通过逐层静电沉积带相反电荷的明胶纳米颗粒，实现可编程的皮克林乳液稳定及茶树油的控释

《Food Hydrocolloids》：Layer-by-layer electrostatic deposition of oppositely charged gelatin nanoparticles for programmable Pickering emulsion stabilization and controlled release of tea tree oil

　　摘要：由于传统单粒子皮克林乳液存在界面组装无序且稳定性不足的问题，本研究通过逐层静电沉积带负电的明胶纳米颗粒与带正电的氨基化明胶纳米颗粒，制备出了新型多层皮克林乳液。纳米颗粒对初级乳液的稳定作用决定了带相反电荷的次级纳米颗粒能否成功吸附在液滴周围。高度疏水的氨基化明胶纳米颗粒会完全吸附在界面处，形成连续的纯净相，从而有利于后续明胶纳米颗粒的吸附，进而形成更厚且更致密的纳米颗粒层。加入明胶纳米颗粒后，体系的ζ电位从最初的32.83 mV降至12.07 mV，分层指数也从25.96%降为0%。而亲水的明胶纳米颗粒则首先在连续相中形成纳米颗粒聚集体，随后加入的氨基化明胶纳米颗粒非但无法增强界面吸附，反而会破坏体系稳定性，表现为ζ电位从-40.57 mV显著上升至11.07 mV，分层指数从28.83%上升至36.2%。AG型纳米颗粒层具有更优异的液滴稳定性、抗离心能力、临界压力指数以及流变性能。以高挥发性的茶树精油为模型，AG型纳米颗粒层通过限制精油扩散并减少96小时测试期间的释放量（39%），实现了持续的抗菌效果。相比之下，GA型纳米颗粒层由于结构不稳定以及精油的大量释放（接近70%），仅能产生快速但短暂的抗菌效果。本研究为多层皮克林乳液的设计及其在功能性食品成分和抗菌保鲜领域的应用提供了新的思路。

引言：乳液本质上是热力学上不稳定的胶体分散体系，由至少两种不相容的液体组成，其中一种相以液滴形式分散在另一种相中。数十年来，由胶体颗粒稳定的皮克林乳液能够在界面处形成结构稳固的颗粒层，从而提供坚实的物理化学屏障，相较于传统表面活性剂体系，其乳液稳定性更高（T. Zhang, Liu, Wu, & Ngai, 2022）。尤其是那些由生物来源的颗粒，如纤维素纳米晶、玉米蛋白粉、乳清蛋白和明胶等稳定的乳液，因其“清洁标签”特性、良好的生物相容性以及可持续性而备受青睐，这使其适用于口腔和外用制剂领域（Chu, et al., 2025; Tan, Zhang, Han, Zhang, & Ngai, 2022; Y. Wang, et al., 2024; R. Zhang, et al., 2024）。然而，许多此类制剂在复杂环境条件下仍存在长期稳定性不足的问题（如pH值/离子强度波动、储存老化等）。尽管具有诸多优势，皮克林乳液仍难以有效保护其中的易损成分和高挥发性油脂免受环境因素的破坏（如氧气、热应力及光照等），这主要是由于其界面填充不够紧密。因此，开发新的稳定剂以及设计创新的界面体系，仍是维持皮克林乳液稳定性并拓展其功能的重要课题。皮克林乳液的稳定性不仅取决于油水界面的性质，还与连续相中的多种因素有关。实际上，大多数天然生物聚合物基颗粒都具有很强的亲水性，因此似乎无法确保在油水界面实现完全吸附。界面以及连续相中都存在各种颗粒或自由分子，这使得其背后的稳定机制并不清晰。连续相中残留的初级乳化剂的含量和存在情况会显著影响乳液稳定性，它们要么导致絮凝，要么促使液滴间形成网络结构。这种网络稳定依赖于连续相中由高颗粒浓度和强烈的颗粒间相互作用形成的三维粘弹性颗粒网络，该网络能够机械性地固定液滴（Guo, et al., 2023）。此外，最为人们所研究的界面稳定机制是固体颗粒在油水界面发生不可逆吸附，从而形成致密的空间屏障，防止液滴聚合（Tcholakova, Denkov, & Lips, 2008）。这一界面层被认为是决定皮克林乳液稳定性的关键因素（Lin, et al., 2021）。为了提升颗粒的界面吸附能力，通常需要花费大量时间对稳定剂进行预处理或表面化学改性，以调整颗粒的润湿性，而这可能会阻碍皮克林乳液的大规模应用和发展（Saidane, Perrin, Cherhal, Guellec, & Capron, 2016）。为了解决皮克林乳液存在的上述问题，近期出现的一种策略是使用二元稳定剂，如纳米颗粒和生物聚合物，这是一种有效的替代方案。使用不同材料或具有不同功能的二元或多种稳定剂，能够带来协同效应和功能扩展性，从而使得可选择的稳定剂种类远远多于单一类型稳定剂（L. Liu & Ngai, 2022）。由具有双层或多层界面结构的二元稳定剂稳定的皮克林乳液，通常通过两种方法制备：直接混合法和逐层静电沉积法（Binks, Liu, & Rodrigues, 2008）。在直接混合法中，具有不同性质（如不同官能团、相反电荷、相反润湿性等）的稳定剂被共同分散，从而引发异质聚集，随后这些稳定剂会锚定在油水界面处，形成复合颗粒膜（L. Liu, et al., 2022）。这种一步法可以通过增强电静力稳定效应以及提高连续相的粘度，有效增强乳液对抗环境应力（如酸性pH值）的能力（Feng, et al., 2024）。例如，已有研究证明，可溶的大豆蛋白分离物-壳聚糖复合物、大豆蛋白分离物与羧甲基纤维素的复合物以及纤维素纳米晶-花生蛋白分离物复合物，都能成功用于稳定双层或多层皮克林乳液（C. Liu, Pei, Peltonen, & Heinonen, 2020; Feng, et al., 2024; Nie, et al., 2022）。值得注意的是，这些复合体系中的协同界面组装能够显著抑制液滴聚合，相比其单个组分，这类乳液具有更优异的长期储存稳定性以及更低的分层指数（Nie, et al., 2022）。此外，一些异质胶体复合物，如玉米蛋白粉纳米颗粒与淀粉纳米晶的复合物（Tao, et al., 2020），或是海藻酸改性的乳铁蛋白-玉米蛋白粉纳米颗粒复合物（Wang, Xie, Wang, Liao, & Gao, 2025），也能形成极为坚固的双层界面。这样的特殊界面结构使乳液具备极强的稳定性，能够抵御极端的环境应力，包括高达20,000 × g的高速离心、剧烈的pH值变化以及热处理。在直接混合法中，颗粒在界面处的吸附是无序的，其界面共吸附背后的协同机制也尚不清楚。而逐层静电沉积法则依赖于通过协同的电静力或氢键作用，将带相反电荷的组分依次吸附在已形成的初级乳液上，从而可以精确、逐步地调控界面的组成、厚度以及层数。通过设计结构独特的多组分架构，这种方法能够显著提升乳液在动态环境变化下的动力学稳定性以及抗氧化能力。例如，由乳清蛋白分离物/壳聚糖、壳聚糖/海藻类多酚，或是玉米蛋白粉与乳铁蛋白/海藻酸共组装而成的双层界面，都证明了这类异质逐层结构能够提供更为优异的有序分隔型界面屏障。与单层界面相比，这种强化的界面结构能够显著提升对敏感的疏水性生物活性物质（如番茄红素和β-胡萝卜素）的封装效率及靶向保护作用（Lv, et al., 2021）。如前所述，要确保所有颗粒都在界面处实现完全吸附是不可能的。那些留在连续相中的颗粒会在后续的静电沉积过程中与次级颗粒或聚合物发生络合，从而有效减少可用于包裹液滴的颗粒数量（Perrechil & Cunha, 2013）。这种受限的吸附往往会导致相邻液滴之间出现电静力桥联，进而降低乳液的稳定性。在乳液体系中，封装的生物活性物质的释放过程本身就具有不确定性。通过调控界面层的厚度来控制负载物质的释放，实现精准的控释，将进一步推动皮克林乳液的实际应用。基于二元稳定剂的皮克林乳液的形成机制，对于设计高效的递送系统具有重要的理论和实践意义。不过，目前研究中大多数的稳定剂都是蛋白质纳米颗粒与多糖聚合物的组合。这两种稳定剂主要在成分、表面电荷、亲水/疏水性以及柔软/硬度方面存在差异。因此，很难确定是哪些因素决定了乳液的稳定性以及界面结构。同时，大多数生物聚合物或由其衍生的颗粒都带有负电荷。为了便于实现界面电静力吸附，现有的制备工艺通常需要反复调节pH值来改变颗粒的表面电荷，这使得逐层静电沉积工艺相对较为复杂。在本研究中，我们仅使用明胶作为原料，制备了两种大小相近但电荷相反的明胶纳米颗粒作为稳定剂，以此研究基于二元纳米颗粒的皮克林乳液体系的形成机制。在这一过程中，我们系统地比较了直接混合法与逐层静电沉积法在乳液形成、界面组装、稳定机制以及宏观性能方面的差异。我们还通过分析逐层静电沉积法制备的乳液的关键配方参数，确定了合适的配方；并通过微观结构分析、界面分析、流变学分析以及储存和离心稳定性测试，评估了这类乳液的稳定性与功能表现。最后，为了展示其在食品表面抗菌涂层、食品防腐剂等方面的应用潜力，我们使用了高挥发性的茶树精油来制备活性皮克林乳液，随后分析了其释放规律及抗菌性能。我们将这一过程作为一个模型，用于评估多层界面的阻隔性能以及控释性能。

材料部分：B型明胶购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。丙酮、乙二胺和戊二醛购自成都科龙化工有限公司（中国成都）。1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、苯乙烯、2,2′-偶氮二异丁腈以及茶树精油均购自Cool Chemistry公司。中链甘油三酯油由北京新诺居恒科技贸易有限公司提供。

明胶纳米颗粒与氨基化明胶纳米颗粒的表征：为了评估明胶基纳米颗粒作为皮克林乳液稳定剂的潜力，我们对其基本的物理化学性质和界面性质进行了系统的表征。如图1A和B所示，动态光散射分析结果显示，明胶纳米颗粒和氨基化明胶纳米颗粒的流体动力学直径分别为207.9 ± 1.3纳米（多分散性指数为0.134 ± 0.015）和301.8 ± 1.3纳米（多分散性指数为0.108 ± 0.032）。这两类纳米颗粒的ζ电位分别为-27.8 ± 2.0毫伏和+30.0 ± 0.5毫伏。明显的电荷反转现象……

结论：近年来，生物来源的纳米颗粒在构建稳定的皮克林乳液方面得到了广泛应用。通过对纳米颗粒在界面处的吸附进行精确控制，可以构建复杂的界面结构，这对于精准调控其中负载的生物活性物质的释放至关重要。在本研究中，我们通过使用带相反电荷的明胶纳米颗粒和氨基化明胶纳米颗粒作为颗粒稳定剂，实现了对皮克林乳液稳定性的精准调控。此外，我们还研究了一步直接混合法的效应……

作者贡献说明：余佳辉：项目管理。谭欢：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、项目管理、方法学研究、实验开展、资金获取、正式分析、数据整理。李华：项目管理。胡世臣：写作——审稿与编辑、可视化处理、数据整理。邓宇：写作——审稿与编辑、可视化处理、方法学研究、数据整理。吴建辉：实验开展、正式分析。吴巧丽：方法学研究、实验开展。蔡梦琪：写作——审稿……

未引用参考文献：Wang et al., 2024.

利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性说明：如需获取支持本研究结果的数据，可向相应作者提出合理请求后获取。

利益冲突声明：? 作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号22172120和21802009）、四川省科学技术厅（项目编号2025YFHZ0233）以及中央高校基本科研业务费（项目编号2682025ZTPY044）的资助。同时，我们也感谢江南大学合成与生物胶体重点实验室开放研究基金的支持，项目编号为1042050205243170/011。

作者名单：邓宇|胡世臣|吴巧丽|吴建辉|何平阳|蔡梦琪|余佳辉|李华|谭欢
单位：中国成都，西南交通大学医学院