食品級W/O/W雙重乳液的穩(wěn)定性及應(yīng)用研究進展

付冬文,朱雨晴,成 策,陳 興,鄒立強,劉 偉

(南昌大學(xué)食品學(xué)院,食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,江西南昌 330047)

雙重乳液(double emulsion,DE),也常被稱為多重乳液(multiple emulsion,ME),是指乳液內(nèi)分散著更小的乳液系統(tǒng),可以看成乳液中的乳液,常見的類型W/O/W型和O/W/O型(圖1)。自Seifriz[1]在1925年首次發(fā)現(xiàn)DE結(jié)構(gòu)后,其便廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、化妝品和食品工業(yè)中。而在食品中W/O/W型DE遠(yuǎn)比O/W/O型應(yīng)用廣泛,故本文食品級DE泛指食品級W/O/W型DE。因W/O/W乳液的特殊結(jié)構(gòu),它具有以下幾個無法比擬的優(yōu)勢:制備低脂食品而不改變?nèi)橐涸械娘L(fēng)味[2];內(nèi)水相包埋活性成分保護其免受胃腸液等劇烈環(huán)境的破壞[3-4];控制包埋物的釋放[5-7];添加在食品中提高食品的性質(zhì)[8-10]等。

圖1 兩種DE的結(jié)構(gòu)示意圖

W/O/W型DE的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,內(nèi)水相的聚合、油滴的聚集和內(nèi)水相向外水相遷移都會導(dǎo)致其失穩(wěn)[30]。近些年的研究發(fā)現(xiàn)通過平衡內(nèi)外水相的滲透壓差,或?qū)⒋蠓肿游镔|(zhì)應(yīng)用于DE體系中都能很好提高其穩(wěn)定性[31-32]。兩步乳化法是制備W/O/W乳液的最主要方法,乳化手段有機械攪拌和膜乳化等,但是機械攪拌乳化耗能高、膜乳化效率低[33],極大限制了其應(yīng)用。此外,用于穩(wěn)定食品級DE的乳化劑常為生物大分子,如酪蛋白酸鈉(NaCN)[6,34-37]和乳清分離蛋白(WPI)[38-41]等,這些大分子用量較大且價格昂貴[4],進一步阻礙了DE的應(yīng)用。本文綜述了食品級W/O/W型DE的組成與制備方法、失穩(wěn)機制和提高穩(wěn)定性的手段及其在活性成分運載與食品體系中具體應(yīng)用,旨在為研發(fā)經(jīng)濟高效的乳化劑,推廣雙重乳液的市場化提供理論參考。

1 DE各相組成及其制備方法

1.1 各相組成

1.1.1 W1的組成 負(fù)載功能性成分是DE最主要的功能,功能性成分是W1相最主要的組成。電解質(zhì)在DE內(nèi)外水相穩(wěn)定中也必不可少。W1添加一定濃度的電解質(zhì)如NaCl和MgCl2可以平衡滲透壓,維持DE的穩(wěn)定,若濃度過低會導(dǎo)致W1膨脹,反之會導(dǎo)致W1收縮。此外,在W1添加NaCl可以增加其離子強度,進而平衡液滴間的拉普拉斯壓力、減少表面張力同時提高乳化劑在界面的吸附[41],Sapei[7]報道在W1中NaCl濃度為0%時制備的DE迅速乳析,其他組則很穩(wěn)定。近來有報道在W1添加一定濃度的MgCl2用于豆腐的制作[10],也有研究在W1運載磷酸鈣用于Ca2+的強化[42]。

在W1中添加食品級的生物大分子,如明膠[7,20,34,38,43-44]、WPI[38,45-46]、牛血清蛋白(BSA)[8,10]和NaCN[6]等,既能作為增稠劑提高乳液穩(wěn)定性,又能夠延緩包埋物質(zhì)的釋放[10,47]。

1.1.2 油相及親脂性乳化劑的組成 使用不同油脂和不同油相體積制備的DE穩(wěn)定性有很大差別[13,35],食品級DE的油相常為液態(tài)的可食用植物油,如大豆油[10,12,16,48]、玉米油[20,45,49]、葵花油[2,9,23,50-52]、菜籽油[22,53-54]和橄欖油[24,26,39,55]等,也有報道用富含亞麻酸的芡歐鼠尾草籽油[14]和紫蘇子油[56]作為油相,以補充膳食中的不飽和脂肪酸。

此外,親脂性乳化劑的性質(zhì)和濃度在很大程度上會影響乳液的穩(wěn)定性[30,57]。聚甘油縮合蓖麻醇酸酯(PGPR)是食品乳液工業(yè)中使用最廣的親脂乳化劑,用量在4%～8% wt之間,有報道在W1中添加吐溫可將其濃度降至1.25%wt[58]。但PGPR屬人工合成,且使用濃度超過5% wt時會影響食品感官。因此,近年研究專注于用天然親脂乳化劑取代PGPR,如Altuntas等[59]利用0.5% wt的磷脂取代PGPR,Balcaen等[60]用磷胺脂(AMP)和蔗糖酯(O～170)取代PGPR,都能明顯降低其用量。油相中疏水性活性物質(zhì)也會影響乳化劑的性質(zhì),Andrade等人[61]報道維生素D3和β-谷甾醇的添加能提高乳液穩(wěn)定性,他們將此歸結(jié)為疏水性成分與乳化劑發(fā)生了交聯(lián)增強界面張力。但是,上述的PGPR替代物的價格昂貴,難以在商業(yè)中推廣,所以開發(fā)綠色廉價的親脂乳化劑以取代PGPR是當(dāng)今食品從業(yè)者的巨大挑戰(zhàn)[31]。

1.1.3 W2的組成 為平衡內(nèi)外水相滲透壓梯度,W2需添加與W1相近濃度的小分子糖類或電解質(zhì)[62]。此外,還必需添加穩(wěn)定O/W的親水性乳化劑。與簡單的O/W乳液不同,DE油相已含有定量親脂乳化劑,它會與W2中的親水性乳化劑發(fā)生作用,且機制復(fù)雜難以控制[61],因此需控制W2中親水性乳化劑種類與濃度。食品DE中常用的親水性乳化劑有小分子表面活性劑、生物大分子、蛋白-多糖復(fù)合物和食品級粒子等[21],隨著綠色食品理念的加強,生物大分子逐漸成為主流。食品中常用的食品級生物大分子乳化劑有蛋白如WPI、NaCN、明膠和BSA,親水膠體乳化劑如阿拉伯膠(GA),這些生物大分子主要靠空間阻力和靜電斥力機制來穩(wěn)定乳液[63-65]。將蛋白-多糖復(fù)合物作為乳化劑是近年的研究熱點,它們結(jié)合了蛋白的乳化性和多糖的功能性特性,主要以永久性的共價交聯(lián)和暫時性的靜電復(fù)合的形式存在[31]。利用固態(tài)膠粒穩(wěn)定的乳液叫皮克林乳液(Pickering emulsion),食品級膠體粒子具有良好的生物相容性[66],使用Pickering機制穩(wěn)定DE是較為新穎的手段,Matos等[67]利用修飾淀粉粒子、Xiao等[68]利用高粱醇溶蛋白納米粒子都成功制備了DE且有良好的穩(wěn)定性,他們將此歸結(jié)為粒子在界面形成了剛性膜,阻止了W1泄露與油滴聚集。Chen等[20]利用麥醇溶蛋白制備的高內(nèi)相DE在儲藏一個月后依然保持穩(wěn)定。Eslami等[69]利用β-環(huán)糊精制備包埋徳氏乳酸桿菌的W1/O/W2Pickering乳液,發(fā)現(xiàn)Pickering機制穩(wěn)定的乳液有更高的細(xì)胞存活率。

1.2 DE的制備方法

兩步乳化法是食品工業(yè)中制備DE的最主要方法。兩步乳化法由兩個分開的處理階段組成,第一步用較劇烈的條件將W1和溶有親脂性乳化劑的油相混合,制備粒徑較小的W1/O乳液;第二步在較溫和的條件下,將W1/O乳液與含親水乳化劑的W2混合制備W1/O/W2乳液。選擇合適的條件將W1/O乳液分散至W2中至關(guān)重要,第二步中處理條件過于劇烈會導(dǎo)致W1/O破裂,反之則會獲得液滴分散不均勻的多分散體系[3]。根據(jù)乳化設(shè)備和機制不同,將第二階段乳化方法概括為常規(guī)乳化法和膜乳化法。

1.2.1 常規(guī)乳化法 DE制備中,最常規(guī)的乳化設(shè)備包括攪拌器,轉(zhuǎn)子-定子攪拌設(shè)備,高壓均質(zhì)設(shè)備和超聲設(shè)備。轉(zhuǎn)子-定子在第二步乳化中處理條件較為溫和,可避免高速剪切或振蕩帶來流體力,但易導(dǎo)致W1/O乳液失穩(wěn)。常規(guī)的乳化方法具有操作便捷、處理量大、節(jié)約時間等優(yōu)點,但操作條件難以控制、耗能大、液滴大小不能控制和內(nèi)水相保留率低是其難以克服的缺點[33]。

膜乳化法分為錯流膜乳化和預(yù)混合膜乳化法。錯流膜乳化為將分散相加壓通過一個微孔膜,膜的另一側(cè)分散相以一定的流速平行微孔膜流動。在作用于液滴的各種力的平衡下,液滴在膜孔形成,在達(dá)到一定尺寸后脫離。液滴的粒徑與施加壓力和分散相流動速度有關(guān),施加壓力一定時可以通過調(diào)節(jié)流動相的流速來獲得不同粒徑的分散相。其優(yōu)點是可通過調(diào)節(jié)壓力和流速獲得單分散性高的乳液,且內(nèi)水相保留率高;缺點是當(dāng)分散相為O或W1/O時,由于其粘度較大,需要施加較大的壓力才能達(dá)到分散效果,且與傳統(tǒng)的制備方法比相當(dāng)耗時,這使它不能用于包埋儲藏穩(wěn)定性低的物質(zhì)[71],預(yù)混膜乳化法可以通過減小分散相粘度在一定程度上解決這個問題。

預(yù)混膜乳化是先將W1/O和W2預(yù)混,形成粗DE,之后將其通過微孔膜多次以獲得均勻分布的DE。它可得到更加均勻的粒徑分布,更高的流動速度和更大的處理量。

與常規(guī)乳化法相比,膜乳化法制備的DE粒徑單分散性好、W1不易破碎且保留率高、能耗低且粒徑可控。但是膜乳化法分散通量小限制了其應(yīng)用,目前只限制于運載高價藥物DE的制備。因此,將來的研究應(yīng)該專注于保持膜乳化優(yōu)點的同時增加待分散相的流量。

2 DE穩(wěn)定性研究

食品級DE具有巨大潛力卻未得到廣泛的應(yīng)用,主要是其熱力學(xué)穩(wěn)定性差,這意味著它在儲存或在機械力、熱處理、冷藏或冷凍等常規(guī)食品處理條件下易破裂失穩(wěn)[72]。因此,了解DE的失穩(wěn)機制繼而改善穩(wěn)定條件以提高其儲藏穩(wěn)定性顯得尤為重要。

2.1 影響DE穩(wěn)定性的因素

根據(jù)DE組成和微觀結(jié)構(gòu)的不同,它的失穩(wěn)機制可能多種多樣。但主要失穩(wěn)機制可用圖2解釋[30]。a. 油相的聚合:這類似于正常乳液中油滴的聚合,導(dǎo)致大油滴的形成引發(fā)乳液失穩(wěn);b. W1的聚合:在油相粒徑不變的情況下W1發(fā)生聚合;c. W1與油界面的聚合:這會導(dǎo)致部分W1進入W2中;d. W1的收縮或膨脹:這是由內(nèi)外水相通過中間的油相進行物質(zhì)交換而產(chǎn)生。通常來講,這幾種機制有可能同時發(fā)生,共同導(dǎo)致DE的失穩(wěn)。

圖2 DE的失穩(wěn)機制

2.1.1 內(nèi)外水相滲透壓梯度 在DE中,通常將介于內(nèi)外水相中的油相看作一層薄膜,在滲透壓梯度的驅(qū)動下,內(nèi)外水相有透過油層向另一相遷移的趨勢。W2滲透壓高于W1時會引起W1收縮;反之,會引起W1膨脹。W1的膨脹通常會導(dǎo)致油膜的破裂進而導(dǎo)致包埋物質(zhì)的泄露最終導(dǎo)致乳液的失穩(wěn)[21]。滲透壓差是DE失穩(wěn)的最主要因素之一,Mezzenga等[62]通過調(diào)節(jié)內(nèi)外水相滲透壓成功調(diào)節(jié)了液滴的粒徑,提高了DE穩(wěn)定性。為了保持良好的穩(wěn)定性和較高的保留率,應(yīng)保證低滲透壓差以阻止W1膨脹引起的聚合和破裂。

2.1.2 乳化劑的性質(zhì) DE體系中親脂、親水性乳化劑可能會發(fā)生親脂-親水平衡,這會導(dǎo)致W1/O或者O/W2乳液的失穩(wěn)。理論上來講,親脂性乳化劑全部會吸附在內(nèi)部的W1/O界面,但在實際操作中,需要在油相中添加高濃度的親脂性乳化劑以減小W1粒徑,多余的親脂性乳化劑會吸附于O/W2界面。在聚集物和反膠團的自組裝過程中,過量的親脂性乳化劑會很大程度地提高水溶性物質(zhì)的溶解度,并促進這些物質(zhì)通過油膜[31,57]。小分子乳化劑會影響蛋白質(zhì)乳化特性[73],文獻報道[74]親脂性乳化劑會部分取代O/W界面的蛋白質(zhì),Waninge等[75]也指出,兩種乳化劑除了競爭作用之外,小分子乳化劑和蛋白質(zhì)之間還可能會發(fā)生絡(luò)合作用等交聯(lián)作用,Su等[36]指出內(nèi)水相添加0.5%(w/v)的NaCN可以取代2%(w/v)的PGPR而不影響W/O/W乳液的保留率和穩(wěn)定性。

大分子親水性乳化劑可以較好的吸附在O/W2界面形成致密的膜,防止W1向W2遷移,提高乳液穩(wěn)定性[29]。因此,選擇合適的乳化劑并平衡乳化劑間的親水親油值對乳液的穩(wěn)定性有很大的影響。

2.1.3 體系中的電解質(zhì) DE中的電解質(zhì)不僅能平衡滲透壓還能提高乳化劑的活性[4]。Scherze等[76]報道添加鹽類能夠平衡體系中的拉普拉斯力和滲透壓,進而提高DE的乳化性和儲藏穩(wěn)定性。Rosano等[77]報道通過添加電解質(zhì)也能防止奧氏熟化,Aronson[78]報道在W1添加電解質(zhì)能夠增強液滴的界面,阻止液滴聚合。

2.1.4 乳化條件 乳化條件也會影響DE的穩(wěn)定性。初步乳化條件越劇烈,得到的W1液滴越小,乳液的穩(wěn)定性也會隨之上升,但是如果液滴過于小,反而會因為增加W1與W2的接觸面積而導(dǎo)致乳液的失穩(wěn)[79]。在第二步的乳化中,處理條件應(yīng)相對緩和,防止油滴的絮凝和W1的泄露。Giroux[80]比較了均質(zhì)次數(shù)對初步W/O乳液粒徑的影響,發(fā)現(xiàn)均質(zhì)兩次可以減少W1液滴尺寸,增加表面活性劑在界面的覆蓋,進而減少液滴的聚合。因此應(yīng)選擇合適的乳化條件與方法,調(diào)節(jié)粒徑大小與表面活性劑分布,以達(dá)到最好的穩(wěn)定性。

2.2 提高穩(wěn)定性的手段

2.2.1 平衡內(nèi)外水相滲透壓 滲透壓差是導(dǎo)致DE失穩(wěn)的最主要因素。最常用來平衡滲透壓的方法為內(nèi)外水相間簡單糖類和鹽類的組合,如Bonnet[35,81]、Herzi[82]等在W1中添加MgCl2、W2中添加乳糖,Pawlik[83]在W1中添加NaCl、W2中添加葡萄糖以平衡滲透壓,也有些研究者在內(nèi)外水相都使用NaCl[80],或者是僅僅在W2相中使用鹽或葡萄糖等[84-85],1 g NaCl產(chǎn)生的滲透壓是1 g葡萄糖的5倍[21],因此可合適選擇小分子鹽或糖以平衡滲透壓梯度提高乳液穩(wěn)定性。

2.2.2 生物大分子作為W1凝膠劑 生物大分子如淀粉或球狀蛋白的凝膠,可將W1轉(zhuǎn)化為軟固體顆粒,進而消除滲透壓梯度引起的W1膨脹[31]。表1列出了近些年用作W1凝膠的物質(zhì)。Opperman等[2]利用明膠和WPI凝膠作為W1,制備出了高保留率、儲藏穩(wěn)定性良好的DE。其他的研究使用了各種食品級生物大分子作為W1的凝膠劑,如明膠[7,20,43]、海藻酸鹽[43]、果膠[37,85-86]、乳清蛋白[45-46]、結(jié)冷膠[14]和淀粉[87]等。Andrade等[37]發(fā)現(xiàn)用高甲氧基果膠(HMP)作為W1相凝膠時,可明顯提高W1在胃消化過程中的穩(wěn)定性。

表1 體系中添加生物大分子提高DE穩(wěn)定性

2.2.3 生物大分子作為W2乳化劑和穩(wěn)定劑 天然來源蛋白是良好的乳化劑[88-89],也是W/O/W乳液中的高效親水乳化劑。蛋白質(zhì)利用空間斥力和靜電斥力穩(wěn)定油滴,較非離子表面活性劑有更好的穩(wěn)定效果。此外,蛋白質(zhì)不溶于油脂,不會穿過油膜遷移到內(nèi)部的W/O界面,防止了界面的失穩(wěn),某些多糖也有類似的效果?？傊?生物大分子穩(wěn)定乳液的機制可由以下三點表示[90]:未吸附的大分子在流動相增加體系的粘度,阻止了液滴碰撞;液滴外帶有相同電荷蛋白的靜電斥力;吸附在界面親水大分子間交聯(lián)形成的空間穩(wěn)定效應(yīng)。

表1列出了近些年為提高乳液穩(wěn)定性在W2添加的生物大分子,常用于穩(wěn)定DE的食品蛋白乳化劑有NaCN[37]和WPI[39],親水性膠體乳化劑如GA[79]。但是單一的生物大分子穩(wěn)定DE需要較高的蛋白濃度[4],價格昂貴不適于工業(yè)化,因此用修飾的方法提高蛋白的乳化和穩(wěn)定能力成了近年來的研究熱點,而用多糖和蛋白交聯(lián)是目前研究的焦點。

2.2.4 蛋白-多糖復(fù)合穩(wěn)定 早在1996年Garti[28]就證實了DE中大分子和表面活性劑的絡(luò)合作用可以促進O/W界面的穩(wěn)定以及控制疏水和親水物質(zhì)的釋放。蛋白和多糖是最典型的兩種既是高聚物又具有表面活性的可食物,且很多食品親水膠體系統(tǒng)皆由這兩種物質(zhì)的混合物穩(wěn)定[91],蛋白-多糖復(fù)合物也廣泛用于W/O/W乳液中外層O/W界面的穩(wěn)定[31,92]。

單獨蛋白穩(wěn)定的乳液液滴表面帶有電荷,對熱處理、有機溶劑或pH變化敏感。通過干熱處理,蛋白質(zhì)和多糖之間可以通過美拉德反應(yīng)在兩者之間形成酰胺鍵[4],可以提高交聯(lián)物的親水性并得到更好空間穩(wěn)定性的乳液[31],進而提高對pH變化、離子強度和熱處理的穩(wěn)定性。此外,蛋白-多糖的復(fù)合還有以下的優(yōu)點:限制W1和W2相中水分的遷移;減少或延長包埋物質(zhì)的釋放;給消化酶提供空間位阻;防止油脂相的氧化[21]。

蛋白-多糖共價交聯(lián)為通過熱處理使蛋白和多糖發(fā)生美拉德反應(yīng)。Fechner等[17]將NaCN-葡聚糖加熱共軛,所得產(chǎn)物制備DE的pH穩(wěn)定性明顯上升,且減緩了包埋物的釋放,這歸結(jié)為界面厚度的增加。Tamnak等[93]將豌豆分離蛋白(PPI)和HMP加熱共軛,所制備的DE儲藏穩(wěn)定性明顯提升。這些共價物作為DE中的親水性乳化劑,可明顯提高外層O/W界面的穩(wěn)定性質(zhì)。

非共價復(fù)合是更為常見的方法,使用蛋白穩(wěn)定DE,然后與多糖溶液混合,或者蛋白和多糖溶液直接混合再制備DE。在酸性條件下,通過靜電作用,帶負(fù)電的多糖會與帶正電的蛋白組成界面復(fù)合物,繼而通過空間位阻提供穩(wěn)定性[49]。以Esfanjani等[94]的方法為例,將初級W1/O乳液分散在以WPI為親水性表面活性劑的W2相制備出W1/O/W2乳液后,將DE與HMP溶液混合,HMP即與DE表面WPI發(fā)生交聯(lián)進而提高乳液穩(wěn)定性。

表2列出了近年來食品DE中使用蛋白-多糖復(fù)合穩(wěn)定研究。Li等[95]發(fā)現(xiàn)使用WPI-LMP交聯(lián)穩(wěn)定的DE可提升W1保留率1.2倍,而WPI-κ-卡拉膠交聯(lián)可提升1.4倍,這歸結(jié)于兩者可以形成pH穩(wěn)定的界面,阻止酶的進攻。總之,蛋白-多糖復(fù)合物較于單獨蛋白而言,可顯著提高乳液性質(zhì),如減小液滴尺寸、獲得更均勻的液滴分布,提高W1中活性物質(zhì)的保留率等。

表2 蛋白-多糖復(fù)合物穩(wěn)定DE的研究

3 DE在食品工業(yè)中的應(yīng)用

DE在食品中的應(yīng)用主要有兩方面,一是運載功能性成分,二是低脂低熱食品的制備。此外,也有報道將DE應(yīng)用于肉類中油脂的替代、活菌的保護和豆腐的制作等。McClement[101]將W1/O/W2乳液運載的優(yōu)點概括如下:將功能性成分包埋在W1中,并可控制釋放;防止W1中功能性成分與W2中的某些物質(zhì)反應(yīng);掩蓋功能性成分的不良風(fēng)味。

3.1 功能性成分的運載

功能性成分的運載是DE在食品領(lǐng)域中最廣泛的應(yīng)用,根據(jù)其運載目的可分為保護、控釋和強化三大功能。表3列出了近年來食品領(lǐng)域用DE運載功能性成分的報道。

表3 食品級DE負(fù)載功能性成分的研究

3.1.1 保護 功能性成分尤其是生物活性成分對癌癥、心血管疾病和代謝紊亂等慢性疾病具有防治作用,然而這些成分如花青素、類胡蘿卜素、黃酮、維生素和必需脂肪酸等在運輸過程中對pH、離子強度、光照、溫度、氧氣和胃腸道條件等環(huán)境壓力的變化極為敏感[4]。將其包埋在DE的W1中可以避免這些極端條件,起到良好的保護作用。近年報道用DE保護的物質(zhì)主要有維生素C[13-16]、花青素[11-12]、白藜蘆醇[34,71,103-105]、藏紅花素[55,94]等。Hemar等[34]以白藜蘆醇醇溶液作為W1,獲得了穩(wěn)定性好且保留率高的負(fù)載白藜蘆醇DE。Aditya等[110]制備了同時負(fù)載親水性兒茶素和疏水性姜黃素的DE,保留率高達(dá)88%～97%,且生物可接受率是對照組4倍。以上研究說明用DE運載功能性成分可以有效提高其穩(wěn)定性和生物可接受率,對其起到保護作用。

3.1.2 控釋 通過調(diào)整DE的微觀結(jié)構(gòu),可以緩解或提高W1中包埋物質(zhì)的釋放。但是只有特定結(jié)構(gòu)的DE才具有控釋功能,乳液的結(jié)構(gòu)如親水性乳化劑的組成、油相的種類和W1的組成對包埋物質(zhì)的釋放都有很大的影響。

具有控釋功能的DE一般用蛋白[61]、蛋白-多糖復(fù)合物[93,113]等作為親水乳化劑,這些大分子吸附在油-外水相界面可阻礙W1遷移。Jimenez等[5]利用WPC-牧豆樹膠混合穩(wěn)定DE可以降低甘氨酸亞鐵的釋放速率,Hernandez-Marin等[107]用乳清蛋白-CMC復(fù)合物穩(wěn)定DE可減緩咖啡因的釋放,Chen等[20]用麥醇溶蛋白粒子穩(wěn)定的DE可以有效減緩EGCG和槲皮素在體外消化的釋放,這歸結(jié)于界面厚度的增加,阻止了W1遷移。

不同結(jié)構(gòu)的油脂也會影響W1的釋放速率[81],Lutz等[13]比較了用中鏈脂肪酸(MCT)和檸檬烯作為油相制備包埋NaCl的W1/O/W2乳液,發(fā)現(xiàn)用MCT作為油相時,NaCl是通過與表面活性劑結(jié)合擴散通過油相,用檸檬烯作為油相時,NaCl是以W1與W2聚合的形式擴散的。Giroux等[107]發(fā)現(xiàn)胃消化階段黃油與亞麻油的多肽釋放遠(yuǎn)高于礦物油,歸結(jié)為礦物油的高疏水性使得極性多肽難以穿越油層運載。小腸消化階段,礦物油中多肽釋放率只有17%,其他則高達(dá)80%,這是因為礦物油對胰脂肪酶穩(wěn)定,不被其水解,保護了包埋物釋放。故可以通過調(diào)節(jié)油相的組成進行包埋物的控釋。

為調(diào)整釋放速率,常在W1添加生物大分子如BSA[10]、明膠[7]和NaCN[6]等,Zhu等[10]發(fā)現(xiàn)在W1中增加BSA濃度可以增加W1/O/W2乳液的粘度和液滴尺寸,降低MgCl2的釋放速率。Bonnet等[6]探究了NaCN對W1/O/W2乳液鎂離子釋放的影響,NaCN作為W2的親水性乳化劑同時也加入W1作為離子螯合劑,W1中NaCN濃度的下降或W2中NaCN的上升能夠加速鎂離子的釋放,這歸結(jié)為W2中的NaCN影響了系統(tǒng)的透水系數(shù)和與鎂離子的結(jié)合,而W1中NaCN與鎂離子絡(luò)合則可以降低鎂離子的釋放。上述研究表明DE可以有效用于功能性成分的緩釋。

3.1.3 強化 DE還可用于各種營養(yǎng)素的強化。對豆奶進行鈣強化處理時,鈣離子易與大豆中的蛋白與磷脂發(fā)生絡(luò)合產(chǎn)生沉淀,使得鈣強化得到限制[114]。Marquze等[111]制備了W1包含不同濃度鈣離子的W1/O/W2乳液,再添加至豆奶中,可以得到穩(wěn)定性良好的鈣強化豆奶。Saeidy等[42]以磷酸鈣為W1,瓊脂-明膠混合物作為親水性乳化劑制備鈣強化W1/O/W2乳液,并凍干得到微膠囊,可獲得負(fù)載率高,釋放效果穩(wěn)定的鈣離子微膠囊。

食品中常用的補鐵劑為甘氨酸亞鐵,它直接以溶液的形式添加在食品中,但是甘氨酸亞鐵與食品組分反應(yīng)會改變食品的感官品質(zhì),且易被氧化[114]。Jimenez[5]將甘胺酸亞鐵包埋在W1/O/W2的W1中,強化了鐵離子的含量,降低了它的氧化并提高了穩(wěn)定性,減少了對食品體系的不良影響。

Li等[95]在W1中包埋維生素B2(VB2),油相溶解維生素E(VE),制備了同時強化VB2和VE的DE。Giroux[80]以VB12作為W1制備DE,與脫脂奶混合制備VB12強化奶酪,發(fā)現(xiàn)W1/O/W2乳液中VB12的保留率達(dá)到了96%,且經(jīng)過模擬胃消化后,保留率遠(yuǎn)高于對照組。以上研究表明DE在強化食品中具有巨大的潛力。

3.2 活菌運載

在口服過程中,胃液及膽鹽會大大減少益生菌的數(shù)量[116-117]。Shima等[117]制備了保留率高達(dá)93%的LactobacillusacidophilusW1/O/W2乳液,模擬胃液處理后相對活性遠(yuǎn)高于對照組。Pimentel-González等[119]以甜乳清和甜乳清濃縮物作為親水性乳化劑,用W1/O/W2乳液包埋甜乳清培養(yǎng)的Lactobacillusplantarum,發(fā)現(xiàn)甜乳清為乳化劑的DE不僅能抵抗酸性和膽鹽等條件,還能提供合適的環(huán)境促進乳酸菌的生長。

發(fā)酵過程中不同種類的微生物混合培養(yǎng)可能會發(fā)生拮抗作用,產(chǎn)生抑制生長的化合物[120]、改變底物的理化環(huán)境[121]。Zygosaccharomycesrouxii和Tetragenococcushalophilus是醬油釀造最主要的酵母和乳酸桿菌,但是兩種細(xì)菌混合培養(yǎng)會發(fā)生拮抗作用。Devanthi等[122]將Z.rouxii與T.halophilus分別包埋在W1/O/W2乳液的W1和W2相中,發(fā)現(xiàn)Z. rouxii的存活率得到了明顯的提高,并且減小了與T.halophilus的拮抗作用,這可能是因為DE改變了兩種微生物的代謝活力。其在后來的研究將此DE用于發(fā)酵中,成功制備了低鹽的moromi產(chǎn)品[123]。

3.3 DE添加在食品體系中的應(yīng)用

上述功能性成分的運載只是獲得了較高保留率和穩(wěn)定性的DE,并沒有添加到食品體系中。不同食品體系的特征與理化性質(zhì),將DE應(yīng)用于食品體系中首先應(yīng)考慮其體系的適配性,如是否能在體系中保持穩(wěn)定、是否會影響食品理化性質(zhì)與感官等,其次考慮其對食品體系的提升作用?？傊?將DE應(yīng)用于食品體系中遠(yuǎn)比DE制備復(fù)雜,是今后研究的熱點及重點解決對象。

3.3.1 低脂低熱量食品的制備 近年來低熱量食品消費成了一種新趨勢。在W/O/W乳液中,由于油相中部分脂質(zhì)被分散其中的W1部分取代,可以減少乳液中脂肪含量且不會改變?nèi)橐旱母泄偬匦?因此利用DE制備的低脂食品有與全脂食品相似的理化性質(zhì)與感官特性[124]。Lobato等[22]用結(jié)冷膠作為W1,菜籽油作為油相制備DE以取代牛奶脂肪制備新鮮低脂奶酪,性質(zhì)與對照組無顯著差異。Tekin等[23]以瓜爾膠/瓜爾膠-黃芪膠復(fù)合物作為穩(wěn)定劑的DE制備了低脂冰激凌,可以將冰激凌的脂肪含量減少到2.8%(正常為10%～12%)而不影響冰激凌的品質(zhì)。

3.3.3 豆腐制作 利用DE對運載物緩釋的特點,可將其應(yīng)用于豆腐的制備。豆腐制備的關(guān)鍵工藝是豆?jié){的凝固,但是凝固是一個復(fù)雜難以控制的過程。MgCl2常被用作豆腐凝固劑,但其促凝固速度快且難控制限制了它的應(yīng)用。Li等[8]以MgCl2和WPI、BSA(提高穩(wěn)定性及控制MgCl2釋放)為W1制備DE加入豆?jié){制作豆腐,發(fā)現(xiàn)以DE作為凝固劑制備的豆腐可以明顯提高豆腐的含水量和持水力,使豆腐凝膠更為均勻結(jié)實。Zhu等[10]將BSA添加至MgCl2溶液中作為W1制備DE作為豆腐凝固劑,表明提高BSA的濃度可以增大乳液的粘度和粒徑,減少鎂離子的釋放速率,激光共聚焦(CLSM)表明增加BSA濃度可以獲得更加均勻的凝膠結(jié)構(gòu)和更小的凝膠孔隙。

4 結(jié)語與展望

本文結(jié)合了近些年食品領(lǐng)域DE的研究,探討了DE的各相組成、制備方法、失穩(wěn)機制與提高穩(wěn)定性的手段和在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用等。DE的特殊結(jié)構(gòu)可廣泛利用于負(fù)載生物活性成分和活菌,保護它們在攝入人體時免受胃腸道的破壞,也能用于低脂低熱食品的制備而不影響食品的感官特性。DE在處理過程中極易失穩(wěn),雖然其失穩(wěn)機制較為復(fù)雜,但是通過調(diào)節(jié)內(nèi)外水相組成、滲透壓梯度,調(diào)整乳化劑的組成和比例,利用大分子物質(zhì)和蛋白-多糖交聯(lián)物作為親水性乳化劑可以顯著提高DE的穩(wěn)定性和保留率,甚至起到控釋的作用。

然而許多研究制備的食品級DE并不適于食品生產(chǎn)的應(yīng)用,原因如下:實驗室條件制備的DE不適用于大規(guī)模的生產(chǎn);制備DE所需的成本高昂,制備的產(chǎn)品不經(jīng)濟;制備DE需要用到大劑量的PGPR,其使用受到嚴(yán)格限制且用量過大時有不良?xì)馕?制備的DE長期儲藏性較差,不利于提高產(chǎn)品的貨架期。因此,今后的研究應(yīng)專注于以下幾個方向:優(yōu)化制備DE的條件,尋找經(jīng)濟高效的制備方法;用食品級的親脂乳化劑如大豆磷脂部分替代PGPR,以減少其用量，開發(fā)經(jīng)濟高效的親水乳化劑如膠體粒子用Pickering機制穩(wěn)定DE以提高其儲藏穩(wěn)定性延長產(chǎn)品貨架期。本文為提高DE穩(wěn)定性提供了許多佐證,將來的研究應(yīng)借鑒諸類方法并著重于將DE應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)中。

此外,DE是以食品組分的形式添加至食品體系中的。因此,應(yīng)根據(jù)要食品體系的種類和處理條件來設(shè)計制備DE,使其與食品體系能夠相配伍,以提高食品的品質(zhì)而不影響食品的感官特性。食品研究者們也應(yīng)逐漸將DE的應(yīng)用從純粹的成分運載轉(zhuǎn)向食品體系的實際應(yīng)用,更大程度地挖掘DE在食品應(yīng)用中的潛力。