孫哲浩 李巧玲

(河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

食品乳狀液是指將兩種互不相溶的液體通過特定的乳化技術(shù)制成的均一體系，且在一定的貯藏期內(nèi)不會發(fā)生分層及聚集等現(xiàn)象，其中乳化劑可以降低油水界面張力，使油與水形成乳狀液并趨于穩(wěn)定。

纖維素是世界上最豐富的生物質(zhì)資源，可以來源于植物、動物以及微生物，其中植物來源的纖維素在自然界中廣泛存在，其與半纖維素、木質(zhì)素一同構(gòu)成植物細胞壁的結(jié)構(gòu)性材料。植物纖維素在食品加工過程中多存在于末端，一般是加工其他產(chǎn)品的下腳料，用于飼料或返回到土壤中。近年來由于資源的短缺，纖維素受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，天然存在的纖維素在食品所需的功能特性上還有所欠缺，近年來由于技術(shù)的進步，人們開始探討一些改性技術(shù)以賦予纖維素一些功能特性，從而擴大纖維素在食品工業(yè)中的應(yīng)用。納米技術(shù)應(yīng)用至纖維素中賦予了纖維素一些獨特的性質(zhì)，其中乳化穩(wěn)定能力是其重要的特性之一。植物納米纖維分為納米晶體纖維及微纖化納米纖維，納米晶體纖維主要通過酸水解而來，微纖化納米纖維主要通過機械力作用，再輔以一些前處理如Tempo氧化及酶解等進行制備。兩種類型纖維均能夠穩(wěn)定乳狀液，尤其作為固體顆粒穩(wěn)定食品Pickering乳狀液。納米纖維可以單獨作為乳化穩(wěn)定劑或與蛋白質(zhì)交互作用，緊密排列在乳狀液液滴表面，通過立體阻隔作用或靜電排斥作用或純粹的機械屏障(固體顆粒)防止乳狀液液滴聚集，也可與蛋白質(zhì)形成多層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定乳狀液。文章擬闡述植物來源納米纖維的制備及特性，分析納米纖維對食品乳狀液穩(wěn)定性的影響，并對其制備與改性技術(shù)的研究方向進行展望，旨在為植物源納米纖維在乳狀液類食品中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 植物來源納米纖維的制備

植物來源纖維素十分廣泛，可以從禾本科植物、豆科植物、果蔬或木材中獲得。其分子鏈是由D-吡喃葡萄糖基以β-1,4糖苷鍵連接而成的線性高分子，葡萄糖的C1位上的—CHO和C5位上的—OH形成半縮醛吡喃環(huán)結(jié)構(gòu)。吡喃環(huán)上有3個裸露的—OH，分別位于2、3、6位的3個碳原子，其酸性順序為C2>C3>C6；C6位上的羥基酯化速度比其他兩個位置上的快10倍；C2位上的羥基醚化反應(yīng)速度比C3位上的快2倍；這些—OH具備的反應(yīng)性為纖維素的改性提供了可能性。同時由于游離—OH的存在，纖維素分子通過鏈內(nèi)和鏈間氫鍵的作用形成纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，包含結(jié)晶區(qū)、介晶區(qū)以及無定型區(qū)。無定型區(qū)內(nèi)的纖維素分子之間以及結(jié)晶區(qū)的表面是吸附水的主要區(qū)域，分子鏈上的非極性氫鍵是纖維素能夠水合的主要原因，纖維素經(jīng)吸水后膨脹，分子鏈間距增大，為后續(xù)的改性提供了可能性[1-2]。

纖維素的制備及改性通常能耗高且可能產(chǎn)生化學(xué)污染，因此需對其相應(yīng)方法的先進性進行評判，一般依據(jù)3個原則：獲得改性纖維素的質(zhì)量、預(yù)處理方法的先進性以及工業(yè)化的潛在的可能性[3]。植物來源納米纖維的制備一般有兩個方向：① 通過酸水解，將纖維素無定型區(qū)去除，變?yōu)榻Y(jié)晶度更高的纖維素，獲得的產(chǎn)品為納米晶體纖維，這類型產(chǎn)品一般直徑為幾納米到幾十納米，長度<350 nm；② 通過機械力作用盡量打開纖維的結(jié)晶區(qū)，使更多的基團暴露出來，增強水合及反應(yīng)性，獲得的產(chǎn)品為微纖化納米纖維，其直徑為納米級，而長度為微米級[4-6]。從減少能耗和環(huán)保角度出發(fā)，納米纖維的制備一般會通過物理、化學(xué)及生物相結(jié)合的方法進行制備，其制備路線圖如圖1所示。

圖1 納米纖維的制備路線

納米晶體纖維的制備工藝較簡單，通過酸的水解使纖維的無定型區(qū)去掉，制備的產(chǎn)品性質(zhì)與酸的類型、濃度及反應(yīng)時間有關(guān)，通常使用的酸為H2SO4或HCl，但也有使用有機酸的報道。納米晶體纖維一般為桿狀或針狀[7-15]。

微纖化納米纖維的制備一般通過機械力的作用，打開纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其制備過程中的能耗比較高。為減少力學(xué)處理過程的能耗，一些預(yù)處理方法如酶切、TEMPO氧化等已被應(yīng)用至其制備過程中，這些預(yù)處理的方式同時也賦予了微纖化納米纖維一些獨特的功能特性[16-17]。Khadija等[18]研究了桉木漿經(jīng)TEMPO氧化以及羧甲基化后，再利用雙螺桿擠壓制造納米纖維素，表明預(yù)處理會導(dǎo)致纖維素膨脹，減弱鏈內(nèi)氫鍵，有利于纖維素變?yōu)榧{米微纖絲。預(yù)處理也會增加納米微纖絲的拉伸強度及堅韌度。與其他的機械力方法相比，雙螺桿擠壓是一種能耗較低的生產(chǎn)納米微纖絲的方法。纖維素在經(jīng)機械力處理后，鏈間和鏈內(nèi)部分氫鍵斷裂，纖維素的部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)被打開，一般會加入一些生物高分子，并與纖維素打開的單鏈發(fā)生相互作用，從而防止后期干燥過程導(dǎo)致的重新結(jié)晶或聚集。Deepa等[19]研究了添加CMC-Na對微纖化云杉纖維的流變及結(jié)構(gòu)特性的影響，由于CMC-Na的加入，增加了微纖化纖維的黏度及干燥后其在水中的重新分散性。這可能是由于CMC-Na的帶電性質(zhì)，及其與微纖化纖維作用，使打開的分子鏈不能夠重新聚集，從而改善了納米纖維的分散性。

微纖化纖維的后期改性也可以制造性質(zhì)獨特的纖維素。這些后期改性技術(shù)利用吡喃糖上游離—OH的反應(yīng)性，通過接枝共聚，包含酯化、醚化及電解質(zhì)吸附等，使纖維素的親水性減弱，親油性加強，以制備不同內(nèi)相比的乳狀液，同時后期的改性處理也使纖維凝膠性能得以加強。一般纖維素達到納米級時，會具有高強度和高硬度、長徑比大、比表面積大、熱穩(wěn)定性強、密度低等特點。納米纖維水吸收能力強，在水溶液中具有良好的流變性質(zhì)。這些特點有利于其吸附或纏繞在乳狀液液滴表面，防止液滴聚集，從而穩(wěn)定乳狀液。圖2總結(jié)了植物納米纖維的特性，由于這些特性，使其在食品工業(yè)中有良好的應(yīng)用前景。

2 納米纖維對食品乳狀液穩(wěn)定性的影響

許多食品以乳狀液的形式存在，賦予了食品一定的外觀、質(zhì)構(gòu)、風味、滋味和口感。乳狀液是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在運輸和貯藏過程中會發(fā)生分層及聚集，導(dǎo)致油水分離，因此需要在體系中加入乳化劑或固體顆粒，降低乳狀液滴的表面張力，從而使其穩(wěn)定。其中，通過固體顆粒穩(wěn)定的乳狀液——Pickering乳狀液受到了人們的關(guān)注，與常規(guī)的乳化劑穩(wěn)定機理不同，Pickering乳狀液是通過固體顆粒在水相和油相的部分潤濕性，強烈地吸附并緊密排列在液滴表面，通過空間排斥作用實現(xiàn)乳狀液的穩(wěn)定，因此尋找合適的材料滿足固體顆粒的性質(zhì)，同時又能夠滿足食品安全的要求是目前食品乳狀液研究的焦點[20-22]。植物來源纖維作為固體顆粒有其自身的優(yōu)勢，如自然界中含量豐富、植物基的、可降解、生物相容性以及低成本，因此有眾多的研究報道了植物基的納米纖維在乳狀液中的應(yīng)用[23-25]。

圖2 植物納米纖維的特性

2.1 植物納米纖維穩(wěn)定乳狀液的機理

2.1.1 植物納米纖維在油水界面上的特性 納米纖維能夠在乳狀液制備中快速吸附到油—水界面上，降低界面的自由能，是生物固體顆粒的良好材料。通常固體顆粒接近角θ反映了其在水相和油相的潤濕性，當θ<90°時，形成水包油型乳狀液，當θ>90°時，形成油包水型乳狀液。納米纖維因為含有大量的—OH，因此是更加親水的，其θ值一般小于90°，通常形成O/W型乳狀液。納米纖維能夠在水相和油相部分潤濕，但更多的是親水的，能夠緊密排列在乳狀液液滴表面，形成O/W型乳狀液，通過立體排斥作用防止液滴的聚集，另外多數(shù)的納米纖維素在制備過程中，帶有硫酸基和羧基，使納米纖維素帶有大量的負電荷，因此又可以通過靜電排斥作用，防止液滴的聚集，從而穩(wěn)定乳狀液[26-28]。

(1) 油的濃度與納米晶體纖維添加量的比例均影響乳狀液的穩(wěn)定性，過多的納米晶體纖維的添加會帶來乳狀液的不穩(wěn)定性。Aureliano等[29-30]研究了由納米晶體纖維穩(wěn)定的Pickering乳狀液的穩(wěn)定性，納米晶體纖維由酸水解而來，然后透析并經(jīng)超聲波處理，因超聲波的機械力作用使油滴分散成更小的油滴，納米晶體纖維能夠通過立體阻隔作用和靜電排斥作用穩(wěn)定形成的O/W型乳狀液。0.5%的納米晶體纖維添加在2.5%，5.0%，7.5%的油含量下都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

(2) 不同的納米纖維形狀產(chǎn)生了不同的穩(wěn)定性。通常由納米晶體纖維形成的乳狀液液滴要小于由微纖化納米纖維形成的液滴，納米晶體纖維由于高度的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，能夠致密地排列在液滴表面，微纖化納米纖維因含有無定型區(qū)，這些松散的纖維素鏈可以纏繞在液滴的周圍，防止液滴聚集。在液滴表面，長徑比大的桿狀固體顆粒比球形的固體顆粒更能致密穩(wěn)定地排列在液滴表面，所需的解吸能更大，納米纖維素的顆粒尺寸滿足這一條件，因此較一般的球形顆粒具有更好的乳化穩(wěn)定性。

(3) 顆粒表面的電荷密度影響了納米纖維對乳狀液的影響。當ξ電位高于30 mV時，由于在界面上的靜電排斥作用可以形成穩(wěn)定的乳狀液，因此一般纖維素都需進行表面改性接入更多的離子基團，如硫酸基、羧基以及磷酸根，從而改善納米纖維的帶電性質(zhì)。但硫酸基的引入減弱了纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致纖維的熱穩(wěn)定性降低。

2.1.2 植物納米纖維改善了連續(xù)相的流變特性 納米纖維能夠改善連續(xù)相的黏度，同時可以形成架橋作用，減弱液滴的布朗運動，從而穩(wěn)定乳狀液。Ellinor等[31]發(fā)現(xiàn)納米纖維可以改善蛋黃醬的流變特性，從而穩(wěn)定蛋黃醬乳狀液。當?shù)包S醬體系中油含量從79%降低至70%時，蛋黃醬的黏度和貯能模量降低，導(dǎo)致液滴的聚結(jié)，使體系變得不穩(wěn)定。通過在體系中添加0.42%的納米纖維，可以彌補因油脂降低帶來的體系流變特性的劣變，這可能是由于納米纖維可以在連續(xù)相中形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加之與液滴的相互作用，提高了體系的黏度及貯能模量，從而穩(wěn)定了蛋黃醬乳狀液。

2.2 不同改性方法生產(chǎn)的納米纖維對食品乳狀液的影響

通過不同的改性方法改善納米纖維的親水、親油及機械障礙能力，可以使乳狀液更加穩(wěn)定。一般經(jīng)Tempo氧化后，納米纖維表面帶有較多的負電荷。而經(jīng)酶處理及機械力處理的納米纖維帶電荷量要少很多，因此導(dǎo)致該制造路線的產(chǎn)品在乳狀液中的表現(xiàn)也不同。Lu等[32]研究了水磨纖維的性質(zhì)及其對Pickering乳狀液的影響，將微晶纖維素水磨15 h后，纖維素的溶解性增強，研磨后的纖維素長度為(855±215) nm～4 μm，由其制得的Pickering乳狀液能夠在0.1 mol/L離子強度下及廣泛的pH值條件下(pH 3～9)保持乳狀液的穩(wěn)定。這是由于研磨的作用，微晶纖維素的晶體結(jié)構(gòu)被打開，暴露出更多的羥基，靜電排斥作用加強防止了顆粒的聚集，同時由于纖維素分子的長鏈特性纏繞在顆粒的表面也可防止聚集；另外當纖維素的添加量足夠多時，一些未在界面吸附的纖維素分子溶解在水溶液中，通過形成弱的凝膠結(jié)構(gòu)，阻止了乳狀液液滴的聚集，有利于乳狀液的穩(wěn)定。將經(jīng)高壓均質(zhì)處理后的柑橘纖維應(yīng)用至酸奶中，與常規(guī)的淀粉—果膠體系相比，添加均質(zhì)的柑橘纖維在酸奶二次均質(zhì)過程中，其黏度降低較小，表現(xiàn)出良好的保水性，酸奶乳狀液體系在30 d內(nèi)保持穩(wěn)定，且優(yōu)于常規(guī)的穩(wěn)定體系。

在制備高內(nèi)相比(>40%)乳狀液時，可以通過對納米纖維素的親水—親油性進行校正，常用的方法是通過接枝共聚，將一些親脂的基團引入至纖維素中，以使納米纖維素達到親水—親油的平衡，形成不同內(nèi)相比的乳狀液。Hoang[33]通過辛烯基琥珀酸酐(OSA)改性納米晶體纖維，由于OSA的引入，納米晶體纖維素的疏水性得到提高，θ從56.0°增加至80.2°，改性后的納米纖維素能夠在一定的pH值及離子強度下形成穩(wěn)定的Pickering乳狀液，但當pH<4時，Pickering乳狀液呈凝膠狀；當離子強度>0.02 mol/L時，乳狀液開始變得不穩(wěn)定，可能是體系的高離子強度削弱了納米晶體靜電排斥作用，范德華力作用增強，導(dǎo)致了乳狀液的絮凝。低內(nèi)相比的Pickering乳狀液可以用來包埋生物活性物質(zhì)，進行靶向輸送，開發(fā)一些足夠穩(wěn)定的乳狀液作為包埋生物活性物質(zhì)的載體是目前的研究熱點之一[34-37]。生物質(zhì)顆粒研究主要集中于蛋白質(zhì)和淀粉方面，但蛋白質(zhì)與淀粉顆粒對于人體胃腸內(nèi)的酶的耐受性較差，而纖維素對于人體胃腸內(nèi)酶類具有一定的耐受性受到了人們的關(guān)注，但還是存在不穩(wěn)定性，因此需要更細小的顆粒來穩(wěn)定乳狀液，納米纖維包裹在液滴表面形成黏彈性的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以進行微膠囊包埋脂溶性維生素、風味物質(zhì)、不飽和脂肪酸等活性成分，以達到延遲脂質(zhì)消化、風味物質(zhì)保持等目的，因此其在飲料、保健食品的開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 通過與蛋白質(zhì)的交互作用穩(wěn)定食品乳狀液

在復(fù)雜的食品體系中，一般是多種成分并存的。從親水親油性質(zhì)方面，蛋白質(zhì)是偏向于親油的，多存在于油的一端，而納米纖維素是偏向于親水的，多存在于水相一端，因此蛋白質(zhì)與納米纖維通過交互作用可以形成既親油又親水的生物高分子，達到親水與親油的平衡，校正納米纖維在界面上的潤濕性，從而穩(wěn)定不同內(nèi)相比及不同極性油相乳狀液。納米纖維素與蛋白質(zhì)可以形成3種界面結(jié)構(gòu)，即復(fù)合體(composite)、復(fù)雜的團聚體(complex coacervates)和多層結(jié)構(gòu)乳狀液(multilayer emulsions)[38-39]。

Pind’áková等[40]研究了酪酛酸鈉與納米晶體纖維在界面上的相互作用，pH值、添加順序影響了兩種穩(wěn)定劑在界面上的相互作用，當pH為7時，納米晶體纖維素平衡了酪酛酸鈉在界面上的吸附；當pH為3時，同時添加酪酛酸鈉和納米晶體纖維比單獨順序添加酪酛酸鈉和納米晶體纖維素表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，說明兩種分子產(chǎn)生了協(xié)同增效作用，當pH為3，低于酪酛酸鈉的等電點時，帶正電荷，帶負電荷的納米晶體纖維可與其發(fā)生靜電交互作用，形成絡(luò)合體，從而穩(wěn)定乳狀液。在乳狀液制備過程中，若先加入酪酛酸鈉后加入納米晶體纖維素，可以形成多層的乳狀液穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此通過蛋白質(zhì)和納米纖維的作用可以部分替代小分子乳化劑的功能。

3 總結(jié)

食品乳狀液尤其Pickering乳狀液研究是目前食品研究的熱點之一，高內(nèi)相比的乳狀液用于食品結(jié)構(gòu)構(gòu)建，低內(nèi)相比乳狀液用作微膠囊包埋生物活性成分，其中尋找能夠符合食品要求的固體顆粒是最重要的。納米纖維由于其結(jié)構(gòu)特性及改性后所具備的功能特性符合固體顆粒的要求，必將具有廣闊的應(yīng)用前景，但制備及改性技術(shù)仍需深入探究，尋找一整套耗能低及環(huán)境污染少的方法仍是食品研究者們未來的主攻方向，納米纖維穩(wěn)定乳狀液的機理也仍需進行更加深入的探討。