乳化剂才能达到动力学稳定状态。与其它结构形式相比，单腔室乳液具有制备步骤简单、生产成本低廉等优势，在pH 值、温度、压力等条件变化下乳液结构不会轻易发生改变，更易于批量生产和大范围应用。

1.1 水包油型（O/W）和油包水型（W/O）乳液

O/W 和W/O 乳液作为单腔室结构体系的代表，已经在各个领域得到广泛应用。O/W 乳液是一种将细小油滴分散在水相中的体系[9]，而W/O 乳液则是将水滴分散在连续油相中[8]。乳液的界面结构可以由多种组合方式构成，例如小分子表面活性剂、大分子生物聚合物及其衍生物、复合物、带有相反电荷的不同乳化剂、固体颗粒或以上多种乳化剂的联合使用，其中由固体颗粒稳定的乳液被称为Pickering乳液[10]。图1 以O/W 乳液为例，简要描绘出了由单一乳化剂以及复合乳化剂稳定的乳液的界面结构图。通常情况下，乳化剂会在高速剪切等方式的强机械作用力下与油相和水相充分接触，进而有序的排列在油-水界面层，形成弹性界面膜；界面膜会通过降低油-水界面张力来保护乳液液滴结构，使其在一段时间内不会因正常外界条件的变化而出现扩张破裂等现象，最终达到稳定乳液的目的。大多数乳液会在添加表面活性剂、固体颗粒等几天、几个月甚至几年内表现出稳定状态[11]。然而，由于两相之间界面张力的存在，使得乳液成为一种热力学不稳定的亚稳态系统，具体表现为水、油两相会随着时间的延长逐渐分离，主要的不稳定性机制包括重力分离、絮凝、聚结和Ostwald 熟化[12]。其中，重力分离是指在乳液储存过程中，由于密度差异，油相会逐步聚集到油-水界面导致界面膜加厚，致使乳液分层；聚结作用体现为乳液中两个或多个小液滴相互吸引，从而组成一个更大液滴；Ostwald 熟化则是指小的乳化液滴开始消失，大的乳化液滴不断扩大的现象[13]。絮凝作为单腔室乳液最微妙、最复杂的失稳机制，是指乳液液滴之间的相互排斥能力小于相互吸引能力，大部分分散液滴以小团或大团（絮）的形式近距离存在的一种状态，如图2所示。随着乳液液滴的增大，絮凝作用会不断增强。通常采用显微镜、流变学或通过光散射的粒度分布分析来评估乳液中絮凝的存在及其程度[14]。此外，根据乳化剂浓度的不同，絮凝作用主要分为桥接絮凝和耗竭絮凝两种，其中桥接絮凝是指乳化剂的浓度无法满足结构需要，无法将内层液滴完全包裹，进而出现乳化剂共享的现象，桥接絮凝必须使用强剪切力才能产生破坏；与之相反，耗竭絮凝是由过量乳化剂吸附在油-水界面而引发的，只需轻轻搅拌或稀释就能恢复原样[15]。由于以上多种不稳定机制的存在，要想保证乳液结构不被轻易破坏，必须满足以下2 点：第一，选择适宜的乳化剂，即乳化剂的pH 值、结构等必须与所要制得的乳液相匹配，尤为重要的是乳化剂粒子间的斥力被要求具有足够的范围和强度，以克服重力、对流、布朗运动以及短期范德华力的综合作用[14]；第二，选择适当的水、油、乳化剂比例，确保乳化剂的浓度可以使油-水界面达到饱和状态，避免出现桥接絮凝或耗竭絮凝等状况。

图1 O/W 乳液结构图Fig.1 O/W emulsion structure diagram

图2 单腔室乳液的亚稳定状态及絮凝状态Fig.2 Metastable state and flocculation state of single-chamber emulsion

目前关于O/W 和W/O 乳液的研究主要体现在以下2 方面：第一方面是寻找更加高效、稳定、安全的天然乳化剂。茶多酚棕榈酸酯[16]、芒草中的纤维素纳米纤维（Cellulose nanofibrils，CNFs）[17]、竹笋中的不溶水性膳食纤维（Bamboo shoot dietary fiber，BSDF）[18]以及芦丁水合物（Rutin hydrate，RH）-强抗氧化类黄酮物质[19]均已被研究人员发现，并成功制备出了具有高稳定的单腔室乳液体系。Fincheira 等[20]以大豆卵磷脂、植物油、壳聚糖和海藻酸钠为原料制备乳液，包埋挥发性有机化合物（Volatile organic compounds，VOCs），成功代替化学药品起到促进作物生长的作用，同时减少对环境和人体的危害。另一方面是被用作制备低脂产品或包封生物活性成分（如疏水性多酚、ω-3 脂肪酸、植物甾醇、β-胡萝卜素等）。Iona 等[21]和Pehlivanogˇlu 等[22]研究证实高脂肪饮食可增加糖尿病、肝脏、血管并发症等多种慢性疾病的发生。同时，脂肪也会给产品带来独特的风味、口感或其它偏好特性[23-24]。想要在减少脂肪使用的同时保证食品的质构不被破坏成了广大研究人员的一大挑战。2020年，Yang 等[25]通过改变乳液凝胶的结构属性，设计出了一款低脂蛋黄酱产品，拓宽了制作低脂肪食品的方法，使低脂产品的全面推广成为可能。在包封生物活性成分方面，Wang 等[26]以黄原胶和海藻酸丙二醇酯（Propylene glycol alginate，PGA）为稳定剂，构建出的O/W 乳液将具有多种有益功效的叶黄素[27-28]成功包封。此外，芹菜素[29]、亚麻籽油[30]等也通过乳液包封的形式提高了生物利用度，拓宽了应用范围。

1.2 其它

随着食品行业工业化设备与原料的不断发展，更多类型的乳液已经被成功开发。水包水型（W/W）乳液作为一种胶态分散体系，由两种处于热力学平衡状态的不混溶水相组成，其中一种水相的液滴包裹在另一种水相中[31]。与O/W 或W/O乳液相比，W/W 乳液界面张力较低，可以更好地保持生物活性物质在该体系中的稳定性[32]。然而由于W/W 乳液的液滴间不存在明显的斥力相互作用，极易引发聚结或絮凝，造成不可逆转的相分离[33]，并且经研究发现W/W 乳液不能通过添加表面活性剂来稳定界面[34]。为此，研究人员尝试了多种解决方案，目前较好的解决办法就是添加微凝胶颗粒作为稳定剂或者添加增稠剂，将乳液直接转变为凝胶状态，通过降低流动性，减少外界环境对乳液液滴的破坏效果，达到预防相分离以及稳定乳液体系的目的。Poonam 等[33]构建了一种食用羧甲基纤维素-明胶W/W 乳液体系，将益生菌直接导入微凝胶内，保护并有效传递了活的益生菌。除此之外，研究还发现了当粒子倾向于连续相向外突出时，乳液的稳定性最好[34]。非水乳液（O/O 乳液）也已被报道。O/O 乳液是一种新型的、较为罕见的乳液，可以用来对一些水溶性较差的活性物质进行微胶囊运输[35]。

表1 简单例举了几种单腔室乳液的应用，由于自身结构简单，在一些应用场景中还存在限制，相信在未来更多种类的乳液会被开发创造并成功应用于食品市场，为食品产业的发展提供不竭动力。

表1 几种单腔室乳液在食品中的应用Table 1 The application of several single-chamber emulsions in food

2 多腔室乳液

多腔室乳液的体系结构更为复杂，主要可分为多重内腔室乳液和外多腔室乳液，结构对比如图3 和图4所示。

2.1 多重内腔室乳液

多重内腔室乳液，又名多重乳液，是指一种乳液的内相同时作为另一种乳液外相的复杂结构体系。与单腔室乳液相比，多重乳液的制备难度系数更大，在加工以及运输过程中也更容易发生动力学稳定性和形貌的变化。一方面，分子在内相与外相之间存在着一种室间扩散；另一方面，界面膜的不稳定性会导致相间发生连接作用，这些机制都会促使多重乳液的腔室结构发生改变，甚至演变为最初的单腔室乳液体系，最终造成多重乳液失稳。尽管如此，其结构的复杂性也带来了更多的应用前景。多重乳液的多室性使其可以同时作为亲水性物质和亲脂性物质的包封载体，在整个包封过程中还可进一步开展缓慢释放或靶向释放[36]，这些特性使其在食品领域广受欢迎。例如，可利用乳液包封功能性成分，使人们以食品而非药品的形式摄入所需营养；利用乳液替代非健康脂肪时，可利用缓慢释放或靶向释放改善被替代产品风味等感官特性方面的不足。

多重乳液一般分为W/O/W 型乳液或O/W/O型乳液，近些年随着研究的不断深入，类似W/W/W 型乳液、O/O/O 型乳液也逐渐出现。通常情况下，多重乳液需要借用2 种不同的乳化剂组合，通过2 步乳化过程来进行制备[37]。目前，关于多重乳液的研究主要集中在乳液配方体系构建、包封率强化以及封装技术在食品行业中的应用这3 方面。

2.1.1 W/O/W 乳液 W/O/W 乳液是一种多室体系，其中尺度相对较小的水微粒（W1）分散在脂肪球（O）内，而脂肪球（O）又分散在连续的水相（W2）中[38]。如图3所示，W/O/W 乳液最外层为水相，中间为油相，内层又为水相，并且同时拥有水-油和油-水2 个界面结构，这使得W/O/W 乳液的界面稳定性更难保持。乳液通常需要2 步乳化法进行制备：第1 步是添加亲脂性乳化剂，利用乳化剂在水-油界面的紧密排布，降低界面张力，形成可以保护乳液液滴结构的界面膜；第2 步是加入亲水性乳化剂，利用乳化剂在油-水界面的组装特性，将第1 步制得的W1/O 乳液牢牢包裹，最终制得W1/O/W2乳液。通常第2 步的乳化条件要相对温柔，以防第1 步制备的W1/O 乳液结构被破坏。

与传统的O/W 乳液相比，这种天然的多腔室结构体系，会给W/O/W 乳液带来一些潜在的优势，这些优势可以被应用在开发低热量或低脂产品、封装功能性食品成分、控制和保护不稳定成分的释放以及减少钠含量应用等方面[39]。在带来更多应用前景的同时，构建稳定的多重内腔室乳液结构也成为了新的挑战。由于多重乳液是一种热力学不稳定的乳液体系，其不稳定机制除了重力分离、絮凝、聚结和Ostwald 熟化外，还可分为以下3 类：第1 类是内部水相中的液滴聚集在油相和凹界面上，与外部水相连通，复合乳液结构被破坏，最终W/O/W 乳液转变为简单的O/W 结构体系；第2 类是内部水相不断聚结融合成单一液滴，诱发乳液失稳；第3 类是多重乳液的液滴间发生收缩或长大[40-41]。因此，需要在多重乳液的制备过程中对其状态进行实时监测。2013年，Sebastian等[42]以介电谱（Dielectric spectroscopy，DS）为分析工具，直接在乳液生产线上对W/O/W 乳液的物理状态进行测定，减少了离线检测对乳液包封率和稳定性的影响，在一定程度上保护了乳液的品质状态，为更多类型W/O/W 乳液的工业化生产提供了可能。

优化乳液配方可以有效解决W/O/W 乳液稳定性的问题。一方面寻找能有效稳定乳液的食品级乳化剂；另一方面，寻找能延长乳液储存时间的高效稳定剂。目前广泛使用的疏水性乳化剂是聚甘油蓖麻醇酸酯（Poly glycerol poly ricinoleate，PGPR），其高乳化性来源于长链亲水聚甘油链具有良好的水结合能力[43]。然而其应用存在限制并且在添加量超过5%后会带来少量令人不愉快的异味[37]。减少PGPR 的用量或探寻新型食品级乳化剂成为了科研工作者的新目标。2020年Lucie等[44]在不添加任何油溶性乳化剂（如PGPR、单甘油酯或双甘油酯）的情况下，制备出了平均包封率可以达到65%的W/O/W 型食品级乳液。在该类乳液稳定剂的筛选过程中，黏度的增强可以帮助减少多重乳液发生聚结和Ostwald 熟化的可能性。制备具有可调黏度特性的W/O/W 乳液体系有重要意义。明胶是胶原蛋白的水解产物之一，具有黏度可调、乳化力强等优点，并且在消化过程中不会产生有毒的代谢产物[45]。2018年Zhu 等[46]将猪明胶加入到内水相（W1）中以提高含高镁离子浓度的食品级W1/O/W2乳液的稳定性。结果表明，当猪明胶添加量超过4.0%时，乳液的黏弹性增加，乳液的稳定性也相应得到改善。此外，不同的制备方法也会影响乳液的稳定性及品质。除传统高压均质方法外，膜技术、微通道技术和微流控技术等方法也可以制备出粒径均匀，稳定性良好的乳液[47-51]。然而，其生产设备昂贵且成本较高，目前只适用于小规模低剂量乳液的制备，相对来说更适合药物，并不适合大规模食品级乳液生产。

2.1.2 O/W/O 乳液 与W/O/W 乳液相比，由于O/W/O 乳液的乳化剂选择更加困难，因此其在全行业包括在食品领域中的应用都较少。O/W/O 乳液是指油滴（O1）分散在连续的水相（W）中，而水相（W）又被一层连续的油相（O2）包裹着的一种多腔室复杂体系，如图3所示。在O/W/O 乳液的制备过程中，第1 组用于内部界面的乳化剂必须是亲水的，第2 组是疏水的[52]。O/W/O 乳液主要的不稳定性机制包括扩散和水膜破裂，其中扩散是指整个乳液液滴由内而外的发生变化直至爆破，整个运动机理类似空化效应；而水膜破裂是指油-水界面膜的稳定性不足以支撑时间或空间带来的变化。这就说明制备方法或乳化剂的选择错误，都会导致界面膜破碎或内相油滴与外相相通形成W/O乳液，需要对内相油滴的释放进行监控与定量分析。Schmidt 等[36]对比了2 种可能的测定方法——流变法和核磁共振法，分别测定了内部具有凝胶水相O/W/O 乳液的包封率（Encapsulation efficiency，EE），其中EE 值表示在一定时间内仍包封在乳液中的内部油的百分比。结果表明，这2 种测量方法均适用于O/W/O 型乳液EE 值的定性比较。

图3 多重内腔室乳液结构图Fig.3 Multiple internal chamber emulsion structure diagram

乳化剂的选择即要符合相关标准的严格规定，又要符合绝大数消费者的感官意愿，这使得O/W/O 乳液乳化剂的选择工作更具挑战。目前常用的解决方法就是在水相中加入胶体作为稳定剂，将内部的油滴从外部的连续油相中分离出来。其中最常见的稳定剂为果胶，果胶作为一种胶凝性的水胶体，可以将油滴固定在其凝胶网络内，防止内外相油滴聚结[4，36]。此外，还可以利用稳定剂与乳化剂之间的协同作用来减少乳化剂的用量，以稳定油-水界面或提高O/W/O 乳液的稳定性。

除对O/W/O 乳液稳定性问题的研究外，对不具稳定性的多种有效成分的包封也是O/W/O 乳液目前在食品及乳液研究中发展的亮点之一。例如，ω-3 脂肪酸，主要成分为二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid，DHA），能促进甘油三酯的降低，有益心脏健康，对人体多种疾病有治疗效果[53]。氧化变质是将含有ω-3 脂肪酸的油添加到食品体系中的一个最主要问题，Sandra 等[52]利用O/W/O 乳液将含有ω-3 脂肪酸的油成功包封，为多种不稳定的功能性成分的包封提供了可能，在食品行业的前进过程中实现了新的突破。

2.1.3 其它 近年来，越来越多不同类型的多重乳液出现在人们的视野中。早在2012年，Song等[54]就通过微流控技术成功制备出了具有良好单分散性的W/W/W 乳液。然而这项技术的成本较高，无法实现大规模生产。2020年Beldengrün 等[55]基于明胶-麦芽糊精-水组成的体系研究了2 种不同的方法将W/W/W 乳液制备成功，并进行了稳定性表征，这是第一次在不使用任何微流控设备的前提下制备出了W/W/W 乳液，也是第一次使用黏蛋白颗粒当作全水体系的稳定剂。这一研发创新使全水乳液可以在更多方面得到推广使用。O/O/O 乳液也在2017年被Andrew 等[56]研发成功，具体而言就是利用不同浓度的二氧化硅颗粒稳定了植物油-100cS 硅油-植物油的V/S/V 乳液体系，这些非水乳液在很多方面都可以深入应用。

2.2 外多腔室乳液

相较于多重内腔室乳液（如多重乳液），具有外多腔室的等级乳液在稳定性、制备等方面具有明显的优势，更易实现大规模工业化生产，然而在食品领域关于外多腔室乳液方面的研究却少之又少。外多腔室乳液的制备主要分为两步，首先是制备出由乳化剂稳定的O/W 乳液液滴，再以乳液液滴的悬浮液为水相，继续添加油相，进行等级乳液的制备，结构如图4所示。O/W 乳液液滴的界面稳定机制可参考1.1 节。乳液制备过程中第2 步的界面稳定主要依靠乳液液滴间的相互作用。乳液液滴会在油-水界面扩散排列，促使界面张力不断降低，当界面张力下降到某一特殊值后乳液液滴会在界面通过组装作用形成稳固的界面膜，将油相牢牢包裹在体系内。

图4 外多腔室乳液结构图Fig.4 External multi-chamber emulsion structure diagram

介于结构的愈加复杂化，外多腔室乳液在制备过程中会受到更多种因素的影响，例如剪切强度、各相比例、乳化环境等，其中对于乳化剂的选择及其添加量的精准控制显得尤为重要。选择的乳化剂要能在油-水界面发生一定强度的组装行为，否则乳液液滴将无法在第2 步制备过程中通过界面组装行为形成物理屏障，保护第2 次添加的油相不被环境、时间等因素影响，最终使得外多腔室乳液出现稳定失常、结构混乱等现象。乳化剂浓度过低或过高都会影响外多腔室结构的形成，甚至影响乳液在储存过程中对温度、振荡、pH 值等的抵抗能力。乳化剂浓度过低会导致悬浮液中乳液液滴的浓度偏低，等级乳液更容易受到外界因素影响。乳化剂浓度过高可能导致悬浮液中乳液液滴的浓度偏高，在油水界面重排时出现液滴叠加或堆积等现象，不利于乳液的稳定制备。目前已有研究以皂皮皂素为乳化剂成功地制备出了外多腔室乳液，其稳定性可长达180 d。制备方法分为2 步：第1 步采用超声一锅法制备纳米乳液液滴；第2 步再进行等级乳液的制备[57]。该项制备技术为乳液复杂结构体系的日后发展提供了新的可能和新的思路，也可以将这种具有多尺度、外腔室的等级乳液应用到更多更广的食品系统中去。表2 简单例举了几种多腔室乳液的应用。

表2 几种多腔室乳液在食品中的应用Table 2 The application of several multi-chamber emulsions in food

3 内外多腔室等级乳液

越复杂的功能需求往往越需要复杂的结构体系来支撑。相较于单腔室乳液，多腔室乳液无论是在功能性成分的包封方面，还是在输送及释放方面都存在十分明显的优势，且许多研究表明多腔室乳液的稳定性可以得到保证，这无疑为食品行业发展提供了新的方向，可以通过制备更具结构复杂性的内外多腔室等级乳液来满足市场上愈加多样化的需求。乳液的制备通常需要3 个步骤：第1 步制备出O1/W1型乳液液滴，第2 步是制备W2/O2型乳液，最后是以O1/W1乳液液滴为稳定剂制备得到具有内外多腔室和等级结构的多重乳液（（O1/W1）/O2/W2），如图5所示。乳液的稳定性主要是靠制备乳液液滴的乳化剂在油-水界面的自组装作用、油相添加量、乳液液滴浓度等几种因素之间的相互作用来决定的。

图5 内外多腔室等级乳液制备示意图Fig.5 Schematic diagram of preparation of internal and external multichamber emulsion

乳液结构的复杂性决定了乳液制备过程中的不确定性。最后一步制备过程的成功要建立在前两步稳定乳液构建的基础上，这就意味着在制备O1/W1乳液液滴和W2/O2乳液时乳化剂的添加量要适当，要保证乳液粒径足够小，才会有利于在第3 步制备过程中得到粒径更小的乳液颗粒。同时在乳化剂的选择上要满足2 种乳化剂在降低界面张力时能产生协同作用，而非相互竞争甚至出现界面张力升高的现象。此外，油相添加量的变化会导致乳液粒径发生改变，影响多重乳液包封效果及稳定性。乳液液滴的添加量也十分重要，添加量过低会导致乳液发生塌陷，最终变为W/O 型乳液。陈小威[57]通过三步均质法成功制备出了内相为油包水乳液（W2/O2）、外层为纳米乳液（O1/W1）的内外多腔室等级乳液（（O1/W1）/O2/W2），并且在不添加任何盐、明胶等稳定剂的前提下，在储存180 d 后仍能观察到明显的多重乳液结构。这为稳定型简洁（Easy recipes）多重乳液的构建提供了新的途径。对于该乳液而言，可以通过改变不同的影响因子来实现对不同类型挥发性风味物质的调控释放；也可以对营养素和着色剂进行空间腔室化包埋，帮助提高产品品质。更加复杂的乳液结构可为未来食品的功能、色泽、风味等的研发提供更高的基准。

4 总结与展望

乳液在食品工业已经得到广泛应用。然而，随着人们对低脂肪、少盐糖、高能量、多营养以及功能性食品组分的日益关注，对乳液不同腔室化结构及其稳定性的研究亟需得到更深更广的发展。对于单腔室乳液来讲，需要在现有基础上研制更多适合工业化食品生产的体系，加大应用范围；而对于多腔室乳液来说，首先应该解决的是稳定性的问题，寻找可以大批量使用的安全乳化剂并降低加工成本与能耗，其次需要提高乳液对有效成分的运载效率，早日将多腔室乳液更快、更好的投入食品市场。此外，研究人员一方面要将更多天然活性成分构建成乳液包埋系统，另一方面需稳步开发具有更多功能的多腔室乳液体系，提高研发基准，促进乳液在食品行业的快速发展。