功能性脂质稳定性的乳液物理调控研究进展

姚晓琳++聂珂++陈玉++方亚鹏

摘要：食品功能性脂质多存在不溶于水和氧化稳定性差等缺点，采用油水界面技术制备乳液作为功能性脂质的载体，可提高功能性脂质的穩定性和生物利用度，扩大其在食品领域的应用。食品胶体结构复杂，分子构象多种多样，形成的界面结构对功能性脂质的化学稳定性有重要影响。从决定乳液结构和性质的乳化剂种类、乳液颗粒粒径分布、界面吸附特性等方面综述了乳液体系对功能性脂质稳定性的影响，为设计基于食品胶体乳液技术的功能性脂质载体提供理论支持。

关键词：功能性脂质；稳定性；乳液；食品胶体；界面

中图分类号：TS201.7 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5449-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.003

A Review on the Stability of Functional Lipids Based on

Physical Regulation by Emulsion

YAO Xiao-lin1，2，3，NIE Ke1，CHEN Yu1，FANG Ya-peng1，3

（1.School of Food and Pharmaceutical Engineering，Faculty of Light Industry， Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China；

2.Ferguson （Wuhan） Biotechnologies Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China；3.Hubei Collaborative Innovation Center for Industrial Fermentation，Wuhan 430068，China）

Abstract： Most of the functional lipids are low water-soluble and oxidizable. The lipids coated by hydrocolloids in oil-in-water emulsion could improve their oxidation stability and bioavailability，expanding the application in food industry. Hydrocolloids are complicated with high molecular weight and conformation. The stability of emulsion containing functional lipids is affected by the interfacial properties formulated by hydrocolloids. The effect on the stability of functional lipids in terms of the structure and properties of emulsion system were reviewed，which determined by emulsifier type，particle size and distribution，interfacial structure and properties，etc. The theoretical foundation was provided in designing the capsulation system based on the emulsion technology.

Key words： functional lipids； stability； emulsion； hydrocolloids； interface

食品中许多功能性脂质，如共轭亚油酸、植物甾醇、磷脂、胡萝卜素等，都具有多种有益于人类健康的生理功能[1-4]。这些脂质成分不溶于水，对光、热、酸敏感，极易被氧化[5]。以水溶液形式摄取这些功能性脂质成分往往可以改善口感，提高功能性脂质的稳定性和生物利用度，因此将功能性脂质成分添加至饮料等水基食品中更易被消费者接受。利用油水界面特性制备乳液作为功能性脂质的载体，可实现对功能性脂质的增溶、氧化保护和缓释作用。然而，功能性脂质具备不同的分子形式，理化性质和生理特性也存在差异，如化学稳定性、物理形态、溶解性、流变性、光学性质和生物利用率等的不同。因此，功能性脂质乳液载体需解决与不同类型脂质成分相适应的分子、理化和生理问题。

采用乳化剂调控乳液的界面结构可提高乳液的物理及化学稳定性。乳液长期贮藏稳定性下降，会出现重力分层、奥氏熟化、絮凝和凝聚等不稳定现象[6]。若乳液颗粒的粒径大小基本不变，不出现液滴聚集，乳化剂分子空间结构不变，则认为该乳液在长期贮存过程中物理特性稳定。在水包油型乳液中，功能性脂质的氧化稳定性代表了乳液的化学稳定性。乳化剂种类、乳液粒径尺寸及其分布、乳液颗粒的界面性质和油相浓度等均是影响乳液物理化学稳定性的因素。本研究从乳液结构和性质方面综述了乳液对功能性脂质稳定性的物理调控作用机制，对设计基于食品胶体乳液技术的功能性脂质载体具有重要的指导意义。

1 乳化剂种类

食品乳液中的颗粒粒径范围一般处于几百纳米到几百微米之间[7]。在油水共存体系中，由于油水密度差异巨大，低密度的油相往往浮在高密度的水相之上，以减小油水接触面积，发生分层现象。为了增大油水界面面积，需要提供更多能量。乳化剂作为界面活性分子，具有亲水和亲油基团，能够吸附在油水界面，形成保护膜以避免乳液颗粒的凝聚和油水分层[8]。食品工业中常用的乳化剂主要有蛋白质、多糖、磷脂和小分子表面活性剂。由于小分子表面活性剂虽具良好的乳化活性，但存在乳化稳定性较差这一局限性，故大分子蛋白质和多糖等食品胶体在工业生产中常被用作乳液稳定剂，其中蛋白质为“双亲”物质，故而能吸附到油水界面，从而形成稳定的界面层。多糖结构中具有较大的分子链，并含有许多亲水基团，在乳化过程中可提供较好的乳化活性，并改善乳液粘稠度，使乳液具有长期的储存稳定性[9]。

乳液外界环境（如温度、pH和离子强度等）对乳化剂乳化活性会产生一定影响。在有利环境下，与多糖相比，蛋白质往往表现出比多糖更优的乳化活性。试验表明，低浓度的蛋白质（酪蛋白酸钠，β-乳球蛋白等）可形成稳定性很好的水包油型乳液[10]。这是由于蛋白质具备更好的界面亲和力和界面活性，更低的界面负荷饱和度（1～2 mg/m2）。然而，乳液稳定性往往容易受到水油界面上吸附蛋白质结构变化的影响。在不利环境下，乳液稳定性变差，这是由于乳液颗粒界面的酪蛋白在酸和钙离子存在下可发生静电作用[11]；乳清蛋白在热作用下容易变性[12]。相反，多糖具有较高分子量，且亲水性优越，在乳液形成过程中多糖在油水界面形成厚厚的界面膜，在热和高盐等不利环境下可有效防止乳液颗粒的聚集[13]。乳化剂的分子结构和带电量不同，形成乳液的物化性质差异较大。Chen等[14]研究了鲱鱼油水包油型乳液在不同种类阳离子多糖下的氧化稳定性。与海藻酸钠和卡拉胶制备的乳液相比，低甲氧基果膠与高甲氧基果胶乳液的氧化稳定性较好，而低甲氧基果胶显示出比高甲氧基果胶优越的氧化稳定性，推测是由于低甲氧基果胶螯合金属离子的能力更强。

单一乳化剂的乳化活性和乳液稳定性往往劣于复合乳化剂。蛋白质通过共价结合或静电作用可与多糖形成蛋白-多糖复合物，复合物具备更好的界面活性。蛋白质通过共价键结合在多糖上，从而使界面吸附蛋白质具有较好的耐热、耐酸和耐盐特性。而多糖由于其较大的分子链结构，在乳液颗粒之间形成了较强的空间位阻效应，防止颗粒聚集，从而使乳液稳定性得以提高[15-17]。

2 乳液粒径及分布

乳液颗粒的尺寸及粒径分布是乳液的重要参数，传统食品乳化剂的粒径在几百纳米至几百微米之间，尽可能减小液滴粒径可有效避免乳液因重力作用分层。研究者比较了阿拉伯胶和乳清蛋白制备的柠檬烯乳液的物理化学稳定性。在相同均质条件下，乳清蛋白制备的柠檬烯乳液的平均粒径（0.35 μm）比阿拉伯胶乳液平均粒径（2.8 μm）小，能够避免乳液因重力作用而引起的分层，使得乳清蛋白乳液具有更好的储存稳定性[18]。乳液体系中乳化剂的乳化活性是否决定了乳液的长期储存稳定性，目前尚未发现有直接联系。乳液的乳化活性指标常采用形成平均粒径最小的液滴的乳化剂浓度来界定。Nakauma等[19]比较了分别含有甘油三酯的阿拉伯胶、大豆可溶性多糖和甜菜胶制备乳液的乳化特性。当上述3种胶浓度分别达到1.5%、4%和10%时，乳液界面吸附达到饱和，形成的乳液粒径趋于平衡。甜菜果胶显示出最优的乳化活性，但甜菜果胶乳液的储存稳定性最差，这可能是由几种乳化剂的分子结构差异等因素决定的。

功能性脂质在乳液中的氧化反应在油水界面上发生，乳液中功能性脂质的氧化速率会随着乳液颗粒粒径的减小而增大。这是由于乳液颗粒粒径减小增大了乳液颗粒的界面面积，从而增大了功能性脂质与乳液体系中促氧化成分接触的几率所致。研究表明，与位于疏水内核的脂肪酸相比，位于乳液颗粒界面的脂肪酸更易与体系中的氧、自由基和金属离子等促氧化成分接触，从而引发氧化反应[20]。这与Gohtani等[21]研究的二十二碳六烯酸乳液粒径与氧化稳定性的关系结果一致。也有学者认为，乳液中功能性脂质的氧化速率与乳液颗粒尺寸无关。当乳液颗粒粒径变小时，单个乳液颗粒中所含的脂质分子数目减少，而吸附在乳液界面上的乳化剂含量增加，有利于形成较厚的界面层，阻止促氧化剂的渗透和扩散，从而限制了氧化反应中的链引发和链传播[22]。Osborn等[23]测定了不同均质压力下制备的芥子油水包油型乳液的POV值，发现其与乳液体系中促氧化剂种类和浓度有关，而与乳液颗粒的粒径大小无直接关联。当促氧化剂浓度较高时，增大乳液界面面积会提高促氧化剂在乳液界面的吸附机率和浓度，从而加快脂肪氧化速率；当促氧化剂含量较低时，改变界面面积对脂肪氧化未产生影响。

3 乳液颗粒界面特性

乳化剂吸附到油水界面形成界面膜，可有效降低油水界面张力，减少乳液颗粒的聚并和凝聚。界面膜可发挥物理屏障的作用，阻止促氧化剂向功能性脂质的扩散和渗透，隔离脂质底物与促氧化剂接触的机率，进而延缓脂质氧化。天然高分子乳化剂以及小分子表面活性剂在界面膜和水相之间的分配、界面膜的组成及分子构象都决定了乳液的氧化稳定性。

3.1 界面电荷

蛋白质、磷脂、表面活性剂等乳化剂在乳液颗粒周围形成的界面膜都带有电荷，油滴表面电荷对水包油型乳液中的脂质氧化速率有重要影响。有报道研究了带不同电荷的小分子表面活性剂制备的棉子油水包油型乳液的脂质氧化速率。在Fe3+催化脂质氧化时，油脂界面带负电荷的乳液中脂质氧化速率最大，油脂界面带正电和电中性的乳液中脂质氧化速率相近[24，25]。带正电的金属离子与带正电的油滴界面靠近时，存在静电相斥作用，从而防止油脂的氧化，但带负电的油滴界面与金属离子靠近时，存在静电相吸作用，导致油脂极易被氧化。

影响乳液界面带电量的另一因素pH也会影响乳液的氧化稳定性。研究表明，在促氧化剂（过氧化氢异丙苯和Fe2+）作用下，当pH=3时，SDS、SDS-壳聚糖和GA制备的柠檬烯水包油型乳液中Zeta电位分别为-88.9、+32.6、-15.2 mV，SDS-壳聚糖双层乳液中柠檬烯的降解和氧化产物的生成速率最低[26]。另外，pH=3时带正电的乳清蛋白界面能够减少柠檬烯的降解和氧化产物的形成[18]。有学者探讨了乳液中电荷量、乳化剂浓度、pH与脂质氧化的关系。研究表明，在pH分别为3和7时，乳清蛋白制备的鲱鱼油水包油型乳液分别带正、负电荷，其氧化稳定性在pH=3时较好，此时Tween20在油滴界面取代了WPI。但pH的变化并不能显著影响非离子型表面活性剂Tween20的带电量。在pH为3时，鲱鱼油的氧化速率大于pH为7时的速率，推测是由于Fe3+在酸性环境下水溶性较中性环境更好[27]。

3.2 界面膜厚度

界面膜厚度是乳液结构的重要参数，对于界面膜较厚的乳液，自由基、金属离子等促氧化成分自水相渗入或扩散到油相所需时间较长，延缓了脂质氧化[28]。乳化剂浓度越高，乳化剂在油水界面上形成的界面膜分子排列越致密，能有效阻止乳液颗粒与脂质氧化引发剂的接触，从而起到阻挡层的作用。Kargar等[29]研究了不同浓度酪蛋白酸钠对脂质氧化速率的影响，结果表明，当酪蛋白酸钠浓度增大到2%时，酪蛋白酸钠形成了较厚的界面膜，乳液中脂质过氧化值明显降低。当鲱鱼油水包油型乳液体系中的乳清蛋白浓度由5%增大到40%，形成了厚而致密的界面膜，乳液氧化稳定性也得到提高，验证了上述结论[30]。

3.3 界面结构

蛋白质、多糖和表面活性剂等乳化剂在乳液油水界面吸附的界面结构不尽相同。小分子表面活性剂在乳液颗粒界面排列整齐致密，显示出优异的乳化活性；高分子乳化剂在油水界面吸附不致密、有渗透性但相对较厚，从而使乳液具备良好的贮存稳定性。多種乳化剂复配设计不同的乳液颗粒界面结构，蛋白在界面排列均一，多糖在界面吸附可增加空间位阻效应，从而可调控乳液的物理化学稳定性，实现功能性脂质的荷载和可控释放。在存在促氧化剂Fe2+的酪蛋白酸钠乳液体系中，乳液的氧化稳定性随着酪蛋白酸钠浓度的增加而提高。主要有如下原因：①水相中的酪蛋白酸钠含有磷酸丝氨酸残基，具有清除自由基和螯合金属离子的作用；②在pH=7时，水相中游离的大量酪蛋白酸钠与Fe2+发生静电相吸作用，减少了Fe2+与油滴界面接触的机率，发生油脂氧化。但是，Tween20制备乳液的氧化稳定性却恰好相反，增大Tween20浓度反而加速了脂质氧化，这可能是由于Tween20中含有过氧化物导致[29]。将阴离子型SDS、阳离子型DTAB和β-乳球蛋白分别加入由Tween20制备的乳液中，结果显示，乳液颗粒尺寸分布无明显差异，但乳液颗粒的带电量却发生了改变。当水相中SDS或β-乳球蛋白含量增大至0.2%时，界面上的Tween20可被SDS或β-乳球蛋白完全取代，乳液带负电或正电；而Tween20只能被DTAB部分取代[31]。研究表明，与非离子型表面活性剂相比，蛋白质制备乳液的氧化稳定性较差。当水相中蛋白质浓度达到一定程度时，其氧化稳定性可明显改善。推测是由于低浓度蛋白质吸附在界面上，形成了包覆不全且有渗透性的界面膜，而小分子表面活性剂在界面上排列紧密均一，阻止了脂质氧化[32]。

4 油相浓度

乳液中油相浓度是影响乳液物理化学稳定性的又一因素。当乳化剂浓度一定时，油脂的氧化速率随着乳液油相浓度的降低反而增大。Sims等[33]的研究表明，在红花油O/W乳液体系中，蔗糖与水的比例对油脂氧化稳定性有影响，乳液中油脂氧化速率随含油量由43.75%降至6.25%而增大。Kargar等[29]的研究表明，当酪蛋白酸钠或Tween80含量恒定时，上述两种乳液中油脂氧化稳定性的提高可通过将体系中葵花油的含量由10%增到30%来实现。可能是由于促氧化剂—氧、Fe2+和自由基等溶解在水相中的量保持不变，单个油滴在界面能够接触的促氧化剂量随着油相含量的降低而增多，因而促进了油脂氧化。

5 展望

基于油水界面技术制备乳液作为功能性脂质的载体，能够克服功能性脂质水溶性差和氧化稳定性等缺点，提高生物利用度。食品高分子是动植物由来的高分子量长链亲水聚合物，具有良好的界面活性和乳化稳定性，食品高分子乳液作为功能性脂质载体具有很大的应用潜力。但蛋白质、多糖等天然高分子的结构复杂，空间构象多变，蛋白质-多糖的结合方式各异，在油水界面的吸附特性对功能性脂质的氧化稳定性有重要影响。因此，把握食品高分子乳化行为-分子结构-界面吸附特性三方面之间的关系，是研究乳液界面调控功能性脂质氧化稳定性的前提，对食品工业实践具有重要的指导意义。

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