水包水(W/W)乳液由兩種熱力學(xué)互不相溶的親水性高分子水溶液以一定比例混合形成,在非穩(wěn)態(tài)下宏觀上會(huì)形成互不相溶的兩相,即“雙水相體系”。W/W乳液中不含任何有機(jī)溶劑和表面活性劑,具有安全無(wú)毒、綠色環(huán)保、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)被應(yīng)用于人造生物反應(yīng)器、營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)的包載,同時(shí),基于可食用配方的結(jié)構(gòu)化W/W乳液可作為富含膳食纖維和水溶性營(yíng)養(yǎng)素的低能量功能性食品。
陜西科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院的緱青霞、姚曉琳*、韋湘瀅等人從W/W乳液的構(gòu)建、W/W乳液穩(wěn)定策略及其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述,重點(diǎn)歸納基于Pickering乳液穩(wěn)定機(jī)理實(shí)現(xiàn)W/W乳液的穩(wěn)態(tài)化調(diào)控,以及W/W乳液作為營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)遞送體系的應(yīng)用特點(diǎn)。


天然高分子由于帶電性質(zhì)、分子質(zhì)量及分子親和力等方面存在差異,當(dāng)兩種或兩種以上天然高分子溶液按一定比例混合時(shí),會(huì)自然發(fā)生相分離。相分離分為結(jié)合型相分離和離散型相分離,如蛋白-多糖體系,根據(jù)實(shí)際情況,二者在一定條件下能夠自發(fā)地生成可溶性復(fù)合物均一相、凝聚體兩相、相分離兩相、共溶一相(圖1)。結(jié)合型相分離是由于天然高分子所帶相反電荷而發(fā)生靜電結(jié)合的結(jié)果。離散型相分離是由于兩種天然高分子間熱力學(xué)不相容,分子間傾向于同種分子相容、異種分子相斥,從而發(fā)生二者分別富集于兩相的過(guò)程,離散型相分離是W/W乳液形成的前提。

將兩種高分子按不同濃度比例混合并靜置,可通過(guò)繪制相圖表征兩種高分子的混合狀態(tài),反映二者在不同組分濃度下的相態(tài)變化。如圖2所示,雙節(jié)點(diǎn)曲線將單相區(qū)和雙相區(qū)分隔開(kāi),曲線以下部分為相融合區(qū),以上為相分離區(qū)。在相融合區(qū)內(nèi),混合體系中兩種高分子分散均勻,處于相容狀態(tài)。當(dāng)處于相分離區(qū),混合體系中的高分子由于熱力學(xué)不穩(wěn)定而發(fā)生離散型相分離。
1.2 乳液的制備方法
W/W乳液的制備方法與傳統(tǒng)乳液相似,通過(guò)磁力攪拌、振蕩、剪切等機(jī)械力作用即可得到,此外,近年來(lái)新開(kāi)發(fā)出的微流控技術(shù)也適用于W/W乳液制備。 通過(guò)在雙水相體系中施加機(jī)械力來(lái)制備W/W乳液,體積分?jǐn)?shù)較小的為內(nèi)相,在兩相體積分?jǐn)?shù)相近時(shí)可發(fā)生相轉(zhuǎn)變,在體積比為50∶50的轉(zhuǎn)化點(diǎn)附近可形成雙連續(xù)乳液。O/W乳液通常使用超聲乳化或高壓均質(zhì)等方法制備,借助超聲波能量或強(qiáng)烈的剪切力和壓力等達(dá)到破碎和乳化的效果。但由于雙水相極低的界面張力和較大的界面厚度,高壓均質(zhì)機(jī)及高速分散機(jī)的剪切力能量過(guò)高,容易破壞水-水界面,難以制備出穩(wěn)定的乳液,一般使用磁力攪拌或振蕩即可制備。針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)制備W/W乳液的缺陷,劉石林等于2021年報(bào)道了一種一步法生成穩(wěn)定W/W型Pickering乳液的方法,其利用撞擊流的剪切分散和固體顆粒的乳化作用,首先在連續(xù)相中引入固體顆粒穩(wěn)定劑,然后利用兩股連續(xù)相撞擊流的撞擊剪切作用,在撞擊形成的高度湍流區(qū)引入分散相,生成穩(wěn)定的W/W型Pickering乳液,該方法解決了現(xiàn)有W/W乳液難以大規(guī)模制備的問(wèn)題。 
在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的W/W乳狀液研究中,可以應(yīng)用微流控技術(shù)制備W/W乳液。Moon等設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的微流控系統(tǒng)并成功制備出PEG與Dex的W/W乳液(圖3)。將分散相Dex溶液和連續(xù)相PEG垂直注入微流控芯片入口,僅通過(guò)施加微弱的靜水壓力即可形成W/W乳液。Dex溶液作為內(nèi)流引入,被PEG相包裹成一條細(xì)絲狀流體后再被分解成細(xì)小液滴。通過(guò)改變雙水相流體的黏度,并調(diào)整流體入口處的液柱高度控制液滴大小,成功制備出了液滴尺寸變異系數(shù)小于1%的W/W乳液。但由于微流控技術(shù)制備量小,目前其僅適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究,但可用來(lái)測(cè)算量產(chǎn)工藝參數(shù),其液滴具有單分散性,使得在包載營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)時(shí)其釋放速率可根據(jù)產(chǎn)品特性進(jìn)行調(diào)控,是制備W/W乳液的有效途徑之一。
研究者對(duì)W/W型Pickering乳液進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),固體顆粒可吸附于水-水界面上,通過(guò)在界面上形成一個(gè)空間能障來(lái)阻止乳液聚集,從而達(dá)到穩(wěn)定W/W乳液的目的(圖4)。越來(lái)越多的研究表明,天然高分子聚集體、無(wú)機(jī)微粒、微生物等在水-水界面上的吸附可實(shí)現(xiàn)W/W乳液的穩(wěn)定。自2016年以來(lái),關(guān)于W/W型Pickering乳液的研究報(bào)道數(shù)量呈顯著遞增趨勢(shì),表1列出了關(guān)于固體顆粒穩(wěn)定的W/W型Pickering乳液的研究實(shí)例。
2.1 W/W型Pickering乳液的穩(wěn)定機(jī)理 Pickering乳液穩(wěn)定機(jī)理與固體顆粒在界面上的脫附自由能和接觸角密切相關(guān)。固體顆粒的脫附自由能是指將吸附在兩相界面的固體顆粒轉(zhuǎn)移到體相中所需消耗的能量。從能量的角度進(jìn)一步解析固體顆粒與乳液穩(wěn)定性的關(guān)系發(fā)現(xiàn),當(dāng)固體顆粒吸附在兩相界面時(shí),脫附自由能取決于顆粒半徑(r)、顆粒與界面的接觸角(θ) 以及界面張力(γ),具體關(guān)系如下式所示。 研究證明,固體顆粒對(duì)兩相的親和力、顆粒形態(tài)、大小、pH值等參數(shù)對(duì)W/W型Pickering乳液穩(wěn)定性具有重要影響。固體顆粒主要通過(guò)影響乳液液滴的界面張力及接觸角等(表現(xiàn)為固體顆粒在水-水界面的吸附特性)來(lái)影響W/W乳液的穩(wěn)定性。 在油-水乳液中,Pickering乳液類(lèi)型取決于固體顆粒的親和力,固體顆粒親水時(shí)形成水包油型(O/W)乳液,即θ小于90°,而固體顆粒疏水形成油包水型 (W/O),即θ大于90°。與之相同,W/W型Pickering乳液的類(lèi)型與穩(wěn)定性也取決于固體顆粒在兩相界面處的 吸附位置,即固體顆粒對(duì)兩相的親和力。固體顆粒需具有一定潤(rùn)濕性,可被兩相部分潤(rùn)濕,從而形成吸附在界面上的顆粒穩(wěn)定層,以達(dá)到穩(wěn)定效果。固體顆粒的潤(rùn)濕性強(qiáng)弱通常用接觸角評(píng)價(jià),接觸角決定了乳液類(lèi)型及乳液穩(wěn)定性。固體顆粒形態(tài)
經(jīng)多項(xiàng)研究結(jié)果,可以推斷,不同形貌的固體顆粒對(duì)W/W乳液的穩(wěn)定性取決于顆粒在水-水界面的排列方式、顆粒與界面的接觸面積以及顆粒在乳液液滴的界面覆蓋率。棒狀和板狀顆粒不同于球形顆粒在水-水界面上的排列方式,且接觸面積更大,使其在界面上形成更加致密的界面層,有效地阻止了液滴的聚集。并且,由于棒狀和板狀顆粒在液滴界面覆蓋率高于球形顆粒,當(dāng)達(dá)到同等穩(wěn)定效果時(shí),棒狀和板狀顆粒所需的濃度可能會(huì)低于球狀顆粒的濃度。體系pH值
一些固體顆粒呈現(xiàn)出pH敏感性,pH值的變化可影響其表面電荷,通過(guò)調(diào)控體系pH值可影響W/W乳液的穩(wěn)定性。固體顆粒濃度與尺寸
W/W乳液中增加顆粒濃度可一定程度提高界面處的顆粒密度,固體顆粒濃度會(huì)直接影響界面吸附量以及液滴尺寸,進(jìn)而影響乳液穩(wěn)定性。根據(jù)研究結(jié)果可以推測(cè),W/W型Pickering乳液的粒徑隨著固體顆粒濃度的增加而減小,當(dāng)減小到一定值時(shí)粒徑可保持穩(wěn)定。低濃度的固體顆粒不足以抑制乳液聚集,增加其濃度可能會(huì)通過(guò)增加界面吸附量從而提高乳液穩(wěn)定性。但當(dāng)固體顆粒在兩相界面上過(guò)量吸附時(shí),極有可能因重力因素引發(fā)液滴沉降,導(dǎo)致微觀相分離以及乳液失穩(wěn)。3 W/W乳液在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用
近年來(lái),由于人們營(yíng)養(yǎng)健康觀念的增強(qiáng),W/W乳液受到了越來(lái)越多的關(guān)注,關(guān)于其穩(wěn)定性及應(yīng)用也得到了更多的研究,其在食品中的應(yīng)用主要集中在蛋白質(zhì)純化和水溶性營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)包載等方面。此外,W/W乳液在人造生物反應(yīng)器、模擬細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)、新型低熱量食品(如脫脂食品)的開(kāi)發(fā)及化妝品等領(lǐng)域也顯示出廣闊的應(yīng)用前景。 食品領(lǐng)域中雙水相體系多存在于蛋白質(zhì)和多糖的混合體系中,兩種天然高分子間發(fā)生相分離會(huì)形成富含蛋白的一相和富含多糖的另一相。因此,可通過(guò)雙水相體系從復(fù)雜生物混合物中分離和提取蛋白質(zhì)。 3.2 水溶性營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)的包載 食品級(jí)W/W乳液具有良好的生物相容性,可用于設(shè)計(jì)水溶性營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)的包載體系。水溶性營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)如維生素、礦物質(zhì)、生物堿、酶、萜類(lèi)和甾醇類(lèi)等常用于食品配方中,然而部分水溶性營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)如核黃素、乳糖酶等易受外界環(huán)境因素影響而發(fā)生分解和活 性喪失,因此,構(gòu)建水溶性營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)的保護(hù)體系具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。此外,某些食品級(jí)固體顆粒對(duì)pH值具有一定敏感性,可通過(guò)設(shè)計(jì)pH響應(yīng)型W/W型Pickering乳液實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)的包載、緩釋和靶向遞送。 W/W乳液是由兩種熱力學(xué)互不相容的親水性高分子水溶液以一定比例混合形成,具有極低的界面張力和較厚的界面層,采用表面活性劑無(wú)法實(shí)現(xiàn)體系穩(wěn)定,常通過(guò)將一相或兩相凝膠化的方式來(lái)避免宏觀相分離。基于Pickering水包油乳液的穩(wěn)定機(jī)理,采用固體顆粒在水-水界面上的不可逆吸附可不同程度地提升W/W乳液的穩(wěn)定性。通過(guò)調(diào)控固體顆粒的尺寸和形貌、體系pH值等因素,可實(shí)現(xiàn)W/W型Pickering乳液的穩(wěn)態(tài)化調(diào)控,在水溶性營(yíng)養(yǎng)活性物質(zhì)包載方面呈現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。與此同時(shí),探尋更多類(lèi)型的食品級(jí)固體顆粒以穩(wěn)定W/W型Pickering乳液,以及探究固體顆粒在W/W乳液界面的吸附特性及表征方法將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)和方向。本文對(duì)近年來(lái)固體顆粒吸附的W/W乳液穩(wěn)定性、影響因素及在食品 領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)行深入系統(tǒng)的總結(jié)和討論,可為采用W/W乳液穩(wěn)態(tài)化策略實(shí)現(xiàn)食品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)辟新思路。
本文《基于Pickering乳液穩(wěn)定機(jī)理的水包水乳液研究進(jìn)展》來(lái)源于《食品科學(xué)》2023年44卷第13期289-296頁(yè),作者:緱青霞,姚曉琳,韋湘瀅,岳健雄,岳娟,李丹。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220622-236 。