乳化剂乳化性能及其关键质量属性研究进展

秦云，涂家生，孙春萌

(中国药科大学，国家药品监督管理局药物制剂及辅料研究与评价重点实验室，江苏 南京 210009)

1 引言

乳液是一种液体以分散(分散相)的形式分散在另一种不相容液体中(连续相)的分散体系，主要成分包括水相、油相和乳化剂[1]。由于乳液属于热力学不稳定的非均相分散体系，因此为了制备符合要求的稳定的乳液，首先必须提供足够的能量使分散相分散成微小的乳滴，其次是提供使乳液稳定的必要条件。考虑到乳液具有生物利用度高、刺激性小、药物吸收和药效发挥快、靶向性等特点，现已将乳液开发并应用于注射、外用、口服等给药途径。

在乳液研究的早期，人们已认识到乳化剂种类对乳液类型和稳定性的显著影响。乳化剂通过吸附在油相/水相界面，降低界面张力和保护液滴不聚集来促进乳化和增强物理稳定性[2]。油包水(water in oil，W/O)乳液的形成通常要求乳化剂具有良好的油溶性，并优先分配到油相，通过自身的两亲性来维持油水界面的稳定。陈正昌[3]使用水溶性乳化剂(聚乙二醇)和油溶性乳化剂(聚氧乙烯氢化蓖麻油)探究了乳化剂种类对乳液稳定性的影响，结果表明油溶性乳化剂的稳定效果更好。

乳化剂的选择一直是研究人员关注的热点，针对乳液的配方也有着广泛研究，主要有3个理论基础：Bancroft规则、Griffin量表、Shinoda相转变温度(phase transition temperature，PIT)。根据Bancroft规则，水溶性表面活性剂倾向于使水成为连续相，从而可用于稳定水包油(oil in water，O/W)乳液，而油溶性表面活性剂倾向于使水成为分散相，从而可用于稳定W/O乳液；非离子表面活性剂由亲水性和亲脂性基团结合的分子组成，这些基团的平衡表示为亲水亲油平衡(hydrophilic lipophilic balance，HLB)值，由此，Griffin[4]提出了一种计算非离子表面活性剂HLB值的方法，表征了在不同HLB值乳化剂作用下形成O/W和W/O乳液的趋势。然而，HLB量表没有考虑温度和油的性质对乳化稳定性的影响；这些影响被自然地纳入了Shinoda的PIT 概念，该概念将宏观乳液稳定性与油-水-聚氧乙烯(polyoxyethylene，POE)非离子表面活性剂混合物的相态行为联系起来[5]。Ren等[6]研究利用亲水性聚氧丙烯(polyoxypropylene，POP)二胺和疏水性长链脂肪酸之间的静电作用合成了与POE类似的POP乳化剂，通过研究POP单元数、乳化剂浓度以及烃链不饱和度对相转变稳定性及乳液液滴大小、形态的影响，证明了POP乳化剂是通过PIT法形成纳米乳液的有效乳化剂。

乳化剂通常在空间位阻和静电相互作用条件下稳定乳滴，但由于乳液环境中的温度、pH值等的改变，造成界面失衡，进而导致乳液中不稳定现象的产生。常见的不稳定现象包括重力分离、絮凝、破裂与合并(聚结)、Ostwald 熟化、酸败等[7-14]。乳液中几种不稳定现象在变化过程中也可进行转化[15]，因此，如何通过添加合适的乳化剂以保持乳液在制备和存储过程中的稳定性是药物研发过程中一直关注的问题。

Li等[8]研究建立了数学模型来预测乳液的沉降过程，证明了液滴大小是乳液沉降的关键因素，液滴直径越大，聚结概率越大；同时该模型也说明了油水比、不同乳化剂浓度、搅拌时间和转速对乳化液滴的大小及乳液稳定性有显著影响。Kelley等[9]研究表明将离子乳化剂吸附到蛋白质包裹的油滴表面，通过增加它们之间的静电排斥力可以提高絮凝稳定性；非离子乳化剂吸附到蛋白质涂层液滴表面，通过增加它们之间的空间位阻来提高它们的絮凝稳定性[10]。George等[11]将亲脂性非离子表面活性剂(如Span 80)掺入β-乳球蛋白(β-lactoglobin)，通过取代油滴表面的一些蛋白质来促进聚结，在这种情况下，Span 80分子头部小的亲水性基团将不足以保护液滴免于聚结，相反地会促进乳滴聚结，破坏乳液的稳定性。Yan等[14]研究表明Ostwald 熟化作用可能是 p-CMS/St 细乳液失稳的主要原因，通过调整乳化剂用量、乳化剂与助稳定剂的比例可有效提高细微乳的稳定性。

随着乳液在制药领域中的不断发展，乳液的稳定性逐渐成为学者们首要考虑和关注的最重要性质之一，本文旨在对乳化剂的分类及乳化性能进行阐述，并对其稳定乳液的机理、应用及研究现状进行归纳和总结，以期为后续乳液的研究提供理论支持。

2 乳化剂的分类、特点及应用

药物制剂中，乳化剂的应用颇多。但对于乳化剂的选择，应根据乳液的使用目的、药物的性质、处方组成、乳液的类型、乳化方法等综合考虑。主要的分类方式有：根据乳化剂中是否含有亲水基可分为离子表面活性剂(阴离子表面活性剂：如油酸盐，阳离子表面活性剂：如脂肪胺盐)和非离子表面活性剂；根据来源可分为天然表面活性剂(如卵磷脂、蛋白质、多糖)和合成表面活性剂(如吐温和司盘)；根据HLB值的大小可分为亲油表面活性剂(HLB<10，如司盘)和亲水表面活性剂(HLB>10，如吐温)。

2.1 卵磷脂 卵磷脂(lecithin)是一类从动物源(如蛋黄、奶酪乳清、鱼等)或植物源(如大豆、油菜籽等)中通过提取获得的磷酸盐混合物[16]。卵磷脂是由疏水性的脂肪酸酯基和亲水性的磷酸基组成的两亲性分子[17]。磷脂(phospholipid,PL)是卵磷脂的主要成分，由sn-1和sn-2位用脂肪酸酯化、sn-3 位用磷酸酯化的甘油骨架组成。在sn-3位上，磷酸酯基团与特定官能团酯化，赋予PL亲水特性；磷脂的亲油性使其能以薄膜状包裹在油滴表面，磷脂的亲水性使其能与水分子相互吸引，大大降低了水油之间的界面张力，从而形成均匀稳定的乳液[18]。此外，根据酯化到sn-3位的官能团，PL包括磷脂酰胆碱(phosphatidylcholines,PC)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)、磷脂酸(phosphatidylic acid,PA)。 PL 的化学结构及其物理化学性质，强烈影响油和水中的分配系数[16]。卵磷脂的乳化性能与乳液pH值、盐浓度和温度有关。对于卵磷脂的乳化能力评估可以采用多种试验[17]：①粒径分布(particle size distribution,PSD)：基于光散射和激光衍射原理，对稀释乳液中液滴大小及分布进行评估；②浊度测量：通过光学浊度扫描或贝克曼扫描，记录乳粒迁移和乳粒尺寸变化；③显微镜观察；利用共聚焦扫描光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种显微镜法，可以观察乳粒的粒径、形状和结构。应用知识结合分析方法来表征组成、乳液粒径和乳液稳定性将有助于理解各种磷脂的功能性。

卵磷脂的HLB值介于4(标准化卵磷脂)和7(富含PC馏分的卵磷脂)之间，这意味着它可以分散在油相和水相中。卵磷脂中的PL可以在水或油中自缔合形成直接胶束或反胶束；当PL分子的疏水基团(脂肪酸)与水分子的接触降至最低，并通过范德华和疏水/亲水相互作用以双层囊泡的形式排列可形成脂质体；PL分子还可以通过将脂肪酸尾部伸入油滴、亲水性头部朝向水，进而降低界面处表面张力，形成稳定的O/W乳液[19]。

虽然卵磷脂已经被人们熟知很长时间了，但是其作为一种特殊的表面活性剂在药物研发体系中仍然有着新的潜力。Wunsch等[20]研究了将卵磷脂包裹在油酸胆固醇酯纳米颗粒表面来模拟天然脂蛋白，形成一种用于跨越血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)的新型药物载体。

2.2 蛋白质 蛋白质是由多种亲水性和疏水性氨基酸以“脱水缩合”的方式组成两亲性化合物，在油水界面排列时，疏水性基团朝向油相移动，而亲水性基团朝向水相移动，其独特的界面性质可以降低油水界面张力，因此，它们能够在油水界面形成强烈吸附，有利于乳液的形成[21]。在油水界面上的吸附量和所采用的构象在很大程度上取决于蛋白质氨基酸的组成，因为吸附是通过其结构中存在的疏水基团进行的[22]。蛋白类乳化剂(如乳清分离蛋白、酪蛋白酸钠、β-乳球蛋白、大豆分离蛋白等)作为乳化剂具有良好的特性，但其对环境应力(如pH值、离子强度和温度)高度敏感,由于液滴之间的静电斥力不再足以克服各种吸引性相互作用，因此它们在接近被吸附蛋白质等电点的pH值和离子强度超过特定水平时会破坏乳液的稳定性[23]。盛布雷[24]选取牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)和阿拉伯胶(gum arabic，GA)分别作为内层乳化剂和外层乳化剂，制备得一种β-胡萝卜素双层乳液BSA/GA-e，并验证了其具有良好的稳定性和小肠靶向缓释作用。为了克服蛋白质作为乳化剂在其等电点附近易导致乳液等不稳定这一缺点，Guzey等[25]提出加入额外的多糖涂层，即由蛋白质和多糖的不同界面层组成的一类多层乳液，通过与蛋白质层的静电相互作用来稳定O/W乳液，从而提高蛋白质作为乳化剂的O/W乳液对环境应力的物理稳定性。Zhang等[26]研究了多糖(阴离子海藻酸盐和阳离子壳聚糖)涂层对类胡萝卜素乳状液体外消化理化性质和生物利用度的影响，发现多糖涂层可略微抑制类胡萝卜素的降解。

2.3 多糖类 许多从植物中提取的天然多糖(如壳聚糖、果胶多糖等)表现出亲水界面性质，并倾向于稳定脂质层以形成O/W乳液[27]。

壳聚糖是一种天然来源的阳离子碱性多糖，具有良好的生物相容性和生物降解性，受到研究者的广泛关注[28]。Ostwald 熟化现象的发生主要取决于液滴电荷和界面层厚度，Kontogiogos[29]研究表明，壳聚糖等多糖作为乳化剂可增强O/W乳液中液滴界面厚度并提供空间效应，以稳定乳液并保护亲脂性成分免受氧化。然后壳聚糖自身丰富的氨基和氢键使其具有较强的亲水性，限制了其作为乳化剂的应用。因此，许多化学修饰被用于改善其缺点并扩展其功能。如壳聚糖通过美拉得反应与多肽类物质(酪蛋白磷酸肽)接枝，可提高壳聚糖的两亲性，进而用于制备稳定性良好的乳液[30]。

2.4 吐温、司盘类 小分子表面活性剂，如吐温(Tweens)、司盘(Spans)等是常用的非离子乳化剂，因其主要通过空间位阻来稳定乳液，对pH、离子强度不敏感，降低表面张力能力强且可形成小粒径的乳液等特性而广泛应用于药品领域。通过调整不同类型乳液中小分子表面活性剂作为乳化剂的质量分数，可获得较为稳定的乳液。

Peng等[31]以不同质量分数的Tween 80作为乳化剂，利用超声乳化技术制备获得粒径、电位、pH稳定性、热稳定性等物理特性均较好的大豆分离蛋白乳液。Kumar等[32]采用重量百分比为0.5%的Tween 80和正庚烷高能法制备了纳米乳粒在91.05～40.16 nm之间的动力学稳定的O/W乳液，并通过评估表明了非离子表面活性剂(如Tween 80)比离子表面活性剂(cetyltrimethylammonium bromide，CTAB和Sodium dodecyl sulfate，SDS)更适于形成稳定的O/W乳液。

2.5 其他 乳化剂的选择是影响乳液最终乳滴尺寸、乳液分散性、稳定性的重要因素之一，制药工业中最常用的乳化剂是合成乳化剂(如吐温和司盘类)和天然乳化剂(如磷脂、蛋白质、多糖、皂苷等)，它们的分子量影响乳化过程中两亲分子的吸附动力学。与酪蛋白或β-乳球蛋白相比，吐温、司盘或卵磷脂等小分子在类似均质条件下更适合产生更小的粒径，这可能是因为它们在界面上的吸附速度更快[33]。然而，随着制药领域的发展，研究人员逐渐对使用“环境友好”的天然两亲性乳化剂产生了极大的兴趣，这些天然乳化剂通常被认为更加环保、更加安全[34]。

葡萄糖衍生物由于其独特的亲水性，可将其与疏水基团连接，合成新型生物可降解乳化剂。更重要的是，它产生水作为唯一的副产品，使其成为制备糖基非离子乳化剂的合适策略，具有相当低的环境影响。Zhang等[35]以分子共轭的方法，设计并合成了以腙健(-NHN=CH-)为特征的新型两亲性葡萄糖腙作为糖基非离子乳化剂，并对其乳化性能、聚集行为、生物降解性进行了综合分析，通过动态光散射(dynamic light scattering，DLS)分析了解了烷基侧链长度与乳液稳定性的关系：随着烷基链长度的增加，乳液层先增大后减小，呈现倒V型分布。

皂苷是一类主要存在于植物体内的非离子生物基表面活性剂，其极性糖链附着于非极性三萜或甾体单元分子，使其具有高表面活性的两亲性结构[36]。Schreiner等[37]研究了3种不同来源(蒺藜、胡卢巴和刺五加)富含皂苷的提取物作为天然乳化剂的乳化性能，通过评估皂苷提取物在水、乙醇、乙酸乙酯和正己烷等不同极性的溶剂中的溶解性，了解其两亲性特征；通过傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)对可溶性部分进行了表征，指出富含甾体皂苷和富含三萜皂苷的提取物的相似性；并通过构建伪三相图，对乳化剂进行了分类：Ⅰ相对应O/W双相系统；Ⅱ相对应W/O双相系统；Ⅲ相对应三相系统；Ⅳ相对应均质单相体系，即在油、水和乳化剂之间形成的乳液。

3 乳化剂的功能性相关指标研究

不同乳化剂具有不同理化性质，能够对乳液性能产生重要影响的理化性质可称为乳化剂的关键物料属性(critical material attributes，CMA)或功能性相关指标(functionality-related characteristics，FRCs)，它们是决定乳液液滴大小及分布、分散性、稳定性等的最重要因素。因此，对乳化剂进行表征可以对不同类型乳液的制备有指导性意义。

3.1 溶解性 乳化剂的溶解性对于乳化过程至关重要，因为它促进了乳化剂向油-水界面的迁移和扩散。pH值是蛋白质类和磷脂类乳化剂溶解度的决定因素，唐世涛[38]在研究蛋白粉溶解性及乳化稳定性过程中发现，低密度脂蛋白(low-density lipoprotein，LDL)中的蛋白质和磷脂并非直接溶解在连续相中去吸附到油水界面的，而是以完整LDL球形粒子的结构分散到连续相，而其颗粒只有在中性pH值条件下才以胶束形式溶解，在酸性条件下几乎不溶；Liu等[39]也对pH值影响蛋白质乳化性能进行了说明，溶液pH值会影响蛋白质的疏水性和表面电荷，进而影响蛋白质-溶剂(亲水性)和蛋白质-蛋白质(疏水性)相互作用和静电排斥之间的平衡。由于油水界面两相的特殊性，极易受环境pH值和离子强度的影响，因此对乳化剂在溶液中溶解性的研究是十分必要的。

3.2 HLB值 HLB值是将表面活性剂分为水包油乳化剂或油包水乳化剂的标准参数之一。非离子表面活性剂由亲水性和亲脂性基团结合的分子组成，这些基团的平衡可表示为HLB值，HLB值对乳液的形成及稳定性有显著影响。通常认为HLB 值3～8倾向于稳定W/O乳液，HLB值在9～12之间的表面活性剂易于形成O/W乳液[40]。Wu等[41]建立了定量结构-性质关系(quantitative structure-property relationship，QSPR)模型来预测非离子表面活性剂的HLB值，为评估乳化剂性能提供了重要参考。Hong等[42]采用Span/Tween混合型非离子表面活性剂，研究了HLB值对O/W乳液稳定性和流变性能的影响，选择了HLB值范围8～13的混合乳化剂，通过观察 O/W乳液中液滴的粒径分布、形态、流变性能和Zeta电位，最终在HLB=10.8/10.7的乳液中观察到高度均匀的最小液滴尺寸。

3.3 表面润湿性能 接触角(θ)是测量和评估表面活性剂润湿性能的重要手段之一。接触角小于90°表示高润湿性，而接触角较大(θ>90°)表示低润湿性[35]。Li等[43]将待测样品用去离子水配制成1.0 g·L-1水溶液，采用接触角测量仪测定，表征了几种磺酸盐类阴离子表面活性剂的接触角，结果说明液体表面张力越低，接触角越小，其润湿性能就越好。

3.4 界面张力 界面张力可以描述为每单位长度作用在液体界面上的收缩力，也可表示为界面能。乳化剂一旦吸附在油水界面上，就能显著降低界面张力。乳化剂分子在油水界面的排列逐渐从无序状态转变为有序状态，形成的界面膜对乳液的稳定起着重要作用[44]。Wang等[45]通过耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics，DPD)模拟表征了不同HLB值乳化剂分子形成的界面膜的结构和性质,研究表明采用非离子表面活性剂Tween 80和Span 20制备的O/W乳液界面膜厚度随HLB值从9到15的变化而增加，当HLB值为13时，界面张力最小，乳液最稳定，而HLB值对乳液稳定性的影响本质上受界面膜厚度、界面张力和乳化剂分子结构的综合影响。

3.5 临界胶束浓度 临界胶束浓度(Critical-Micelle-Concentration，CMC)是指形成胶束的表面活性剂分子的最低浓度,多数情况下CMC与分子结构的疏水性相关[46]。影响乳化剂CMC的主要因素是其分子结构中亲水与疏水基团的性质，疏水性的增加会使得CMC降低[47]。电导率法[48]是测量离子乳化剂CMC的一种常用方法。随着离子液体水溶液浓度的增加，电导率曲线都会出现一拐点，拐点处的离子液体浓度称为CMC。张永贺等[49]采用表面张力法测定高分子乳化剂十一烯酸/马来酸酐-十二醇聚合物(undecylenic acid/maleic anhydride-dodecanol polymer，UMA-DA)和水的临界胶束浓度，依次测定含乳化剂的乳液的表面张力，绘制表面张力～浓度对数曲线，其拐点处即为CMC 值，结果显示UMA-DA的表面张力要远低于纯水，表明UMA-DA降低水的表面张力的效果非常明显，可用作乳化剂。

从质量源于设计(quality by design,QbD)出发，我们可以通过测试溶解度、HLB值、表面张力、润湿性、临界胶束浓度等这些方法来判断乳化剂的乳化性能，结合乳液制备技术，对乳液的处方进行优化，并对其理化特性(如粒径尺寸及分布、Zeta电位、包封率等)及贮藏稳定性相关的乳液稳定性指数(emulsion stability index，ESI)[35]进行评估,以期获得目标乳液产品。

4 总结及展望

乳化剂的应用已有很长的历史，目前我们使用到的乳化剂包括天然表面活性剂和人工合成表面活性剂两种。前者来自动植物体，为较复杂的高分子有机物，易于乳化稳定且无刺激、无毒副作用，如卵磷脂、壳聚糖等。后者通常为固体颗粒乳化剂，如吐温、司盘等，这类乳化剂在分散相液滴表面形成一层薄膜阻止液滴之间的聚集而制得稳定的油/水分散相。非离子乳化剂因其不易受酸、碱、盐、电解质的影响，更有利于乳液的贮藏稳定性，也将更为受到研发者的关注。随着制药工业的蓬勃发展，日益高涨的市场需求，以及人们对于药品质量的要求在不断提高，可以预见，未来乳化剂将不断朝着安全、无毒、温和、易降解的研究方向日益深入，天然产品由于自身容易被细胞降解，并整合到身体组织中，或在没有炎症反应的情况下被清除的特点，越来越受到消费者的关注。

当前市场环境下，乳液已成为许多商业产品的重要组成部分，其应用领域主要包括药品、食品、化妆品等。乳化剂作为乳液配方中最重要的稳定剂之一，还决定了乳液形成的难易程度和最终产品的功能属性，因此，选择合适的乳化剂对于未来乳液型产品的研发和生产依然是重要决策之一。