Pickering颗粒润湿性调控的气泡与反气泡界面稳定机制研究及其在食品递送系统中的应用

本研究通过X射线衍射(XRPD)、热分析及准弹性中子散射(QENS)等技术，系统揭示了不同润湿性二氧化硅颗粒(Pickering粒子)对气泡/反气泡界面水合作用的影响机制。创新性提出粒子疏水性增强可优化硅-水-麦芽糊精(MD)相互作用网络，为食品级气体包埋系统开发提供了关键理论支撑。

　　

1 引言

Pickering乳液(PEs)凭借固体颗粒在油水界面的不可逆吸附特性，展现出优于传统表面活性剂的稳定性。研究聚焦气相二氧化硅(FSPs)的润湿性调控，通过设计气泡(BS)和反气泡(ABS)两类模型体系，揭示Aerosil R972(疏水)、H15(高疏水)和Aerosil 200(亲水)三种颗粒在界面吸附行为的差异。其中反气泡作为液滴包裹于气泡内的特殊结构，其双重界面为探究颗粒-水-MD相互作用提供了理想平台。

2 材料与方法

采用冷冻干燥模板法构建五种结构：BS_R972、BS_H15、BS_A200、DL_R972（双层硅颗粒气泡）和ABS_R972。通过Turrax-超声联用制备W₁/O/W₂双重乳液，经-60°C冷冻和0.2 mbar真空干燥获得终产物。借助X射线粉末衍射(XRPD)分析非晶态特征，结合热重-质谱联用(TG-MS)和差示扫描量热法(DSC)解析水分蒸发与糖降解动力学，并利用IN13中子散射谱仪捕捉界面水分子的纳秒级运动特征。

3 结果与讨论

3.1 非晶/结晶相定量

XRPD显示所有样品在2θ=20°-35°呈现典型非晶弥散峰。反气泡ABS_R972相对结晶度最高(45%)，表明疏水颗粒诱导MD分子在界面定向排列。值得注意的是，亲水BS_A200因Na⁺屏蔽静电斥力，使颗粒更易吸附于O/W界面。

3.2 热稳定性差异

DSC曲线揭示BS_A200在124°C出现300 J/g的高脱水焓值，显著高于疏水体系(约220 J/g)，证实亲水表面通过氢键强力束缚水分子。TG-MS数据进一步显示，疏水颗粒稳定的ABS_R972和DL_R972糖降解起始温度延迟至230°C，其CO₂释放峰与FTIR检测到的C=O(1760 cm^-1)振动带变化同步。

3.3 界面水动力学

准弹性中子散射(QENS)解析出BS_H15中水分子的旋转弛豫时间达4 ns，是其他样品的2倍。Voigt函数拟合显示其洛伦兹/高斯比(0.15)异常偏低，反映高疏水表面导致水分子四面体结构扭曲，形成独特的快-慢双弛豫模式。这种动态异质性通过3 meV的准弹性展宽直观呈现。

4 结论

研究建立了颗粒润湿性-界面水合-结构稳定性的定量关系：①疏水改性(R972/H15)通过削弱水-MD相互作用提升热稳定性；②亲水颗粒(A200)通过强氢键网络延缓水蒸发但加速糖降解；③中子散射首次实现原位表征Pickering颗粒疏水性，为食品级气体胶囊的理性设计提供新方法论。该成果对益生菌包埋和抗氧化剂控释具有重要应用价值。