皮克林乳液凍融穩(wěn)定性研究進展

宋子悅，楊 楊，蘇 丹，任麗琨，邊 鑫，馬占倩，李笑梅，張 娜

（哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，黑龍江省谷物食品與綜合加工重點實驗室，黑龍江省普通高校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150076）

乳液形式多樣，主要包括乳霜、軟膏、凝膠、糊劑等[1]，乳液在食品、化妝品、制藥等領域有著廣泛的應用。但普通乳液的熱力學波動較為明顯，導致乳液自身出現(xiàn)顆粒聚集、沉積等不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此不具有長期穩(wěn)定性。相比于普通乳液，Pickering乳液采用固體顆粒作為表面活性劑，以不可逆方式吸附在油水界面，通過物理屏蔽作用防止相鄰液滴發(fā)生聚合現(xiàn)象，形成一種更穩(wěn)定的新型乳液，不僅具有良好的儲藏性及生物相容性，同時還具有可控界面較為穩(wěn)定，抗聚結性高等優(yōu)勢，可以有效地抑制乳液中顆粒沉積、聚集以及奧氏熟化等不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生[2]。Pickering乳液初期主要應用于化工方面的研究[3]，逐步向食品醫(yī)藥等方向發(fā)展，食品級的Pickering乳液是由食品中的蛋白質類、糖類以及脂肪類的物質組成，不含表面活性劑，可保障食品的安全，逐漸受到人們的關注。目前，Pickering乳液在食品中的應用主要在脂肪替代品、食品包裝材料、營養(yǎng)素或者藥物的遞送等方面發(fā)揮作用。研究表明：固體顆粒吸附在油和水相之間的界面，在油滴表面周圍形成較厚的粘彈性層，在凍結過程可以形成一層厚的界面層進而抵抗冰膨脹所產生的應力，同時在油水界面處形成一層厚厚的聚集顆粒，從而使得Pickering乳液具有一定程度的凍融穩(wěn)定性[4]；此外Pickering乳液自身形成的凝膠網絡結構也可能是抵抗冷凍帶來損傷的原因之一[5]。因此Pickering乳液在飲料、冰淇淋、醬料等冷凍食品中具有廣泛的應用前景。

本文綜述了Pickering乳液凍融穩(wěn)定性的影響因素及機制，總結Pickering乳液在食品中應用現(xiàn)狀，旨在為Pickering乳液在冷凍食品的應用提供理論依據(jù)。

1 影響Pickering乳液凍融穩(wěn)定性的因素

乳液經歷凍融循環(huán)后可能會失去原本的理想狀態(tài)，冷凍時冰晶的產生導致脂滴之間空間減少并促進了界面層的破裂，同時可能會促進脂滴的聚并[6]。影響乳液凍融穩(wěn)定性的因素主要包括有離子強度、溫度、乳化劑的類型、物理技術等。

1.1 離子強度

Pickering乳液中添加適當?shù)柠}溶液可增強凍融穩(wěn)定性。鹽離子的引入顯著地改善了乳液的凍融穩(wěn)定性，防止了聚合甚至乳脂化，主要原因是鹽離子的加入導致水的冰點降低，增加系統(tǒng)液態(tài)水的數(shù)量，冷凍產生的冰晶不會使油滴緊密聚集，同時導致系統(tǒng)中靜電相互作用減少，促進更強的液滴絮凝作用；其次鹽的加入可能改變液滴周圍界面涂層的厚度和硬度，提高了其抗聚結性從而改善了其凍融穩(wěn)定性[7]。

現(xiàn)有研究表明：較高的鹽濃度可能會產生一個界面層，該界面層抵抗變形效果較好，但易發(fā)生液滴絮凝[8]；較高的鹽濃度導致蛋白質和液滴形成的網絡結構間靜電引力降低，乳液的表觀粘度隨著鹽含量的增加而降低[7,9?10]。Zhu等[11]在乳清蛋白和大豆蛋白制備的Pickering乳液研究中發(fā)現(xiàn)乳清蛋白凝膠含有高鹽時毛孔體積增大，鹽對于乳液中靜電相互作用（吸引和排斥）的范圍會產生影響，當冰晶形成時，加入鹽可能會導致一些冷凍濃縮效應。鹽離子添加順序不同對凍融穩(wěn)定性產生的效果也不相同，這可能是在乳化后添加鹽離子凍融穩(wěn)定性的提高在很大程度上歸因于包裹液滴的界面粒子膜的增強[12]，而不是鹽離子的存在抑制了冰晶的形成；乳化之前加入鹽離子乳液可能形成凝膠狀網絡，從而有效地防止由蛋白質顆粒穩(wěn)定的乳液發(fā)生霜化，從而提高凍融穩(wěn)定性[13]。

1.2 溫度

適宜的溫度有利于Pickering乳液凝膠的凍融穩(wěn)定性[14]。Zhu等[5]發(fā)現(xiàn)經過熱處理后復合蛋白穩(wěn)定的Pickering乳液凝膠可提高其凍融穩(wěn)定性。Chen等[15]研究表明熱誘導大豆分離蛋白納米粒子的粒徑具有更大尺寸、更高表面疏水性，可獲得更高凍融穩(wěn)定性的Pickering乳液。熱處理對皮克林乳液凍融穩(wěn)定性產生影響的原因是：熱處理可使蛋白質分子展開和聚集，當?shù)鞍踪|分子發(fā)生展開，暴露內部疏水基團，導致疏水相互作用和二硫鍵含量的增加。當加熱到一定溫度時蛋白質之間的共價相互作用發(fā)生改變，蛋白質分子在油水界面上的不折疊和聚集將導致更厚的界面涂層以及促進凝膠網絡形成，使乳液在凍結過程中更耐破裂，此外蛋白質分子之間更強的交聯(lián)也可使界面層在凍融處理后更耐滲透，提高了Pickering乳液的凍融穩(wěn)定性[16]。

以β-伴球蛋白為例（如圖1所示），蛋白質的變性存在可逆與不可逆兩個過程，達到一定溫度時蛋白發(fā)生部分不可逆的熱變性，熱處理蛋白分解成單體（或亞基）是不可逆的過程，但解離亞基的展開是可逆的過程。由此蛋白質重新排列組合，在油水界面處加厚了界面層的厚度，有效地阻止乳液在冷凍過程中發(fā)生破裂[17]，增加乳液穩(wěn)定性[18]。

圖1 熱變性示意圖[19]Fig.1 Schematic diagram of thermal denaturation[19]

1.3 顆粒組成

食品級的Pickering乳液中固體顆粒通常是蛋白質、糖、脂肪晶體以及蛋白質和糖復合物組成，天然態(tài)的蛋白質吸附在油水界面處形成的乳液凍融穩(wěn)定性較差，研究提出糖分子的引入有利提高凍融穩(wěn)定性[4]。糖和蛋白質結合方式多樣，糖主要以靜電相互作用、共價結合、酶作用等方式與蛋白質進行結合[20]。當?shù)鞍踪|和多糖溶液混合后可能形成一相或兩相系統(tǒng)，具體取決于二者自身性質、溶液的組成及環(huán)境條件。若蛋白質和多糖帶相反電荷，二者通過吸引力的靜電相互作用發(fā)生締合，形成可溶性復合物或沉淀，若帶有相似電荷蛋白質和多糖混合在一起，濃度較低時兩種聚合物形成一相溶液，若生物聚合物濃度超過臨界值則形成兩相溶液，溶液的穩(wěn)定性與單個復合物顆粒之間強烈的空間和靜電排斥有關。Darío等[4]研究發(fā)現(xiàn)可溶性大豆多糖與乳清分離蛋白組成的納米粒子制備的乳液具有一定的凍融穩(wěn)定性。糖分子與蛋白質發(fā)生結合主要是發(fā)生糖基化反應，糖基化不僅促進了凝膠網絡的形成，且以其依賴的方式強化了凝膠網絡結構的剛度。葡聚糖、麥芽糖、葡萄糖加入后均可以改善大豆分離蛋白制備的乳液凍融穩(wěn)定性，但麥芽糖改善效果更理想，當大豆分離蛋白加入糖分子時，糖分子緊密地包圍著蛋白質，蛋白質原有的剛性結構消失，蛋白質間的聚集度明顯降低；糖基化顯著提高了蛋白質或其亞基的結構穩(wěn)定性（凍融后）和再乳化的可逆性，進而提高了乳液的凍融穩(wěn)定性[12]。

1.4 物理技術

輔助美拉德反應的技術有超聲波輔助制備以及輻照技術兩種輔助制備方式。研究表明，輻照后主要產生的反應有脫氨、脫羧、二硫鍵斷裂以及重組、氨基酸氧化、肽鏈降解以及交聯(lián)[12]。輻照技術可使蛋白質分子的高級結構發(fā)生了變化，進而提高了乳液的凍融穩(wěn)定性。超聲波技術輔助美拉德反應對乳液凍融穩(wěn)定性提高效果顯著，具有縮短反應時間、提高效率等優(yōu)點[21]。張澤宇等研究表明超聲改性可以使接枝反應更容易發(fā)生，進而大豆蛋白其結構更加舒展，蛋白分子球狀結構由緊密變得松散[22]；超聲技術的空化效使蛋白的肽鏈展開，引入糖分子后，蛋白分子外包裹一層厚厚的糖衣，進而蛋白分子的柔韌性增強，因此提高了乳液的凍融穩(wěn)定性。此外。研究表明超聲處理能夠提高蛋白凝膠的硬度和彈性，且凝膠微觀結構更加均勻致密，可提高乳液的凍融穩(wěn)定性[23]。

制備表面活性劑穩(wěn)定的乳液的乳化工藝均適用于制備Pickering乳液。常用的制備方法有轉子-定子均勻化、高壓均勻化和超聲化。除此之外，近年膜乳化和微射流等工藝也應用在Pickering乳液的制備中。研究表明高壓均質和微射流制備工藝有利于提高乳液的凍融穩(wěn)定性，射流空化技術中產生的空穴效應可改變蛋白的柔性結構以及二級結構，降低乳液的粒徑，提高乳液的穩(wěn)定性，并且在適宜范圍內隨著空化壓力增加，改善凍融穩(wěn)定性的效果更好[24]。在高壓均質作用下可提高乳液的凍融穩(wěn)定性，不同壓力下達到的效果也略有不同。

2 Pickering乳液凍融穩(wěn)定性機制

Pickering乳液經過凍融處理后可能會產生不穩(wěn)定現(xiàn)象，可能是冷凍時產生的冰晶破壞了乳液自身的結構，使其產生絮凝、聚集、沉淀等不穩(wěn)定現(xiàn)象。不穩(wěn)定的乳液限制了其后續(xù)應用。因此Pickering乳液的凍融穩(wěn)定性的研究是極其必要的。有研究提出Pickering乳液凝膠網絡的形成以及顆粒在油水界面處形成較厚的粘彈性層是改善凍融穩(wěn)定性的原因，顆粒之間的相互作用對于二者均有一定的影響，進而導致凍融穩(wěn)定性發(fā)生變化[25?26]。

2.1 凝膠網絡

Pickering乳液因自身結構狀態(tài)不同可分為三種形式，分別為乳液狀、乳液泡沫狀及乳液凝膠狀。研究發(fā)現(xiàn)乳液狀和乳液凝膠狀具有不同程度的凍融穩(wěn)定性，且差異性較大，這可能與二者形成的穩(wěn)定機理有關。如圖2所示，以β-乳球蛋白和阿拉伯膠復合顆粒（β-LgGAP）為例，當β-LgGAP顆粒用于穩(wěn)定乳液或乳液凝膠時，能夠直觀地反映乳液的物理性能與其界面結構之間的關系。圖2A所示，在油含量較低的乳液水相中存在大量空間，導致液滴的分布相對稀疏，液滴之間的距離較遠導致其相互作用力降低，這可能進一步降低凝膠強度；相反，如圖2B所示，含油量較高的乳劑中液滴緊密地結合在一起，形成了更致密的捕集網絡，導致粘度和凝膠強度的增加[25]。乳液凝膠狀具有更致密的網絡結構，限制了冰晶的大小，降低了冰晶對乳液結構的破壞，因此具有良好的凍融穩(wěn)定性。

圖2 Pickering乳液與乳液凝膠穩(wěn)定機理示意圖[16]Fig.2 Schematic diagram of Pickering emulsion and emulsion gel stability mechanism[16]

在高油分、高顆粒濃度條件下，Pickering乳液表現(xiàn)出凝膠狀的行為。凝膠狀網絡的形成被認為是由界面彈性控制的，該界面彈性是由吸附在油水界面的固體顆粒之間的牢固粘附或橋接絮凝引起的，基本上有兩種情況可以通過顆粒穩(wěn)定橋連乳化液（如圖3所示）：一種是橋接顆粒的密集單層，由相鄰的不同油滴共享，另一種是通過聚集的膠體顆粒的吸附而穩(wěn)定的液滴。

圖3 油水界面顆粒堆積和橋接乳液形成示意圖[19]Fig.3 Schematic diagram of particle accumulation at the oilwater interface and bridging emulsion formation[19]

為了更精確地描述凝膠網絡特性，以蛋白質為例進行下面闡述，將其結構排列分為兩種，如圖4所示，大多數(shù)情況下基于蛋白質的乳液凝膠的結構狀態(tài)通常介于這兩種結構之間，這種復合結構被認為是由交聯(lián)的生物聚合物分子和部分聚集的液滴組成的混合網絡[27]。

圖4 兩種結構化食品材料的理想化模型的示意圖[27]Fig.4 Schematic diagram of idealized models of two structured food materials[27]

凝膠中致密凝膠狀結構的形成有助于抵抗環(huán)境條件的急劇變化。凝膠網絡結構可有效地降低冷凍時冰晶的大小，抵抗冰晶產生的應力對于乳液造成的損傷。研究表明：大豆蛋白納米顆粒構成的Pickering乳液具有較高的表觀粘度，能夠形成乳液凝膠，由此形成的空間網絡能夠在乳液凍融時保持完整，很大程度的降低重力沉降影響[28]。此外凍融穩(wěn)定性與分子間的疏水相互作用、共價作用、氫鍵和二硫鍵有著密不可分的聯(lián)系。疏水相互作用和二硫鍵含量的增加，使蛋白質分子之間發(fā)生更強的交聯(lián)，可能導致界面層在凍融過程中更耐滲透，以及形成了可抑制油滴運動的更強的凝膠網絡，從而提高了凍融穩(wěn)定性[4,29]；同時疏水和共價相互作用的增加，導致蛋白質在水相中的展開和聚集將促進凝膠狀網絡的形成，進而提高乳液的凍融穩(wěn)定性[30?31]。目前有關凝膠網絡結構與凍融穩(wěn)定性之間的具體關系研究尚少，有待進一步研究。

2.2 顆粒之間相互作用

Pickering乳液較普通乳液具有較高的穩(wěn)定性，通過Pickering機制穩(wěn)定的乳液具有良好的抗聚結和抵抗奧斯特瓦爾德成熟的能力，可以保存高濃度的分散相。乳液的類型和固體顆粒的兩親性具有直接關系，可通過油-固體顆粒-水界面的接觸角推斷乳液的類型，親水性顆粒的接觸角小于90°形成O/W型乳液，親油性接觸角大于90°則為W/O型乳液（如圖5所示），研究表明接觸角接近90°時Pickering乳液穩(wěn)定性最佳[32?33]。

圖5 固體顆粒的接觸角及界面分布[32]Fig.5 Contact angle and interface distribution of solid particles[32]

具有平衡潤濕性的顆粒最適合用于穩(wěn)定油/水界面，有助于顆粒的有效界面填充，防止液滴聚結的空間屏障形成[34]。顆粒在油水界面的吸附能力和在連續(xù)水相中形成空間填充結構的能力均對乳液的穩(wěn)定性產生影響。調整納米顆粒在兩相界面處的吸附和自組裝行為，使乳液體系更加穩(wěn)定。顆粒穩(wěn)定Pickering乳液形成的界面膜如圖6所示，粒子可通過改變界面區(qū)連續(xù)相的流變特性和顆粒表面的電荷性質來調節(jié)顆粒的界面吸附與分布。對于這種現(xiàn)象，目前被廣泛接受的假設是：各向異性粒子在界面處誘導更大的毛細變形，導致吸附在界面上的相鄰粒子之間的毛細吸引力更大[34]，此外顆粒與界面的潛在接觸面積更大可產生更穩(wěn)定的乳液[33]。

圖6 顆粒穩(wěn)定皮克林乳液界面膜原理示意圖[32]Fig.6 Schematic diagram of the interface film of particlestabilized Pickering emulsion[32]

固體顆粒主要是通過自身提供靜電和空間排斥力以及在油滴周圍形成較厚的界面層或者高彈性的界面膜使Pickering乳液具有凍融穩(wěn)定性。首先研究提出通過Pickering機制可提高蛋白質作為乳化劑制備乳狀液的凍融穩(wěn)定性，這與蛋白質聚集體吸附在油/水界面上有關，蛋白質可作為固體顆粒代替表面活性劑用于穩(wěn)定乳液，且其穩(wěn)定的乳液的凍融穩(wěn)定性更好，原因是在乳液冷凍或解凍過程中，界面蛋白可以提供靜電和空間排斥作用，防止乳液發(fā)生聚合。其次固體顆粒的低表面電荷量和可沉降組分中不僅可改善Pickering乳液的空間穩(wěn)定性，同時二者有助于形成高粘彈性的界面膜，也可以在乳化過程中吸附于界面處，固體顆粒及其結構在油水界面的乳化能力增強可提高凍融穩(wěn)定性[15,29?31]。Marefati等[26]在改性淀粉乳液中證實：油滴周圍形成厚的界面層對凍融穩(wěn)定性具有重要影響。

2.3 改善凍融穩(wěn)定性的方法

乳液經過冷凍，由于水結晶、脂肪結晶、生物聚合物構象變化、冷凍濃縮和界面相變等現(xiàn)象的發(fā)生，導致凍融過程中乳液發(fā)生破裂現(xiàn)象[35]。例如，冷凍時在一個油滴內形成的脂肪晶體可能刺穿另一個油滴的流體區(qū)域，從而促進油滴部分聚結[4]，導致乳液形成大量的脂肪液滴聚集體，解凍時即出現(xiàn)油相和水相分離；此外，在凍結過程中，冰晶的形成減少脂肪液滴之間的空間，加速脂肪液滴的聚結，進一步促進界面層的破裂[4]。現(xiàn)有改善乳液凍融穩(wěn)定性的方法包括控制冰晶生長、改變界面結構、改變剪切條件和乳液的組成成分。其中改變界面結構的方法引起人們極大的關注[25]。

首先是采取添加冷凍保護劑方式控制冰晶的生長達到改善乳液凍融穩(wěn)定性的效果。研究人員研究了不同添加劑對乳液凍融穩(wěn)定性的影響，包括多糖、脂類和蛋白質。研究提出可添加水溶性溶質，如麥芽糊精或蔗糖，增加未冷凍水的存在水平來提高乳液的凍融穩(wěn)定性[36]。此外添加高離子強度的鹽，可以增強界面粒子膜的強度，并抑制冰晶的形成[29]。

其次改變乳液界面結構以提高其穩(wěn)定性。主要通過增加界面膜的厚度和構建多層界面膜兩個方面進行。增加脂肪液滴周圍界面膜的厚度，可以通過添加形成厚界面層或凝膠狀結構的表面活性物質來實現(xiàn)，例如微晶纖維素、酪蛋白-麥芽糊精結合物等[4]。厚界面層還可以防止冰晶在凍結過程中對油水界面層的破壞，并在凍融循環(huán)過程中抵抗乳液的聚結。界面多重結構的形成已被證明是提高水中油乳的凍融穩(wěn)定性的有效方法[36]。通過層間界面電沉積技術制備多層乳液，可提高乳液的凍融穩(wěn)定性[37]，多層界面通過帶有相反電荷的不同乳化劑以層層靜電吸附的方式穩(wěn)定乳狀液液滴形成的界面。表1整理了目前改善皮克林乳液凍融穩(wěn)定性的相關研究，并將其提高凍融穩(wěn)定性的原理進行整理，具體情況如下表所示。

表1 改善皮克林乳液凍融穩(wěn)定性的相關研究Table 1 Improvement of freeze-thaw stability of Pickering emulsion

3 展望

冷凍作為食品中常見延長保質期方式之一廣泛使用，因此凍融穩(wěn)定性是食品的重要特性之一，研究Pickering乳液的凍融穩(wěn)定性具有極大的意義，有利于提高冷凍食品的品質，擴大在食品中的應用范圍。

目前Pickering乳液在食品中的應用未實現(xiàn)商業(yè)化，但已經在實驗室中得到了廣泛的探索，因此設計和開發(fā)出滿足現(xiàn)代消費者要求的多功能食品具有重要的意義。目前在食品中的應用主要在以下幾個方面：首先作為脂肪替代品在奶油、黃油、香腸等高脂肪物質降低食品中的脂肪含量[38?40]；其次可用于食品包裝材料保護食品中脂質類成分不被氧化，保護產品的質量[41]；此外可用于生物活性成分的包埋封裝及運輸例如姜黃素、β-胡蘿卜素、百里酚等等[42?45]，在無麩質食品中可替代添加劑的使用，Pickering穩(wěn)定化可促進面包或面糊的膨脹[46]。大豆分離蛋白為乳化劑，酸性（pH3.0）熱致大豆分離蛋白替代蛋黃制得了高凍融穩(wěn)定性、低膽固醇的類蛋黃醬乳液[47]。目前有關Pickering 乳液凍融穩(wěn)定性在食品中的應用較少，有待于進一步的研究。

4 結論

Pickering乳液主要通過增加粘彈性層或形成凝膠網絡結構來提高其凍融穩(wěn)定性。影響Pickering乳液凍融穩(wěn)定性的因素除了離子強度、溫度、物理技術，乳化劑的類型等因素外，pH、原料組成也是研究的關鍵，但是目前相關基礎理論研究尚不完善，凍融穩(wěn)定性的相關機理還需要進一步的研究和完善。目前油和水以兩種不混溶相的形式存在的食品種類較多，例如飲料、醬料、冰淇淋、奶油等，冷凍作為簡單方便可延長食品保質期普遍方式之一得以被廣泛使用，因此研究Pickering乳液的凍融穩(wěn)定性相關機理具有極大的意義，有利于提高冷凍食品的品質，指導食品企業(yè)冷凍食品的產品加工，以較經濟和環(huán)保的手段最大限度的保證產品的質量，實現(xiàn)Pickering乳液商業(yè)化。