生物基顆粒乳化劑的研究進(jìn)展

◎ 崔鵬景，魏本喜，鄒 金，陸 平，朱勝虎，李 信,

（1.江蘇恒順醋業(yè)股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028;2.江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

皮克林乳液是由吸附至油水界面的固體顆粒穩(wěn)定不相溶兩相形成的新型均勻分散體系，具有較高的穩(wěn)定性和安全性。目前，大部分研究[1-2]探討了無機(jī)納米顆粒穩(wěn)定的乳液及其在化妝品、材料和紡織等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，無機(jī)材料存在生物不相容性及不可降解的弊端，限制了其在食品加工和藥物遞送等方面的應(yīng)用。與無機(jī)納米顆粒相比，淀粉、纖維素、殼聚糖、大豆蛋白等生物基來源原料表現(xiàn)出良好的生物相容性和生物可降解性。此外，上述生物基原料存在大量的活性基團(tuán)，有利于進(jìn)行物理或化學(xué)改性修飾而引入新功能。因此，由生物基顆粒穩(wěn)定的皮克林乳液具有更好的應(yīng)用前景。皮克林乳液的穩(wěn)定性受到固體顆粒粒徑、電位、多分散性指數(shù)和潤濕性等因素的影響[3]，因此對固體顆粒的制備方法提出了要求。基于此，本文總結(jié)了近些年來生物基顆粒乳化劑的制備、穩(wěn)定和控制等方面的研究進(jìn)展，并對其應(yīng)用提出新的發(fā)展方向，可為皮克林乳液的制備與應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 多糖

目前，多糖類顆粒乳化劑用于制備皮克林乳液，針對其穩(wěn)定性與應(yīng)用的研究較為深入，主要集中在淀粉、殼聚糖和纖維素等天然高分子聚合物。其中，淀粉基來源的顆粒乳化劑因淀粉的構(gòu)造簡單、處理方便，在“制?！边^程中表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。然而其結(jié)構(gòu)單一，若賦予其帶電特性以擴(kuò)大應(yīng)用范圍則需對表面羥其進(jìn)行改性。與之相反，殼聚糖來源的顆粒乳化劑因基表面帶有氨基，呈現(xiàn)出負(fù)電性，可按需要進(jìn)行修飾，其改性過程一般比較溫和且改性效率較淀粉基來源顆粒高，所以殼聚糖表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。纖維素的結(jié)構(gòu)與淀粉類似，但因其“制?！边^程復(fù)雜，改性較難，所以其應(yīng)用受到一定程度的限制。

1.1 淀粉

1.1.1 原淀粉

淀粉具有來源廣、可生物降解和安全的優(yōu)點(diǎn)，但因自身粒徑較大以及親水的特點(diǎn)限制了其在皮克林乳液中的應(yīng)用。然而有研究表明，部分天然淀粉也可直接作為顆粒乳化劑來穩(wěn)定乳液。LI等[4]以大米、蠟質(zhì)玉米、小麥和馬鈴薯淀粉顆粒為乳化劑，采用高速分散機(jī)在轉(zhuǎn)速為10 000 r·min-1條件下成功制得皮克林乳液。大米淀粉由于數(shù)均粒徑最?。s為5.2 μm），脫附能最高，由其制備的乳液穩(wěn)定性最好，電位為?20.6 mV。與之相反，馬鈴薯淀粉顆粒因其數(shù)均粒徑約為52.1 μm，受重力的影響較大，電位僅為?4.0 mV，難以制備穩(wěn)定的乳液。由上述4種天然淀粉顆粒穩(wěn)定的乳液，其粒徑和粒徑分布在較長時(shí)間內(nèi)無顯著變化?？梢?，為了制備穩(wěn)定性好的皮克林乳液，需要在淀粉顆粒尺寸、潤濕性和電位等方面進(jìn)行調(diào)控。

1.1.2 改性淀粉

由于顆粒乳化劑吸附至油水界面穩(wěn)定乳液要求顆粒具有合適的尺寸與油水潤濕性，所以需要對淀粉顆粒進(jìn)行改造，以克服其自身尺寸較大（重力影響）以及強(qiáng)親水的特性。根據(jù)改性目的的不同可將其分為兩種。①尺寸控制。較小的顆粒尺寸有助于形成穩(wěn)定的皮克林乳液[5]。LIU等[6]發(fā)現(xiàn)球磨可破壞淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生不規(guī)則的小顆粒碎片，相較于天然淀粉穩(wěn)定的乳液而言，由球磨淀粉穩(wěn)定的乳液具有較小的粒徑和較大的黏度而表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。陳金鳳等[7]通過硫酸水解玉米淀粉制備玉米淀粉納米顆粒，由于淀粉顆粒尺寸減小，脫附能力增大，從而可乳化β胡蘿卜素（荷載率64.15%）而成功制備皮克林乳液，6 d內(nèi)該乳狀液的乳化指數(shù)無顯著降低并且貯藏期內(nèi)荷載穩(wěn)定。②潤濕性控制。通過疏水改性克服淀粉本身的強(qiáng)親水性質(zhì)，甚至使其轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油特性，是化學(xué)改性制備淀粉基顆粒乳化劑最為常用的方法[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，辛烯基琥珀酸酐改性淀粉顆?？勺鳛槿榛瘎┒苽浞€(wěn)定的皮克林乳液[10-11]。此外，YU等[12]發(fā)現(xiàn)高取代度辛烯基琥珀酸酐芋頭淀粉可提高其乳化能力，這是由于其制備的乳液具有較小的液滴尺寸、較高的穩(wěn)定性和剛性。

近幾年，淀粉成為制備顆粒乳化劑的研究材料。其中，辛烯基琥珀酸酐改性可通過增加疏水基團(tuán)提高淀粉顆粒的乳化性，具有較大的發(fā)展?jié)撃?。此外，根?jù)皮克林乳液的形成機(jī)制，只要淀粉的顆粒足夠小，便可以作為顆粒乳化劑而制備乳液。所以，可以認(rèn)為所有減小淀粉顆粒尺寸的方法都可稱之為顆粒乳化劑的制備方法，具體方法見JIN等[13]的報(bào)道。其中，納米沉淀法不僅制備得率高，由其制備的納米淀粉顆粒形狀均一、粒徑小，潤濕性更容易控制，具有成粒與極性控制同步進(jìn)行的可能性，表現(xiàn)出制備高穩(wěn)定性乳液的潛能。由此可見，未來可深入探索納米沉淀法來制備納米淀粉顆粒。

1.2 殼聚糖

殼聚糖是一種由甲殼素經(jīng)脫乙酰作用而制成的高分子聚合物，其資源豐富、天然無毒，因含有大量親水性氨基和羥基以及少量疏水性乙酰基基團(tuán)，所以表現(xiàn)出弱表面活性。張欣[14]采用離子凝膠法制備殼聚糖納米顆粒（粒徑為756 nm），電位為34.4 mV，納米顆粒接觸角為68°，顯示親水性，適于穩(wěn)定o/w型皮克林乳液。COSTA等[15]以低分子量殼聚糖為乳化劑，采用超聲乳化技術(shù)，使殼聚糖納米顆粒的制備與乳化過程同時(shí)進(jìn)行。在超聲功率為600 W時(shí)，殼聚糖顆粒粒徑由1 000 nm降低至100～500 nm，促使更多疏水域暴露，提高了乳液的穩(wěn)定性。HO等[16]借助超聲對自聚集殼聚糖顆粒進(jìn)行預(yù)處理，再用于穩(wěn)定乳液，粒徑在從1 000 nm降低至560 nm的同時(shí)降低了其疏水性（接觸角由75.59°降低至64.05°）。在0.1%（w/v）的濃度下，原顆粒與超聲預(yù)處理的殼聚糖顆粒均能作為顆粒乳化劑形成皮克林乳液（油相含量高達(dá)70%，v/v），且在7 d內(nèi)保持穩(wěn)定。

綜上所述，離子凝膠法和自聚集法制備的殼聚糖顆粒均可作為皮克林乳液乳化劑，尤其以自聚集殼聚糖顆粒的乳化性能更為突出，可高效制備高內(nèi)相皮克林乳液。

1.3 纖維素

微纖化纖維素、纖維素納米晶、微晶纖維素和細(xì)菌纖維素等均已被證實(shí)具有穩(wěn)定皮克林乳液的可能性[17-20]。趙強(qiáng)忠等[21]將大豆纖維的水分散液通過50 MPa高壓均質(zhì)（循環(huán)10次），得到小粒徑纖維素顆粒，繼而與玉米油混合后使用高速分散器乳化，最后經(jīng)高壓均質(zhì)制備得到皮克林乳液。MEIRELLES等[22]采用鹽酸水解和機(jī)械攪拌結(jié)合制備纖維素微粒，將其作為顆粒乳化劑。該法制備的纖維素顆粒粒徑呈現(xiàn)雙峰分布，其中納米級顆?？尚纬煞€(wěn)定乳液，而微米級顆粒則形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包裹油滴，表現(xiàn)為致密的乳化層，這將有利于負(fù)載親脂化合物。

2 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)作為顆粒乳化劑的研究主要包括蛋白質(zhì)納米顆粒和蛋白微凝膠顆粒兩類，其油水混合過程主要采用兩部乳化法，即先采用高速分散法制備粗乳液，再通過高壓均質(zhì)或超聲技術(shù)制備細(xì)乳液。REN等[23]采用沸水和氫氧化鈉提取茶葉蛋白，經(jīng)過氧化氫脫色后調(diào)節(jié)pH值為3.5即可沉淀制得不溶性蛋白納米顆粒。將其作為顆粒乳化劑，采用二步乳化法制備皮克林乳液，其乳化指數(shù)＜5%，儲(chǔ)藏期可達(dá)50 d，能有效改善乳液凝膠的限制。BENETTI等[24]在85 ℃恒溫水浴條件下配制大豆分離蛋白懸浮液，于4 ℃儲(chǔ)藏12 h形成大凝膠。繼而采用高速分散器剪切2 min后進(jìn)行高壓均質(zhì)或超聲處理便得到微凝膠懸液。研究發(fā)現(xiàn)使用超聲制備的大豆分離蛋白微凝膠顆粒的平均粒徑顯著小于高壓均質(zhì)法，由其穩(wěn)定的乳液液滴平均粒徑為4 μm，25 ℃條件下儲(chǔ)藏21 d后未出現(xiàn)相分離現(xiàn)象。XU等[25]報(bào)道了一種將由兩個(gè)七聚環(huán)蛋白質(zhì)自組裝體亞單位制成的單個(gè)蛋白質(zhì)環(huán)作為乳化劑，該蛋白納米環(huán)水動(dòng)力學(xué)直徑約為10 nm，多分散指數(shù)＜0.2，表現(xiàn)出優(yōu)良的乳化特性。其乳化劑用量和油水比分別在0.30%～0.45%（w/v）和0.05～0.20（v/v）即可制得納米級別的細(xì)乳液。馬亞魯?shù)萚26]采用相分離方法制備玉米醇溶蛋白納米微球，其平均粒徑約為40 nm，酸性環(huán)境中電位可達(dá)60 mV，與水的接觸角接近90°，對油水比例較大的乳液具有較好的穩(wěn)定作用。另有文獻(xiàn)報(bào)道反溶劑法可用于制備小麥醇溶蛋白膠體顆粒，該方法制備的納米顆粒粒徑約為120 nm，電位約為24.25 mV，多分散性指數(shù)達(dá)到0.755，制備的乳液儲(chǔ)藏期長達(dá)5個(gè)月，且表現(xiàn)出較好的黏彈性和凝膠特性[27]。

3 脂質(zhì)

脂質(zhì)作為乳化劑穩(wěn)定乳液的研究已有報(bào)道，將熔融三棕櫚酸甘油酯與去離子水混合，于80 ℃恒溫水浴加熱，采用高速剪切或超聲處理得到初級乳液，冷卻至20 ℃后再使用高壓均質(zhì)或高速剪切處理，避免脂質(zhì)顆粒高溫融化，均質(zhì)循環(huán)5次便可得到細(xì)乳液[28-29]。GUPTA等[30]將熔融檸檬酸硬脂基甘油酯和去離子水混合，并于70～80 ℃條件下加熱制得初級乳液，在14 500 psi下進(jìn)行高壓均質(zhì)（循環(huán)5次）獲得納米乳液，冷卻后便制得固態(tài)檸檬酸硬脂基甘油酯納米顆粒。加入20%（v/v）菜籽油，在7 000 psi壓力下均質(zhì)乳化可制得o/w乳液。該法所制備的固態(tài)脂質(zhì)顆粒懸浮液可穩(wěn)定12周以上，在28周內(nèi)無可見沉淀。此外，還可采用反溶劑法合成植物甾醇膠體顆粒，將其保存于磷酸鹽緩沖液中與大豆油混合，在轉(zhuǎn)速為13 500 r·min-1下高速剪切2 min制備得到乳液[31]。研究表明低分散度易導(dǎo)致相分離，而高分散度和低油混合會(huì)產(chǎn)生絮凝，只有在高分散度和高油分時(shí)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，才會(huì)形成穩(wěn)定的w/o型乳液。

4 其他生物基來源

木質(zhì)素是一種天然的兩親性大分子，具有芳香基、酚羥基、醇羥基、碳基共軛雙鍵等多種活性基團(tuán)，有利于化學(xué)改性以控制木質(zhì)素顆粒表面的親疏水性，發(fā)揮皮克林乳液的應(yīng)用潛能。制備木質(zhì)素納米顆粒的方法主要包括溶劑轉(zhuǎn)移法、化學(xué)改性、酸沉淀法和物理法。WANG等[32]采用溶劑轉(zhuǎn)移法將木質(zhì)素粉末溶于丙酮和水的混合液中，加去離子水連續(xù)攪拌36 h使丙酮蒸發(fā)，成功制得木質(zhì)素納米顆粒，其粒徑在160 nm左右。GUPTA等[33]采用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合法制備了木質(zhì)素表面接枝聚合物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高聚合度和高接枝密度情況下，顆粒粒徑在15～20 nm，乳液平均尺寸為10～20 μm。此外，GUPTA等[34]還通過酸沉淀法將木質(zhì)素溶于乙二醇，過濾后滴加鹽酸透析3 d，沉淀得到木質(zhì)素納米顆粒（50～250 nm）。AGO等[35]使用氣溶膠反應(yīng)器合成可控粒徑為30～2 000 nm的球形木質(zhì)素顆粒，其在極性和非極性乳液中均表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，由其制備的乳液可穩(wěn)定約2個(gè)月。

明膠是一種由動(dòng)物結(jié)締組織中膠原成分降解而成的親水大分子物質(zhì)，具有良好的乳化性，其納米顆粒的制備方法包括去溶劑法、反相微乳法、凝聚相分離、納米沉淀法、乳液溶劑蒸發(fā)法和自聚集法等[36]。薛萬波等[37]采用二次去溶劑法制備得到氨基化明膠納米顆粒，其顆粒呈球形，表面光滑，結(jié)構(gòu)剛硬，粒徑約240 nm，多分散指數(shù)為0.068，電位為35 mV，接觸角約為67°，其分散液在6個(gè)月內(nèi)仍表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。當(dāng)其濃度在3 g·L-1時(shí)即可制備流動(dòng)性和穩(wěn)定性（長達(dá)9個(gè)月）較好的皮克林乳液。

5 展望

多糖、蛋白質(zhì)、脂類以及其他來源的一些生物基材料，通過機(jī)械法、化學(xué)法和生物法等制備納米顆粒，具有顆粒粒徑小而均一、分散性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。生物基原料同時(shí)暴露出更多的活性基團(tuán)，可通過改性以改善其尺寸和潤濕性方面存在的弊端，促使其更好地吸附在油水界面上而形成穩(wěn)定的皮克林乳液。今后，探索更多具有良好的潤濕性和功能性的生物基來源顆粒，優(yōu)化納米顆粒制備技術(shù)和改性手段，利用復(fù)合顆粒協(xié)同穩(wěn)定乳液的作用，在擴(kuò)大生物基來源顆粒乳化劑在食品、藥物、化妝品、材料和紡織涂料等領(lǐng)域應(yīng)用的同時(shí)，可開發(fā)如污水處理、石油和造紙等領(lǐng)域的新的應(yīng)用。