多糖/蛋白顆粒基Pickering乳液性能調(diào)控及應用研究進展

許 威,吳冠辰,李志帆,江 靈,李芃琳,李翠平,羅登林

(1. 信陽師范大學 生命科學院, 河南 信陽 464000; 2. 河南科技大學 食品與生物工程學院, 河南 洛陽 471023)

0引言

乳液是由兩種互不相容液體組成的均勻分散體,其中一相以小液滴的形式分散到另一相中,屬于熱力學不穩(wěn)定體系[1]。傳統(tǒng)乳液通常是由表面活性劑或兩親性聚合物穩(wěn)定,在石油、化工、材料等領域應用廣泛[2]。但表面活性劑對人體的毒副作用和對環(huán)境的污染,限制了它在食品、醫(yī)藥、化妝品等領域的廣泛使用,而Pickering乳液是由顆粒穩(wěn)定的,可以避免傳統(tǒng)乳液的缺點。

20世紀初期,研究者發(fā)現(xiàn)膠體顆?？勺园l(fā)地組裝到不混溶的兩相之間,并形成有效的界面屏障,使分散相以液滴的形式存在于連續(xù)相中,這種以膠體或者固體顆粒穩(wěn)定的乳液被稱為Pickering乳液[3]。隨著營養(yǎng)健康的飲食追求及安全可持續(xù)的綠色消費理念全球化,成分天然、安全無毒及穩(wěn)定性高的Pickering乳液在各領域的應用越來越廣泛[4-5]。相較于傳統(tǒng)乳液,Pickering乳液可有效避免表面活性劑對人體或環(huán)境的毒副作用,更高的抗聚結(jié)和抗奧氏熟化能力使Pickering乳液具有良好的穩(wěn)定性,可有效延長產(chǎn)品貨架期。此外,獨特可控的流變性質(zhì)使Pickering乳液能夠提供產(chǎn)品所需質(zhì)地與黏度,賦予產(chǎn)品更好的感官體驗[6-8]。因此,Pickering乳液在生物活性成分的包埋、增溶和提高環(huán)境敏感型物質(zhì)生物利用率等方面展現(xiàn)出較大的應用潛力。

Pickering乳液通過固體顆粒在液滴表面吸附形成界面膜來穩(wěn)定,屬于熱力學穩(wěn)定體系[9],相較于傳統(tǒng)乳液可有效對抗液滴絮凝、聚結(jié)、奧斯特瓦爾德熟化等不穩(wěn)定現(xiàn)象,還可減少乳化劑的使用,降低生產(chǎn)成本[10]。對Pickering乳液性能進行調(diào)控可用來制備多功能化乳液產(chǎn)品,滿足人們?nèi)粘Ｋ?。影響Pickering乳液性能的因素很多,其中,具有天然高分子電解質(zhì)、良好生物相容性的蛋白質(zhì)和多糖因優(yōu)異的界面活性和乳化性能備受關注[11-12]。因此本文著重介紹多糖、蛋白質(zhì)、顆粒穩(wěn)定劑濃度等因素對Pickering乳液性能的調(diào)控。此外,還從包埋、增溶、提高環(huán)境敏感型物質(zhì)生物利用率等方面介紹Pickering乳液的應用,為構(gòu)建新型食品體系提供思路。

1 Pickering乳液結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控

顆粒吸附在液滴表面形成一層/多層界面膜穩(wěn)定Pickering乳液,該界面膜可保護液滴免受擠壓或剪切等作用的影響,還可提高連續(xù)相的黏度降低乳液流動性,保護乳液不受重力分離、絮凝、聚結(jié)和奧斯特瓦爾德熟化等物理化學機制的影響[13]。多糖、蛋白質(zhì)、顆粒穩(wěn)定劑濃度和油相體積分數(shù)等因素可調(diào)控Pickering乳液的結(jié)構(gòu)與性能,以期創(chuàng)造出具有理想功能特性的產(chǎn)品。

1.1 多糖對Pickering乳液的調(diào)控

多糖經(jīng)物理化學改性或耦合其他生物大分子可改變?nèi)橐航缑嫘再|(zhì),還可在連續(xù)相形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),進而對Pickering乳液的穩(wěn)定性、黏彈性等性能進行調(diào)控。天然高分子多糖通常具有親水性,可與疏水性較強的生物聚合物結(jié)合形成潤濕性適中、具有更強界面活性的復合顆粒穩(wěn)定劑。顆粒穩(wěn)定劑吸附在油滴周圍形成有效的空間屏障阻礙液滴之間發(fā)生聚集,用于Pickering乳液中液滴界面的穩(wěn)定。當疏水和靜電相互作用可提供足夠強的吸引力時,多糖可在兩個或多個液滴之間形成橋聯(lián)來促進絮凝。XU等[14]研究發(fā)現(xiàn)菊粉和魔芋葡甘露聚糖具有調(diào)節(jié)乳液穩(wěn)定性和流變性能的潛力。經(jīng)辛烯基琥珀酸酐(osa)改性的非溶劑沉淀淀粉如芋頭淀粉具有較好的乳化特性,其穩(wěn)定的Pickering乳液的黏彈性、離心穩(wěn)定性及貯藏穩(wěn)定性均逐漸提高[15]。王小鳳等[16]通過簡單的研磨工藝對玉米淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進行改性后制備的乳液在長達6個月的儲存期間表現(xiàn)出抗聚結(jié)穩(wěn)定性。玉米淀粉與對甲苯磺酰氯和棕櫚酰氯發(fā)生酯化反應,玉米淀粉中的羥基被疏水基取代后制備的疏水淀粉酯基納米粒子具有適當?shù)臐櫇裥院透叩挠退缑嫖?使其在穩(wěn)定乙酸乙酯-淀粉分散液的水滴中避免聚集以及在乙酸乙酯中崩解[17]。

多糖通過物理相互作用,實現(xiàn)Pickering乳液性能的調(diào)控。在環(huán)境誘導(溫度、離子強度、pH)下多糖的特性會受到影響,進而調(diào)控乳液性質(zhì),如NaCl的添加導致靜電屏蔽的產(chǎn)生,使明膠顆?；鵓ickering乳液液滴粒徑增大,乳液乳化分層加快,但隨著離子強度增加到100～500 mmol,液滴之間的相互作用得到改善,液滴粒徑和穩(wěn)定性隨著處理時間的延長而增加[18]。由改性藜麥淀粉穩(wěn)定的水包油Pickering乳液在pH3～8和鹽離子濃度0～2 mol/L下可保持較好的穩(wěn)定性[16]。

1.2 蛋白質(zhì)對Pickering乳液的調(diào)控

蛋白質(zhì)與多糖通過靜電、疏水、氫鍵等分子間作用力及復凝聚和美拉德反應等形成復合物,可改善蛋白質(zhì)顆粒在油水界面的位置,形成有效的空間屏障阻止液滴絮凝,還可耦合其他生物聚合物如多酚對Pickering乳液的剪切黏度、乳化穩(wěn)定性等特性進行調(diào)控,形成具有長期儲存穩(wěn)定性的Pickering乳液。水溶性蛋白質(zhì)通過靜電相互作用與相反電荷的多糖形成復合物、絡合物或共價交聯(lián)形成永久性復合物,對乳液的性質(zhì)產(chǎn)生影響[19],例如從界面油吸附的多酚晶體(帶負電荷)和從水側(cè)吸附的乳清蛋白(帶正電)之間的界面處產(chǎn)生靜電絡合物,界面剪切黏度大幅增加[20]。除靜電和疏水相互作用外,氫鍵也可參與復合納米顆粒的形成,通過調(diào)節(jié)pH值和熱處理形成的玉米醇溶蛋白/酪蛋白酸鹽/果膠復合物納米顆粒在胃腸道模擬條件下具有較高的穩(wěn)定性,可用于潛在口服給藥體系的建立,為構(gòu)建功能型乳液體系提供思路[21]。在pH3.5時,乳清分離蛋白與果膠(質(zhì)量比1∶2)發(fā)生復凝聚反應形成的復合物,可作為乳化劑制備均勻且具有良好貯藏穩(wěn)定性的甜橙油香精乳液[22]。溶菌酶(Ly)與黃原膠(XG)在非共價鍵作用下通過熱處理和酸堿誘導發(fā)生自組裝形成XG/Ly NPs,其表面含有大量的蛋白和兩親性基團,可快速吸附到界面層,降低表面能量以賦予乳液較好的乳化能力,還可與油相的相關組分相互作用形成致密的界面層,從而提高Pickering乳液的穩(wěn)定性[23]。

蛋白質(zhì)還可在物理場作用下充當穩(wěn)定劑的角色,改變?nèi)橐盒阅?如豌豆蛋白微凝膠通過在較大pH值和離子強度范圍內(nèi)阻止液滴聚結(jié)來穩(wěn)定Pickering乳液[24]。同時采用適當?shù)募庸ぬ幚?使蛋白質(zhì)黏度增加或凝膠化,可實現(xiàn)對Pickering乳液穩(wěn)定性的調(diào)控,如酸處理凝膠酪蛋白酸鹽[25],凝固的液滴或微球在水相中形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),乳液在低應力下呈固體狀,在中等應力下呈流體狀剪切稀化的特征,但在高應力下表現(xiàn)出過度的聚集和相分離。

1.3 顆粒穩(wěn)定劑濃度對Pickering乳液的調(diào)控

適當增加顆粒穩(wěn)定劑的濃度可提高乳液體系黏度,延緩液滴遷移,從而在一定程度上抑制聚集的發(fā)生,可有效抑制分散相和連續(xù)相的重力分離來實現(xiàn)Pickering乳液的穩(wěn)定,對于易揮發(fā)氧化的生物活性成分具有很好的保護作用[26]。當顆粒濃度較低時,形成的Pickering乳液液滴尺寸較大,相鄰液滴之間容易聚結(jié)和絮凝,穩(wěn)定性較差。隨著顆粒濃度的增加,乳化速度降低,布朗運動效應的存在使乳液液滴尺寸減小,液滴之間排列緊密且不易發(fā)生劇烈碰撞,油水界面形成較厚的顆粒吸附層,防止液滴發(fā)生聚結(jié)和絮凝,以此提高Pickering乳液的穩(wěn)定性[27]。當顆粒濃度增加到一定值時,液滴尺寸幾乎不再變化,界面層增厚形成具有牢固外殼的液滴,未吸附的顆粒在連續(xù)相中形成致密的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)賦予乳液類固體的性質(zhì)[28],可防止液滴之間發(fā)生碰撞、沉淀和聚結(jié),Pickering乳液的穩(wěn)定性不受影響。張興中等[29]以細菌纖維素納米纖維與海藻酸鈉復合物作為乳化劑制備O/W Pickering乳液,并通過鈣離子交聯(lián)形成乳液凝膠,凝膠強度隨復合物濃度的增加顯著增加。WANG等[16]以淀粉基納米顆粒為乳化劑制備的W/O Pickering乳液的穩(wěn)定性隨顆粒濃度的增加而增加。以片狀雙強氧化物顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液的分層穩(wěn)定性,隨顆粒濃度(0.5%～4.0%)的增加顯著增強[30]。然而顆粒濃度的增加有時也不利于乳液的穩(wěn)定,如酪蛋白酸鈉和亞麻籽膠穩(wěn)定的乳液中,質(zhì)量濃度0.1%亞麻籽膠下乳液穩(wěn)定性有所改善,而當濃度增加到0.2%～0.3%時,未吸附亞麻籽膠的增加導致耗盡吸引力的增加,直到足以克服液滴與亞麻籽膠之間的排斥相互作用發(fā)生絮凝而降低乳液穩(wěn)定性[27, 31]。

1.4 油含量對Pickering乳液的調(diào)控

對于O/W Pickering乳液,隨著油含量的增加,顆粒穩(wěn)定劑不足以穩(wěn)定油水界面,導致液滴尺寸變大,形成的界面層較薄抗破裂能力低,連續(xù)相中未吸附的顆粒減少,乳液容易發(fā)生聚結(jié)使液滴凝結(jié)成膏狀或沉淀物,穩(wěn)定性變差。油含量的增加還可導致乳液分散相體積分數(shù)增加,從而對乳液的流變性質(zhì)產(chǎn)生影響,例如由殼聚糖納米粒子穩(wěn)定的Pickering乳液隨d-檸檬烯濃度的增加(5%～25%),乳液黏度逐漸增加[32]。相反,降低油相體積分數(shù)可使顆粒乳化劑與油的接觸面積增加,乳液液滴尺寸減小而得到更加穩(wěn)定的Pickering乳液。對于W/O Pickering乳液則相反。甜橙油香精乳液的冷藏、凍融、pH和離心穩(wěn)定性隨含油量的增加而增強,熱穩(wěn)定性則隨之降低[22]。

1.5 其他因素對Pickering乳液的調(diào)控

環(huán)境因素(pH、離子強度、溫度等)、乳化劑的加入以及連續(xù)相中存在的游離表面活性劑分子等可防止液滴聚集、降低乳液界面張力并改善乳液的流變性能,最終實現(xiàn)Pickering乳液的穩(wěn)定。環(huán)境變化可影響液滴之間的靜電吸引或排斥作用的大小和范圍,在防止液滴聚集中起重要作用。通過控制pH值改變表面電荷或者鹽的加入,改變液滴之間的靜電斥力,可使液滴適度絮凝或沉降,這促進了顆粒穩(wěn)定Pickering乳液的形成和穩(wěn)定性[3, 30]。在以片狀雙強氧化物顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液中,乳液穩(wěn)定性隨鹽濃度的增加逐漸增強,當鹽濃度增加到1～2 mol/L時,乳液穩(wěn)定性保持不變[30]。溫度的變化對乳液的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響,乳清蛋白穩(wěn)定的乳液(pH7)液滴之間由于較強的靜電斥力具有抗絮凝穩(wěn)定性,但是當它們被加熱到70 ℃時變得不穩(wěn)定[27]。乳化劑的加入可與已經(jīng)位于界面上的另一表面活性劑或生物聚合物層,共存于界面,形成一層或多層厚的界面膜,得到穩(wěn)定性明顯改善的Pickering乳液[33]。

此外,連續(xù)相中存在游離的表面活性劑分子可提高連續(xù)相的黏度,它們在乳液液滴之間起“結(jié)構(gòu)劑”的作用[34],也可對乳液的流變性質(zhì)產(chǎn)生影響。例如木本植物培養(yǎng)基乳清蛋白微凝膠在連續(xù)油相中與多酚晶體形成聚集體,能夠抑制靜止狀態(tài)下的聚合,由其穩(wěn)定的W/O乳液在進行剪切和/或加熱條件下仍然保持穩(wěn)定[35]。

2 Pickering乳液的應用

2.1 包埋與遞送功能性生物活性成分

利用Pickering乳液可實現(xiàn)功能性活性成分的有效包埋與遞送,如具有良好著色、抗氧化和營養(yǎng)功能的天然色素β-胡蘿卜素[16]?；跉ぞ厶躯}酸鹽-羧甲基淀粉納米凝膠制備的O/W Pickering乳液可有效包裹和輸送β-胡蘿卜素,即使在儲存1個月并經(jīng)過紫外線處理后,Pickering乳液中β-胡蘿卜素的保留率也高于散裝油和吐溫80穩(wěn)定的乳液。熱處理后,Pickering乳液平均粒徑、ζ電位、β-胡蘿卜素保留率和微觀結(jié)構(gòu)無顯著差異[36]。由茶多酚/細菌纖維素納米纖維復合膠體顆粒制備的Pickering乳液可實現(xiàn)對維生素E的包埋和保護,包埋量大于7 mg/g的乳液在室溫下貯藏一周的維生素E包封率達80%以上[37]。

2.2 難溶性物質(zhì)的增溶

Pickering乳液對疏水性抗真菌化合物進行傳遞,提高其溶解度,以明膠顆粒制備的Pickering乳液對β-胡蘿卜素進行負載,37 ℃下儲存27 d后,其保留率由8%增加到了90%[38]。陳碩[39]研究發(fā)現(xiàn)短鏈醇、有機鹽等均能提高微乳體系中薄荷屬精油的增溶能力,其中丁醇作為一種短鏈醇,對薄荷屬精油微乳液的增溶效果最好。許威等[40]制備了黃原膠/溶菌酶納米凝膠(XG/Ly NPs)顆粒,并將該膠體顆粒穩(wěn)定的 Pickering乳液應用于結(jié)晶紫處理,發(fā)現(xiàn)Pickering乳液對結(jié)晶紫具有良好的吸附效果。

2.3 提高環(huán)境敏感型物質(zhì)的生物利用率和可及性

膠體顆粒穩(wěn)定劑可吸附在不混溶的兩相之間,形成獨特的界面結(jié)構(gòu),保護對環(huán)境(氧、熱或光等)較敏感的生物活性物質(zhì),實現(xiàn)可控釋放[16]。馮鑫等[18]構(gòu)建的明膠基Pickering乳液可負載β-胡蘿卜素并顯著改善其遇光降解的不穩(wěn)定性,該乳液于4 ℃儲藏30 d后仍可保留70%以上的β-胡蘿卜素。張璐璐[41]探究了Pickering乳液在模擬口腔-胃-小腸消化過程中釋放蝦青素的機制,該乳液在口腔中具有一定的穩(wěn)定性,在胃液中由于復合膠體顆粒中的氧化淀粉與β-乳球蛋白相互作用力減弱,會釋放出少量的蝦青素,進入小腸后乳液的膠粒界面層由于消化降解逐漸變薄,促使油相中蝦青素的釋放與吸收,提高了蝦青素的生物可及性。

3 展望

由固體顆粒在兩相之間形成界面膜包裹液滴穩(wěn)定的Pickering乳液,避免了由小分子表面活性劑穩(wěn)定的傳統(tǒng)乳液的潛在毒副作用、生物相容性等缺點,使之具有理想的穩(wěn)定性及在各領域中應用的潛力。Pickering乳液應用在食品、化妝品、醫(yī)藥等領域,在加工過程中避免不了環(huán)境的變化(包括加熱、冷凍、運輸?shù)冗^程),環(huán)境因素造成Pickering乳液失穩(wěn)的機制還尚未完全清楚。蛋白質(zhì)、多糖結(jié)構(gòu)復雜,其對Pickering乳液調(diào)控的機制還不清楚,同時Pickering乳液對負載營養(yǎng)物質(zhì)的釋放行為與體內(nèi)差異性有待進一步研究。