乳液由2种或2种以上不混溶液体组成，一般分为分散相和连续相[1]。常规乳液是热力学不稳定的，各种物理化学作用会破坏其稳定性，并造成分层[2]。常规乳液通过表面活性剂或两亲性聚合物稳定，它们可降低油水界面张力并在液滴周围形成分子膜，用于动态稳定、延迟或避免乳液的相分离[3]。除分子乳化剂外，固体粒子(纳米/微米级粒子)也可以用作乳液稳定剂。在20世纪初期，RAMSDEN和PICKERING发现固体粒子可以在乳液聚合过程中起稳定作用[4]，该粒子被命名为Pickering粒子，由其稳定的乳液称为Pickering乳液[5]。相比于小分子表面活性剂，由Pickering粒子稳定的乳液具有稳定性强和安全性高等优点，在抗Ostward熟化和活性物质的包封及释放等方面有良好的应用潜力[3-6]。因此对Pickering粒子深入研究并且进行商业化生产和实际使用具有重要意义。
1 Pickering乳液稳定机理
Pickering乳液的主要优点是高抗聚结性，这是由于Pickering粒子在油水界面的强烈吸附，其机理与经典乳液稳定的机理大不相同，因为Pickering粒子不是强制性的两亲性[1]。固体粒子稳定Pickering乳液的机理可总结为：粒子应被连续相和分散相部分润湿，但不溶于任何一相；粒子应保持部分润湿，以获得足够的界面吸附效率；粒子粒径应至少小于目标乳液粒径一个数量级[7]。
1.1 固体粒子的润湿性
Pickering粒子的润湿性，决定了粒子在油水界面的吸附能力。如常规乳化剂的两亲性(亲水亲油平衡值)一样，固体颗粒的润湿性是Pickering乳液形成和稳定的关键特性[8]。粒子的润湿性一般由粒子在油/水界面的三相接触角(θ)评定。θ的大小决定粒子的亲水性或疏水性以及乳液的类型。单个粒子在油水界面的位置由θ决定，用经典杨氏方程(classical Young’s equation)表示,如公式(1)所示：
cosθ=(γpo-γpw)/γow
(1)
式中：γpo，粒子/油相界面张力；γpw，粒子/水相界面张力；γow，油/水界面张力[9-10]。当θ<90°时会形成水包油型Pickering乳液(图1-a)；当θ>90°时会形成油包水型Pickering乳液(图1-b)。通常当θ=90°时，可以制备最稳定的Pickering乳液；当θ接近0°或180°时，不能形成Pickering乳液[11]。三相接触角是决定单个粒子相对于油水界面的位置以及乳液类型(水包油型或油包水型)的最重要参数。如果粒子优先被水相润湿(θ<90°)，由于粒子对两相的亲和性不同，粒子吸附在界面上，并倾向于向亲和性较差的一相(油相)弯曲，这种情况有利于稳定水中的油滴，因此稳定水包油型乳液。
a-θ<90°，亲水型粒子;b-θ>90°，亲油型粒子
图1 固体粒子在油/水界面的接触角示意图
Fig.1 Schematic diagram of hydrophilic or hydrophobic particles’contact angle
1.2 固体粒子间的空间位阻
Pickering乳液稳定化的定义为：分散的粒子聚集在油水界面形成空间屏障，保护乳液液滴不发生聚结。这种保护的程度取决于界面层粒子的堆积密度，以及从界面上清除吸附颗粒的难度。Pickering乳液的稳定机制主要是通过增加空间位阻、改变连续相的流变学性质或界面性质来稳定乳液[10]。空间位阻对于优先被连续相润湿的吸附粒子更有效，因此这些粒子主要停留在液滴的外表面。Pickering乳液良好的稳定性也是由于粒子不可逆的界面吸附作用[12]。为了防止乳液聚集，粒子通过其润湿性在油水界面上形成致密的颗粒界面膜[13]。对于位于油水界面的半径为r的单个球形粒子，其在油水界面上的解吸能(ΔE)用公式(2)表示：
ΔE=πr2γow(1-|cosθ|)2
(2)
式中：r，粒子半径；γow，油水界面界面张力；θ，三相接触角[7]。当三相接触角θ为90°时，即使相对于较小的粒子(r=10 nm)，其解吸能比布朗运动的热能也要大几个数量级，说明粒子在油水界面处的吸附过程是不可逆的[14]。因此，Pickering乳液有更优良的稳定性。除此之外，Pickering乳液的稳定性还容易受到许多因素的影响，例如电解质的存在、连续相的pH、固体粒子的形状和浓度[15-16]等。
2 蛋白质纳米粒子稳定Pickering乳液
与传统乳液相比，Pickering乳液不含任何表面活性剂，具安全稳定的特性[17-18]。考虑到食品安全的问题，无机粒子(例如SiO2)的应用也受到很大限制。因此更趋向于选用食品级粒子(例如多糖、蛋白质和脂质)稳定 Pickering乳液[19-20]。由于天然来源的食品级粒子具有很高的安全性，且食品级纳米颗粒不仅可以降低界面张力，促进稳定乳液的形成，而且它们的形状、长宽比和形态还具有相当大的可变形性[21]。但并不是所有的食品聚合物都适合作为Pickering粒子，因为在乳液体系的使用寿命内，粒子必须在两个相中保持不溶性和完整性[7,18]。由于蛋白质的两亲性及其构象的可调节性，蛋白质可以很容易地转化为粒子，并用于生产食品级的Pickering乳液[1,22]。且由于自然界中蛋白质的多样性，可以制备具有不同特性的乳液，蛋白质除了具有理想的功能特性外，还具有不可替代的营养价值[23-24]。
蛋白质颗粒通常是通过改变温度、pH、粒子强度、剪切力、压力等，对动物蛋白或植物蛋白进行物理、化学或酶修饰，以提高其溶解度和其他功能特性，通过蛋白质-蛋白质、蛋白质-多糖、蛋白质-多酚复合，进而提高Pickering乳液的稳定性。
2.1 植物蛋白Pickering颗粒
与动物蛋白相比，植物蛋白具有成本低、来源广、致敏性低等优点。谷物是植物蛋白的丰富来源，但作为Pickering粒子，谷物蛋白较大的分子质量及较低的溶解性限制了其在食品中的应用。研究人员对谷物蛋白进行了物理、化学或酶修饰，以提高其溶解度和其他功能特性。
大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)在乳化、凝胶、结合水能力、脂肪吸收和抗氧化等营养保护方面具有良好的物理化学功能[25]。有研究表明,同未加热的SPI或乳清蛋白纳米颗粒稳定的Pickering乳液相比，热诱导处理的SPI和乳清蛋白纳米颗粒具有更好的冻融稳定性[26]。SPI的纳米颗粒可通过热诱导聚合反应以及与各种化合物和酶的交联反应制备。当Pickering乳液经过冻融循环时，由于乳液的表观黏度增加以及油滴的聚结，乳液的稳定性可能会受到影响。MUNARI等[1]采用高压均质和超声处理的方法，对SPI进行变性处理，制备出不同盐含量的SPI微凝胶颗粒，用于稳定低含油量的水包油乳液。ZHU等[27]将SPI在95 ℃水浴加热15 min，冷却后向其中加入NaCl(静电屏蔽作用)，结果表明,通过加热和加入电解质可以改善SPI纳米颗粒的冻融稳定性。也有研究用新型非热法制备SPI纳米粒子作为有效的Pickering稳定剂，LIU等[28]通过Ca2+诱导聚集和戊二醛交联制备纳米颗粒，该颗粒稳定的乳液抗聚结稳定性提高，即制备的SPI纳米颗粒可作为一种有效的Pickering稳定剂。金蓓等[29]通过光催化技术制备SPI纳米颗粒，所得到的乳液具有更高的界面蛋白吸附量和较厚的界面膜，并表现出良好的离心稳定性和贮藏稳定性。
玉米醇溶蛋白(zein)富含非极性氨基酸，因此对水分和氧气具有极强的抵抗力[30]。这种类型的水不溶性植物蛋白适用于稳定乳液，因为它们既不溶于水，也不溶于常用油。此外已证明zein颗粒在稳定Pickering乳液中的功效[31]。zein常用于稳定以水为连续相的水包油乳液。但由于zein的强疏水性，其纳米粒子稳定的Pickering乳液稳定性较差，在储藏过程中易发生破乳现象[32]，故通常对zein进行改性以形成稳定性较好的Pickering颗粒。ZHAO等[33]运用反溶剂法制备zein纳米颗粒，并将其与没食子酸相互作用,用于包封酚类抗氧化剂，研究在Pickering乳液中zein颗粒调节酚类抗氧剂的分布和氧化稳定机理。结果表明，在zein颗粒调节乳液氧化稳定性的物理屏障效应方面,没食子酸的浓度起着主导作用，zein纳米粒子的大小和电荷也是影响酚类抗氧化剂分布的重要因素。除此之外，吴滋灵等[34]发现经超声处理的小麦醇溶蛋白，可以使其稳定的Pickering乳液稳定性明显增强。刘兴丽等[35]将马铃薯蛋白制成微凝胶颗粒稳定Pickering乳液，发现微凝胶颗粒可显著提高其乳化活性和稳定性。
2.2 动物蛋白Pickering颗粒
当前用于稳定Pickering乳液的动物蛋白颗粒主要来源于哺乳动物酪蛋白(casein,CN)和乳清蛋白,二者均具有独特的结构特征和高表面活性。
CN因其优异的两亲性、来源广泛、价格低廉和低变应原性而被用作稳定剂。BI等[36]用超声处理CN，使CN分子松散,从而诱导形成稳定的Pickering高内相乳液。CHEN等[37]将CN与戊二醛交联得到CN纳米凝胶，发现在一定的pH和离子强度条件下，所形成的凝胶颗粒的表面电势接近中性时，可有效地吸附在油水界面上，即使在高温下也能形成稳定的水包油型Pickering高内相乳液。WANG等[38]研究新型CN颗粒，即使用CN形成2种颗粒：一种是由CN与京尼平(genipin,GP)交联形成CN-GP颗粒；另一种是由CN与Ca2+交联，再与GP共价交联并通过酸化去除Ca+2形成CN-Ca-GP颗粒。并用得到的2种颗粒与未经处理的CN颗粒作对比，结果表明,使用CN-GP颗粒与CN-Ca-GP颗粒稳定的乳液在储存30 d后，粒径没有显著变化，而CN稳定的乳液的平均粒径却有明显的增加。扫描电镜图像表明，CN-GP或CN-Ca-GP可以在油滴的界面处紧密堆积形成稳定的界面膜。
乳清分离蛋白具有优良的乳化性，这种蛋白质混合物被广泛用作食品中的乳化剂/稳定剂。但是食品加工过程中的热处理会导致乳清分离蛋白变性，从而导致乳液不稳定[39]。为解决这个问题，有研究[40-41]通过热诱导得到了有良好的抗热稳定性的乳清分离蛋白颗粒。除此方法外，高静水压也可诱导乳清分离蛋白凝胶化。LV等[42]通过高静水压处理和均质化制备了乳清分离蛋白凝胶颗粒，发现在pH为5时，乳清分离蛋白凝胶颗粒在油滴表面形成了紧密堆积的颗粒层，并且储存3 d后乳液仍然保持稳定。除此之外，XU等[43]使用一步剪切法制备S-卵清蛋白稳定的凝胶颗粒，经过处理的凝胶具有很强的自支撑能力和可塑性，并且具有良好的贮存稳定性和抑制脂质氧化的能力，在包装和保护挥发性、易氧化或危险的有机液体方面具有巨大的潜力。
2.3 复合蛋白颗粒
通常，动植物蛋白颗粒可以用作良好的Pickering稳定剂。但天然的蛋白需要通过物理处理、交联、热变性等提高这些蛋白质稳定Pickering乳液的有效性。此外，提取和纯化用作Pickering稳定剂的蛋白质的成本可能很高。这两个问题对于仅由蛋白颗粒构成Pickering乳液的稳定剂来说，仍为很大的挑战。因此通常将蛋白质与多糖、多酚复合以改变其结构和功能，从而使所得的颗粒更好地稳定Pickering乳液[31]。其中蛋白质与多糖/多酚的结合有共价和非共价两种方式。共价结合是高度特异性和不可逆的，而非共价相互作用是非特异性和可逆的。
2.3.1 蛋白质-多糖Pickering颗粒
通常多糖和蛋白质由于流变特性和物理稳定性而在食品中共存。许多类型的多糖，例如黄原胶、阿拉伯胶和甜菜果胶等,已被用作食品工业中的天然乳化剂。它们具有的增稠和凝胶特性以及阴离子官能团，可以增加液滴表面之间的静电和空间排斥力来防止液滴聚集。多糖改善蛋白包被的油滴稳定性的能力取决于蛋白质与多糖的性质(例如电荷和结构)以及环境的条件(例如浓度和pH)[44]。SANTOS等[45]使用新型黄原胶-玉米醇溶蛋白复合物稳定的食品级水包油型Pickering乳液，黄原胶的添加将乳液从牛顿型流体变为假塑性流体(剪切稀化)，使乳胶黏弹性、稳定性增加，且添加黄原胶的纳米颗粒在乳液液滴表面形成一层更致密的覆盖层，从而保护液滴免受氧化或环境因素的影响。ZHANG等[46]发现卵清蛋白-海藻酸钠复合可提高Pickering乳液稳定性。此外，添加多糖的SPI颗粒也会改变其稳定乳液的能力，研究发现SPI分别与TEMPO氧化细菌纤维素[47]、壳聚糖[20]等复合成纳米粒子，所形成乳液的稳定性都有所提高。
2.3.2 蛋白质-多酚Pickering颗粒
由于蛋白质对中等极性的多酚具有天然亲和力，两者通常以共价或非共价的方式结合，形成的复合物具有预防某些慢性疾病和改善新陈代谢的能力。陈雨桐[48]通过反溶剂法制备了小麦醇溶蛋白纳米颗粒，并通过共价和非共价方法制备了2种复合纳米颗粒。当单宁酸与小麦醇溶蛋白通过共价形式结合时，更接近中性湿润性，所形成的的乳液在包封β-胡萝卜素时，提高了β-胡萝卜素的光稳定性和物理稳定性。鞠梦楠等[49]通过SPI与花青素共价复合形成纳米颗粒，结果表明添加花青素的纳米颗粒和乳液更加稳定，当添加花青素含量为0.15%时形成的乳液较为稳定，且液滴不易发生聚集。ZEMBYLA等[50]使用一种新的方法来稳定油包水乳液，通过多酚颗粒吸附在油侧、蛋白质颗粒吸附在水侧，多酚颗粒与界面蛋白之间的静电吸引，使其在界面处形成较稳定的膜结构，进而显著改善了乳液稳定性。
3 总结与展望
近年来，Pickering乳液受到了较多的关注，Pickering乳液的应用已扩展到多种领域。但单一的天然食品级Pickering颗粒不能提供良好的润湿性，因此对其改性处理或修饰，使其在油水界面可形成较稳定的膜。本文主要综述了蛋白Pickering颗粒的种类和改性的方法。在Pickering乳液及其衍生物的各种应用中，Pickering颗粒的不同特性使其稳定的乳液具有不同的功能，它们不仅可以稳定乳液，也提供了抗氧化性、紫外线保护、环境响应性甚至是电磁特性，为其稳定的乳液提供更广泛的应用空间。但如今的研究多为单一的油包水或水包油乳液，对于油包水包油或水包油包水的研究较为少见，未来可以较多的向双重乳液领域研究。由于Pickering粒子在对活性物质载运释放方面有较好的效果，因此可以更广泛地应用在医药领域，对一些较易氧化、不稳定的活性物质进行包埋。在化妆品领域通常会面临由表面活性剂引起的皮肤刺激和过敏问题，由于食品级颗粒稳定的Pickering乳液安全性较好，可借鉴相关研究经验改善此类问题。这些研究为Pickering颗粒在制药、生物化学、食品和化妆品领域的应用提供了理论与技术支持。
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