综述：作为食品和营养品领域皮克林乳液下一代结构的蛋白质纳米纤维

《Food Hydrocolloids》：Protein Nanofibrils as Next-Generation Architectures for Pickering Emulsions in Food and Nutraceuticals

　　摘要：类淀粉蛋白纳米纤维是一种具有变革意义的皮克灵稳定剂，由于其高长径比、各向异性以及可调控的界面功能，相比传统颗粒更具优势。本综述系统总结了基于纤维的乳液研究进展，探讨了纤维化路径、形态结构、界面力学特性与性能之间的关联。文中研究了热酸法、亚临界水法、超声处理法及酶解法，阐述了蛋白质来源、组装条件及溶剂极性如何影响纤维的长度、柔韧性、润湿性及缠结程度，进而决定吸附动力学和网络形成过程。通过脱离能、堵塞现象以及流变学特性可以理解其各向异性优势，在特定条件下这种优势甚至可能超过球形颗粒。文中还评估了油水型体系、高内相乳液、油凝胶以及双乳液等不同乳液架构在营养品包封与递送中的应用潜力。一系列表征方法（界面流变学、显微镜分析、氧化稳定性检测、INFOGEST测试）有助于建立结构与功能之间的关系。此外，本文还从消化率、细胞毒性、免疫原性、胃肠道代谢途径、长期效应及人群特异性研究缺口、致敏性等方面提供了基于证据的安全性评估，并涵盖了EFSA和FDA的监管要求、生产可规模化性以及通过副产品利用实现可持续发展的思路，同时强调安全性评估需要通过具体实验加以验证。为推动这类技术在实际工业中的应用，亟需统一的报告标准、预测模型以及综合的安全性与可持续性评估体系。本综述旨在为开发具有更高稳定性、可控释放性能及更好生物利用度的新一代纤维稳定体系提供指导，以服务于食品和营养品行业。

引言：皮克灵乳液，又称皮克灵-拉姆斯登乳液，是一种依靠吸附在油水界面的固体颗粒而非传统表面活性剂来稳定的乳液。自拉姆斯登（1904年）和皮克灵（1907年）开展初步研究以来，这类体系因其界面吸附的颗粒能在液滴周围形成刚性空间屏障，从而有效防止液滴聚并并赋予乳液极佳的长期稳定性而备受关注。传统的皮克灵稳定机制依赖于颗粒与油水界面的强吸附作用。对于半径为r的球形颗粒，将其从界面分离所需的能量可由公式1描述：此处，σ表示油水界面张力，θ则表示三相接触角。对于胶体颗粒而言，其脱附能量通常比热能（kBT）大几个数量级，这使得颗粒吸附几乎不可逆，也为皮克灵乳液的稳定性提供了根本保障（Pieranski，1980年）。

由于具有极高的稳定性、符合“清洁标签”理念以及能够递送亲脂性生物活性物质，皮克灵乳液在食品和营养品领域越来越受到重视。人们已系统研究了多种稳定的颗粒材料，包括二氧化硅纳米颗粒等无机物质（Chen等人，2020年；Paredes-Toledo等人，2025年；Ribeiro等人，2023年）、纤维素纳米晶和壳聚糖复合物等多糖基稳定剂（Han等人，2022年），以及混合生物聚合物颗粒（Gonzalez Ortiz等人，2020年）。这些替代材料表明，颗粒的化学性质、形态结构及其润湿性在很大程度上决定了乳液的结构及其保质期表现。

在这一大类材料中，基于蛋白质的纳米纤维——即通过可控变性及自组装形成的类淀粉纳米结构——显得尤为具有潜力。它们的高长径比、较大的比表面积以及结构上的灵活性，似乎有助于在油水界面形成密集且相互连接的吸附结构，从而产生强大的空间屏障，以及具有高度弹性、能抵抗聚并的界面层（An等人，2022年）。理论模型和实验观察也表明，其细长的形态结构使得在较低浓度下就能实现更高效的界面覆盖（Ballard & Bon，2015年；Hijnen等人，2015年）。此外，纤维间的相互作用被认为有助于形成连续的界面膜，甚至在某些情况下还能形成三维网络结构，进一步延缓液滴的迁移和聚并，不过其具体的分子机制仍在研究中（C. Liu等人，2024年；Rostamabadi等人，2025年）。通过比较研究可知（Gao等人，2017年；W. Li等人，2022年），与传统的球形颗粒相比，纳米纤维展现出更强的稳定效果，因此有望成为设计高度稳定、无需表面活性剂且适合食品应用的皮克灵乳液的关键构建模块。尽管具有诸多优势，但对于某些蛋白质而言，现有实验证据与预测性工程分析之间仍存在较大差距。虽然许多研究表明，在受控的实验室条件下，多种蛋白质能够形成类淀粉纤维，但难以准确预测它们在食品加工过程中的行为——如加热、剪切、均质处理等——以及在长期储存过程中的表现，包括温度变化和冻融循环带来的影响（Ouyang等人，2025年；Q. Wang等人，2025年）。此外，我们对这类蛋白质在胃肠道消化过程中的行为了解也还不够充分。这种不确定性导致了不同批次产品之间的差异、乳液性能的不稳定性，同时也引发了关于安全性的担忧。需要强调的是，尽管这些材料具有巨大的技术潜力，但被认定为“食品级”并不等同于必然安全。要想获得监管机构的批准并实现商业应用，就必须进行全面的安全性评估，包括消化率、细胞毒性、免疫反应、胃肠道代谢行为以及长期暴露风险等方面的检测。目前，虽然相关研究资料正在不断增加，但对于许多蛋白质来源及其纤维结构而言，相关数据仍然不足（Liang等人，2025年；Luyckx等人，2022年；Qin等人，2026年）。

为了全面系统地梳理有关蛋白质纳米纤维作为皮克灵乳液稳定剂的文献，我们依据既定的综述方法进行了结构化的文献检索。检索范围涵盖了Web of Science Core Collection、Scopus、PubMed以及Google Scholar数据库，时间跨度为2004年1月至2026年7月。选择这一时间段是为了涵盖从早期关于食品蛋白质纤维化的研究到该领域最新的进展。纳入研究的标准如下：（1）研究对象为源自食品级蛋白质的类淀粉纳米纤维；（2）这些纤维被用作皮克灵乳液或相关体系中的稳定剂；（3）为英文发表的经过同行评审的原创研究论文或综述文章；（4）研究方法严谨，且与食品及营养品应用相关。排除标准则包括那些源自非食品蛋白质且与食品应用无关的纤维、非纤维状的蛋白质聚集体或由表面活性剂稳定的体系，以及那些未能对纤维形态或乳液稳定性进行充分表征的研究。为确保能纳入该领域的最新进展，我们还在2026年7月再次进行了检索。在这一大类材料中，基于蛋白质的纳米纤维——即通过可控变性及自组装形成的类淀粉纳米结构——尤其具有发展潜力。在本综述中，“蛋白质纳米纤维”与“纤维”这两个术语可互换使用，指代这类细长的蛋白质自组装结构。“纳米纤维”这一术语突出了它们的纳米级尺寸，而“纤维”则出于简洁性和表达多样性考虑而使用，这一用法也符合食品科学领域的常见表述习惯（Darvishvand等人，2026年；Du等人，2026年；B. Liu等人，2025年）。

从原理上讲，多种食品蛋白质都可以被纤维化处理并用作皮克灵稳定剂。虽然乳清蛋白分离物被研究得最为深入，但其他来源的蛋白质——如卵清蛋白，以及大麦蛋白、大豆蛋白等植物蛋白——也展现出了巨大的应用潜力（Zhang等人，2023年）。最新研究提示，纳米纤维的组装状态可能对乳液的功能起着关键作用（C. Liu等人，2024年）。Jiang、Pan等人（2022年）通过调节乳清蛋白纳米纤维之间的缠结程度，成功控制了乳液液滴的堆积方式，进而影响了皮克灵乳液中诺利贝汀的递送效率。同样，Wang等人（2022年）发现，乳清蛋白纳米纤维在界面处的自组装后似乎能增强界面结合力，从而提升高内相乳液的稳定性。除了乳清蛋白体系外，卵清蛋白纳米纤维也被用于基于油凝胶的皮克灵乳液中，这类乳液在模拟消化过程中能提高虾青素的生物利用度，这进一步证明了蛋白质纳米纤维在营养品递送领域的广泛应用前景（Wang等人，2022年）。与此同时，源自植物的纤维体系也在不断发展，例如Yang等人（2024年）报道，大麦蛋白与乳清蛋白的纤维复合物能够有效稳定皮克灵乳液，用于递送槲皮素，实现了动物蛋白与植物蛋白功能的结合。

方法学上的创新也为纤维化技术的开发提供了更多手段。X. Xu等人（2022年）采用亚临界水制备了乳清蛋白纳米纤维，这类纤维用于稳定含有姜黄素的high内相乳液，显著提升了乳液的稳定性和药物释放性能。化学修饰方法，如糖基化处理，也能进一步增强蛋白质的两亲性。D. Li等人（2024年）研究了经糖基化处理的乳清蛋白纳米纤维，这类纤维所形成的皮克灵乳液不仅稳定性优异，而且姜黄素的生物利用度也很高。将蛋白质纳米纤维与多糖结合而成的混合体系也受到了广泛关注。Zhu等人（2025年）将番茄红素封装在由乳清蛋白纳米纤维与海藻酸钠复合物共同稳定的乳液中，成功提升了乳液的氧化稳定性及消化性能。类似地，Cui等人（2022年）设计了由乳清蛋白纳米纤维稳定的pH响应型乳液，这类乳液在酸性环境下会出现可控的不稳定现象，这一特性有利于实现靶向递送。最新综述指出，纤维的形态结构、表面化学性质以及界面流变学特性是决定基于纤维的皮克灵乳液能否成功应用的关键因素（Rostamabadi等人，2025年）。这些蛋白质纳米纤维的物理化学属性，包括长径比、刚性以及表面电荷，直接影响其在皮克灵乳液中的界面吸附、堆积情况以及稳定效果。现有研究逐步揭示了蛋白质纳米纤维如何为皮克灵乳液的设计带来新的可能性，使其超越传统无机或多糖基稳定剂的应用范畴。然而，还有一个重要问题尚未得到充分探讨：是否有可能超越现有的实验验证水平，建立起在真实应用条件下对纤维结构、界面行为及功能进行精准控制的理论体系？后续章节将全面阐述纤维的形成机制、界面作用原理以及由纤维稳定的乳液的结构特征，同时介绍这类乳液在食品和营养品行业的应用前景，并探讨提升其稳定性、安全性及工业化应用水平的可能途径。本综述的核心观点是，该领域不应仅仅满足于目前已能制备蛋白质纳米纤维的能力，而应致力于建立定量的结构-性质-性能关系模型。具体而言，我们需要建立预测框架，将纤维化条件、纤维结构特征、界面流变学特性以及实际加工条件下的乳液稳定性联系起来。只有实现这一目标，才能将这一学科从单纯的观测科学转变为具备指导意义的工程学，从而实现功能设计的理性化，确保从实验室研究到工业大规模生产各个环节都能获得稳定的性能表现。

现有关于蛋白质纳米纤维作为皮克灵稳定剂的文献还存在诸多不足。目前的综述大多仅侧重于阐述纤维化的基本机制，未能建立定量的结构-功能关系。此外，它们只是简单提及了这类纤维相比球形颗粒所具有的各向异性优势，也缺乏针对食品应用而制定的完善的安全性及监管框架。同时，对于将这些研究成果转化为实际工业应用的相关路径，尤其是可规模化的生产方法以及可持续性评估方面，研究力度也远远不够。为弥补这些缺陷，本综述提出了三个方面的改进方向：首先，建立预测性的结构-功能框架，将纤维的长度、刚性、润湿性及界面模量等可测量的特征参数与乳液的稳定性、抗氧化性能以及消化吸收效果联系起来；其次，系统整合各向异性优势，运用脱离能理论、界面堵塞现象、非线性流变学特性以及堆积效率等概念对这一优势进行深入分析；最后，制定全面的安全性、监管及可持续性发展路线图，将消化率、细胞毒性、致敏性等相关数据与EFSA和FDA的指导标准相结合，同时考虑可规模化的生产策略以及副产品的价值利用途径。

传统乳液与皮克灵乳液的一个关键区别在于颗粒的润湿性，这一特性通常通过油水界面处的三相接触角（θ）来体现。从理论上讲，当θ接近90°时，像蛋白质纳米纤维这样的颗粒对油相和水相的亲和力较为均衡，这种特性被认为最有利于稳定油水型的皮克灵乳液。这一预测已在多种类型的颗粒上得到了实验验证（Binks，2002年；Davtalab等人，2024年；Gonzalez Ortiz等人，2020年）。亲水性较强的纤维（θ < 90°）更倾向于稳定油水型体系，而疏水性较强的纤维（θ > 90°）则能使乳液向水包油型体系转变。因此，通过调控纤维的表面化学性质——比如改变pH值、离子强度或通过生物聚合物进行复合处理——可以直接决定最终形成何种类型的皮克灵乳液，这就为设计带来了传统表面活性剂体系所不具备的灵活性。然而，仅依靠调节润湿性并不足以实现精准控制；纤维的长度、长径比、刚性、表面电荷以及温度、离子强度、剪切力等环境因素之间的复杂相互作用，构成了一个当前实验方法难以完全把握的复杂设计空间。正因如此，本综述提出了一种预测性的结构-功能框架（详见第2.6节，表5），旨在为食品和营养品领域的皮克灵乳液设计提供有力的理论支持。从机制上来看，食物蛋白纤维化的形成经历了四个相互关联的步骤，如图1所示：（i）天然蛋白的受控展开与有限水解；（ii）跨β结构单元的成核；（iii）随着肽或蛋白不断添加到纤维中而产生的轴向延伸。

蛋白纤维稳定的皮克林体系可被转化为多种实用形式：传统的O/W或W/O型乳液、HIPEs、基于油凝胶的皮克林体系以及多重/双重乳液。这些不同形式在微观结构特征及配方设计方面存在差异，进而影响亲脂性营养物质的包封、稳定性及其释放效果。所选形式决定了主要的失稳模式（聚并、分层、奥斯特瓦尔德熟化），从而为相关体系的设计提供依据。

据认为，纤维通过多种界面作用及物理机制来抑制皮克林乳液中的液滴聚并。实验研究（Afkhami等人，2024年；Berton-Carabin与Schro?n，2015年；Wan等人，2016年；Wu、Nie等人，2025年）表明，其主要机制在于纤维几乎不可逆地吸附在油水界面处，在液滴周围形成一层结构坚固的层，使得这些纤维难以被去除，需要大量能量才能将其从该层中解吸出来。

近期研究显示，将蛋白纳米纤维与多糖及酚类化合物（如来自米糠的成分）结合使用，能够显著提升皮克林乳液的稳定性。例如，通过高压均质化或超声处理等机械预处理方法制备的米糠蛋白-多糖-酚复合物，可在油水界面形成有序的网络结构。有研究指出，这类网络结构有助于提升乳液的稳定性。

为深入了解蛋白纳米纤维在皮克林乳液中的多功能表现，需具备一套完善的表征工具箱。界面流变学研究，包括稀释模式和剪切模式，能够为了解吸附在油水界面的纤维层的粘弹性特性提供重要线索。这些测量结果有助于揭示纳米纤维如何随着时间推移抵抗液滴聚并及机械变形。同时，悬滴法也可用于监测界面行为。

蛋白纤维稳定的皮克林乳液在递送亲脂性生物活性物质方面的效率，取决于从加工到消化过程中一系列物理与化学稳定机制的共同作用。从物理层面来看，皮克林乳液中的液滴被致密的颗粒层包裹，这一结构相比传统表面活性剂体系更能有效抑制液滴聚并，并减缓奥斯特瓦尔德熟化现象（J. Peng等人，2016年；Yan等人，2020年）。相关实验研究（Jiang、Pan等人，2022年；Peng等人）也验证了这一观点。

蛋白淀粉样纳米纤维在进入食品及营养品市场之前，必须满足安全性、合规性、可规模化生产以及可持续性这四项核心要求。目前关于食品来源的淀粉样纤维的安全性研究仍在进行中，针对不同蛋白来源及食用场景的明确结论尚未得出。全面的安评应综合考虑多种相互关联的因素。

淀粉样蛋白纳米纤维已从最初的科学概念发展为用于构建食品分散体系、提升亲脂性物质递送效率的实际技术手段。最新研究表明，无论是单纯的纳米纤维还是纤维-多糖复合体，都能调节体系的润湿性，增强界面对氧化作用的抵抗力，并在采用生理相关的消化模型测试时提高目标物质的生物利用度。不过需要强调的是，任何相关应用都必须以彻底的安全性评估作为支撑。

在本文的撰写过程中，作者们使用了OpenAI的ChatGPT（GPT-5.5）来辅助完成图形绘制与图表设计工作。在使用该工具后，作者们对内容进行了必要的审阅与修改，并对最终发表文章的内容负全责。

**作者贡献说明**
Sara Nemati：初稿撰写、实验研究、正式分析。
Linmei Yu：可视化处理、结果验证、正式分析。
Behrouz Ghorani：初稿撰写、结果验证、项目监督、研究管理、概念构思、正式分析、方法设计、可视化处理。
Bahareh Emadzadeh：文章审阅与编辑、结果验证、项目监督、方法设计、正式分析、实验研究、可视化处理。
Atefeh Farahmand：可视化处理。
Sara Naji-Tabasi：文章审阅与编辑。

**未引用参考文献**
Committee等人，2021年；Efsa营养小组等人，2022年；Jiang等人，2022年；Li等人，2024年；Li等人，2022年；Liu等人，2025年；Liu等人，2024年；Loveday等人，2012年；Norouzi等人，2025年；Peng等人，2016年；Qi等人，2024年；Wang等人，2025年；Wu等人，2025年；Xu等人，2022年；Zhang等人，2024年；Zhao等人，2025年；Zhao等人，2024年。

**利益冲突声明**
? 作者声明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。

Sara Nemati | Linmei Yu | Behrouz Ghorani | Bahareh Emadzadeh | Atefeh Farahmand | Sara Naji-Tabasi | Nan Yang
伊朗马什哈德，食品科学技术研究院，食品纳米技术系