唐瑜婉，王啟明，楊雅軒，李富華,2，趙吉春,2，明建,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(西南大學 食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

牛奶、奶油、冰淇淋、黃油等食品中均含有乳液體系，通常需要加入乳化劑來提升乳液穩(wěn)定性。乳化劑包括表面活性劑、蛋白質(zhì)、多糖及顆粒乳化劑等。隨著消費者對“綠色、安全”需求的日益增長，pickering乳液的穩(wěn)定劑——顆粒乳化劑由于其安全性和抗聚結性受到消費者的青睞，但是適合作為顆粒乳化劑的天然可食用材料非常有限[1]。zein作為少數(shù)富含脯氨酸的兩親性蛋白，能夠自組裝形成納米顆粒，穩(wěn)定乳液。但是zein顆粒在中性條件下不穩(wěn)定，容易發(fā)生聚集，限制其發(fā)揮對乳液的穩(wěn)定作用，且zein顆粒不能解決乳液易被氧化的問題。在自組裝系統(tǒng)中引入多酚是解決這些問題的潛在途徑，蛋白質(zhì)脯氨酸含量越高與多酚的結合能力越強，與多酚的結合能調(diào)控zein的自組裝行為并提升其抗氧化活性[2-3]。文章綜述了玉米醇溶蛋白-多酚納米顆粒(zein-polyphenol nanoparticles, ZPNPs)的制備機理以及對pickering乳液穩(wěn)定性的調(diào)控和應用，以期為開發(fā)具有抗氧化能力的乳液穩(wěn)定劑提供參考。

1 玉米醇溶蛋白納米顆粒概述

1.1 乳液

乳液是指兩種互不相溶的液體，一種液體以液滴形式均勻分散在另一液體中。隨著分散程度的增加，界面和界面能也隨之增加，通常需要第三相——乳化劑來穩(wěn)定乳液[3]。

二十世紀初，RAMSDE[4]發(fā)現(xiàn)納米尺寸的固體顆?？梢苑€(wěn)定乳液，pickering對這種乳液體系開展了系統(tǒng)的研究，因而此類由顆粒乳化劑穩(wěn)定的乳液被稱為pickering乳液[5]。pickering乳液是動力學和熱力學穩(wěn)定的體系，固體顆粒對乳液的穩(wěn)定機理是分散的固體顆粒吸附在油/水界面形成物理屏障，從而阻止乳液液滴之間的聚集[6](圖1)。與傳統(tǒng)表面活性劑穩(wěn)定的乳液相比，pickering乳液具有突出優(yōu)勢：抗聚結的長期性、對環(huán)境友好、減少脂肪和熱量、生物活性物質(zhì)遞送等[7-8]。但適合作為pickering乳液顆粒穩(wěn)定劑的天然可食用材料非常有限，目前已發(fā)現(xiàn)有細菌纖維素、藜麥淀粉顆粒、蛋白質(zhì)、脂肪結晶體、黃酮類物質(zhì)等。而zein作為兩親性的水不溶性蛋白，能通過自組裝形成納米顆粒，可作為新型顆粒穩(wěn)定劑材料，在穩(wěn)定乳液方面起著重要作用。

圖1 傳統(tǒng)乳化和Pickering乳化示意圖[6]Fig.1 Schematic diagram of traditional emulsification and pickering emulsification

1.2 玉米醇溶蛋白納米顆粒(ZNPs)

zein是由二硫鍵聚合體組成的蛋白質(zhì)，平均分子量為44 000 Da[3, 9]。zein實際上是由不同分子大小、溶解度和電荷的肽美組成的混合物，商業(yè)zein至少是α-、β-、γ-和δ-zein 4種的混合物[10]。

zein富含非極性氨基酸如：亮氨酸(20%)、脯氨酸(10%)和丙氨酸(10%)，酸性和堿性氨基酸較少，這導致zein不溶于水，溶于60%～95%乙醇水溶液[9]。并且由于它含有3/4的親脂性氨基酸和1/4的親水性氨基酸[10]，因此具有兩親性(疏水/親水性)，使得zein能夠自組裝形成納米顆粒[11-13]。另外，zein對消化酶具有抗性，所以在胃腸道中的消化較慢，可用于控釋zein顆粒中負載的功能組分。這些性質(zhì)使zein成為生產(chǎn)功能性納米顆粒的良好材料[14]。

DE FOLTER等[1]通過反溶劑沉淀法制備了zein自組裝顆粒，用80 nm左右的顆粒作為pickering乳液穩(wěn)定劑，制備出粒徑為10～200 μm的乳液。然而，ZNPs在中性條件下不能穩(wěn)定的存在于水相中，且懸浮液凍干后無法復溶，表面過于疏水也制約ZNPs穩(wěn)定的水包油型pickering乳液的構建[3]。而且乳液類食品含有脂質(zhì)，極易被氧化，不僅造成營養(yǎng)損失、有害物質(zhì)的生成、改變食品色、香、味，更為嚴重的是產(chǎn)生細胞和基因毒性，嚴重危害人體健康[15]。目前對食品級pickering乳液的制備和物理穩(wěn)定性表征已有較多研究，而對其降低脂質(zhì)氧化方面的研究卻進展緩慢[3]。ZNPs不能解決乳液易被氧化的問題。因此，急需尋找一種新材料用于改善ZNPs的穩(wěn)定性和抗氧化活性。

1.3 玉米醇溶蛋白-多酚納米顆粒(ZPNPs)

多酚是植物體內(nèi)重要的次生代謝產(chǎn)物，含有由羥基連接的苯環(huán)結構[16]，具有較強的抗氧化、抑菌、抗癌、抗衰老等功能活性[17-18]。

食品級膠體結構，例如納米顆粒、復合物和微膠囊，可以通過食品大分子與大/小分子化合物間的相互作用來產(chǎn)生。蛋白質(zhì)、多糖、多酚兩者或者三者之間的相互作用是食品行業(yè)中制備納米結構的基礎。目前利用蛋白與多酚的相互作用來制備納米顆粒已有許多報道[2, 7, 19-20]。蛋白質(zhì)脯氨酸含量越高，與多酚的結合能力越強，因此，zein作為一種富含脯氨酸的疏水性蛋白，能通過自組裝和與多酚復合形成納米顆粒。多酚的引入不僅可以調(diào)節(jié)zein的自組裝過程，提升納米顆粒的穩(wěn)定性，還能提升乳液的抗氧化活性。

2 ZPNPs的制備方法

自組裝是各種原子、分子、微納米粒子等在非共價相互作用下自發(fā)組織或聚集成具有一定規(guī)則幾何外觀結構的過程，是制備納米顆粒實用而有效的方法[7]。zein具有兩親性，因此能自組裝形成納米顆粒。這種自組裝特性是制備zein復合納米顆粒的基礎，常用于制備ZPNPs的方法有反溶劑法、噴霧干燥法和超臨界反溶劑法[3]。

2.1 反溶劑沉淀法

基于zein特殊的溶解性[9]，反溶劑沉淀法是最常用于制備ZNPs的方法(圖2)：將zein的儲備液剪切到大量去離子水中形成小液滴。由于乙醇和水的優(yōu)異混溶性，分散液滴中的乙醇會大量溶到水中。當分散液滴中的乙醇濃度降低至zein溶解極限以下時，zein變得不溶并且突然形成球形納米顆粒[10, 14]。

圖2 反溶劑沉淀法制備球形ZNPs示意圖[15]Fig.2 Schematic diagram of spherical zein nanoparticles prepared by anti-solvent precipitation method

如果非極性功能成分能與zein共同溶解在乙醇水溶液中，則通過反溶劑沉淀法可以很容易地將其包封在ZNPs中[21]。已知多酚與富含脯氨酸的蛋白質(zhì)能發(fā)生強烈的非共價相互作用(例如氫鍵和疏水相互作用)[22-23]，又基于多酚在低級醇中具有優(yōu)異的溶解性，使用反溶劑沉淀法可以將其包封在zein中制備成復合顆粒[14]。反溶劑沉淀法制備的ZNPs通常為球形。但是，通過簡單地改變沉淀介質(zhì)的黏度，也可產(chǎn)生非球形顆粒。

2.2 噴霧干燥法

噴霧干燥法可通過噴霧干燥器制備納米至亞微米尺寸范圍內(nèi)的各種聚合物顆粒。此方法將液體通過霧化器，噴灑成霧狀液滴，并依靠干燥介質(zhì)(熱空氣)與霧滴均勻混合，進行熱交換和質(zhì)交換，使水分汽化，從而脫除物料中的物理結合水和機械結合水，形成核并最終生長成固體顆粒[8](圖3)。粒徑可通過原料中溶質(zhì)濃度和液滴大小調(diào)節(jié)。顆粒的形態(tài)受霧化器類型、溶劑蒸發(fā)速率和干燥過程中的溶質(zhì)擴散系數(shù)等影響[24]。XIAO等[25]將zein和活性成分(溶菌酶或乳酸鏈球菌素或百里香酚)的混合乙醇溶液進行噴霧干燥，得到包埋活性成分的微米級zein顆粒。

圖3 制備zein微/納米顆粒的噴霧干燥方法和電噴霧技術[8]Fig.3 Spray drying method and electrospray technology for preparing zein micro/nanoparticles

2.3 超臨界反溶劑法(supercritical anti-solvent, SAS)

SAS是一種制備營養(yǎng)物遞送和控釋的納米顆粒的有效方法[26]。超臨界二氧化碳(CO2)作為反溶劑，具有溫和的操作溫度、對環(huán)境友好、易于控制等優(yōu)點。超臨界流體提高溶液分散是SAS工藝之一，用此方法將溶解有zein和多酚的有機溶劑(如乙醇水溶液)與超臨界反溶劑混合(二者需要能夠混溶)，隨著從霧化液滴中連續(xù)提取共溶劑，zein和多酚逐漸失去其溶解性，形成核并生長成固體顆粒。

以溶解有zein及活性成分的有機相為溶劑，以超臨界流體(CO2)作為反溶劑，將二者通過SAS裝置混合，最終制備出負載活性成分的zein顆粒[3]。HU等[27]制備了葉黃素/zein納米顆粒，制備過程中壓力、溫度、葉黃素/zein的比例和溶液流速等均能顯著影響顆粒的形態(tài)、載藥量、包封效率和平均粒徑。

2.4 其他方法

其他方法包括閃納米沉淀法、乳化/沉淀法、化學交聯(lián)、冷膠凝等。閃納米沉淀法是一種相對新型的制備膠狀納米顆粒的技術，它在聚合物固化之前將溶劑與抗溶劑以短時間內(nèi)快速混合的方式來達到既定效果[28]。乳化/沉淀法是將含有藥物和zein的水溶液乳化到負載表面活性劑的油中以獲得油包水乳液，其中水相用作載體制備的模板，初始水溶液需保持堿性，之后引入可溶于油的酸(如冰醋酸)將其pH值調(diào)節(jié)至接近中性(6.0)，zein不溶于中性溶液會沉淀并聚集成不同大小的顆粒[8]。此外，化學交聯(lián)、冷膠凝等也可用于制備zein納米顆粒[8]，但由于這些方法往往使用有毒化學溶劑、操作復雜或者效果不理想，在食品行業(yè)中應用較少。

3 ZPNPs對pickering乳液穩(wěn)定性的調(diào)控

影響pickering乳液穩(wěn)定性的因素很多，主要包括固體顆粒(類型、表面潤濕性、粒徑、濃度等)、水相(pH、電解質(zhì)、溫度、離子強度等)以及其他(油相性質(zhì)、油水比、形成乳液液滴大小等)[6,29-30]。這些因素通過影響乳液的親水/油性、界面能、黏度等來影響乳液穩(wěn)定性。ZPNPs不僅具有良好的封裝、傳遞和控釋功能，而且在調(diào)控乳液穩(wěn)定性方面具有重要意義。

3.1 ZPNPs對pickering乳液穩(wěn)定性的影響

由于自組裝的ZNPs的固有聚集傾向，對乳液的穩(wěn)定作用有限[31]。DE FOLTER等[1]采用未改性的ZNPs穩(wěn)定pickering乳液，發(fā)現(xiàn)它的乳化非常不穩(wěn)定，而且水相混濁。

在自組裝系統(tǒng)中引入多酚，zein能夠被多酚涂覆或包裹，從而形成復合納米顆粒，改善zein在反溶劑過程中的自組裝行為。這種絡合作用能夠進一步抑制多酚的電離，并且在酸性pH下誘導ZNPs表面羥基的增加，減少了它們的疏水性而沒有顯著降低表面電荷，這使復合納米顆粒具有接近中性的潤濕性和增強的反應性，進一步促進油滴的油-水表面上的多層界面結構，從而形成pickering乳液。此外，氫鍵結合進一步觸發(fā)納米顆粒之間的交聯(lián)，在油滴之間和周圍形成連續(xù)的網(wǎng)絡，形成穩(wěn)定的乳液凝膠[2](圖4)。

圖4 用zein/ TA復合納米顆粒制備的Pickering乳液凝膠形成機理示意圖[2]Fig.4 Schematic diagram of the formation mechanism of pickering emulsion gel prepared by zein/TA nanoparticles

ZOU等[2]通過單寧酸(tannic acid, TA)和zein制備出穩(wěn)定pickering乳液的納米顆粒，結果表明zein和TA的絡合是由于非共價相互作用(主要是氫鍵)，這比zein-硬脂酸鈉復合物中的疏水相互作用更具特異性。TA具有抗氧化和抗菌性能，使乳液不易被氧化變質(zhì)，具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和健康益處，可以開發(fā)為新型功能性食品成分。

王永輝[32]利用zein水解物(ZH)和TA的相互作用制備了ZH-TA非共價納米復合物，能夠應用于以海藻油為代表的功能性油脂或脂溶性活性物質(zhì)納米乳液輸送體系的構建，該乳液體系不僅對海藻油具有較高的包埋率，其在長期儲藏過程中還表現(xiàn)出了良好的物理穩(wěn)定性，該體系對功能性油脂具有超強的抗氧化保護。

朱美如[33]利用反溶劑沉淀法制備了富含蘆丁(rutin, R)的ZNPs，并進一步均質(zhì)制備pickering乳液。有效地促進了zein對疏水性R的包埋，且保留了R的抗氧化活性；相較于zein單獨穩(wěn)定乳液，zein-R復合納米顆粒不僅提高了pickering乳液的穩(wěn)定性，還提高了其抗氧化能力。

可見ZPNPs可以作為一種綠色可食用的pickering乳化劑，在功能食品中具有良好的應用前景。

3.2 ZPNPs調(diào)控pickering乳液在功能食品中的應用

3.2.1 穩(wěn)定、包封和控釋活性成分

zein和多酚本身即為2種功能成分，引入乳液體系后能增加其營養(yǎng)價值和健康功效。pickering乳液能包封功能成分，如蛋白質(zhì)、生物活性成分(維生素、多酚等)、活細胞(益生菌)，可用于食品營養(yǎng)強化[34]。親脂性化合物通常不能簡單地分散在水基產(chǎn)品中，將它們摻入顆粒穩(wěn)定的乳液體系后，能增強物理/化學穩(wěn)定性。ZOU等[35]使用zein/TA復合納米顆粒(ZTPs)穩(wěn)定的凝膠狀pickering乳液包封脂溶性成分(姜黃素)，ZTPs可以在乳液液滴周圍形成保護層，抵抗紫外線輻射和胃酸環(huán)境，抑制消化酶與乳液液滴的相互作用，從而使脂質(zhì)攝取緩慢和姜黃素持續(xù)釋放。

3.2.2 抑制乳蛋白聚集

巴氏殺菌等過程會引起乳制品中乳蛋白的聚集，顆粒聚集過多會導致乳液不穩(wěn)定。通過美拉德反應產(chǎn)生的β-乳球蛋白-葡聚糖顆粒在溫度高于85 ℃且pH值為5時具有增加的熱穩(wěn)定性。納米顆粒還可以調(diào)節(jié)和改善乳液(酸奶、奶油等)對pH的敏感性[35]。

3.2.3 響應乳液

許多固體顆粒乳化劑具有環(huán)境響應特性，蛋白質(zhì)顆粒在接近等電點pH時會發(fā)生聚集，在zein等電點pH時，zein顆粒穩(wěn)定的乳液變得不穩(wěn)定，多分散性急劇增加；因為蛋白質(zhì)和多酚之間通常是通過氫鍵、疏水力等相互作用的，蛋白質(zhì)-多酚復合物顆粒也可以用于制備pH響應乳液。通過體系和環(huán)境條件的變化(pH、溫度、磁場等)可以改變顆粒的潤濕性，進而實現(xiàn)pickering乳液穩(wěn)定性的調(diào)控[36]，實現(xiàn)一種類似開/關的響應。

響應乳液可用于以預定的速率或響應在最佳測定條件下遞送和控釋生物活性化合物、香料等[37]，也可以用于調(diào)控乳液類型(O/W或W/O型)[36]、再乳化和反乳化等。

3.2.4 減輕油脂氧化

為了避免傳統(tǒng)飽和脂肪酸和氫化油對健康的威脅，一種可能的方法是使用pickering乳液作為模板形成油凝膠[34, 38]。凝膠狀pickering乳液不僅可以提高自身的凍融穩(wěn)定性，當乳液中油相體積分數(shù)高達70%及以上時，可取代氫化植物油在食品中的應用[39]。

另一方面，負載多酚的ZPNPs穩(wěn)定的乳液能有效的提升抗氧化性和生物利用度，應用于油脂時能提高其抗氧化能力，減輕油脂氧化帶來的危害。這不僅是由于多酚本身的抗氧化活性，也是因為pickering乳化使乳液的界面層厚度增大，起到了阻隔氧氣以及自由基清除的作用，從而降低了被包覆物質(zhì)的氧化速率。

4 展望

ZPNPs調(diào)控pickering乳液應用于食品體系可以減少食品中脂肪的含量，提高其抗氧化能力，增加體系的穩(wěn)定性。此外，pickering乳液也可用于生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定、包埋和釋放，提高其生物利用率。由此可見，使用ZPNPs調(diào)控pickering乳液在食品中具有廣闊的應用前景。

今后可以進一步研究物理、化學、生物因素對納米顆粒調(diào)控pickering乳液穩(wěn)定性、生物活性等的影響，以制備出更好的應用于食品體系的乳液。另外，繼續(xù)探尋食品級、營養(yǎng)、便宜、來源廣和有效的pickering顆粒穩(wěn)定劑，仍然是食品行業(yè)未來研究的任務之一。

同時值得注意的是，盡管zein是一種公認安全(GRAS)的天然材料，但任何應用于食品體系的材料都要考慮實際安全性，免疫原性是在體內(nèi)使用材料時要考慮的關鍵因素，目前關于zein免疫原性的研究較少，且存在較大爭議。因此，需要對zein的免疫原性做進一步研究。