基于改性果膠的納米乳液包埋生物活性物質研究進展

王 琨，張新雪，殷麗君

（中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院 北京 100083）

果膠是從植物細胞壁中提取的一種天然無毒、結構多樣的陰離子多糖，在蘋果、柑橘和甜菜加工過程中，產(chǎn)生的大量殘渣廢粕是果膠的主要來源[1-3]。對果膠進行深加工不僅能提高其利用率和附加值，還能避免資源浪費和環(huán)境污染等問題[4]。果膠具備一些特殊的界面性質，如空間位阻、靜電相互作用和流變學特性等，是開發(fā)或構建乳液的理想材料[5-7]。然而，天然果膠中極性基團與非極性基團的比例未達到平衡，使其易從油-水界面脫離，造成乳液體系的失穩(wěn)，這極大地限制了其在營養(yǎng)遞送等領域的應用[8-9]。

納米乳液是一種由表面活性劑穩(wěn)定的膠體分散體系，其平均粒徑一般在20～200 nm，少量文獻將其定義為20～500 nm[10]。與傳統(tǒng)乳液相比，納米乳液的粒徑小，界面性能好，具有良好的透明性和動力學穩(wěn)定性[11-12]，將生物活性成分包封在納米乳液中，有助于改善活性成分的理化穩(wěn)定性和生物學功效[13-14]。果膠可以減少油-水界面的張力，常被用作納米乳液的乳化劑或穩(wěn)定劑。有研究報道，對天然果膠進行甲酯化改性，或者將其與小分子表面活性劑（如吐溫、司盤等）或大分子表面活性劑（如蛋白質等）聯(lián)合使用，能夠有效提高納米乳液的穩(wěn)定性，以及提高生物活性物質的包封效果[15-18]。系統(tǒng)研究果膠衍生物和復合物構建的納米乳液傳遞體系具有重要意義。本文綜述果膠基納米乳液的制備方法、表征手段，以及果膠衍生物和復合物在穩(wěn)定納米乳液方面發(fā)揮的作用，旨在為果膠基納米乳液體系的構建及其在生物活性物質包埋或釋放中的應用提供理論依據(jù)。

1 果膠基納米乳液的制備與表征

1.1 果膠基納米乳液的制備方法

高 能乳化法（High-energy emulsification methods）是利用機械裝置產(chǎn)生的強大破壞力來生產(chǎn)果膠基納米乳液的方法，包括高壓均質法、高速剪切法、超聲波乳化法和微射流乳化法等[19]。圖1為高能乳化法生產(chǎn)果膠基納米乳液的示意圖，這些方法經(jīng)常聯(lián)合使用，以獲得粒徑更小、分散更均勻的乳液液滴。Trujillo-Ramírez 等[20]利用高速剪切機預處理得到粗乳液，再將粗乳液進行高壓均質處理，制備出果膠基納米乳液。Gharehbeglou 等[18]使用超聲波乳化裝置破碎液滴，制備出W1/O/W2型果膠基納米乳液，其最小粒徑為191 nm。微射流乳化法是將粗乳液在超高壓作用下，通過微小孔徑形成高速的流體，這些流體相互碰撞，產(chǎn)生強烈的破壞力，使液滴破裂[21]。Guerra-Rosas 等[22]通過在150 MPa 下進行5 個循環(huán)的微流化來獲得果膠基納米乳液，結果顯示經(jīng)過微流化處理后，乳液的平均粒徑小于50 nm。高能乳化法的工藝簡單，所需的表面活性劑較少，然而它對機械設備的要求較高，在進行工業(yè)化生產(chǎn)時應該充分考慮成本和能耗等問題[23]。

圖1 高能乳化法制備果膠基納米乳液的示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparing pectin-based nanoemulsions by high energy emulsification

低能乳化法（Low-energy emulsification methods）主要依賴體系的組分和系統(tǒng)內部的化學能來誘導納米乳液的自發(fā)形成，包括相轉變法和自發(fā)乳化法等，其中相轉變法已成功應用于果膠基納米乳液的制備[24-25]。如圖2所示，將改性果膠均勻分散在油相中，然后向該體系中緩慢持續(xù)地加水，逐漸改變油水比例，在達到體系的相轉變點時，W/O 型乳液轉變?yōu)镺/W 型納米乳液[15，26]。Hua等[15]通過相轉變法制備的果膠基納米乳液具有良好的貯藏穩(wěn)定性和pH 穩(wěn)定性。與高能乳化法相比，低能乳化法不需要特定的儀器設備，節(jié)約了能源成本[27]，然而低能乳化法對原料的要求高，需要大量的表面活性劑，形成的乳液在高溫下通常不穩(wěn)定[28]。

圖2 相轉變法制備果膠基納米乳液的示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparing pectin-based nanoemulsions by phase change method

1.2 果膠基納米乳液的表征手段

果膠基納米乳液的液滴特性主要包括粒徑大小、微觀結構、粒子電荷和界面特征等（圖3），這些特性決定了納米乳液的理化性質，例如：光學性質、流變性、穩(wěn)定性、包埋和釋放特性等。常用的表征手段有光散射技術（如動態(tài)光散射技術、靜態(tài)光散射技術、小角X 射線散射技術等）、顯微技術（如激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等）或其它技術（如電位儀、界面張力測定儀等），這些技術通常組合使用，從而獲得更加全面的液滴特性信息。Gharehbeglou 等[29]采用掃描電子顯微鏡（SEM）對由果膠和乳清蛋白制備的納米乳液的顆粒形態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)乳液中存在一些團簇狀顆粒，形狀近似球形且表面光滑，粒徑為100～200 nm。

圖3 果膠基納米乳液的液滴特性Fig.3 Drop characteristics of pectin-based nanoemulsions

2 果膠基納米乳液的界面及乳化性質

果膠等生物大分子及其衍生物或復合物是構建納米乳液的理想材料。一般來說，果膠基納米乳液大致可以分為果膠衍生物納米乳液和果膠復合物納米乳液，分別通過果膠衍生物乳化劑和果膠復合物乳化劑來形成或穩(wěn)定，以下將對這些果膠基乳化劑在納米乳液油水界面的吸附機制及乳化性質進行介紹。

2.1 果膠衍生物納米乳液

果膠分子中同時含有極性基團（如羥基）和非極性基團（如甲氧基），然而天然果膠中非極性基團的數(shù)量較少，導致其疏水性不足，因此不易在兩相界面吸附[8-9]。有研究報道，果膠的乳化性能與其甲氧基的數(shù)量和分布密切相關，甲氧基的存在會增加果膠分子的疏水性，使其具有更高的表面活性[6，30]。果膠的甲酯化反應是指主鏈半乳糖醛酸單元上的游離羧基與甲醇發(fā)生的酯化反應，如圖4所示，最常見的反應方法是用硫酸或鹽酸酸化的甲醇處理果膠[31]。在反應過程中，果膠的主鏈和側鏈可能會發(fā)生水解和斷裂，使其分子間相互作用減弱，分子質量降低，溶解度增大[32-33]。

超高甲氧基果膠（DM＞90%）是天然果膠的甲酯化產(chǎn)物，它具有較低的分子質量，較高的分子柔性，合適的極性基團和非極性基團比例，以及均勻的基團分布，因此能夠更好地在兩相界面伸展并降低界面張力。分子質量的減小和疏水性的增強，降低了其凝膠和增稠性能，卻顯著提高了其界面活性，因此超高甲氧基果膠能夠形成粒徑更小且更穩(wěn)定的乳液，可作為一種新型的納米乳液的乳化劑使用[15，32]。Hua 等[15]將柑桔果膠在無水甲醇中酯化制備出超高甲氧基果膠，其酯化度提高到91.2%，溶解度增加至5%（質量分數(shù)），分子質量降低至15 000 g/mol。研究還發(fā)現(xiàn)這種改性果膠在納米乳液油水界面的吸附速度比未改性的果膠快，且具有更好地降低界面張力的能力。

2.2 果膠復合物納米乳液

2.2.1 果膠-小分子復合納米乳液 果膠與一些小分子表面活性劑（如吐溫、司盤等）聯(lián)用時，小分子表面活性劑一般作為乳化劑，而果膠主要起到增稠或穩(wěn)定乳液的作用[16，34-35]。吐溫是一種低分子質量的表面活性劑，摩爾質量為1.310 g/mol，具有典型的極性頭部和非極性尾部，在乳化過程中能夠迅速涂覆在所形成的油水界面的表面。盡管吐溫是非離子表面活性劑，但當乳液的pH 值高于4時，吸附在液滴表面的吐溫仍帶有少量的負電荷，這可能是由于油相或表面活性劑中存在一些陰離子雜質（如游離脂肪酸等）[36-37]。果膠是一種陰離子多糖，在該pH 值下由于羧基解離而帶負電，因此果膠在油水界面的吸附可能會增大油滴表面的負電荷。

一些研究發(fā)現(xiàn)，吐溫等小分子表面活性劑與帶負電的生物聚合物在油水界面上可能存在競爭性吸附，即小分子表面活性劑會把生物聚合物從油水界面上部分或完全置換掉。然而如果小分子表面活性劑的數(shù)量不足以覆蓋油水界面，則可能會導致生物聚合物分子的吸附，使油滴帶有更大的負電荷[37-39]。Artiga-Artigas 等[40]闡明了果膠和小分子表面活性劑（吐溫）在納米乳液界面的相互作用機制。結果發(fā)現(xiàn)，吐溫優(yōu)先在油滴表面吸附，導致果膠在界面的吸附較弱。隨著果膠濃度的增加，油滴表面的負電荷增加，這說明果膠也開始逐漸吸附到油水界面上。Guerra-Rosas 等[22]以果膠和吐溫作為復合乳化劑制備了添加幾種精油的納米乳液。結果發(fā)現(xiàn)，牛至或百里香精油納米乳液在貯藏過程中很不穩(wěn)定，原因是果膠沒有吸附到油水界面上，導致液滴之間的靜電排斥力較弱，容易發(fā)生聚集或絮凝。然而柑橘或檸檬草精油納米乳液表現(xiàn)出良好的貯藏穩(wěn)定性，這可能是因為帶負電的果膠在油水界面上吸附，使液滴之間產(chǎn)生較強的靜電排斥作用。

2.2.2 果膠-蛋白質復合納米乳液 蛋白質與多糖的相互作用在納米乳液運載體系設計中起著重要作用[41]。與單獨的生物大分子相比，果膠-蛋白質復合物具有更強的乳化性能和乳液穩(wěn)定性，它們可以在油水界面形成更加致密的層，增加液滴之間的靜電或空間排斥力，從而抑制液滴的聚結或絮凝[42]。根據(jù)相互作用的方式，果膠-蛋白質復合物主要包括非共價復合物和共價復合物，分別通過物理共混和美拉德反應的方式產(chǎn)生。

2.2.2.1 果膠-蛋白質非共價復合物 果膠與蛋白質之間的非共價相互作用可能包括靜電相互作用、氫鍵、范德華力和疏水相互作用，其中靜電相互作用是主要的驅動力[43-44]。果膠與蛋白質的靜電相互作用受到許多參數(shù)的影響，例如：溶劑條件（如pH 值、離子強度）、生物聚合物的特性（如濃度、比例、電荷密度）和加工條件（如溫度、機械應力、壓力）等。這些參數(shù)決定了果膠-蛋白靜電復合物的理化性質，例如溶解性等[45-47]。由于一些陰離子官能團，如羧基、磷酸基或硫酸基的存在，大多數(shù)天然果膠在pH＞pKa 時帶負電荷，而蛋白質在低pH 值時帶正電荷，在高pH 值時帶負電荷，在等電點（pI）處電荷為零。因而可以預測在pH 值低于蛋白質的pI 值時，帶正電的蛋白質可以與帶負電的果膠之間產(chǎn)生足夠強的靜電吸引力，從而彼此締合形成果膠-蛋白靜電復合物[48-49]。因此，果膠和蛋白質可通過這種靜電作用的方式，構成納米乳液的界面層，其中復合物中的蛋白質吸附在油滴的表面，決定了界面的流變學特性，而果膠鏈則位于復合物的外圍并朝向外部水相，決定了液滴的帶電特性[17]。

一般情況下，果膠-蛋白靜電復合物穩(wěn)定的納米乳液可通過以下兩種方法形成。第1 種方法是以蛋白質為乳化劑，果膠為穩(wěn)定劑形成納米乳液，即在乳化過程中，首先將蛋白質引入油滴表面形成第1 吸附層，然后將帶相反電荷的果膠在蛋白質表面進行靜電沉積，形成第2 吸附層[50]；第2 種方法是以果膠-蛋白靜電復合物為乳化劑形成納米乳液，即果膠與蛋白質在特定的pH 值下發(fā)生靜電絡合，形成的生物聚合物可直接用于制備納米乳液[17，20]。

2.2.2.2 果膠-蛋白質共價復合物 果膠-蛋白共價復合物可通過美拉德（Maillard）反應制備，即果膠還原端的羰基與蛋白質中氨基酸側鏈的氨基相互作用形成共價鍵[51]。其中，果膠與蛋白質的比例、相對濕度以及反應時間和溫度等因素均會影響該反應的效果[8]。果膠-蛋白共價復合物在穩(wěn)定O/W 型納米乳液中發(fā)揮著重要作用，因為蛋白質分子可以在油水界面吸附，并形成較厚的界面層，而果膠的親水基則延伸到水相，通過空間排斥力阻止液滴的聚集，同時果膠的增稠效果還可以提高乳液體系的穩(wěn)定性[52]。此外，美拉德反應的產(chǎn)物具有較強的抗氧化能力，可以阻止自由基的鏈式反應，進而抑制納米乳液中油滴的氧化[53]。

果膠-蛋白共價復合物穩(wěn)定的納米乳液可以通過以下途徑形成：首先將果膠與蛋白質按照一定的比例均勻混合，通過干熱法使兩者發(fā)生美拉德反應，得到果膠-蛋白共價復合物。然后再以該復合物作為乳化劑或穩(wěn)定劑，將油相添加到含有共價復合物的水相中，均質后形成納米乳液[54]。

3 果膠基納米乳液在生物活性物質包埋中的應用

3.1 果膠基納米乳液包埋生物活性物質的研究現(xiàn)狀

生物活性物質是通過調節(jié)生理或細胞活動而對健康產(chǎn)生有益影響的物質，具有消炎、抗癌、抗氧化、神經(jīng)保護、提高免疫力等生理活性[55]。然而一些生物活性物質對氧、光、熱或濕度比較敏感，生物利用度較低，在食品和藥物制劑中的應用非常有限[56-59]。近年來，利用改性果膠構建的納米乳液體系，在包埋生物活性物質方面受到越來越多的關注。圖6顯示了果膠基乳化劑在單一或多重納米乳液中封裝生物活性物質的截面圖。通常情況下，疏水性或親水性生物活性物質被截留在分散相的液滴中，而連續(xù)相則為負載生物活性物質的分散相提供保護[60-61]。

圖5 果膠衍生物和復合物在納米乳液油水界面的吸附機制Fig.5 Adsorption mechanism of pectin derivatives and complexes at the oil-water interface of nanoemulsions

圖6 果膠基納米乳液封裝生物活性物質的截面圖[2]Fig.6 Cross-sectional view of pectin-based nanoemulsion encapsulating bioactive substances[2]

目前，果膠-小分子復合乳化劑和果膠-蛋白質復合乳化劑已經(jīng)廣泛應用于開發(fā)負載生物活性物質的納米乳液。這可能是因為果膠復合物乳化劑具有更加復雜、多層次的界面結構，不易從兩相界面解除吸附。表1總結了果膠復合物納米乳液在生物活性物質包埋和釋放中的應用，研究發(fā)現(xiàn)果膠復合物乳化劑可以提高納米乳液在不同環(huán)境條件（如光、熱、pH 值）下的理化穩(wěn)定性，減少液滴聚集或重力沉降等現(xiàn)象的發(fā)生，提高生物活性物質的包封或保留效果。因此，果膠復合物納米乳液可以作為維生素、天然色素或精油等活性成分的有效遞送載體，在食品行業(yè)和納米封裝領域具有廣闊的應用前景。

獻文考[22][62][17][50][63][64][65][18][29][66][67]參穩(wěn)外散溶穩(wěn)穩(wěn)盤苦劑埋散用應的中埋包質物性活物生在液乳米納物合復膠果1表Application of pectin composite nanoemulsion in the encapsulation of bioactive substances現(xiàn)發(fā)要主率/%留?；蚵史獍蓸嬅娼绮刭A的液乳米納強增會能可附吸的面界水油在膠果溫吐+膠果油性定素因要重最的性定穩(wěn)理物液乳米納響影是膠果溫吐+膠果的物合復于位鏈膠，果面表的滴油在附吸分部質白蛋白蛋清乳+膠果相水部外向朝并圍），分數(shù)分量0.2%（質白蛋清），乳數(shù)分量0.5%（質膠果：88.9率留保白蛋清+乳膠果性定穩(wěn)理物的高最有具系，體5%時數(shù)分積體相脂和素生維性溶水裝封時同夠能系體送遞米納種這鈉酸白蛋酪+膠果素生維性熱光的素卜蘿β-胡中液乳米納使物合復元三價共非：91.5率留保素黃+姜白蛋豆+豌膠果高提著顯性定的好良有下度濃鹽和理處熱同不在液乳米納油香?。?8率封包鈉酸白蛋酪+膠果定穩(wěn)不時pH 3.0～5.0在而，然性定），司數(shù)分量），WPC 8%（質數(shù)分量1.97%（質膠果：91率封包蛋清+乳膠/O）；果Span（W1欖，橄1∶4，pH 6.1 時為相∶外相），內數(shù)分量8.74%（質）（O/W2白91%為率封包的苷化乳的當相溫吐與種一為作可物合復白蛋清-乳膠果：85.8率封包蛋清+乳膠/O）；果PGPR（W1液乳米納重多定穩(wěn)來）（O/W2白包是液乳米納重多的定穩(wěn)同共膠果與白蛋清乳過通：96.7率封包蛋清乳+膠）；果/O（W1 Span體載效有的素花紅藏）（O/W2白），分數(shù)分量4.0%（質白蛋清），乳數(shù)分量1.0%（質膠果：99率封包+膠/O）；果Span/PGPR（W1 99%為率封包酸，葉pH 6 時15%，在數(shù)分積體相）（O/W2白蛋清乳Table 1 質物性活物生精等桔、柑草檬檸油精參姜烷癸素紅茄番素生維素卜蘿β-胡油香丁苷苦欖橄酸子食沒素花紅臧酸葉米納合米納合重多合型類復子分小-膠液復質白蛋-膠液復質白-蛋膠液乳米果乳果乳果納

3.2 果膠-蛋白質復合納米乳液包埋生物活性物質

利用果膠-蛋白質復合乳化劑制備的納米乳液，在包封生物活性物質方面比單獨的生物大分子更有效，未來有望將其添加到飲料、化妝品和藥物制劑等產(chǎn)品中，以延緩活性成分的氧化降解。Wang 等[63]用果膠涂覆酪蛋白酸鈉制備納米乳液，并開發(fā)了一款能夠同時封裝水溶性和脂溶性維生素的新型功能性飲料。結果表明，果膠-酪蛋白酸鈉復合物具有較好的包埋效果和控釋能力，能夠很好地保持維生素的抗氧化活性。Yi 等[64]發(fā)現(xiàn)果膠、豌豆蛋白和姜黃素的三元復合物可以顯著改善納米乳液中β-胡蘿卜素的化學穩(wěn)定性，原因是果膠可以與蛋白質組裝成更堅硬、更厚的界面層，限制了β-胡蘿卜素與助氧化劑（金屬離子、自由基、溶解氧）之間的相互作用，從而保護β-胡蘿卜素免受光熱降解。

此外，利用果膠-蛋白質復合物構建的多重納米乳液，在活性物質的遞送方面比單一納米乳液更具優(yōu)勢。它們可以更好地控制活性成分的釋放，或者掩蓋一些不良的風味和感官特性等[66-69]。在果膠-蛋白質復合多重納米乳液中，最常見的類型是以非離子表面活性劑（如司盤Span 或聚甘油蓖麻醇酸酯PGPR）為W1/O 相的乳化劑，以果膠-蛋白質復合物為O/W2相的乳化劑構建的W1/O/W2型納米乳液。在O/W2相中使用果膠-蛋白質復合物可以顯著提高多重納米乳液中生物活性物質的包封率，因為果膠-蛋白質復合物可以在O/W2相界面形成彈性的聚合層，從而提高生物活性物質對環(huán)境應力的穩(wěn)定性[66-67，70]。Esfanjani 等[66]以果膠-乳清蛋白復合物為O/W2相的穩(wěn)定劑制備了W1/O/W2型多重納米乳液，該體系使藏紅花素的包封率得到顯著提高。Assadpour 等[67]對含有果膠-乳清蛋白復合物的多重納米乳液進行噴霧干燥處理，并對葉酸的封裝工藝進行優(yōu)化，結果發(fā)現(xiàn)葉酸的包封率高達99%。

由果膠-乳清蛋白復合乳化劑制備的納米乳液具有穩(wěn)定性高，封裝效果好等特點，在營養(yǎng)因子及生物活性物質遞送等領域發(fā)展迅速。而果膠與其它蛋白質（如大豆蛋白等）的復合物在納米乳液中的應用研究還很少，因此可作為進一步探索或嘗試的新方向。

4 總結及展望

果膠基納米乳液是提高生物活性成分整體運載功效的新型遞送系統(tǒng)。以果膠衍生物和復合物作為乳化劑或穩(wěn)定劑構建的納米乳液，由于其界面結構的復雜性和多層化，在增強體系的穩(wěn)定性以及提高生物活性物質的生物利用度等方面表現(xiàn)出更好的效果。然而其設計和應用還面臨一些挑戰(zhàn)，例如：生物活性成分的負載量低，蛋白質等生物大分子對環(huán)境脅迫較為敏感，以及納米乳液的安全性需要進行全面系統(tǒng)的評估等[71-74]。因此，今后對于果膠基納米乳液遞送體系的研究可重點關注以下幾個方面：（1） 優(yōu)化工藝參數(shù)和技術條件，提高生物活性物質的裝載量和封裝率；（2）構建高效的納米乳液體內遞送系統(tǒng)，實現(xiàn)靶向釋放和定點吸收；（3）結合其它納米包封技術，設計生物活性物質的共同遞送或多重遞送系統(tǒng)；（4）完善風險評估體系及制度框架，加強納米乳液產(chǎn)品的安全控制與監(jiān)管工作。