《FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY》：Progress on water-in-oil-in-water (w/o/w) double emulsions: bioactive delivery, stability optimization, and sports nutrition applications
全球范围内对健康营养食品的需求持续增长，尤其在运动员、健身人群等特殊群体中表现显著。水包油包水（Water-in-oil-in-water, W/O/W）双重乳液因可同时递送亲水性与疏水性生物活性物质而备受关注。本综述系统阐述了W/O/W乳液的载运释放机制及其固有优势与局限性，归纳了该类乳液的主要制备方法与构建技术，明确了其失稳机制并提出相应的稳定性提升策略。此外，综述批判性分析了双重乳液作为营养补充剂在运动营养领域的应用进展，并指明了未来研究的关键方向，为设计开发面向运动员群体的稳定、功能定制化双重乳液提供了理论基础。
引言
运动食品市场近年来在健康品类中增长迅速，预计未来仍将保持这一趋势。合理选择营养丰富的食物可降低营养素缺乏风险，尤其适用于能量摄入受限的减脂期或运动损伤恢复期。运动员与健身人群可通过个性化的运动营养膳食指导获益，营养补充剂的合理使用亦可帮助其在训练基础上获得竞争优势、优化运动表现并促进损伤恢复。早期运动营养补充剂主要服务于精英运动员与健身人群，当前已拓展至提升运动表现、促进肌肉合成与运动后恢复等更广泛的目标群体。已有研究表明，40%–100%的训练有素的运动员会根据自身特殊需求摄入膳食补充剂，大学生运动员中至少使用一种营养补充剂的比例达64%–89%，且当前需求已从专业运动员延伸至业余运动爱好者与普通活跃人群，覆盖肌肉增长、表现提升、运动后恢复及整体健康等多个维度。
微胶囊化技术（如微凝胶、纳米颗粒、乳液、脂质体等）已被证实是递送运动员所需多种营养素的有效工具，可实现风味掩蔽、抑制组分相互作用、提升稳定性与生物利用率及实现控释等功能。水包油包水（W/O/W）双重乳液（又称多重乳液）是一种“乳液中的乳液”结构，即水相以微小液滴形式分散于油相中，该油包水体系再分散于第二水相中，因其可同时包封亲水与疏水生物活性物质，成为运动营养补充剂中极具潜力的递送载体。本文系统综述了双重乳液的构建方法、失稳机制及稳定性提升策略，并总结了其在运动食品中的应用现状与未来研究方向。
W/O/W双重乳液用于生物活性递送的基础信息
W/O/W双重乳液的配方组成
双重乳液主要包括油包水包油（O/W/O）与水包油包水（W/O/W）两种类型，由于食品基质多为水相体系，W/O/W乳液在食品工业中更具应用潜力，因此本综述聚焦此类体系。W/O/W双重乳液属于热力学不稳定体系，通常需添加乳化剂维持结构稳定，其核心组成为内水相、疏水性乳化剂、油相、亲水性乳化剂与外水相。内水相可负载糖类、盐类及营养素，外水相包含乳化剂与稳定剂。制备过程需使用两种性质互补的乳化剂：分别稳定水包油（W/O）界面与油包水（O/W）界面，通过吸附于界面抑制各相聚集。常用制备方法包括单步相转化法、两步乳化法与膜乳化法。
优势与局限性
W/O/W双重乳液用于营养素递送的优势包括：通过包封挥发性分子改善成分风味并掩蔽异味；保护生物活性分子在储存与消化过程中免受氧化或水解；实现被包封物质的缓释；提升功能成分在胃肠道消化过程中的生物利用率。其局限性则主要体现在热力学与动力学不稳定性，如加工与储存过程中出现重力分层、聚结、絮凝及内水相向外的水扩散等现象，制备难度显著高于单一O/W乳液；同时，食品级稳定剂的缺乏也限制了其在食品营养领域的广泛应用。
生物活性物质释放机制
W/O/W双重乳液中生物活性物质的释放主要通过三种机制实现：一是内外相浓度梯度诱导的溶胀或剪切力导致双重乳液破裂，使营养素从内相向外交释放；二是中间油相与内水相间发生界面聚结，破坏中间层结构触发载运物释放；三是无需破坏整体乳液结构，营养素通过中间层的渗透作用从内相向外交扩散或渗透。
W/O/W乳液的制备技术
一步/相转化法
单步法又称相转化法，通过加热含非离子乳化剂或其混合物的体系实现相转化形成双重乳液。当水相体积占比超过70%时，连续油相被水相取代，发生相转化形成W/O/W双重乳液。该方法可避免二次 destabilization，简化生产工艺并减少合成表面活性剂用量，生产效率高，适合工业化应用。但局限性在于易形成大尺寸乳液且包封效率较低。
两步/双乳化法
两步乳化法是制备双重乳液最常用的方法：第一步在高剪切力作用下精细混合乳化剂，获得粒径小于1 μm的内相液滴；第二步采用低能量输入防止内外相间的液膜破裂。该方法需使用亲水亲油平衡值（Hydrophile-Lipophile Balance, HLB）差异显著的两种表面活性剂，优势在于可调控液滴尺寸并获得均匀的尺寸分布。但实验室小规模制备（层流条件）与工业放大生产（湍流条件）存在差异，且生产成本较高，第二步低剪切操作易导致外液滴尺寸分布宽或包封效率低，工业规模化生产仍具挑战。
膜乳化法
膜乳化法利用多孔玻璃膜在恒定压力下将分散相压入连续相中实现分散，分为错流膜乳化与预混膜乳化两种模式。前者将待分散的粗W/O乳液压过微孔膜进入含亲水性乳化剂的外水相，液滴在膜孔处生长并脱离形成W/O/W双重乳液；后者先将粗W/O/W乳液常规预混，再使其通过醋酸纤维素膜减小油滴尺寸。该方法能耗低，可精准调控液滴尺寸与分布，但存在生产率低与膜污染的核心局限。
微通道乳化法
微通道乳化技术通过精密设计的微通道将流体分割为独立微流，根据构型可分为平行流与逆流结构。所得双重乳液单分散性优异，变异系数低于5%，有利于精确调控目标生物活性物质的释放动力学。但该方法的恒液滴直径压力范围窄，难以制备粒径大于100 μm的单分散双重乳液，大规模应用受界面张力限制。
超声乳化法
超声乳化法制备双重乳液分两步：首先在内相中加入含乳化剂的界面相，高振幅超声处理制备初乳；再将初乳加入含乳化剂的外相，低振幅超声处理获得双重乳液。超声空化效应产生的高压冲击波与高剪切力可破碎油水界面结构，形成小尺寸液滴，具有液滴尺寸小、分布窄、操作简单、成本低的优势，相比高压均质可节省73%的乳化能耗并提升稳定性。但目前仅停留在实验室研究阶段，工业化放大仍需进一步探索。
大规模生产的技术障碍
现有制备方法从实验室向大规模生产转化时普遍存在技术障碍：膜乳化法耗时较长，仅适用于药物递送系统等极高附加值产品；初乳制备常用的聚甘油聚蓖麻醇酸酯（Polyglycerol polyricinoleate, PGPR）在食品中的应用受到国际监管机构严格限制。未来研究需聚焦于开发可实现良好尺寸分布与结构可控的大规模制备技术（如含双T型、双十字及三维微通道的微流控系统），并开发低成本、天然高效的稳定剂（如蛋白质-多糖复合物、高亲油性大豆卵磷脂等）。
W/O/W双重乳液的失稳机制
失稳的一般理论
W/O/W乳液液滴尺寸通常在20–100 μm，比单一乳液具有更大的界面面积，因此固有不稳定性更强。失稳现象包括包封化合物泄漏、内水相或油相聚结导致的相分离、高堆积密度引起的油相破裂及各相间迁移扩散。斯托克斯定律（Stokes’ law）可描述其相分离行为：分离速率与液滴半径平方、连续相与分散相密度差成正比，与连续相黏度成反比，因此液滴尺寸、两相密度差与连续相黏度是影响稳定性的核心因素。
乳化剂分布与渗透活性物质
W/O/W乳液需用不同HLB值的两种乳化剂稳定：疏水性表面活性剂稳定内W/O界面，亲水性表面活性剂稳定外O/W界面。理想状态下，疏水性乳化剂吸附于内界面，亲水性乳化剂吸附于外界面，二者互不接触；但实际中乳化剂的双亲性使其可在水相、油相及界面间分配，亲水性乳化剂可能向内水相分配，疏水性乳化剂可能向外界面迁移，导致去乳化现象。此外，向内水相中添加渗透活性物质可平衡两水相间的毛细管压力，抑制奥氏熟化（Ostwald ripening）。渗透压驱动的分子跨界面扩散会导致内水相溶质浓度过高，引发液滴不均匀、多分散性增加、包封效率降低甚至乳化过程中破裂。拉普拉斯压力（Laplace pressure）与渗透压的平衡是稳定性的关键：渗透压小于拉普拉斯压力时内液滴收缩，反之则溶胀，过度溶胀会导致油膜破裂，即溶胀破裂（swelling-breakdown）。
聚结
聚结是双重乳液中不可逆的失稳现象，包括水-水聚结、油-油聚结及内水相与外水相的聚结。水-水聚结改变内W/O乳液的粒径分布，油-油聚结加速乳析，内水相与外水相的聚结则直接导致双重乳液解体为单一O/W乳液，造成包封物释放。聚结速率与吸附于液滴表面的内液滴数量成正比，受连续相黏度、界面张力及临界区域体积分数共同影响。
扩散
扩散包括水从外相向内相扩散与内相向外交扩散两种类型。液滴尺寸差异导致的毛细管压力差是奥氏熟化的基础：大液滴生长、小液滴收缩。表面活性剂类型与浓度会影响扩散行为，亲水性（HLB>11.0）与疏水性（HLB<9.0）表面活性剂的合理搭配可提升稳定性。水溶性生物活性物质可通过反胶束运输方式从内水相穿过油相扩散至外水相，导致内水相流失与结构破坏。
胃肠道环境下的稳定性
W/O/W乳液在胃肠道中面临低pH、高离子强度与酶解作用的挑战。胃内酸性环境与高离子强度会诱导液滴聚结与粒径增大，小肠碱性环境下液滴粒径更小且分散均匀；胰脂肪酶可进入油相水解脂质释放游离脂肪酸，且W/O/W乳液的脂肪酸释放量显著低于单一W/O乳液。包封物的释放主要通过四种方式实现：内液滴布朗运动诱导的相际聚结、外液滴破裂导致的内相物质释放、渗透压超过拉普拉斯压力引发的溶胀破裂释放，以及通过分子扩散或菲克定律（Fick’s law）介导的无膜破裂跨中间层渗透释放。
如何提升W/O/W乳液的稳定性
渗透压调控
内、外水相的渗透压梯度会驱动水从内水向外水扩散，导致失稳。通过调节两水相中渗透活性成分的比例可抵消液滴表面曲率产生的拉普拉斯压力，实现渗透压平衡。向内水相中添加盐类（如NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2）可增强乳液稳定性，其中CaCl2对包封率的提升效果最优。多糖（如卡拉胶、海藻酸钠、黄原胶）可通过改变水相化学势调控内液滴直径，形成稳定的双重乳液体系；蛋白质（如酪蛋白酸钠、明胶、乳清蛋白）则可通过与乳化剂相互作用形成粘弹性屏障，抑制液滴聚结与内水向外水的迁移。蛋白质-多糖复合物或混合物可进一步提升稳定性。
乳化剂的选择
亲水性乳化剂：常用吐温80（Tween 80），但其在食品中的应用安全性存在争议。乳清蛋白（Whey Protein Isolate, WPI）、乳清蛋白浓缩物（Whey Protein Concentrate, WPC）等蛋白质，以及可溶性多糖、蛋白质-多糖复合物因具有增稠与胶凝特性，可增加连续相黏度、降低液滴布朗运动与乳析速率，是更优的选择。植物蛋白（如大豆蛋白、豌豆蛋白）的应用需求日益增长，但其乳化功能特性仍有待优化，目前多与动物蛋白复配使用以提升性能。
疏水性乳化剂：聚甘油聚蓖麻醇酸酯（PGPR）是最有效的疏水性乳化剂之一，浓度高于2%时可显著提升乳液稳定性，但浓度低于2%时易导致相分离，且其使用受到监管限制。大豆疏水性蛋白（Lipophilic Protein, LP）可降低油水界面张力，通过物理屏障作用防止脂质液滴聚结；吐温20（Tween 20）通过空间位阻稳定乳液，对pH变化不敏感；司盘80（Span 80）作为高级疏水性乳化剂，在热油与有机溶剂中溶解性良好。
两性乳化剂：酪蛋白（Casein）由αs1-、αs2-、β-、κ-酪蛋白组成，通过空间位阻与静电排斥作用防止油滴聚集，但易受离子强度与pH影响，可通过高压均质、pH调节、超声与酶处理提升其乳化能力。大豆溶血磷脂（Soy Lysophospholipid）极性更高，稳定性优于普通磷脂，但在酸性与高盐条件下稳定性较差。阿拉伯胶（Gum Arabic）作为两性多糖乳化剂，通过极性多糖与非极性多肽链共价连接吸附于油相表面，形成抗油聚集的厚层。果胶（Pectin）通过疏水基团吸附于界面，亲水片段延伸至水相形成保护层，提升粘度与稳定性。皂树皂苷（Quillaja saponin）是一种天然两性乳化剂，分子量小（1.67 kDa）、可快速降低界面张力并增加乳液负电荷，通过空间与静电排斥作用稳定乳液，在pH 3–7范围内稳定性优异，且天然可降解、成本低，可替代PGPR等合成乳化剂。
生物聚合物的选择
生物聚合物不会在相间扩散，且可在连续水相与外油水界面形成稳定网络结构，是理想的稳定剂。半乳聚糖、果胶、阿拉伯胶等植物源生物聚合物可有效稳定W/O/W乳液，其中果胶在低浓度下即可形成小液滴。Oppositely charged biopolymer particles（如玉米醇溶蛋白纳米颗粒与纤维素纳米晶体）可通过静电相互作用稳定界面，提升双重乳液在不同条件下的稳定性。蛋白质-多糖复合物（如乳清蛋白浓缩物-羧甲基纤维素复合物、乳清蛋白原纤-纤维素纳米晶体复合物）可进一步增强乳液的热稳定性、盐稳定性及递送物质的生物可及性。Pickering稳定剂（如淀粉颗粒、蛋白质组装体、纤维素）因具有中等接触角，可强吸附于油水界面，提高液滴收缩与聚结的能量壁垒，显著提升乳液稳定性。
减小液滴尺寸
内W/O乳液的液滴尺寸是影响双重乳液稳定性的关键因素，小尺寸液滴因布朗运动足以克服重力，可减少乳析、絮凝与聚结，提升储存稳定性。但需注意，过小的液滴可能因制备过程中的高剪切导致界面组成改变，反而对包封效率与稳定性产生负面影响，需结合具体体系优化粒径。
W/O/W双重乳液在运动营养中的应用概述与趋势
运动营养补充剂的分类
按功能可分为四类：速度与力量类（如肌酸、谷氨酰胺、β-丙氨酸、β-羟基-β-甲基丁酸钙、果糖1,6-二磷酸）；耐力类（如B族维生素、咖啡因、L-肉碱、精氨酸、瓜氨酸）；运动恢复类（如L-谷氨酰胺、支链氨基酸（Branched Chain Amino Acids, BCAAs）、钙、维生素D）；抗氧化抗炎类（如维生素C、维生素E、硒、α-硫辛酸（Alpha-Lipoic Acid, ALA）、白藜芦醇、生姜粉）。
W/O/W双重乳液的应用优势
W/O/W双重乳液可同时包封内水相的亲水物质与油相的疏水物质，递送效率高；双层水相与中间油相形成双重物理屏障，可实现营养素的缓慢释放，适合需要持续供能的运动场景；大尺寸结构与可调控的相体积比可包封大分子营养素（如蛋白质、脂肪）；所用乳化剂可为可食用蛋白与卵磷脂，兼具营养支持与运动恢复功能；还可通过调控液滴尺寸、相比例与乳化剂种类实现靶向与控释。
风味掩蔽
可将中链甘油三酯（Medium-Chain Triglycerides, MCT）、咖啡因、支链氨基酸（BCAAs）等具有不良风味或易引起胃肠道不适的成分包封于内相，在不影响感官品质的前提下实现高效递送。例如，黄原胶/刺槐豆胶稳定的W/O/W双重乳液可显著提升MCT的稳定性与热稳定性；负载咖啡因的双重乳液可掩盖苦味并实现缓释。
营养素的延迟、持续与靶向释放
维生素C、核黄素（维生素B2）、姜黄素等营养素可被包封于W/O/W双重乳液中实现持续释放：明胶-表没食子儿茶素没食子酸酯（Epigallocatechin Gallate, EGCG）-高甲氧基果胶三元复合物稳定的双重乳液在体外模拟肠消化2 h内仅释放25%的维生素C；负载姜黄素与EGCG的双重乳液可抵抗热与盐胁迫，实现控释并提升生物可及性。
营养素稳定性提升
辅酶Q10（Coenzyme Q10, CoQ10）、维生素E、槲皮素、虾青素等易氧化或不稳定成分可通过双重乳液包封提升储存稳定性：双重乳液可同时包封维生素E与水溶性维生素，提升抗氧化活性；负载虾青素的双重乳液或双重乳液填充水凝胶可显著提升其稳定性与肠道靶向释放能力。
生物利用率改善
铁、维生素D、益生菌等生物利用率低的成分可通过双重乳液递送提升吸收效率：W/O/W双重乳液可显著提高铁在小肠中的释放率与生物利用率；钙与维生素D3共包封的双重乳液可调控二者的释放行为；负载益生菌（如副干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌）的双重乳液可显著提升益生菌在储存与胃肠道环境中的存活率，实现肠道靶向递送。
当前W/O/W双重乳液在运动营养中的应用仍面临实验室成果向实际应用转化的挑战，未来需聚焦于界面设计、复合乳化剂开发、新型表面活性剂筛选、微流控规模化制备技术及天然食品级成分的替代，并通过口腔流变学、感官评价、胃肠道释放动力学与运动相关有效性验证，推动其在运动食品中的落地应用，同时需加强植物基双重乳液开发与可持续包装研究，支撑运动营养的可持续发展。
