《Food Research International》：Bacterial nanocellulose-stabilized Pickering emulsions: A review on stability factors and industrial applications in the food sector
编辑推荐：
本文深入探讨了细菌纳米纤维素（BCNCs/BCNFs）在稳定皮克林乳液（Pickering emulsions）中的独特优势。文章系统梳理了其生产方式，并重点分析了影响乳液稳定性的诸多因素，如粒径、形态、表面化学、浓度、pH和制备方法等。综述还展示了此类乳液在食品领域的广阔应用前景，包括食品保鲜、活性包装、营养素/药物递送和胃肠道脂质消化调控，为开发绿色、稳定的功能性食品体系提供了重要参考。
在食品工业中，将维生素、多酚、植物精油等生物活性成分有效包裹并递送一直是个挑战。传统的乳化剂和表面活性剂虽有效，但部分存在潜在毒性风险。于是，一种更绿色、更稳定的替代方案——皮克林乳液走进了研究者的视野。这种乳液利用固体纳米颗粒（而非小分子表面活性剂）吸附在油水界面，形成一层致密、近乎不可逆的“盔甲”，从而极大地提升乳液的稳定性。在众多候选“盔甲”材料中，源自微生物的细菌纳米纤维素及其纳米衍生物（细菌纤维素纳米晶体BCNCs和细菌纤维素纳米纤维BCNFs）凭借其高结晶度、高纯度、出色的机械强度、生物相容性、可生物降解性以及可持续的生物合成来源，成为了极具潜力的明星材料。
生产方法：从细菌纤维素到纳米颗粒
细菌纤维素（BC）主要由Komagataeibacter属的细菌合成，分泌到细胞外形成高纯度的纳米纤维网络。与植物纤维素不同，BC不含木质素和半纤维素等杂质，这使其成为制备纳米材料的绝佳前体。通过简单的碱洗纯化，即可得到凝胶状或干燥的BC。
要将BC转化为高效的皮克林乳液稳定剂，主要有两条路径：
- •
酸水解制备BCNCs：这是最常用的方法，利用硫酸、磷酸等强酸选择性侵蚀纤维素中的无定形区，保留下高结晶度的棒状或针状纳米晶体。酸的类型直接影响产物特性：硫酸水解会引入带负电的硫酸酯基团，增强胶体稳定性；而磷酸水解则能获得更高的结晶度和产率。水解后需经过离心、透析等步骤去除残余酸，最终得到稳定的BCNCs水分散液。
- •
机械法制备BCNFs：通过高压均质、微流化或研磨等机械力将BC纤维拆解成更长的纳米纤维。此法能耗较高，但常辅以TEMPO氧化、酶解等预处理来降低能耗、改善纤维均匀性。与短而刚性的BCNCs不同，BCNFs是长而柔软的纤维，能形成纠缠网络，赋予体系增稠、成胶等独特流变特性。
稳定性因素：多参数协同作用的艺术
用BCNCs或BCNFs稳定皮克林乳液（通常是水包油型）时，其卓越的稳定性并非偶然，而是多种物理化学和加工参数精密调控与协同作用的结果。
- •
颗粒浓度与油相浓度：稳定乳液需要足够多的纳米颗粒去覆盖油滴表面。研究表明，BCNCs浓度低于2 g/L时，乳液易发生相分离和聚结；而提高浓度能显著增加乳液体积、减小液滴尺寸并提升稳定性。同样，油相比例也需与颗粒浓度匹配。过高的油含量会导致颗粒覆盖不足，而过低的油含量则可能因奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening）导致液滴变大。
- •
pH与离子强度：这两个参数通过影响颗粒和液滴的表面电荷（通常用ζ-电位衡量）来左右乳液命运。在碱性pH下，纤维素表面的羧基去质子化，带负电性增强，颗粒间静电斥力增大，能有效防止液滴聚集，因此乳液最为稳定。相反，酸性条件或高盐（如NaCl）环境会压缩双电层，削弱静电排斥，导致颗粒聚集、液滴合并，从而破坏乳液稳定性。
- •
制备方法：赋予乳液初始能量的方式至关重要。超声处理、高压均质、高剪切混合等都是常用手段。通常，输入能量越高（如超声），产生的液滴越小，乳液也越稳定。不同的方法会影响纳米颗粒在界面的吸附行为，例如超声有助于棒状BCNCs在界面完全吸附，而某些均质条件可能使部分颗粒留在水相中。
- •
颗粒形貌与长径比：纳米纤维素是“长棍”还是“短棒”，效果大不同。短而细的BCNCs更容易在油滴表面形成致密的覆盖层。而长径比很高的BCNFs或长BCNCs，虽不能完全覆盖表面，但能在液滴间搭建起三维网络，通过空间位阻效应来稳定乳液，形成一种“液滴被困在网络中”的独特结构。
- •
表面电荷与润湿性：颗粒表面的电荷密度（如来自硫酸酯或羧基）是维持胶体稳定性的关键。适度的负电荷可通过静电斥力防止液滴靠近。然而，电荷也非越高越好，过强的电荷反会阻碍颗粒向界面的吸附。润湿性则决定了颗粒“站”在油水界面上的牢固程度。接触角（θ）接近90°时，颗粒在界面上的吸附能最大，乳液最稳定。通过对BCNCs/BCNFs进行氧化、酯化等化学改性，可以精确调控其润湿性，优化乳化性能。
- •
协同稳定策略：BCNCs/BCNFs还可以与其他乳化成分联手，发挥“1+1>2”的效果。例如，与海藻酸钠、羧甲基壳聚糖等多糖复合，可以调整体系的亲水-亲油平衡；与乳清蛋白、大豆蛋白等蛋白质结合，能在界面形成更牢固的复合膜；甚至与银纳米颗粒等无机材料复合，还能赋予乳液抗菌等附加功能。
食品领域应用：从保鲜到健康
基于上述优异特性，细菌纳米纤维素稳定的皮克林乳液在食品科学领域展现出多元化的应用潜力。
- •
食品保鲜与活性包装：将肉桂精油、牛至精油等天然抗菌剂封装在BCNCs稳定的皮克林乳液中，然后融入明胶、可得然胶等可食用涂层或膜基质，可制成高效的活性包装材料。研究表明，这类涂层能显著延缓苹果、油桃等水果采后的成熟衰老，减少水分损失，抑制微生物生长，并保持良好的感官品质。将载有百里香精油的BCNFs/银纳米粒子复合乳液加入薄膜，更能同时提升薄膜的力学强度、阻隔性和抗菌活性，实现多功能一体化。
- •
营养素递送与生物活性保护：许多营养素（如姜黄素）对光、热、酸碱敏感，生物利用度低。利用BCNFs稳定的皮克林乳液封装姜黄素，能极大地提高其对恶劣环境的耐受性，并显著提升其在模拟胃肠道消化中的生物可及性。高内相乳液（HIPEs）体系在此方面尤其具有优势，为设计下一代功能性食品和补充剂提供了新思路。
- •
胃肠道脂质消化调控：通过调整BCNFs的浓度，可以改变乳液界面层的致密程度和液滴网络结构。在模拟消化实验中，更致密的颗粒层能有效阻碍脂肪酶和胆汁盐接触油滴界面，从而减缓脂质水解和游离脂肪酸的释放速度。这为开发具有饱腹感、可控制能量摄入的食品提供了可能。
安全与展望
尽管细菌纤维素本身被视为生物相容且安全的材料，但其纳米形态（BCNCs/BCNFs）的安全性评估仍需谨慎，不能简单套用宏观纤维素的标准。纳米尺寸带来的高比表面积和不同的生物相互作用需要更详尽的研究。未来，要实现其大规模的工业应用，还需在安全评估、低成本规模化生产以及工艺集成等方面持续攻关。
总之，细菌纳米纤维素稳定的皮克林乳液，正以其绿色、稳定、功能可调的特性，为食品工业的创新注入新的活力，在保鲜、营养、健康等多个维度展现出广阔的应用前景。
