纳米纤维素稳定Pickering乳液及其在食品中应用研究进展

彭院院，张旭，齐文慧，淑英，饶伟丽，梁铁强，杨天一，张志胜，3*

（1.河北农业大学 食品科技学院，河北 保定 071000；2.江南大学 食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；3.河北省蛋鸡产业技术研究院，河北 邯郸 056000）

乳液是由两种不混溶的液体组成的热力学不稳定体系，在制备过程中，常需要添加表面活性剂来使其中一种液体均匀地分散在另一种液体中，以实现乳液的稳定[1]。传统的乳化剂主要为表面活性剂（如吐温和司盘等）[2]或具有表面活性的聚合物（如蛋白质和多糖等）[3]。但乳化剂通常成本较高且不易回收[4]，同时制备的乳液稳定性较低。20世纪初，Ramsden[5]发现将胶体尺寸的固体颗粒分散于乳液中可以得到稳定的乳液。之后，Pickering[6]对其进行了更为深入的研究，因此这种由固体颗粒稳定的乳液被称为Pickering乳液。与传统表面活性剂相比，使用固体粒子制备的Pickering乳液具备独特而显著的优势，如低毒、乳液稳定性高[7]、乳化剂用量少、对环境友好和根据自身的理化性质赋予乳液独特的性质[8]等特性。所以用以制备Pickering乳液的固体颗粒种类逐渐增多。其中以无机颗粒应用最为广泛，如 SiO2[9-13]、TiO2[14-16]、CaCO3[17-19]、氧化石墨烯[20]和膨润土[21]等。此外也有部分学者对蛋白质[22-23]、多糖[24-25]和脂类[26]进行研究。

纤维素是自然界中分布最广、含量最丰富的多糖[27]。其中，纳米纤维素是一种直径为1 nm～100 nm，具有一定长径比的棒状纳米纤维素。按照纳米纤维素的尺寸、来源和制备方法的不同，可将其分为3种类型：纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystalline，CNC）、纤维素纳米纤维（cellulose nanofiber，CNF）和细菌纳米纤维素（bacterial nanocellulose，BNC）[28]。 纳米纤维素不仅具有纤维素的众多优点，还具有高结晶度、高强度、高杨氏模量[29]、高比表面积、生物相容性和表面活性强[30]等优点。与球形固体颗粒稳定的Pickering乳液相比，棒状的纳米纤维素在空间阻隔和静电排斥的双重作用下可以更好地稳定Pickering乳液。因此以纳米纤维素制备Pickering乳液成为近年来的研究热点。本文将从Pickering乳液的稳定机理、用以稳定Pickering乳液的纳米纤维素种类、纳米纤维素稳定Pickering乳液的影响因素及纳米纤维素稳定的Pickering乳液的应用4个方面进行详细介绍，以期为纳米纤维素稳定Pickering乳液及其在食品中的应用提供理论依据。

1 Pickering乳液的稳定机理

研究人员对于Pickering乳液的稳定机理进行了广泛研究。其中，机械阻隔机理被人们广泛接受，即固体颗粒吸附于油/水界面并形成固体颗粒单层/多层膜。此时颗粒吸附在两相界面上形成机械屏障，空间上阻隔了乳液液滴之间的碰撞聚并，从而稳定Pickering乳液，这是一个热力学不可逆过程[31]。

目前，对于球形固体颗粒稳定乳液的研究较为成熟。由于球形固体颗粒对两相亲和性不同，所以吸附在两相界面时，浸入两相中的体积不同，三相之间会形成一定角度，其中，颗粒与水相的接触角被称为三相接触角（θ），常用来表示颗粒在两相中的润湿性。固体颗粒在油水界面的润湿性不同，Pickering乳液的类型也会不同。当三相接触角θ＜90°时，颗粒大部分浸没在水相中，表明这种固体粒子亲水性较强，易形成O/W型（水包油型）乳液；当三相接触角θ=90°时，理论上颗粒从界面进入到水相所需要的能量与颗粒从界面进入到油相所需的能量相等，乳液最稳定。但此时颗粒在界面所形成的膜的毛细管作用力为0，也会导致乳液的失稳[32]；当三相接触角θ＞90°时，颗粒大部分沉浸在油相中，表明这种固体粒子亲油性较强，易形成W/O型（油包水型）乳液。

研究人员大都以球形固体粒子为对象对Pickering乳液体系进行研究，关于棒状固体粒子的相关研究还较少。对天然纤维素进行化学或物理处理就能得到制备稳定乳液的棒状固体粒子，即纳米纤维素。有研究表明，在稳定Pickering乳液的过程中，纳米纤维素在油-水界面可能存在两种吸附机制：水相中的纳米纤维素的电荷提供足够的斥力，使其在均质过程中不聚集成块而以单体的形式吸附在油-水界面上[33]，形成稳定的Pickering乳液；或者纳米纤维素在水相中首先形成聚集体，然后在均质过程中，以聚集体的形式吸附在油-水界面来维持乳液体系的稳定。它们作为单个对象移动到界面。制备Pickering乳液时，与球形粒子相比，棒状固体粒子本身可以相互缠结从而形成坚固的网络结构，增加凝聚力和稳定性[34]。而且棒状的纳米纤维素在形成乳液时会在油水界面发生轻微的弯曲并吸附在油/水界面处，将水相或油相包裹在内，形成致密的包裹层，在空间上阻碍了液滴的接近，从而提供了很强的阻隔聚结能力[35]。此外，随着纤维覆盖度的增加，界面上吸附的纳米纤维素可通过静电斥力产生能量屏障，从而使乳滴颗粒间产生的静电斥力作用，如图1所示。

图1 乳滴颗粒静电排斥示意图Fig.1 Schematic diagram of electrostatic repulsion of particles

当乳滴颗粒间的距离无限接近时，产生强大的静电排斥作用使乳滴分离，且随着分离距离的增大，静电斥力逐渐减小并降低至零而后转变成静电引力。乳滴距离继续增大，静电引力逐渐降低并降低至零而后再次转变为静电斥力。之后乳滴距离继续增大，静电斥力逐渐减小但不会降至零。从而可阻止相邻乳滴发生碰撞聚并（图1），从而达到稳定乳液的目的[36]。因此，在空间阻隔和静电排斥的双重作用下，棒状的纳米纤维素可以更好地稳定Pickering乳液。

2 用以稳定Pickering乳液的纳米纤维素种类

2.1 天然纳米纤维素

2.1.1 CNC

CNC在油水界面能紧密堆积，且具有中等润湿性。因此CNC是良好的Pickering乳液稳定剂。Wen等[37]以玉米芯纤维素为原料，通过硫酸水解方法制得CNC，并以此作乳化剂制得Pickering乳液。Cherhal等[38]以棉绒为原料，用58%（质量分数）硫酸溶液对其进行处理，制备出CNC，之后的研究发现随着CNC浓度的增大，乳液具有更好的抗聚结性能。Wang等[39]用浓度为60%（质量分数）的硫酸处理芦笋，研究发现，在水解3 h条件下制得的CNC可以更好地稳定棕榈油液滴。Bai等[40]以CNC为原料来稳定界面，通过高能微流化制备了O/W型的Pickering乳液。证实以不同原料制备的CNC均可以作为乳化剂稳定Pickering乳液。

2.1.2 CNF

与CNC相比，CNF具有更高的纵横比，这使得它们在相对较低的浓度下也能相互缠结并形成稳定的乳液。Coasta等[41]以香蕉皮为原料，经酶解处理制得CNF，然后以葵花籽油为分散剂，成功制备出稳定性良好的Pickering乳液。Li等[42]从花茎叶中获得的CNF，成功制备了一种稳定的O/W型的Pickering乳液。其中，当CNF的浓度为0.15%（质量分数）时，所制备的乳液稳定性较高。

2.1.3 BNC

BNC不带电且具有较高的热稳定性，因此BNC乳液不受pH值、温度和离子强度变化的显著影响[43]。这使得BNC具有稳定乳液的广泛前景。Kalashnikova等[44]以细菌纤维素为原料，对其进行盐酸水解制得BNC，并以此制备了O/W型的Pickering乳液。Yan等[45]采用硫酸水解法制得BNC，并以此作为颗粒乳化剂，以CH2Cl2为油相，采用超声波分散法制备了O/W型Pickering乳液。结果表明，BNC能形成絮凝的纤维状网络，有利于Pickering乳液的稳定。

2.2 改性纳米纤维素

天然纳米纤维素由于强亲水性而限制了其在Pickering乳液中的应用，因此可通过改性的方法来调节其亲/疏水性，从而使其可以更好地稳定乳液。常见的纳米纤维素改性方法有接枝改性、四甲基哌啶氧化物（etramethylpiperidine oxide，TEMPO）氧化和酯化改性等。

纳米纤维素表面含有大量羟基基团，故可以通过接枝共聚改性等方式，改变其亲/疏水性。Tang等[24]采用选择性端基修饰方法，成功将疏水聚苯乙烯接枝到CNC的还原端。改性后的CNC具有良好的表面性能，能稳定水中甲苯或十六烷类乳液。通过在纳米纤维素还原端接枝疏水基团来改变其亲/疏水性，进而使其更易稳定Pickering乳液。李艳南[46]成功制备了两亲性嵌段共聚物接枝的纳米纤维素，并以其为Pickering稳定剂，制备了Pickering乳液。

TEMPO氧化改性是通过引入负电荷（如羧基、羧甲基等）基团，从而使溶剂中的纳米纤维素更好的稳定疏水颗粒。Aaen等[47]以40%菜籽油为原料，采用酶处理和TEMPO氧化两种方法处理CNF，制备O/W型Pickering乳液。结果表明在无盐和无酸条件下，均能获得稳定的Pickering乳液。朱研丽等[48]通过TEMPO氧化成功制备出了不同氧化度（30%、50%、100%）的CNC，并以此制备了Pickering乳液。研究发现氧化度为50%的CNC制备的Pickering乳液较稳定。Liu等[49]采用TEMPO氧化成功获得了具有不同氧化度的CNF。以DO50和DO90的CNF为原料，制备了具有良好胶体稳定性的Pickering乳液。

此外，还有学者对纳米纤维素进行酯化处理以提高其稳定乳液的能力。Lin等[50]利用乙酸酐对CNC表面进行乙酰化改性。研究发现改性后的乙酰化CNC极性降低，并且在二氯甲烷、丙酮和甲苯等多种有机溶剂中的分散稳定性均有所提高。食品级辛烯基琥珀酸酐（octenylsuccinic anhydride，OSA） 也常常被用来修饰CNC以改善其乳化性能。Chen等[51]用OSA对CNC进行表面改性，改性后接触角变大（从51.7°增加到82.1°～85.0°）。CNC表面疏水性的提高更利于O/W型Pickering乳液的形成。Du等[52]用OSA对CNC进行疏水改性，改性后CNC接触角增大（56°～80.2°），这更易稳定O/W型的Pickering乳液。

3 纳米纤维素稳定Pickering乳液的影响因素

3.1 纳米纤维素颗粒的亲/疏水性

纳米纤维素具有较高的亲水性，这使其不能更广泛地应用于Pickering乳液中。纳米纤维素含有丰富的羟基，因此可以通过疏水改性的方法来提高其疏水性，进而改善其稳定Pickering乳液的能力。Chen等[51]用OSA对CNC进行改性，改性后的CNC疏水性提高，从而能够形成更为稳定的Pickering乳液。Lee等[53]通过改变接枝链长（乙酸、己酸、十二烷酸）控制了BCN的表面疏水性，形成稳定的W/O型Pickering乳液。通过改性纳米纤维素来降低其亲水性，这使其可以更稳定地浮在水/油界面，从而提高乳液的稳定性。

3.2 纳米纤维素颗粒的形貌特征

颗粒的形貌特征影响其在油水界面处的解吸能力的大小，也是Pickering乳液形成和稳定的一个重要参数。与CNC相比，CNF具有更高的纵横比，这使得它们即使在低浓度时，也能形成纠缠网络进而稳定Pick－ering乳液[43]。 Gestranius等[54]使用未经修饰的 CNF、TEMPO氧化的CNF和CNC来稳定十二烷O/W型乳液，并制备Pickering乳液。研究发现CNF稳定的乳液对聚结、低剪切和高温的稳定性均高于CNC。这是由于与CNC相比，CNF较长的纤维形成了更为稳固的空间网络。Kalashnikova等[55]制备了3种不同来源的纳米纤维素，包括棉花纳米纤维素（CNC）、细菌纳米纤维素（BNC）和刚毛藻纳米纤维素（Cladophora nanocellulose，ClaNC），其纵横比分别为13、47和160。纵横比较大的ClaNC会使相邻液滴吸附在一起，促进形成相互连接的乳液网络结构，这会使乳液更稳定，也证实具有较高纵横比的纳米纤维素在较低的浓度下也能稳定Pickering乳液。

3.3 纳米纤维素颗粒的浓度

纳米纤维素颗粒必须吸附在油水界面上，才能起到稳定乳液的作用，所以在一定浓度范围内，乳液的稳定性会随着纳米纤维素颗粒浓度的增加而逐渐提高[56]。Tang等[24]发现高浓度（0.3%以上）的改性CNC对乳液的聚结有明显的抑制作用，而在低浓度（质量分数0.3%以下）时则有明显的聚结和相分离现象。Zhang等[28]研究了不同CNC浓度（0.5%和1.0%）对Pickering乳液稳定性的影响。研究发现当乳液中CNC浓度为1.0%时，乳液表现出更好的乳液稳定性。可以证明CNC浓度提高时，乳液稳定性也提高。本课题组[57]以CNC稳定Pickering乳液，研究发现，当CNC浓度从0.10%（质量分数）提高到0.90%时，液滴尺寸减小，乳液黏度和凝胶强度升高。由于纳米纤维素浓度较低时，乳液中的纳米纤维素数量较少，以至于不足以包裹乳液中的所有油滴，故未包裹的油滴在一定时间内会聚集降落，从而使乳液失稳。故乳液中必须具备一定浓度的纳米纤维素，才能得到稳定的乳液。

3.4 体系pH值和离子强度

pH值和离子强度都会改变Pickering乳液的界面电荷，调节粒子的界面张力，从而改变粒子在界面上的吸附能力[35]，进而改变乳液稳定性。Wen等[37]采用过硫酸铵水解玉米芯纤维素制备CNC，超声波均质法制备D-柠檬烯Pickering乳液，研究发现，盐的引入降低了带电粒子的zeta电位，有利于油水界面上粒子间的相互作用，从而提高了乳液的稳定性。Bai等[40]以CNC制备O/W型的Pickering乳液，研究发现，乳液在pH3～pH10、NaCl≤100 mmol/L 范围内具有较好的稳定性，但在较酸条件（pH2）和高离子强度（200 mmol/L～500 mmol/L NaCl）条件下，由于静电筛选，液滴发生絮凝。Zhou等[58]研究了以牛至精油和CNC为基础的抗菌Pickering乳液，发现在高pH值或低盐浓度下，乳液表现出良好的稳定性。本课题组[59]以CNC为乳化剂，利用蜂蜡对大豆油进行结构优化，研制了油凝胶，并以此制备了新型Pickering乳液。结果表明，在pH4～8和盐浓度0.05 mol/L～0.60 mol/L范围内，乳液稳定性较好。因此，过高、过低的pH值和高盐浓度环境均不利于纳米纤维素稳定Pickering乳液。

4 纳米纤维素稳定的Pickering乳液的应用

以纳米纤维素为稳定剂制备的Pickering乳液具有良好的生物相容性，而且无毒无害，易于降解，在食品领域主要有防腐抑菌、作为脂肪替代物、装载生物活性物质和抑制脂质氧化等作用。

4.1 防腐抑菌

纳米纤维素的存在阻隔了食品与外界腐败菌的接触，这为食品防腐抑菌提供了新方法。Zhou等[58]以CNC为稳定剂，牛至精油为油相，制备Pickering乳液。结果表明：制备的牛至精油Pickering乳液可以使细胞膜部分受损，从而阻止微生物的生长。Xie等[60]采用纤维素纳米纤维/羟甲基壳聚糖稳定Pickering乳液。然后在常温干燥条件下制备出了涂膜。该涂膜能抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等腐败菌的生长，这对浆果的防腐保鲜研究意义较大。Deng等[61]制备了含有CNC的Pickering乳液的壳聚糖涂层，由于涂层疏水性和稳定性的提高，覆膜梨的贮藏性能也提高。

4.2 替代动物脂肪

大量摄入脂肪会引发多种健康问题，而直接降低脂肪含量会造成产品品质变差，因此脂肪替代物是目前肉类工业的研究热点之一。纳米纤维素制备的Pickering乳液因具有稳定性好、水和脂肪能力强等特点而被广泛应用于低脂肉制品中。本课题组[62]以不同类型纳米纤维素（剑麻CNF、棉花CNF、棉花CNC）制备的乳液为乳化剂制备肉用香肠，用来代替部分猪肉脂肪。结果表明，制备的香肠具有较好的水和脂肪结合力，并显著提高了香肠的硬度、弹性和咀嚼性。证实基于纳米纤维素的乳剂是一种可行的肉类香肠脂肪替代品。Wang等[63]以CNF为乳化剂，棕榈油为分散剂制备了乳液，并以此制备乳化香肠。研究发现CNF的加入使香肠具有更好的弹性和致密性。这表明CNF可作为多功能食品原料应用于高膳食纤维和低脂肉制品中。因此，将纳米纤维素制备的乳液加入至食品中，不仅可以降低食品中脂肪含量，提高营养价值，还可以改善食品的品质。

4.3 载送营养活性物质

部分活性物质（如姜黄素和β－胡萝卜素）由于水溶性差或生物利用率低等原因限制了其在食品中的应用，故可利用Pickering乳液这种特殊的荷载系统将活性物质运输至体内。本课题组[59]以CNC为乳化剂，制备了传统的O/W型Pickering乳液和水包油凝胶Pickering乳液。研究发现水包油凝胶Pickering乳液包覆β－胡萝卜素的化学稳定性和生物利用度均高于传统O/W型Pickering乳液。表明，水包油凝胶Pickering乳液可以有效的递送疏水和难消化生物活性物质。Asabuwa等[64]采用胺化的CNC制备Pickering乳液，并以该乳液包埋香豆素和姜黄素。结果表明，香豆素和姜黄素的包埋率大于90%。说明以纳米纤维素制备乳液输送疏水活性物质是可行的。

4.4 抑制脂质氧化

油脂的氧化会对食品的口味、外观和稳定性产生不利影响，故我们需要抑制食品中的脂质氧化。Pickering乳液中纳米纤维素降低了油脂和水中各种促氧化因子接触的几率，从而降低了油脂的氧化速率，达到抑制脂质氧化的目的。Liu等[49]以微晶纤维素为原料，氧化制得氧化度为52.8%和92.7%的CNF，并以此CNF制备Pickering乳液。研究发现氧化改性不仅提高了其乳化活性，而且促进了其在油脂消化抑制中的应用，这为低热量食品的设计和开发提供了启示。Angkuratipakorn等[65]以CNC和食品级阳离子表面活性剂——月桂酸酯复配制成复合物，并以此复合物制备Pickering乳液。研究发现该复合物可使乳液中油脂氧化延迟，这为食品行业抑制脂质氧化提供了新方向。

5 总结

纳米纤维素因具有可再生、可降解和生物相容性等性质，成为稳定Pickering乳液的理想载体。用以稳定乳液的纳米纤维素主要分为天然纳米纤维素和改性纳米纤维素。虽然很多文献已经证实纳米纤维素可以吸附在油水界面，从而防止液滴聚集。但乳液的稳定性还是会受到颗粒的亲/疏水性、颗粒的形貌特征、颗粒浓度、表面电荷、体系pH值和离子强度等因素的影响。纳米纤维素稳定的Pickering乳液在食品领域有巨大潜力，目前主要集中在防腐抑菌、作为脂肪替代物、装载生物活性物质和抑制脂质氧化。但纳米纤维素及其稳定的Pickering乳液在食品中的稳定性和作用机制还需要进一步研究，这也是未来纳米纤维素稳定Pickering乳液的重要研究方向。