生物質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液

張 婷 賴河宇 王 琴 柳旭澤 郭舜遠 方 云*

(1.江南大學化學與材料工程學院，江蘇無錫，214122；2.江南大學至善學院，江蘇無錫，214122)

乳液在食品、藥品、化妝品和石化工業等領域中有眾多應用。傳統乳液通常由表面活性劑穩定，因而直接或間接導致環境污染和回收困難等問題[1]。近年來，固體顆粒因其低毒性、低成本而成為小分子乳化劑的替代品，其穩定的乳液稱為Pickering乳液[2]。解釋Pickering乳液的穩定性一般依據固體顆粒界面膜理論或三維黏彈粒子網絡理論[3]，如圖1所示。前者認為，少量固體顆粒在油–水界面上不僅排列形成類似剛性球殼的膜阻礙乳液滴相互碰撞，而且其帶電性也增加了乳液滴間的斥力，進一步促進Pickering乳液的穩定性；后者認為較高濃度的顆粒分布在連續相中形成三維網狀結構，也會阻礙乳液滴彼此靠近和碰撞，從而有效地抑制乳液分層。

圖1 Pickering乳液的穩定機制

生物質顆粒來源廣泛，安全無毒，近年來因其良好的生物相容性而在Pickering乳液中扮演著非常重要的角色，主要包括多糖如纖維素納米晶體[4]、蛋白質如s–卵清蛋白[5]，以及復合生物分子[6]等。一些應用場合需要Pickering乳液顯示環境響應的有限穩定性，例如以Pickering乳液作為藥物傳輸系統(DDS)，包封藥物時需要穩定，而藥物釋放時需要快速破乳或者通過粒徑的變化實現緩控釋，因此具有環境刺激響應性的Pickering乳液具有非常重要的作用。生物質顆粒具有這種功能，因此推動了刺激響應型Pickering乳液的發展。

1 生物質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液

多糖是自然界中最豐富的生物聚合物。常用作Pickering乳化劑的多糖包括殼聚糖、纖維素和淀粉[6]，蛋白質則是另一類主要的生物聚合物；以下將分別介紹基于殼聚糖、纖維素、淀粉和蛋白質穩定的刺激響應型Pickering乳液的穩定機制、刺激響應機制以及研究進展。

1.1 殼聚糖顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液

殼聚糖(CTS)來源于天然幾丁質，可再生、無毒并且具有良好的生物相容性，是許多食品的添加劑以及膳食的補充劑。由于CTS本身具有高親水性，因此一般不直接作為乳化劑使用。但CTS分子主鏈中存在化學活性較高的羥基和氨基，較易通過化學修飾使其同時具有親水性和疏水性[7]。Ren等[8]在酸性條件下，使含硒的陰離子表面活性劑11-(丁基硒烯基)十一烷基硫酸鈉(C4SeC11S)與CTS通過靜電吸引作用，結合形成CTS-C4SeC11S復合物，該復合物進一步自締合成具有親–疏水性的微米顆粒，借此來穩定O/W型Pickering乳液。CTS和C4SeC11S結構式如圖2所示。因為C4SeC11S具有氧化還原響應性，所以當添加一定量的H2O2時，C4SeC11S被氧化失活，乳液油滴逐漸增大直至破乳。破乳的時間受H2O2劑量的影響，劑量越少破乳時間越長。此外，該Pickering乳液還具有pH響應能力，在pH 6.7～7.7時，CTS胺基的質子化度(δ)為1.4%～15%，此時，C4SeC11S在CTS上的吸附量較少，所以CTS-C4SeC11S的疏水相互作用不能誘導自締合，故不能進一步自締合形成顆粒乳化劑穩定Pickering乳液；而在pH＜6.7和pH＞7.7時，CTS-C4SeC11S均能形成顆粒并穩定Pickering乳液。這是因為在pH＜6.7時，CS中胺基的δ＞15%，因此C4SeC11S可以通過靜電吸引作用很好地吸附在CS上對其進行現場疏水改性；而在pH＞7.7時，盡管CTS胺基的δ＜1.4%，但是由于分子間氫鍵的相互作用，C4SeC11S的結合使CTS仍然能夠自締合并形成顆粒乳化劑。因此，可以通過調節pH使該乳液在穩定和不穩定的狀態之間發生轉變。這種多重響應Pickering乳液能夠作為化妝品、食品中一些功能成分的輸送媒介，因而受到關注。

圖2 殼聚糖(CS)和C4SeC11S的分子結構

pH和溫度是較易實施的響應系統。Wang等[9]將CTS、交聯劑MBA和異丙基丙烯酰胺(NIPAM)混合制備得到CTS-g-PNIPAM共聚物，然后通過高速均質油–水分散液得到Pickering乳液。由于PNIPAM鏈對pH和溫度均較為敏感，所以該乳液同時具有pH和溫度響應性，如圖3所示。此外，將該乳液置于25～40℃下，通過3次交替地升高和降低溫度，可以發生可逆破乳與再乳化。該體系還能實現CTS–g–PNIPAM微凝膠的重復利用，為殼聚糖顆粒穩定刺激響應型Pickering乳液提供了一種新思路。

圖3 CTS—g—PNIPAM穩定的異辛醇/水Pickering乳液的pH和溫度響應性

1.2 纖維素顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液

纖維素是一種來源豐富的生物大分子，富含于麥草、甘蔗渣和竹纖維等中[10]。纖維素具有良好的生物相容性和可再生性，是食品、化妝品和DDS等領域中理想的天然材料。然而，大部分纖維素潤濕性較差，難以直接用來穩定Pickering乳液。近年來，開始通過物理改性或化學改性的手段獲得具有良好潤濕性的纖維素顆粒，并用于穩定Pickering乳液；同時致力于開發基于纖維素顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液，以期拓寬其應用范圍。納米纖維素晶體(CNC)(一類纖維素酸水解產物)是用于制備刺激響應型Pickering乳液的具有廣闊前景的材料。但是，CNC分子中富含的羥基導致其親水性較強，限制了它們的乳化能力。目前，有一些研究使用共價修飾的方法進一步增強CNC的疏水性[11]。為了簡化修飾過程，Ren等[12]通過控制CNCs-COOH與熱敏性的聚醚胺M2005之間的靜電吸引作用，制備得到了具有生物降解能力的CNCs–M2005復合物。制備過程如圖4所示。具有部分疏水性的M2005提高了CNCs的乳化能力，用其乳化水–正十四烷混合物形成O/W型乳液，該乳液液滴形態和大小在一個月內基本保持不變；在溫度升至60℃ 20 min后，由于CNCs-M2005的聚集，發生了完全的相分離；在20℃時持續通CO220 min后， CNCs-M2005分解為CNCs-COOH和M2005＋而導致乳液發生破乳，機制如圖5所示。溫度和CO2誘導乳化和破乳的過程可以可逆操作3次而沒有任何效率損失。這是首例報道的基于纖維素顆粒穩定的CO2和溫度雙響應Pickering乳液，顯示在可控藥物輸送、食品和化妝品等領域的潛能。

圖4 CNCs—COOH和CNCs—M2005的合成

圖5 Pickering乳液的CO2響應原理

1.3 淀粉顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液

大部分淀粉顆粒較親水，無法直接作為Pickering乳化劑，因此需要通過改性來賦予其良好的乳化性能。淀粉改性常用的方法有兩種，即減小粒徑和提高疏水性。為了賦予淀粉納米顆粒(SNP)環境響應性，則可以在SNP上接枝一些具有刺激響應性能的聚合物。Pei等[13]使用圖6所示策略制備SNP–g–PNIPAM作為Pickering乳化劑。PNIPAM是最常用的熱響應性聚合物之一，它在水溶液中可以發生可逆相變，因此通過改變溫度，用上述顆粒穩定的Pickering乳液可以可逆地乳化/破乳。除了在淀粉顆粒上接枝聚合物外，還可以將淀粉顆粒與其他具有刺激響應性的生物質顆粒復合，以此來穩定Pickering乳液[14]。

圖6 從Br—SNP表面接枝聚合物的合成策略

1.4 蛋白質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液

蛋白質是生物細胞和組織的重要成分，一些種類的蛋白質顯示了優異的乳化性能，因此各種基于蛋白質顆粒穩定的Pickering乳液在食品、化妝品和生化行業中具有創新性應用的前景。迄今為止，對該類乳液的研究還十分有限，并且大多數研究集中在玉米醇溶蛋白(zein)和麥醇溶蛋白等醇溶性植物蛋白和大豆蛋白、乳鐵蛋白等水溶性蛋白方面[15]。另外，基于蛋白質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液的報道更加有限，且多集中在單刺激響應系統上。Xi等[16]使用源自酪蛋白的NaCas穩定乙酸乙酯–水分散體系并制得O/W型Pickering乳液。NaCas在中性和弱堿性條件下(pH≈8.0)會自動締合成直徑為20～40 nm的球形膠束，可以穩定乳液；當pH≈5.1時這些膠束會形成簇狀結構，最終沉淀并造成破乳；而當pH回調至8.0時，這些沉淀物又會復原成20～40 nm的球形膠束進而穩定乳液，如圖7所示。NaCas在不同pH下可逆的締合和沉淀行為，為Pickering乳液引入了pH響應性，并且這種可逆行為可以持續至少5個循環，理論上可以實現乳化劑的回收和再利用，為制備可回收乳化劑以及有效綠色地分離產品提供思路。

圖7 NaCas穩定的乙酸乙酯—水Pickering乳液的pH響應性能

2 生物質顆粒穩定的Pickering乳液的應用

目前，針對生物質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液應用的報道較少，主要集中在生物質顆粒穩定Pickering乳液的應用上。

2.1 醫療領域

近年來，人們致力于開發更有效的用于癌癥治療的藥物輸送載體，以減少在癌癥治療過程中的副作用，同時提高藥物的療效。生物質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液因具有獨特的優勢(如良好的生物相容性、刺激響應性、可包封不同的化合物)而廣受研究者們的青睞。Low等[17]報道了一種以Fe3O4和纖維素納米晶體(MCNC)復合顆粒穩定的具有磁響應性的Pickering乳液(MCNC–PE)，并以此來包封姜黃素(CUR)。實驗結果表明，磁場不僅會觸發CUR的釋放，還能進一步提高MCNC–PE中CUR的釋放速率，增強對模擬的直腸癌細胞的抗癌作用。因此，生物質顆粒穩定的Pickering乳液可以通過調控外部環境進而觸發治療藥物的釋放，是一種有效并具有發展前景的藥物傳輸系統。

2.2 食品領域

目前作為Pickering乳液的生物基乳化劑主要包括多糖、蛋白質以及復合生物基分子。黃油蛋糕是現在非常受歡迎的甜點和休閑食品，但黃油因脂肪含量過高容易導致人體肥胖和一些其他疾病的產生。Feng等[18]將富含肉桂精油的以玉米醇溶蛋白納米顆粒穩定的Pickering乳液部分代替黃油蛋糕中的黃油，降低了蛋糕的能量，使得蛋糕的口感更加綿密、質地更加均勻、顏色更加持久；并且包封的肉桂精油為黃油蛋糕引入了更強的抗菌能力，延長了蛋糕的保質期。所以，生物質顆粒穩定的Pickering乳液在冰激凌、巧克力、蛋糕等甜品的制備中可以提高產品的安全性和穩定性，使產品的口感更加綿密、質地更加均勻、保質時間延長。

2.3 日化領域

Pickering乳液可以用來包封個人護理用品中具有生物活性的功能成分，以此提高產品的穩定性和功效性。由于消費者對安全和綠色產品的需求不斷增加，生物質顆粒穩定的Pickering乳液在化妝品行業受到關注。Sharkawy等[19]使用殼聚糖/阿拉伯膠納米顆粒穩定Pickering乳液，以此包封反式白藜蘆醇。在離體條件下，發現該體系提高了皮膚對白藜蘆醇的吸收能力和滲透能力，這使得在不使用任何化學滲透促進劑的情況下保持較好的美容效果。此外，該Pickering乳液的包封導致白藜蘆醇的光穩定性增加，提高了白藜蘆醇的穩定性。生物質顆粒穩定的Pickering乳液提高了個人護理用品的安全性、穩定性和功效性，拓寬了個人護理用品的適用條件。

3 結語

目前，雖然以生物質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液還局限于實驗研究階段，大多數尚未投入實際應用，但隨著人們對“美”和“健康”的標準日益提高，以生物質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液將會在未來的食品、化妝品和醫療領域占領一席之地。隨著當前科技的發展和進步，對生物質顆粒穩定的刺激響應型Pickering乳液的要求也在不斷提高，進一步開發具有多重刺激響應型Pickering乳液值得更多的研究和關注。