醇溶蛋白復(fù)合膠體顆粒在穩(wěn)定Pickering 乳液制備中應(yīng)用的研究進(jìn)展

張 建，趙雪琴，張穩(wěn)剛，劉利萍，張慧恩,*

（1.浙江省“生物工程”一流學(xué)科，浙江萬(wàn)里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.蘭州城市學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

乳液是兩種不相混溶的流體混合之后形成的分散體系，其中一種流體（分散相或內(nèi)相）的液滴（一般在1～50 μm）分散在另一種流體（連續(xù)相或外相）中。這些液滴形成的界面區(qū)域在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，往往依賴乳化劑來(lái)提供動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，防止液滴凝聚[1]。早在1904 年Ramden[2]發(fā)現(xiàn)可以使用固體顆粒作為Pickering 乳液的穩(wěn)定劑，隨后各種固體顆粒被開發(fā)作為Pickering 乳液的穩(wěn)定劑，如SiO2[3]、TiO2固體顆粒[4]，還有一些多孔材料[5]和中空微球[6]等應(yīng)用在穩(wěn)定Pickering 乳液中。

在食品行業(yè)中，很多食品呈現(xiàn)的狀態(tài)是乳液形式，其中成分包含脂肪、淀粉、糖等，要使這些成分能夠均勻混合且能穩(wěn)定共存，就需要使用穩(wěn)定劑來(lái)使這些乳液的穩(wěn)定性更好，表面活性劑或膠體顆粒的添加能夠起到一定的穩(wěn)定乳液的作用。而乳液體系的特性對(duì)食品的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味等具有重要影響，且對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)成分的傳遞和吸收都有一定影響。作為食品級(jí)的Pickering 乳液所使用的固體顆粒因其既具有表面活性劑的特性又具有食品特性，因此在很多領(lǐng)域被應(yīng)用[7-9]。食品級(jí)膠體顆粒具有的優(yōu)勢(shì)主要有：a.可以大大降低乳化劑的用量；b.對(duì)人體的毒害遠(yuǎn)小于表面活性劑；c.食品級(jí)的膠體顆粒本身就可以作為食品被人體所利用和作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收。因此，固體顆粒穩(wěn)定的乳液在食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，一些食品級(jí)的膠體顆粒如纖維素納米晶體[10-13]、多糖類復(fù)合膠體顆粒[14-16]、蛋白膠體顆粒[17-19]、多糖-蛋白復(fù)合膠體等[20-22]也不斷被開發(fā)出來(lái)并應(yīng)用在穩(wěn)定Pickering 乳液中，另外還有一些具有生物活性的脂質(zhì)體也是較好的Pickering 乳液穩(wěn)定劑[23-25]。生物基膠體顆粒穩(wěn)定Pickering 乳液在生物安全性和生物相容性方面具有很大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)這些生物材料制備的Pickering 乳液也是制備功能性材料很好的模板，如生物材料作為穩(wěn)定劑制備的Pickering乳液通過(guò)脫除內(nèi)相（油相）和連續(xù)相形成的框架結(jié)構(gòu)成為很好的生物多孔材料，通過(guò)調(diào)控孔道大小，制備出具有一定吸油、吸水性能材料，常被用于原油泄漏后的吸附處理，因其具有很好的生物相容性和降解性，被認(rèn)為是較好的綠色環(huán)保材料[26]。

醇溶蛋白是一種具有極強(qiáng)憎水性能的蛋白。因此，醇溶蛋白具有作為O/W 乳液穩(wěn)定劑的潛力。許多研究者已經(jīng)證明了使用醇溶蛋白制備的膠體顆粒穩(wěn)定O/W 乳液具有良好效果[27]。同時(shí)，醇溶蛋白與水溶性高分子結(jié)合調(diào)節(jié)醇溶蛋白的親水性能，具有更加優(yōu)良的穩(wěn)定性能。目前，研究比較多的有玉米醇溶蛋白和小麥醇溶蛋白等，這些都是從谷類作物中提取出來(lái)的，高粱醇溶蛋白和藜麥蛋白也有相應(yīng)的應(yīng)用報(bào)道[28-29]。本文對(duì)近十年來(lái)不同醇溶蛋白基的復(fù)合膠體顆粒穩(wěn)定Pickering 乳液應(yīng)用研究進(jìn)行總結(jié)，以期為醇溶蛋白基復(fù)合膠體顆粒穩(wěn)定的Pickering 乳液在食品、工業(yè)催化、藥物包埋等領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 醇溶蛋白膠體顆粒作為Pickering 乳液穩(wěn)定劑的應(yīng)用

1.1 玉米醇溶蛋白

玉米醇溶蛋白是玉米的主要蛋白組成，具有很強(qiáng)的疏水性，被認(rèn)為是一種用途廣泛的食品生物聚合物。由于其特殊的三級(jí)結(jié)構(gòu)，玉米醇溶蛋白可以通過(guò)液-液分散或溶劑蒸發(fā)的方式自組裝形成微納米顆粒。以玉米蛋白為基礎(chǔ)的給藥體系已經(jīng)被研究用于疏水性藥物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。近年來(lái)，以玉米醇溶蛋白為基礎(chǔ)的藥物傳遞體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注[30]。

單一的玉米蛋白膠體顆粒具有很強(qiáng)的疏水性，不能有效地吸附在油水界面上，因此玉米醇溶蛋白主要與多糖、水溶性蛋白等進(jìn)行復(fù)合形成復(fù)合型膠體顆粒。大多數(shù)以玉米醇溶蛋白為基礎(chǔ)的膠體粒子穩(wěn)定Pickering 乳液，其油相分?jǐn)?shù)主要限制在50%或以下。Pickering 乳液中的油滴在油相分?jǐn)?shù)增加到70%時(shí)，油水融合在一起，這意味著這些乳狀液正接近倒置或相分離的閾值。Zhou 等[31]通過(guò)設(shè)計(jì)玉米醇溶蛋白與果膠的相互作用，成功構(gòu)建了穩(wěn)定的高內(nèi)相Pickering 乳液 （HIPEs，high internal phase Pickering emulsions）。玉米醇溶蛋白/果膠復(fù)合膠體顆粒在油水界面上被不可逆吸收，形成有序、穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。這種情況有助于形成一個(gè)三維的油水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和觸變性。這種HIPEs 能夠保護(hù)姜黃素免受紫外線誘導(dǎo)降解，使其具有理想的氧化穩(wěn)定性。此外，其他二元膠體顆粒（如玉米醇溶蛋白/鞣酸顆粒）和三元膠體顆粒（玉米醇溶蛋白-丙二醇海藻酸酯-鼠李糖脂顆粒和玉米醇溶蛋白-丙二醇海藻酸酯-酪蛋白酸鈉復(fù)合物）被開發(fā)出來(lái)用于穩(wěn)定HIPEs[32-34]。玉米醇溶蛋白因其疏水性強(qiáng)，尋找兩親性較好的大分子與其復(fù)合形成性能穩(wěn)定、兩親性好的膠體顆粒是目前制備Pickering 乳液的關(guān)鍵所在，如反溶劑過(guò)程中玉米醇溶蛋白-單寧酸的相互作用，以及通過(guò)pH 循環(huán)調(diào)節(jié)形成三元絡(luò)合物膠體顆粒。目前，大量研究主要集中在對(duì)玉米醇溶蛋白復(fù)合膠體的物理性能以及在各種外部應(yīng)力（如溫度、離子強(qiáng)度、pH）下流變特性和微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控來(lái)達(dá)到穩(wěn)定Pickering 乳液的目的。

1.2 小麥醇溶蛋白

小麥醇溶蛋白的特點(diǎn)是谷氨酰胺和脯氨酸含量高，而堿性氨基酸含量低。Hu 等[35]首次證明了小麥醇溶蛋白膠體顆粒（GCPs）可以作為HIPEs 開發(fā)的有效穩(wěn)定劑。通過(guò)簡(jiǎn)單的剪切法制備無(wú)表面活性劑的Pickering 乳液，將液體油物理轉(zhuǎn)化為固體狀粘彈性乳液凝膠，是一種很有前途的固體脂肪替代品。使用殼聚糖修飾GCPs 表面潤(rùn)濕性，合成復(fù)合粒子構(gòu)建抗氧化HIPEs 作為姜黃素的載體，制備了包埋姜黃素HIPEs，利用體外胃腸消化模型對(duì)HIPEs 的脂質(zhì)氧化和姜黃素生物利用度進(jìn)行了考察。結(jié)果表明，這種HIPEs 包埋方法提高了脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性，使姜黃素的生物利用率從散裝油的2.13%提高到核內(nèi)的53.61%，殼內(nèi)的利用率甚至高達(dá)76.82%。此外，小麥醇溶蛋白還可以通過(guò)脫酰胺來(lái)提高小麥醇溶蛋白基Pickering 乳液的穩(wěn)定性和包油率。不經(jīng)過(guò)脫酰胺，內(nèi)相含油能達(dá)到60%，而經(jīng)過(guò)脫酰胺后，內(nèi)相可以達(dá)到70%，同時(shí)穩(wěn)定性大大提高[36]。在小麥醇溶蛋白膠體（GNP）里面添加增加酰胺化果膠也能提高Pickering 乳液的穩(wěn)定性[37]。而小麥醇溶蛋白/海藻酸鈉復(fù)合的膠體顆粒包裹姜黃素，通過(guò)加入交聯(lián)劑谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶和Ca2+使形成的Pickering 乳液具有較高的包油率（91.8%），表面負(fù)載蛋白能力也能達(dá)到97.4%，大大提高了包油率和運(yùn)載活性成分的能力[38]。將分離乳清蛋白（WPI）加入到小麥膠蛋白納米粒中制備成復(fù)合膠體顆粒，通過(guò)改變溫度、pH 和離子濃度，使乳液穩(wěn)定，凝膠強(qiáng)度可控。當(dāng)WPI 濃度為2%時(shí)，乳液凝膠的強(qiáng)度最強(qiáng)。凝膠強(qiáng)度也可以通過(guò)調(diào)節(jié)pH 和離子強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)。GNP 和WPI 穩(wěn)定的Pickering乳液的流變性能很容易地通過(guò)溫度、pH 或離子強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)，從而使其在食品工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景[39]。

1.3 高粱醇溶蛋白

高粱醇溶蛋白是從高粱種子中提取出來(lái)的醇溶蛋白，主要成分由α-高粱醇溶蛋白（分子量主要為23 和25 kDa），β-高粱醇溶蛋白（分子量分別為16、18 和20 kDa）和γ-高粱醇溶蛋白（分子量28 kDa），這些單元的比例分別為66%～80%、5%～8%和9%～12%。高粱醇溶蛋白和玉米醇溶蛋白具有很多類似的性質(zhì)，包括溶解度、摩爾質(zhì)量、氨基酸組成和多肽結(jié)構(gòu)等。與玉米醇溶蛋白相比，高粱醇溶蛋白的疏水性和可消化性較差，通過(guò)使用反溶劑法制備納米膠體顆粒更加容易，用此方法制備的納米膠體顆粒用于包裹生物活性成分效果較好。同時(shí)，高粱醇溶蛋白的納米膠體顆粒具有強(qiáng)的抵御胃腸道惡劣環(huán)境的能力，增強(qiáng)了包裹活性成分在傳遞運(yùn)載過(guò)程中的保護(hù)能力[40]。

從高粱中提取的高粱醇溶蛋白制成納米顆粒，作為穩(wěn)定Pickering 乳液的膠體顆粒。通過(guò)反溶劑沉淀法制備的高粱醇溶蛋白納米顆粒對(duì)水包油型乳液具有很好的穩(wěn)定性，抗聚結(jié)性好，通過(guò)反溶劑沉淀法制備的高粱醇溶蛋白納米顆粒表現(xiàn)出對(duì)水的潤(rùn)濕性優(yōu)于對(duì)油的潤(rùn)濕性，內(nèi)相（油相）在58.8%～78.6%表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性[41]。且膠體顆粒在油水界面具有較好的穩(wěn)定性。高粱醇溶蛋白納米膠體顆粒能夠滿足小分子表面活性劑的特性，在穩(wěn)定油包水乳液中具有比較好的前景。高粱醇溶蛋白納米膠體顆粒用于穩(wěn)定包裹含有姜黃素的植物油，所制備的Pickering乳液穩(wěn)定性相比吐溫80 等效果要好，對(duì)胃腸道消化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，在胃腸道中Pickering 乳液穩(wěn)定性好，能將姜黃活性成分運(yùn)載遞送到腸道增加了其腸道吸收效率，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義[42]。

1.4 花生分離蛋白

花生分離蛋白由10%水溶性蛋白和90%鹽溶性蛋白構(gòu)成，其中鹽溶性蛋白又由花生球蛋白和花生伴球蛋白組成，這些組成決定了花生分離蛋白的物理、化學(xué)特性，使其具有兩親性特點(diǎn)，在應(yīng)用中具有很好的乳化作用和氣泡性[43]。通過(guò)對(duì)花生蛋白的物理和化學(xué)改性，改變花生蛋白的兩親性特征，大大提高了花生分離蛋白膠體顆粒用于穩(wěn)定Pickering 乳液的穩(wěn)定性。Fang 等[44]使用富含硒的花生分離蛋白作為穩(wěn)定Pickering 乳液的膠體顆粒，用于包裹含有5-羥基川陳皮素的玉米油，結(jié)果表明具有很好的穩(wěn)定性，且其生物相容性、細(xì)胞攝取率和轉(zhuǎn)運(yùn)率都得到大大提高。使用花生醇溶蛋白制備的Pickering 乳液是一個(gè)比較好的運(yùn)載功能性營(yíng)養(yǎng)成分的載體。而Hu等[45]則使用花生醇溶蛋白制備膠體顆粒，用于穩(wěn)定Pickering 乳液過(guò)程中，使用了微流化方法和交聯(lián)劑轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，提高了蛋白膠體顆粒的交聯(lián)性，使得花生分離蛋白分子結(jié)構(gòu)更加松散，從分子層面改變了分子存在的形式，從而提高了膠體顆粒穩(wěn)定Pickering乳液的穩(wěn)定性。

2 Pickering 乳液的研究發(fā)展趨勢(shì)和瓶頸

2.1 生物活性載體

自然界中具有很高生物活性成分的物質(zhì)在保健和醫(yī)療領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，比如：姜黃、榭皮素、蝦青素、β-胡蘿卜素等。然而這些活性成分也存在很多缺陷，如易在體外被氧化、易被胃強(qiáng)酸分解等，在進(jìn)入人體過(guò)程中，容易出現(xiàn)經(jīng)胃腸道給藥時(shí)，在尚未被吸收進(jìn)入血循環(huán)之前，在胃、腸粘膜和肝臟中被代謝的“首過(guò)效應(yīng)”，使其活性大大降低而不能被充分吸收利用。但通過(guò)植物蛋白膠體穩(wěn)定的Pickering 乳液，形成W/O 型或O/W 型乳液，就能夠很好地包裹油溶性、水溶性活性成分遞送到人體具體部位釋放出來(lái)，起到靶向給藥的目的。尤其是對(duì)油溶性活性成分的載運(yùn)，使用醇溶蛋白與多糖復(fù)合的膠體顆粒穩(wěn)定Pickering 乳液作為載運(yùn)載體。同時(shí)，對(duì)活性成分進(jìn)行體外模擬胃腸道實(shí)驗(yàn)，探討Pickering 乳液包裹的活性成分的釋放特性。目前，很多研究者使用醇溶蛋白膠體基顆粒穩(wěn)定的Pickering 乳液用于運(yùn)載活性成分，比如使用玉米醇溶蛋白/海藻酸鈣復(fù)合膠體[46]、玉米醇溶蛋白/寡聚糖復(fù)合膠體顆粒[47]以及玉米醇溶蛋白/小豆種皮多酚膠體顆粒[48]都可以較好地包裹活性成分蝦青素，且包裹后釋放效果、抗氧化性能等都得到大大提高。具有抗氧化、抗炎、降血壓、降血脂的活性成分榭皮素通過(guò)小麥醇溶蛋白/卵磷脂復(fù)合的膠體顆粒穩(wěn)定Pickering 乳液包裹能夠大大提高其活性成分利用率[49]。還有研究通過(guò)玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)合膠體顆粒穩(wěn)定包裹榭皮素，通過(guò)胃腸道體外模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能大大提高吸收效果[50]。圖1 是進(jìn)行體外模擬示意圖。

圖1 體外消化模型、體外細(xì)胞模型和體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的示意圖[29]Fig.1 Schematic illustration of the in vitro digestion model, in vitro cell models and in vivo animal experiments[29]

2.2 多孔材料的制備

當(dāng)Pickering 乳液的內(nèi)相體積占比較大（＞74%）時(shí)，作為高內(nèi)相乳液因其內(nèi)相比例遠(yuǎn)高于外相，除了作為載體運(yùn)輸內(nèi)相功能性物質(zhì)之外，還可以通過(guò)脫去內(nèi)相，從而形成介于內(nèi)相和外相之間的網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)則是穩(wěn)定乳液的膠體顆粒所形成的。天然蛋白多孔材料具有可操作的多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積，可用于控釋，也可用于水/油的吸附和保留。多孔聚合物在微電子、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、膜處理和催化等應(yīng)用中具有重要意義，同時(shí)也可用于合成多孔陶瓷或多孔碳的前體[51]。如使用花生分離蛋白形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[52]，還有使用小麥蛋白/殼聚糖形成的復(fù)合膠體顆粒脫去內(nèi)相后形成的網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)（圖2），這些形成多孔結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用，比如作為多孔吸附可生物降解材料，應(yīng)用在日化或石油行業(yè)[26,53]。

圖2 使用小麥醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)合膠體穩(wěn)定的Pickering 乳液作為模板形成的多孔蛋白材料制備示意圖[43]Fig.2 Schematic illustration for the preparation of a porous protein material using the Pickering-templating method, in which the HIPEs were stabilized by gliadin-chitosan hybrid particles （GCHPs） [53]

2.3 界面催化載體

作為醇溶蛋白復(fù)合膠體顆粒穩(wěn)定Pickering 乳液，這些膠體主要處于油水界面，有研究人員利用界面作用，將催化劑控制在油水界面，然后將反應(yīng)物置于內(nèi)相，經(jīng)過(guò)界面催化反應(yīng)以后，通過(guò)相轉(zhuǎn)移，使產(chǎn)物和反應(yīng)物進(jìn)行分離，再通過(guò)外在刺激-響應(yīng)性變化，從而達(dá)到反應(yīng)物和產(chǎn)物完全分離的目的[54-55]。如圖3所示。

圖3 微凝膠包埋活性酶及其穩(wěn)定界面催化反應(yīng)的應(yīng)用[55]Fig.3 Schematic illustration of enzyme encapsulation within microgels and application of interfacial catalysis via binary particlestabilized emulsion[55]

2.4 發(fā)展的瓶頸

隨著Pickering 乳液關(guān)注度的增加和在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，如何評(píng)價(jià)制備出的Pickering 乳液穩(wěn)定性一直是研究者比較關(guān)心和難以達(dá)成一致觀點(diǎn)的地方。Pickering 乳液的穩(wěn)定性由很多因素影響和決定，如與膠體顆粒的尺寸大小和形貌、膠體顆粒制備時(shí)分散的介質(zhì)、膠體顆粒之間的相互作用、乳液的類型、連續(xù)相的流變性能、Pickering 乳液的油-水界面流變性能、乳化形式等都有關(guān)系。各個(gè)因素是相互聯(lián)系的，尤其是連續(xù)相的pH 變化對(duì)整個(gè)體系影響很大，pH 改變對(duì)連續(xù)相的流變性以及油-水界面的濕潤(rùn)性和膠體顆粒吸附性能都有影響。因此，在考察Pickering 乳液穩(wěn)定性時(shí)，需要綜合來(lái)考慮各個(gè)因素的相互影響。而醇溶蛋白大多數(shù)不溶于水或微溶于水，需要使用有機(jī)溶劑或者在強(qiáng)堿性環(huán)境才能溶解，因此，在制備醇溶蛋白膠體顆粒過(guò)程中，這些苛刻條件在工業(yè)應(yīng)用上遇到很多阻礙。這也是目前很多研究只是處于探究階段而很難實(shí)行產(chǎn)業(yè)化的重要原因之一。醇溶蛋白與多糖、水溶蛋白等復(fù)合過(guò)程中，由于相互溶解性問題，容易出現(xiàn)混合不均一導(dǎo)致各自凝聚或復(fù)合不均勻。對(duì)大多數(shù)醇溶蛋白“天然”粒子不是單分散的，形狀也不均勻，因此在制備過(guò)程中不可能在液滴上均勻堆積，而目前分析膠體顆粒過(guò)程中，都認(rèn)為是單分散或者接近單分散來(lái)討論和分析測(cè)試性能，這樣只能是接近于“理想化”，不能完全真實(shí)反映實(shí)際膠體顆粒的性能。至少目前沒有通過(guò)物理或數(shù)學(xué)物理模型來(lái)建立理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

食品級(jí)醇溶蛋白膠體顆粒作為Pickering 乳液穩(wěn)定劑的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在不可逆的界面吸收、優(yōu)異的抗聚結(jié)穩(wěn)定性和獨(dú)特的流變特性等。此外，還因其生物相容性、降解性、成本問題和表面修飾的可行性，使其有望比無(wú)機(jī)納米顆粒材料具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在乳液結(jié)構(gòu)的修飾、活性物質(zhì)的包埋和釋放以及靈活的界面調(diào)控等方面進(jìn)行突破性的應(yīng)用研究一直具有很好的研究前景。以醇溶蛋白膠體顆粒為基礎(chǔ)的Pickering 乳液不僅在理論研究上成為焦點(diǎn)，在乳液應(yīng)用領(lǐng)域也將產(chǎn)生重大影響。醇溶蛋白膠體顆粒穩(wěn)定Pickering 乳液目前比較有前景的研究方向包括：a.開發(fā)可調(diào)控的界面結(jié)構(gòu)及其機(jī)理；b.闡明其在胃腸道等環(huán)境下的消化特性；c.擴(kuò)大其在靶向給藥和穩(wěn)定性增強(qiáng)的雙乳液等領(lǐng)域的應(yīng)用。