基于玉米醇溶蛋白納米顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液研究進展

王文莉，柴向華，范宇婷，吳克剛，段雪娟，于泓鵬，劉曉麗

(廣東工業(yè)大學 輕工化工學院，廣東 廣州，510006)

乳液是由分散相和連續(xù)相這2種不相溶的液體組成的體系，是熱力學不穩(wěn)定體系。通過固體顆粒不可逆吸附在油/水界面來穩(wěn)定液滴的皮克林乳液因具有高抗聚結(jié)性和避免使用表面活性劑等優(yōu)點而受到廣泛的關(guān)注[1-2]。食品級皮克林乳液可有效地解決傳統(tǒng)乳液的穩(wěn)定性差、安全性低、生物不相容與難降解等問題[3-4]，并且具有緩釋和遞送功能性物質(zhì)和作為傳統(tǒng)脂肪的替代品等功能[5-6]，在化妝品[7]、制藥[8-9]等領(lǐng)域也有良好的發(fā)展前景。

常用來穩(wěn)定皮克林乳液的食品級固體顆粒有蛋白質(zhì)、多糖、多酚等[10-12]，其中玉米醇溶蛋白(zein)不僅具有安全無毒、可再生、純天然、成本低、穩(wěn)定、生物相容性和生物降解性好的特點[13]，而且具有獨特的分子結(jié)構(gòu)和自組裝形成納米球形顆粒的能力[14]，這些特性使其作為皮克林乳液穩(wěn)定劑十分有優(yōu)勢。但單獨zein納米顆粒的親疏水性不夠均衡，不能長期有效地穩(wěn)定皮克林乳液[15]。因此，越來越多研究者用多糖、多酚等親水物質(zhì)對zein表面修飾后的復合顆粒制備皮克林乳液，這不僅提高了乳液的穩(wěn)定性也擴展了其功能特性。

將zein與多糖、多酚等其他物質(zhì)復合后制備的玉米醇溶蛋白復合納米顆粒(zein complex nanoparticles，ZCNPs)能在乳液中形成穩(wěn)定的界面薄膜從而阻止液滴聚結(jié)，減少脂質(zhì)氧化。ZCNPs復合顆粒相互作用能夠增強皮克林乳液的界面結(jié)構(gòu)和調(diào)控乳液特性，本文對不同種類玉米醇溶蛋白復合納米粒子穩(wěn)定的皮克林乳液及其性質(zhì)表征方法進行綜述，并介紹了其在食品方面的應用，以期為ZCNPs食品級皮克林乳液的研究和發(fā)展提供一些參考。

1 ZCNPs對Pickering乳液性質(zhì)的調(diào)控

1.1 ZCNPs相互作用對乳液界面結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響

玉米醇溶蛋白含有超過50%的疏水性氨基酸，具有兩親性，并且含有大量的α-螺旋結(jié)構(gòu)。隨著zein溶液中溶劑極性增加時，由于分子間的疏水相互作用、范德華力、氫鍵以及毛細管作用力，蛋白質(zhì)的α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊，β-折疊結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀，條狀卷曲成環(huán)狀，接著自組裝成球形顆粒[14]。因此常用反溶劑法制備玉米醇溶蛋白復合納米顆粒，多糖等其他物質(zhì)在zein自組裝過程中通過氫鍵、靜電相互作用和疏水相互作用調(diào)控玉米醇溶蛋白的性質(zhì)如電勢、顆粒大小、形狀和潤濕性等，從而增強顆粒在界面處的吸附[16]。如圖1所示，ZCNPs一般為核殼結(jié)構(gòu)，且顆粒表面粗糙，溶液乳化后，另一物質(zhì)包覆在玉米醇溶蛋白顆粒周圍并在一定濃度時將其進行橋連[17]，復合顆粒在界面處堆積，界面呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，界面層的厚度和密度較高，阻止了液滴聚結(jié)和奧斯特瓦爾德熟化，使得乳液的穩(wěn)定性提高[18-19]。另外，利用層層靜電沉積法可制備得到玉米醇溶蛋白/多糖雙層皮克林乳液，研究表明其也具有穩(wěn)固的界面結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的抗聚結(jié)穩(wěn)定性[20-22]。

圖1 玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合顆粒穩(wěn)定的皮克林乳液界面結(jié)構(gòu)[17]Fig.1 A schematic representation of the interface structure of the Pickering emulsion stabilized by zein/chitosan complex particles[17]

1.2 ZCNPs對乳液流變性的調(diào)控

皮克林乳液的流變性行為主要受到自身性質(zhì)(如液滴尺寸、分散相體積分數(shù)、液滴多分散性)和界面性質(zhì)(如界面張力、界面黏彈性)的影響。ZCNPs皮克林乳液基本都具有剪切變薄性，而且復合顆粒濃度越大，油相含量越高，乳液的表觀黏度越高[23-24]。一般情況下，ZCNPs皮克林乳液的儲存模量(G′)大于損耗模量(G″)，即乳液為彈性凝膠結(jié)構(gòu)，顆粒間相互作用越強，乳液體系的彈性凝膠網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)固。ZOU等[25]通過調(diào)節(jié)zein/單寧酸的顆粒大小和電荷密度來控制高內(nèi)相乳液的結(jié)構(gòu)和流變特性，發(fā)現(xiàn)粒子間相互作用增加時，凝膠的強度會進一步增加。另外，ZOU等[26]研究了zein/單寧酸復合顆粒的疏水性對皮克林乳液凝膠流變性的影響，結(jié)果表明疏水性越強的復合顆粒穩(wěn)定的乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越強，提高油相極性可以降低高疏水性顆粒穩(wěn)定的乳液的凝膠強度、增加低疏水性顆粒的凝膠強度。

1.3 ZCNPs對乳液功能特性的調(diào)控

抗氧化活性的顆粒與zein復合后穩(wěn)定皮克林乳液，使得包裹油滴的殼層具有抗氧化性，減少脂肪的氧化，從而賦予皮克林乳液較好的抗氧化性。WANG等[27]利用zein/殼聚糖復合顆粒調(diào)控界面結(jié)構(gòu)得到了物理穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性強的皮克林乳液。ZHOU等[28]用zein/單寧酸復合納米顆粒穩(wěn)定乳液，發(fā)現(xiàn)加入具有抗氧化活性的單寧酸可以有效防止乳化液中油脂的氧化變質(zhì)。JIANG等[29]從山楂酒糟中提取抗氧化性果膠，將其與zein納米顆粒制備成復合納米顆粒后穩(wěn)定皮克林乳液，脂質(zhì)氧化分析表明具有較強抗氧化能力的抗氧化性果膠作為復合納米顆粒的殼材料能發(fā)揮屏障作用和抗氧化作用。并且除了果膠的生物活性不同之外，不同類型的果膠(如柑橘果膠、蘋果果膠等)和zein納米粒子組成的顆粒也可能是影響乳液抗氧化能力的重要因素。

Zein-生物大分子穩(wěn)定的可食用皮克林乳液包埋具有抗菌性的植物精油不僅使精油緩釋也增強了乳液的抗菌能力，在食品的抗菌保鮮方面能得到有效的利用[30-31]。JIANG等[32]的抗菌試驗結(jié)果表明zein/果膠復合納米粒子穩(wěn)定的肉桂精油皮克林乳液比純精油對2種食源性微生物有明顯的抑菌效果，對蘋果切片有較好保鮮效果，說明該皮克林乳液可以作為一種有效的抗菌體系。

2 不同類型ZCNPs穩(wěn)定的Pickering乳液

為了優(yōu)化ZCNPs皮克林乳液的功能特性和提高其穩(wěn)定性，許多研究者嘗試采用其他物質(zhì)與玉米醇溶蛋白相互作用共同穩(wěn)定皮克林乳液，玉米醇溶蛋白與不同種類顆粒共同穩(wěn)定的皮克林乳液研究如表1所示。

表1 Zein與不同種類顆粒共同穩(wěn)定的皮克林乳液研究Table 1 The research of Pickering emulsions stabilized by different zein complex nanoparticles

2.1 zein-多糖復合顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液

液滴大小通常隨著復合顆粒濃度增大而減小，低濃度的多糖可以促進蛋白質(zhì)顆粒的電荷中和以及顆粒橋連，但是高濃度的多糖可能會阻止蛋白質(zhì)顆粒的形成。玉米醇溶蛋白與陽離子多糖(如殼聚糖)結(jié)合后表面電荷升高[17]，與陰離子多糖(如藻酸丙二醇酯、阿拉伯膠等)結(jié)合后電位降低為負值，但是多糖的親水性使得zein的界面潤濕性都能得到改善。ZHU等[19]發(fā)現(xiàn)玉米纖維膠使得玉米醇溶蛋白納米粒子的電位降低、粒徑增大，復合顆粒在界面層形成致密的堆積層和凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

果膠具有豐富的生物活性，在與zein相互作用制備皮克林乳液中被研究得最多，不僅能使乳液具備抗氧化性、抗菌性優(yōu)勢，而且zein/果膠穩(wěn)定的高內(nèi)相皮克林乳液也具有堅固有序的界面結(jié)構(gòu)[29, 33]。SOLTANI等[24]發(fā)現(xiàn)甜菜果膠靜電沉積在玉米醇溶蛋白界面能增加乳液的硬度和黏度，調(diào)節(jié)其含量可以將乳液轉(zhuǎn)化為乳液凝膠。JIANG等[34]發(fā)現(xiàn)zein/蘋果果膠穩(wěn)定的芝麻油乳液表現(xiàn)出優(yōu)異的黏彈性，可以作為芝麻糊的健康替代物。

阿拉伯膠[35]、藻酸丙二醇酯[18]、甲殼素納米纖維[36]、黃原膠[37]、羧甲基淀粉[38]等多糖與zein通過非共價相互作用結(jié)合后穩(wěn)定的皮克林乳液也都具有很好的物理穩(wěn)定性和黏彈性。

2.2 zein-多酚復合顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液

zein與多酚類物質(zhì)結(jié)合后穩(wěn)定的皮克林乳液抗氧化性和抗聚結(jié)穩(wěn)定性都顯著提高，多酚類物質(zhì)在油滴界面形成一個抗氧化保護殼，阻止油滴的氧化和聚結(jié)，對于遞送姜黃素也有顯著效果[39]。ZHAO等[40]通過調(diào)節(jié)zein的濃度構(gòu)建乳液界面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其對于抗氧化劑沒食子酸的分布具有重要作用。ZOU等[41]制備了氫鍵相互作用穩(wěn)定的zein/單寧酸復合納米粒子，這種具有可調(diào)潤濕性的膠體顆粒在界面有序堆積，并且可以用一步均質(zhì)法制備穩(wěn)定的皮克林乳液凝膠。另外一些研究表明由zein/單寧酸復合顆粒穩(wěn)定的皮克林乳液以及皮克林高內(nèi)相乳液的微觀結(jié)構(gòu)和流變特性可被復合顆粒的濃度、電荷、油相含量調(diào)節(jié)[25-26]。

2.3 zein-蛋白質(zhì)復合顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液

利用蛋白質(zhì)的兩親性可以彌補zein的親疏水性不均勻?qū)е缕錈o法完全包覆液滴的不足，zein與其他蛋白質(zhì)結(jié)合能調(diào)節(jié)其表面的潤濕性和電荷，提高zein膠體顆粒在乳液中的穩(wěn)定性和分散性。FENG等[42]通過超聲處理得到zein/酪蛋白酸鈉復合物，研究表明在一定的pH值和離子強度下，乳液的穩(wěn)定性有所改善。LIU等[43]利用谷物麥醇溶蛋白的相似相溶性，通過不同配比來調(diào)整zein/麥膠蛋白的親疏水性，從而提高了顆粒的中間潤濕性，醇溶蛋白之間的相互作用引起的絮凝形成了較堅固的界面膜，所得乳液具有良好的黏彈性和貯存穩(wěn)定性。

2.4 zein-表面活性劑相互作用穩(wěn)定的Pickering乳液

玉米醇溶蛋白與小分子表面活性劑的聯(lián)合使用是改變膠體粒子表面疏水性的有效方法，小分子表面活性劑降低了界面張力，易于在油水界面瞬間動態(tài)吸附和擴散，利用小分子乳化劑的高表面活性可以促進粒子在界面的有效堆積，從而形成阻礙液滴聚結(jié)的空間屏障。GAO等[44]制備了zein/硬脂酸鈉復合物，發(fā)現(xiàn)顆粒在油水界面聚集和緊密堆積，形成了阻止油滴聚結(jié)的空間屏障。但是合成的表面活性劑可能不利于生物降解和人體健康，使用無毒的乳化劑會更具吸引力。另外，JIANG等[45]發(fā)現(xiàn)zein和卵磷脂這2種天然乳化劑具有協(xié)同穩(wěn)定作用，可以形成穩(wěn)定性好的W/O/W雙重皮克林乳液，卵磷脂使界面膜具有較強的表面彈性，模擬消化實驗表明其有效地保護內(nèi)相水珠不受胃液的影響。

表面活性劑與zein復合納米顆粒共同穩(wěn)定的乳液能顯著提升皮克林乳液的穩(wěn)定性和功能特性[46]。WEI等[47]研究了3種天然表面活性劑與zein/藻酸丙二醇酯共同穩(wěn)定的皮克林乳液，發(fā)現(xiàn)天然小分子表面活性劑的種類和濃度對乳液的穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)和流變性有重要影響，并且體外消化實驗表明天然表面活性劑的存在延緩了Pickering乳劑在小腸中的脂質(zhì)消化。ZHAO等[48]的研究也表明吐溫20促進了zein納米顆粒的界面吸附，增強了皮克林乳液的物理穩(wěn)定性。

2.5 基于zein的三元復合物穩(wěn)定的Pickering乳液

zein和其他乳化劑制備得到的三元復合物與二元復合物相比具有獨特的性能，能夠用于制備高內(nèi)相乳液。SUN等[49]證明了用pH循環(huán)法制備的zein/酪蛋白酸鈉/藻酸丙二醇酯三元納米配合物可以作為油相含量為80%的Pickering乳液天然界面穩(wěn)定劑，這種乳液具有蛋黃醬的外觀和凝膠狀結(jié)構(gòu)。另外，納米復合物的結(jié)構(gòu)可以通過酪蛋白酸鈉的數(shù)量來調(diào)整，3種物質(zhì)的混合順序會對顆粒的尺寸和分散穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。DAI等[50]的研究也表明zein/藻酸丙二醇酯/鼠李糖酯穩(wěn)定的高內(nèi)相乳液在不同環(huán)境條件下都具有良好的穩(wěn)定性，而且乳液為彈性凝膠狀結(jié)構(gòu)。

3 ZCNPs皮克林乳液的性質(zhì)表征方法

3.1 界面結(jié)構(gòu)表征方法

目前幾種主要zein復合納米顆粒穩(wěn)定的皮克林乳液微觀結(jié)構(gòu)表征方法如表2所示。其中使用范圍較廣和頻率較高的方法是光學顯微鏡法、熒光光譜法和激光共聚焦顯微鏡法。冷凍掃描電子顯微鏡法和受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)是表征微觀結(jié)構(gòu)的新型方法。激光共聚焦顯微鏡比光學顯微鏡的觀察范圍更廣、程度更深，它能提供皮克林乳液的界面結(jié)構(gòu)、不同物質(zhì)的分布情況和形態(tài)等信息。冷凍掃描電子顯微鏡可以觀察到乳液液滴表面的真實結(jié)構(gòu)、形態(tài)和界面厚度等，其分辨率高，表征范圍包括平均粒徑在100 nm以下的顆粒，這在光學顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡觀察范圍外。受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)是一種新興的高分辨率成像技術(shù)，可以突破傳統(tǒng)共焦成像的極限，提供近真實的熒光成像，比激光共聚焦顯微鏡和冷凍掃描電子顯微鏡得到的微觀形貌圖更加清晰[29]。

表2 Zein復合納米顆粒穩(wěn)定的皮克林乳液微觀結(jié)構(gòu)表征方法Table 2 Microstructure characterization of Pickering emulsion stabilized by zein composite particle

3.2 穩(wěn)定性表征方法

根據(jù)乳液的物理降解和化學降解機制[51]，在ZCNPs穩(wěn)定的皮克林乳液中乳液穩(wěn)定性評估方法包括物理穩(wěn)定性、離心穩(wěn)定性、乳化穩(wěn)定性、環(huán)境穩(wěn)定性、儲存穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性等[52]。這些表征方法從不同角度對乳液的穩(wěn)定性的進行分析，其中物理穩(wěn)定性的表征被使用最多。物理穩(wěn)定性表征主要包括：光學法、顯微結(jié)構(gòu)法、電荷分布法、高速離心法和直接觀察法，其中光學法主要包括激光衍射法[53]、Turbiscan法[37]、Lumisizer法[47]等， Turbiscan法和Lumisizer法是較為精密的穩(wěn)定性分析方法，能夠清晰指示乳液各部分的乳化狀態(tài)，并且Turbiscan法無需接觸樣品和對樣品稀釋。環(huán)境穩(wěn)定性和長期貯存穩(wěn)定性分析內(nèi)容主要是測試不同pH、離子強度、溫度和貯存時間下的外觀、液滴大小和Zeta電位以比較分析乳液的穩(wěn)定狀態(tài)。常通過測試乳液自由基清除能力來表征乳液的抗氧化能力，而脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性分析方法一般通過加速氧化測量初級氧化產(chǎn)物和二級氧化產(chǎn)物的含量來表征，這種方法較為直觀地反映了乳液的脂質(zhì)分解情況。體外消化模擬實驗中，通過游離脂肪酸(free fatty acid，F(xiàn)FA)的釋放量來測定脂解程度[47]，F(xiàn)FA的釋放量以消化時間釋放的FFA百分比(%)來確定,如公式(1)所示：

(1)

式中：VNaOH和CNaOH分別代表氫氧化鈉溶液中和FFA所需的體積(L)和濃度(mol/L),Wlipid和Mlipid代表油相初始質(zhì)量(g)和分子質(zhì)量(g/mol)。

3.3 流變性表征方法

流變性反映乳液的黏彈性和凝膠結(jié)構(gòu)強度，皮克林乳液流變性研究常通過旋轉(zhuǎn)流變儀的靜態(tài)黏度測試和動態(tài)振蕩測試得到表觀黏度(η)、G′、G″、損失因子(tanδ=G″/G′)、冪律指數(shù)(n)等數(shù)據(jù)并進行擬合來表征流變性質(zhì)[21]。一般只測試黏度隨剪切速率的變化以及G′和G″隨振幅的變化就能反映體系的流體類型和是否具有彈性凝膠狀結(jié)構(gòu)。這種流變學測試手段相較于傳統(tǒng)的毛細管黏度計等測量手段方便快速，測量范圍廣，精確度高，適合樣品數(shù)量多且精確度要求高的流變性質(zhì)研究。

4 ZCNPs皮克林乳液在食品領(lǐng)域的應用

玉米醇溶蛋白復合納米顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液在生物活性物質(zhì)遞送方面具有極高的應用價值。研究表明zein和殼聚糖[27]、單寧酸[39]、羧甲基淀粉[38]復合穩(wěn)定的皮克林乳液作為遞送系統(tǒng)能夠?qū)S素產(chǎn)生保護作用和控釋性。zein/藻酸丙二醇酯和乳化劑共同穩(wěn)定的皮克林乳液對β-胡蘿卜素也有較好的包封率和緩釋性[46]。此外，ZCNPs皮克林乳液對于百里香酚[30]、薄荷油[31]、肉桂油[32, 54]等易揮發(fā)植物精油的包埋也效果顯著，實驗表明乳液對精油起到保護和穩(wěn)定的作用，具有優(yōu)于純精油的抗菌穩(wěn)定性，這在食品的抗菌保鮮方面很有應用前景。并且將含有抗菌性精油的皮克林摻入殼聚糖基食用薄膜中，可以提高其結(jié)構(gòu)、力學性能、屏障性能和抗菌性能[55]。

在減緩脂質(zhì)氧化方面，ZCNPs形成的殼層具有屏障效果和界面處抗氧化劑的分布，所以其穩(wěn)定的Pickering乳液具有比普通乳液更強的穩(wěn)定性和抗氧化能力，尤其是zein-多酚類復合顆粒制備的乳液[39-40]。另一方面， ZCNPs還可作為皮克林乳液高內(nèi)相乳液的優(yōu)良穩(wěn)定劑并且制備成不漏油的油相凝膠，這在替代傳統(tǒng)脂肪，減少有害脂肪和反式脂肪酸的攝入方面具有重要意義[17, 24]。

5 總結(jié)和展望

玉米醇溶蛋白與生物大分子復合后穩(wěn)定的皮克林乳液具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、環(huán)境穩(wěn)定性以及黏彈流變性，還可以荷載姜黃素、抗菌精油等脂溶性物質(zhì)，替代傳統(tǒng)脂肪，減少食品中的有害脂肪和油脂氧化，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

目前關(guān)于zein通過非共價相互作用與其他物質(zhì)復合后穩(wěn)定Pickering乳液的研究較多，未來可以挖掘zein通過共價相互作用復合其他物質(zhì)以及化學、酶法等其他方法改性后的顆粒對乳液穩(wěn)定性的提升效果。對于ZCNPs穩(wěn)定的高內(nèi)相乳液、多重皮克林乳液、雙層皮克林乳液以及皮克林納米乳液等還有待于開發(fā)研究。在應用方面，可以深入探究生物活性物質(zhì)的遞送并拓寬ZCNPs皮克林乳液的功能特性應用，還應確定該類型乳液在體內(nèi)的吸收作用和毒性反應。