橙皮苷稳定的皮克林乳液凝胶形成机制与表征研究：基于分子动力学模拟的多尺度解析

《Current Research in Food Science》：Formation mechanism and characterization of hesperidin-stabilized Pickering emulsion gels

本研究针对柑橘类黄酮橙皮苷(Hpd)生物利用度低的应用瓶颈，创新性地开展了Hpd稳定皮克林乳液凝胶的构建及机制解析。通过系统比较四种柑橘类黄酮的乳化性能，发现Hpd凭借其独特的芸香糖苷基团和最小粒径展现出最优乳化活性，结合分子动力学模拟揭示了其通过氢键作用在油水界面形成分子聚集体的机制。当Hpd浓度(w)≥2%、油相体积分数(φ)≥50%时可形成稳定乳液凝胶，显著提升了乳液稳定性，为柑橘副产物高值化利用和食品级乳液递送系统开发提供了新策略。

　　

在全球柑橘加工产业中，每年产生的大量果皮和果渣等副产物含有丰富的生物活性物质，其中橙皮苷(Hesperidin, Hpd)作为柑橘类黄酮的典型代表，具有抗炎、抗氧化、抗菌、免疫调节、抗肿瘤和调节脂质代谢等多种显著生物活性。然而，Hpd极低的水溶性严重限制了其口服生物利用度，制约了其在食品、医药等工业领域的广泛应用。食品乳液作为一种常见的递送系统，被广泛用于提高营养素制剂的口服生物利用度，展现出良好的应用前景。与传统表面活性剂稳定的乳液相比，皮克林乳液(Pickering emulsion)由固体颗粒稳定，具有显著增强的稳定性，不仅能保留乳液的基本特性，还表现出抑制聚结和奥斯特瓦尔德熟化的卓越能力。

尽管二氧化硅和氧化铝等无机颗粒在皮克林乳液中应用广泛，但由于未能满足清洁标签要求，其在食品中的应用受到限制。近年来，食品来源的颗粒乳化剂成为研究热点，这些天然颗粒不仅能有效稳定皮克林乳液，还能高效递送或包封生物活性化合物，如叶黄素、花青素和白藜芦醇等，同时具有易于消化和低毒性的优势。因此，由天然生物聚合物颗粒开发的皮克林乳液代表了研究的新趋势。

目前，食品级皮克林颗粒乳化剂的研究主要集中在蛋白质和多糖等天然生物大分子上。此外，一些黄酮类化合物因其安全性、环境友好性以及既能提供乳化特性又具有生物活性的双重功能而受到研究人员的关注。虽然已有研究使用壳聚糖纳米颗粒增强磷脂来成功包封Hpd，延长产品保质期，但这些研究并未关注Hpd的乳化特性。前期研究表明Hpd具有乳化特性，但其潜在机制尚不清楚。

为了解决Hpd生物利用度低的问题，开发乳液递送系统成为一种有前景且有效的策略。在此背景下，河南科技学院食品科学与工程学院的研究团队在《Current Research in Food Science》上发表了题为"Formation mechanism and characterization of hesperidin-stabilized Pickering emulsion gels"的研究论文，系统比较了四种柑橘类黄酮(橙皮素Hesperetin, Hpt；橙皮苷Hesperidin, Hpd；新橙皮苷Neohesperidin, Neohpd；新橙皮苷二氢查耳酮Neohesperidin dihydrochalcone, Neohpddic)的皮克林乳化能力，成功开发了稳定的基于Hpd的O/W型皮克林乳液凝胶，并通过结合实验和分子动力学模拟方法深入探究了其形成机制。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：通过高速剪切法制备不同条件下的皮克林乳液凝胶；采用光学接触角仪测定颗粒的接触角和界面张力；利用扫描电子显微镜观察颗粒形态；通过激光粒度分析仪测定颗粒和乳液液滴的尺寸分布；运用分子动力学模拟软件Gromacs模拟类黄酮在MCT/H₂O系统中的乳化行为；采用激光共聚焦扫描显微镜观察乳液微观结构；使用质构仪和旋转流变仪分别评估乳液凝胶的质构特性和流变性质。

3.1. 皮克林乳液凝胶的形成

研究发现，确定适当的颗粒浓度(w)和油相体积分数(φ)对于制备稳定的皮克林乳液至关重要。Hpt在测试的w和φ范围内未能形成皮克林乳液凝胶，而Hpd、Neohpd和Neohpddic均表现出不同程度的乳化性能。在固定φ=50%条件下，随着添加量的增加，Hpd、Neohpd和Neohpddic稳定的乳液相分离逐渐减少。当w=2%时，Hpd的乳化能力趋于稳定，观察到最小的相分离，倒置时已形成凝胶。相比之下，Neohpd和Neohpddic在4%添加量时仍表现出明显的相分离，未能形成凝胶状乳液，表明Hpd具有更优的乳化性能。在研究φ对乳液形成的影响时发现，当w=2.0%，φ从20%增加到60%时，制备样品的相分离逐渐减少。在φ=60%时，Hpd稳定的乳液没有相分离并已形成乳液凝胶。然而，当φ进一步增加到80%和90%时，所有乳液都发生破乳，无法形成稳定乳液。

3.2. 接触角

颗粒的皮克林乳化能力与其润湿性密切相关。研究发现，Hpt、Hpd、Neohpd和Neohpddic在MCT-水界面的接触角(θ)值分别为133.4°±0.2°、51.35°±0.1°、106.2°±0.1°和52.3°±1.2°。这些结果表明Hpt和Neohpd颗粒更具亲油性，可能稳定W/O乳液，而Hpd和Neohpddic颗粒更具亲水性，有利于O/W乳液形成。值得注意的是，Neohpd的接触角最接近90°，根据经典颗粒乳化理论，这应与最佳乳化性能相关，但与实际研究结果存在矛盾，说明仅凭接触角-润湿性理论预测实际乳化能力存在局限性。

3.3. 界面张力

在常规乳液系统中，乳化剂的有效性通常通过其降低界面张力的能力来评估。Hpt、Hpd、Neohpd和Neohpddic的饱和水溶液与MCT之间的界面张力分别为30.72±0.36 mN/m、30.63±0.38 mN/m、22.18±0.63 mN/m和14.01±0.42 mN/m。与水和MCT之间的界面张力(30.46±0.39 mN/m)相比，Neohpd和Neohpddic能显著降低界面张力，而Hpt和Hpd的降低效果可忽略不计。四种类黄酮的溶解度测定结果分别为0.0057±0.0002 mg/mL、0.0078±0.0005 mg/mL、0.1161±0.0012 mg/L和0.0883±0.0065 mg/L。对于Hpd，尽管其结构与Neohpd和Neohpddic相似，但其极低的水溶性可能导致饱和水溶液中的浓度不足，无法实现可测量的界面张力降低。

3.4. 颗粒形态

颗粒的表面粗糙度和形状显著影响界面行为和乳液稳定性。SEM观察显示颗粒之间存在明显的形态差异。Hpt呈现粗糙的不规则结构，而Hpd、Neohpd和Neohpddic均表现出明确的棒状形态，具有比球形颗粒更高的纵横比。基于已有理论，这三种颗粒材料的形态可能与其稳定皮克林乳液的能力相关。

3.5. 颗粒尺寸

颗粒尺寸显著影响界面处的吸附动力学和堆积密度，从而影响皮克林乳液的形成和稳定性。Hpt、Hpd、Neohpd和Neohpddic均呈现单峰粒度分布，范围分别为4.49-39.47 μm、0.96-7.02 μm、4.35-60.02 μm和2.66-27.14 μm。值得注意的是，Hpd的粒度范围明显小于其他三个样品。研究表明，较小的颗粒在界面处表现出更快的吸附动力学，能够形成更细小的液滴，并比大颗粒具有更优的稳定性。

3.6. 分子动力学模拟

分子动力学模拟可以在分子尺度上阐明乳液系统中油水界面的动态行为，包括表面活性剂分子在界面的吸附、取向和排列，以及它们与油相和水相的相互作用，从而为乳液稳定性的分子基础提供深入理解。分析平衡过程发现，构建的系统在加热动力学30 ps内迅速达到稳定的总能量、温度和密度值，表明模拟过程中没有显著扰动。所有测试的类黄酮分子都表现出向油水界面迁移的能力，但Hpt表现出明显特性，其在界面处的聚集密度显著低于其他类黄酮。氢键分析显示，Hpt形成的氢键数量明显少于其他类黄酮，进一步证实了其分子间聚集的减少。

3.7. 激光共聚焦扫描显微镜观察

CLSM观察显示，红色荧光代表尼罗蓝A标记的Hpd颗粒，蓝色荧光表示尼罗红染色的油相。油相明显位于液滴内部，颗粒在液滴界面形成致密堆积层。这一观察结果提供了确凿证据，表明Hpd稳定了O/W型乳液。值得注意的是，固体Hpd颗粒不仅在油滴表面吸附作为乳化剂，而且在水相中建立了三维网络结构。这种双重机制有效防止了液滴聚结，确保了乳液凝胶系统的稳定性。

3.8. 液滴尺寸

液滴尺寸作为乳液的關鍵微观特征，显著影响乳液稳定性和凝胶强度。研究发现，Hpd稳定的乳液呈现微米级液滴尺寸，随着颗粒浓度的增加，液滴直径逐渐减小，表现出明显的剂量依赖关系。相反，在w=3%时，增加φ(从20%到70%)会导致更大的液滴直径。这种现象可归因于较高油相分数下水相体积减少，固定量的Hpd不足以完全覆盖界面，导致液滴聚结和后续尺寸增大。

3.9. 凝胶强度

乳液凝胶的强度不仅反映其结构，而且关键决定其加工特性和潜在应用。研究发现，增加w显著增强了凝胶强度。这种改善可归因于更高浓度的颗粒参与界面膜形成，导致逐渐减小的液滴尺寸。由此产生的更细油滴促进了乳液基质中更紧密的堆积，从而显著增强了凝胶结构。此外，提高φ最大化了颗粒-油相互作用，促进了更密集的液滴堆积，从而加强了凝胶网络。

3.10. 流变特性

流变特性是表征食品加工行为和稳定性的基本指标，在食品制造中起着关键作用。应变扫描结果显示，所有样品最初保持相对恒定的G'和G"值，且G'>G"，证实了它们的弹性凝胶样行为而非粘性液体特性。然而，过度的剪切应力导致结构显著破坏，表现为两个模量的快速下降。频率扫描测量显示G'始终超过G"，表现出典型的皮克林乳液流变特征，以弹性行为为主。剪切速率依赖性研究显示所有乳液呈现假塑性剪切稀化行为，在较高速率下表观粘度初始增加后减少。

本研究通过多尺度方法系统解析了橙皮苷稳定皮克林乳液凝胶的形成机制与特性。在四种柑橘类黄酮化合物中，Hpd表现出最出色的皮克林乳化性能，这主要归因于其独特的芸香糖苷基团赋予的适宜两亲性、较小的颗粒尺寸和棒状形态，以及通过氢键作用在油水界面形成分子聚集体的能力。研究确定了形成稳定乳液凝胶的临界条件，并发现通过优化颗粒浓度和油相分数可有效调控乳液微观结构和流变特性，显著提升系统稳定性。该研究不仅为柑橘副产物的高值化利用提供了理论依据，也为开发食品级多酚基皮克林乳液凝胶提供了重要参考，在功能性食品和营养素递送系统领域具有广阔的应用前景。