蛋白質基Pickering乳液的研究進展

姜曼

(濟寧職業技術學院 生物與化學工程系，山東 濟寧，272037)

乳液由2種或2種以上不混溶液體組成，一般分為分散相和連續相[1]。常規乳液是熱力學不穩定的，各種物理化學作用會破壞其穩定性，并造成分層[2]。常規乳液通過表面活性劑或兩親性聚合物穩定，它們可降低油水界面張力并在液滴周圍形成分子膜，用于動態穩定、延遲或避免乳液的相分離[3]。除分子乳化劑外，固體粒子(納米/微米級粒子)也可以用作乳液穩定劑。在20世紀初期，RAMSDEN和PICKERING發現固體粒子可以在乳液聚合過程中起穩定作用[4]，該粒子被命名為Pickering粒子，由其穩定的乳液稱為Pickering乳液[5]。相比于小分子表面活性劑，由Pickering粒子穩定的乳液具有穩定性強和安全性高等優點，在抗Ostward熟化和活性物質的包封及釋放等方面有良好的應用潛力[3-6]。因此對Pickering粒子深入研究并且進行商業化生產和實際使用具有重要意義。

1 Pickering乳液穩定機理

Pickering乳液的主要優點是高抗聚結性，這是由于Pickering粒子在油水界面的強烈吸附，其機理與經典乳液穩定的機理大不相同，因為Pickering粒子不是強制性的兩親性[1]。固體粒子穩定Pickering乳液的機理可總結為：粒子應被連續相和分散相部分潤濕，但不溶于任何一相；粒子應保持部分潤濕，以獲得足夠的界面吸附效率；粒子粒徑應至少小于目標乳液粒徑一個數量級[7]。

1.1 固體粒子的潤濕性

Pickering粒子的潤濕性，決定了粒子在油水界面的吸附能力。如常規乳化劑的兩親性(親水親油平衡值)一樣，固體顆粒的潤濕性是Pickering乳液形成和穩定的關鍵特性[8]。粒子的潤濕性一般由粒子在油/水界面的三相接觸角(θ)評定。θ的大小決定粒子的親水性或疏水性以及乳液的類型。單個粒子在油水界面的位置由θ決定，用經典楊氏方程(classical Young’s equation)表示,如公式(1)所示：

cosθ=(γpo-γpw)/γow

(1)

式中：γpo，粒子/油相界面張力；γpw，粒子/水相界面張力；γow，油/水界面張力[9-10]。當θ<90°時會形成水包油型Pickering乳液(圖1-a)；當θ>90°時會形成油包水型Pickering乳液(圖1-b)。通常當θ=90°時，可以制備最穩定的Pickering乳液；當θ接近0°或180°時，不能形成Pickering乳液[11]。三相接觸角是決定單個粒子相對于油水界面的位置以及乳液類型(水包油型或油包水型)的最重要參數。如果粒子優先被水相潤濕(θ<90°)，由于粒子對兩相的親和性不同，粒子吸附在界面上，并傾向于向親和性較差的一相(油相)彎曲，這種情況有利于穩定水中的油滴，因此穩定水包油型乳液。

a-θ<90°，親水型粒子;b-θ>90°，親油型粒子圖1 固體粒子在油/水界面的接觸角示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydrophilic or hydrophobic particles’contact angle

1.2 固體粒子間的空間位阻

Pickering乳液穩定化的定義為：分散的粒子聚集在油水界面形成空間屏障，保護乳液液滴不發生聚結。這種保護的程度取決于界面層粒子的堆積密度，以及從界面上清除吸附顆粒的難度。Pickering乳液的穩定機制主要是通過增加空間位阻、改變連續相的流變學性質或界面性質來穩定乳液[10]。空間位阻對于優先被連續相潤濕的吸附粒子更有效，因此這些粒子主要停留在液滴的外表面。Pickering乳液良好的穩定性也是由于粒子不可逆的界面吸附作用[12]。為了防止乳液聚集，粒子通過其潤濕性在油水界面上形成致密的顆粒界面膜[13]。對于位于油水界面的半徑為r的單個球形粒子，其在油水界面上的解吸能(ΔE)用公式(2)表示：

ΔE=πr2γow(1-|cosθ|)2

(2)

式中：r，粒子半徑；γow，油水界面界面張力；θ，三相接觸角[7]。當三相接觸角θ為90°時，即使相對于較小的粒子(r=10 nm)，其解吸能比布朗運動的熱能也要大幾個數量級，說明粒子在油水界面處的吸附過程是不可逆的[14]。因此，Pickering乳液有更優良的穩定性。除此之外，Pickering乳液的穩定性還容易受到許多因素的影響，例如電解質的存在、連續相的pH、固體粒子的形狀和濃度[15-16]等。

2 蛋白質納米粒子穩定Pickering乳液

與傳統乳液相比，Pickering乳液不含任何表面活性劑，具安全穩定的特性[17-18]。考慮到食品安全的問題，無機粒子(例如SiO2)的應用也受到很大限制。因此更趨向于選用食品級粒子(例如多糖、蛋白質和脂質)穩定 Pickering乳液[19-20]。由于天然來源的食品級粒子具有很高的安全性，且食品級納米顆粒不僅可以降低界面張力，促進穩定乳液的形成，而且它們的形狀、長寬比和形態還具有相當大的可變形性[21]。但并不是所有的食品聚合物都適合作為Pickering粒子，因為在乳液體系的使用壽命內，粒子必須在兩個相中保持不溶性和完整性[7,18]。由于蛋白質的兩親性及其構象的可調節性，蛋白質可以很容易地轉化為粒子，并用于生產食品級的Pickering乳液[1,22]。且由于自然界中蛋白質的多樣性，可以制備具有不同特性的乳液，蛋白質除了具有理想的功能特性外，還具有不可替代的營養價值[23-24]。

蛋白質顆粒通常是通過改變溫度、pH、粒子強度、剪切力、壓力等，對動物蛋白或植物蛋白進行物理、化學或酶修飾，以提高其溶解度和其他功能特性，通過蛋白質-蛋白質、蛋白質-多糖、蛋白質-多酚復合，進而提高Pickering乳液的穩定性。

2.1 植物蛋白Pickering顆粒

與動物蛋白相比，植物蛋白具有成本低、來源廣、致敏性低等優點。谷物是植物蛋白的豐富來源，但作為Pickering粒子，谷物蛋白較大的分子質量及較低的溶解性限制了其在食品中的應用。研究人員對谷物蛋白進行了物理、化學或酶修飾，以提高其溶解度和其他功能特性。

大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)在乳化、凝膠、結合水能力、脂肪吸收和抗氧化等營養保護方面具有良好的物理化學功能[25]。有研究表明,同未加熱的SPI或乳清蛋白納米顆粒穩定的Pickering乳液相比，熱誘導處理的SPI和乳清蛋白納米顆粒具有更好的凍融穩定性[26]。SPI的納米顆粒可通過熱誘導聚合反應以及與各種化合物和酶的交聯反應制備。當Pickering乳液經過凍融循環時，由于乳液的表觀黏度增加以及油滴的聚結，乳液的穩定性可能會受到影響。MUNARI等[1]采用高壓均質和超聲處理的方法，對SPI進行變性處理，制備出不同鹽含量的SPI微凝膠顆粒，用于穩定低含油量的水包油乳液。ZHU等[27]將SPI在95 ℃水浴加熱15 min，冷卻后向其中加入NaCl(靜電屏蔽作用)，結果表明,通過加熱和加入電解質可以改善SPI納米顆粒的凍融穩定性。也有研究用新型非熱法制備SPI納米粒子作為有效的Pickering穩定劑，LIU等[28]通過Ca2+誘導聚集和戊二醛交聯制備納米顆粒，該顆粒穩定的乳液抗聚結穩定性提高，即制備的SPI納米顆粒可作為一種有效的Pickering穩定劑。金蓓等[29]通過光催化技術制備SPI納米顆粒，所得到的乳液具有更高的界面蛋白吸附量和較厚的界面膜，并表現出良好的離心穩定性和貯藏穩定性。

玉米醇溶蛋白(zein)富含非極性氨基酸，因此對水分和氧氣具有極強的抵抗力[30]。這種類型的水不溶性植物蛋白適用于穩定乳液，因為它們既不溶于水，也不溶于常用油。此外已證明zein顆粒在穩定Pickering乳液中的功效[31]。zein常用于穩定以水為連續相的水包油乳液。但由于zein的強疏水性，其納米粒子穩定的Pickering乳液穩定性較差，在儲藏過程中易發生破乳現象[32]，故通常對zein進行改性以形成穩定性較好的Pickering顆粒。ZHAO等[33]運用反溶劑法制備zein納米顆粒，并將其與沒食子酸相互作用,用于包封酚類抗氧化劑，研究在Pickering乳液中zein顆粒調節酚類抗氧劑的分布和氧化穩定機理。結果表明，在zein顆粒調節乳液氧化穩定性的物理屏障效應方面,沒食子酸的濃度起著主導作用，zein納米粒子的大小和電荷也是影響酚類抗氧化劑分布的重要因素。除此之外，吳滋靈等[34]發現經超聲處理的小麥醇溶蛋白，可以使其穩定的Pickering乳液穩定性明顯增強。劉興麗等[35]將馬鈴薯蛋白制成微凝膠顆粒穩定Pickering乳液，發現微凝膠顆粒可顯著提高其乳化活性和穩定性。

2.2 動物蛋白Pickering顆粒

當前用于穩定Pickering乳液的動物蛋白顆粒主要來源于哺乳動物酪蛋白(casein,CN)和乳清蛋白,二者均具有獨特的結構特征和高表面活性。

CN因其優異的兩親性、來源廣泛、價格低廉和低變應原性而被用作穩定劑。BI等[36]用超聲處理CN，使CN分子松散,從而誘導形成穩定的Pickering高內相乳液。CHEN等[37]將CN與戊二醛交聯得到CN納米凝膠，發現在一定的pH和離子強度條件下，所形成的凝膠顆粒的表面電勢接近中性時，可有效地吸附在油水界面上，即使在高溫下也能形成穩定的水包油型Pickering高內相乳液。WANG等[38]研究新型CN顆粒，即使用CN形成2種顆粒：一種是由CN與京尼平(genipin,GP)交聯形成CN-GP顆粒；另一種是由CN與Ca2+交聯，再與GP共價交聯并通過酸化去除Ca+2形成CN-Ca-GP顆粒。并用得到的2種顆粒與未經處理的CN顆粒作對比，結果表明,使用CN-GP顆粒與CN-Ca-GP顆粒穩定的乳液在儲存30 d后，粒徑沒有顯著變化，而CN穩定的乳液的平均粒徑卻有明顯的增加。掃描電鏡圖像表明，CN-GP或CN-Ca-GP可以在油滴的界面處緊密堆積形成穩定的界面膜。

乳清分離蛋白具有優良的乳化性，這種蛋白質混合物被廣泛用作食品中的乳化劑/穩定劑。但是食品加工過程中的熱處理會導致乳清分離蛋白變性，從而導致乳液不穩定[39]。為解決這個問題，有研究[40-41]通過熱誘導得到了有良好的抗熱穩定性的乳清分離蛋白顆粒。除此方法外，高靜水壓也可誘導乳清分離蛋白凝膠化。LV等[42]通過高靜水壓處理和均質化制備了乳清分離蛋白凝膠顆粒，發現在pH為5時，乳清分離蛋白凝膠顆粒在油滴表面形成了緊密堆積的顆粒層，并且儲存3 d后乳液仍然保持穩定。除此之外，XU等[43]使用一步剪切法制備S-卵清蛋白穩定的凝膠顆粒，經過處理的凝膠具有很強的自支撐能力和可塑性，并且具有良好的貯存穩定性和抑制脂質氧化的能力，在包裝和保護揮發性、易氧化或危險的有機液體方面具有巨大的潛力。

2.3 復合蛋白顆粒

通常，動植物蛋白顆粒可以用作良好的Pickering穩定劑。但天然的蛋白需要通過物理處理、交聯、熱變性等提高這些蛋白質穩定Pickering乳液的有效性。此外，提取和純化用作Pickering穩定劑的蛋白質的成本可能很高。這兩個問題對于僅由蛋白顆粒構成Pickering乳液的穩定劑來說，仍為很大的挑戰。因此通常將蛋白質與多糖、多酚復合以改變其結構和功能，從而使所得的顆粒更好地穩定Pickering乳液[31]。其中蛋白質與多糖/多酚的結合有共價和非共價兩種方式。共價結合是高度特異性和不可逆的，而非共價相互作用是非特異性和可逆的。

2.3.1 蛋白質-多糖Pickering顆粒

通常多糖和蛋白質由于流變特性和物理穩定性而在食品中共存。許多類型的多糖，例如黃原膠、阿拉伯膠和甜菜果膠等,已被用作食品工業中的天然乳化劑。它們具有的增稠和凝膠特性以及陰離子官能團，可以增加液滴表面之間的靜電和空間排斥力來防止液滴聚集。多糖改善蛋白包被的油滴穩定性的能力取決于蛋白質與多糖的性質(例如電荷和結構)以及環境的條件(例如濃度和pH)[44]。SANTOS等[45]使用新型黃原膠-玉米醇溶蛋白復合物穩定的食品級水包油型Pickering乳液，黃原膠的添加將乳液從牛頓型流體變為假塑性流體(剪切稀化)，使乳膠黏彈性、穩定性增加，且添加黃原膠的納米顆粒在乳液液滴表面形成一層更致密的覆蓋層，從而保護液滴免受氧化或環境因素的影響。ZHANG等[46]發現卵清蛋白-海藻酸鈉復合可提高Pickering乳液穩定性。此外，添加多糖的SPI顆粒也會改變其穩定乳液的能力，研究發現SPI分別與TEMPO氧化細菌纖維素[47]、殼聚糖[20]等復合成納米粒子，所形成乳液的穩定性都有所提高。

2.3.2 蛋白質-多酚Pickering顆粒

由于蛋白質對中等極性的多酚具有天然親和力，兩者通常以共價或非共價的方式結合，形成的復合物具有預防某些慢性疾病和改善新陳代謝的能力。陳雨桐[48]通過反溶劑法制備了小麥醇溶蛋白納米顆粒，并通過共價和非共價方法制備了2種復合納米顆粒。當單寧酸與小麥醇溶蛋白通過共價形式結合時，更接近中性濕潤性，所形成的的乳液在包封β-胡蘿卜素時，提高了β-胡蘿卜素的光穩定性和物理穩定性。鞠夢楠等[49]通過SPI與花青素共價復合形成納米顆粒，結果表明添加花青素的納米顆粒和乳液更加穩定，當添加花青素含量為0.15%時形成的乳液較為穩定，且液滴不易發生聚集。ZEMBYLA等[50]使用一種新的方法來穩定油包水乳液，通過多酚顆粒吸附在油側、蛋白質顆粒吸附在水側，多酚顆粒與界面蛋白之間的靜電吸引，使其在界面處形成較穩定的膜結構，進而顯著改善了乳液穩定性。

3 總結與展望

近年來，Pickering乳液受到了較多的關注，Pickering乳液的應用已擴展到多種領域。但單一的天然食品級Pickering顆粒不能提供良好的潤濕性，因此對其改性處理或修飾，使其在油水界面可形成較穩定的膜。本文主要綜述了蛋白Pickering顆粒的種類和改性的方法。在Pickering乳液及其衍生物的各種應用中，Pickering顆粒的不同特性使其穩定的乳液具有不同的功能，它們不僅可以穩定乳液，也提供了抗氧化性、紫外線保護、環境響應性甚至是電磁特性，為其穩定的乳液提供更廣泛的應用空間。但如今的研究多為單一的油包水或水包油乳液，對于油包水包油或水包油包水的研究較為少見，未來可以較多的向雙重乳液領域研究。由于Pickering粒子在對活性物質載運釋放方面有較好的效果，因此可以更廣泛地應用在醫藥領域，對一些較易氧化、不穩定的活性物質進行包埋。在化妝品領域通常會面臨由表面活性劑引起的皮膚刺激和過敏問題，由于食品級顆粒穩定的Pickering乳液安全性較好，可借鑒相關研究經驗改善此類問題。這些研究為Pickering顆粒在制藥、生物化學、食品和化妝品領域的應用提供了理論與技術支持。