纤维素纳米晶稳定Pickering纳米乳液的绿色构建及其对姜精油的控释与生物活性增强机制研究

《Food Biophysics》：Green Design of Cellulose Nanocrystal-Stabilized Pickering Nanoemulsions: Molecular Interactions, Long-term Stability, and Functional Delivery of Ginger Essential Oil

本研究报道了一种基于低共熔溶剂绿色提取纤维素纳米晶稳定姜精油Pickering纳米乳液的可持续策略。研究人员针对姜精油易挥发、不稳定的技术瓶颈，通过DES法制备高结晶度CNCs，系统探究了不同浓度CNCs（0.3-2.0 wt%）对纳米乳液界面行为、稳定性及功能特性的调控机制。研究发现1.0 wt% CNC体系具有最优的乳化性能（粒径~34.7 nm，Zeta电位-34.8 mV），其形成的致密界面层可实现对GEO的高效包封（>99.7%）并显著提升抗菌抗氧化活性，为食品医药领域提供了新型聚合物-free递送系统。

　　

姜精油作为天然活性成分，在食品保鲜和医药领域展现出巨大潜力，但其易挥发、光敏感和疏水性强等固有缺陷严重制约实际应用。传统乳化剂存在生物相容性差、环境负担重等问题，而基于纤维素纳米晶的Pickering乳液技术，通过固体颗粒在油水界面形成刚性屏障，为天然活性成分的高效递送提供了新思路。

在这项发表于《Food Biophysics》的研究中，科研团队创新性地采用胆碱氯化物/甘油深低共熔溶剂体系，从微晶纤维素中高效提取纤维素纳米晶（得率95.87%），并系统构建了CNC稳定的GEO Pickering纳米乳液体系。研究首次揭示了CNC浓度（0.3-2.0 wt%）通过调控界面网络密度影响活性成分释放动力学与生物功能的机制规律。

关键技术方法

研究采用DES辅助超声法提取CNCs，通过FTIR、XRD、FESEM等技术表征其结构特性。通过高速均质结合超声破碎制备纳米乳液，利用动态光散射分析粒径分布，zeta电位仪测定界面电荷，流变仪评估粘弹性特征。采用透析袋法进行体外释放研究，通过DPPH法和菌落计数分别评价抗氧化和抗菌性能。

CNCs的制备与表征

DES提取的CNCs呈现典型的纳米棒状结构（<50 nm），结晶度指数达52.74%，热分解温度达326°C。FTIR光谱显示O-H伸缩振动峰向低波数位移（3338 cm^-1），证实DES处理成功重构氢键网络。XRD图谱在2θ=22.7°处出现明显衍射峰，对应纤维素I晶型（200）晶面。

Pickering纳米乳液的构建与稳定性

当CNC浓度达到1.0 wt%时，乳液呈现最优稳定性：平均粒径34.66±0.30 nm，PDI为0.68，zeta电位-34.80±4.20 mV。流变测试显示典型的剪切稀化行为，表观粘度随CNC浓度增加而升高。离心和冻融实验表明，1.0 wt%体系在极端条件下仍保持结构完整，creaming指数最低。CLSM图像证实该浓度下形成均匀致密的液滴网络结构。

界面行为与释放动力学

界面张力测量发现0.5 wt% CNC时出现最低值，表明此时界面吸附效率最高。释放动力学拟合显示Higuchi模型相关性最佳（R²=0.706），说明GEO释放主要受扩散机制控制。1.0 wt%体系展现最缓释特性，48小时累积释放率不足10%，证实CNC界面层可有效延缓活性成分扩散。

生物活性评价

抗菌实验显示CNC-GEO纳米乳液对革兰阳性菌金黄色葡萄球菌（S. aureus）抑制作用显著强于革兰阴性菌大肠杆菌（E. coli）。在1.0 wt% CNC浓度下，S. aureus完全被抑制（0 CFU·mL^-1），而E. coli存活量为3.34×10³CFU·mL^-1。SEM观察发现处理后菌体出现膜破裂和内容物泄漏，EDX分析显示S. aureus细胞氮元素含量降至11.5%，表明蛋白质等胞内物质大量流失。

DPPH自由基清除实验证实所有乳液均具显著抗氧化活性（>95%），其中2.0 wt%体系IC₅₀值最低（373.6 μg·mL^-1）。但综合考虑稳定性与活性平衡，1.0 wt%被确定为最佳配方浓度。

作用机制解析

研究提出CNC通过以下协同机制增强GEO功能：①棒状CNCs在油水界面定向排列形成致密物理屏障；②表面负电荷提供静电排斥作用；③三维网络结构抑制奥斯特瓦尔德熟化；④可控释放特性延长作用时间。对革兰氏菌的差异抑制作用与细胞壁结构密切相关：S. aureus的单层肽聚糖结构更易被疏油性GEO分子穿透，而E. coli的外膜构成额外渗透屏障。

该研究通过绿色工艺成功构建了CNC稳定的GEO Pickering纳米乳液，明确了CNC浓度与乳液性能的构效关系。1.0 wt% CNC体系在界面稳定性、控释特性和生物活性间达到最佳平衡，为开发聚合物-free的天然活性成分递送系统提供了新范式。这种基于可再生资源的纳米乳化策略，在食品保鲜、营养强化和医药载体等领域具有广阔应用前景。未来研究可聚焦于实际食品体系中的相容性评价和规模化制备工艺优化。