Перспективы применения эмульсий пикеринга в пищевых системах

Автор: Потороко Ирина Юрьевна, Паймулина Анастасия Валерияновна, Кади Аммар Мохаммад Яхья

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии @vestnik-susu-food

Рубрика: Актуальные проблемы развития пищевых и биотехнологий

Статья в выпуске: 1 т.10, 2022 года.

Бесплатный доступ

В последние годы эмульсии Пикеринга привлекли широкое внимание исследователей всего мира благодаря своей повышенной физической и химической стабильности и множеству возможных применений по сравнению с традиционными эмульсиями. На сегодняшний день существует большое количество подходов для создания эмульсий Пикеринга, в которых чаще всего для стабилизации применяют неорганические и органические частицы. При этом частицы неорганической природы ограничены по свойствам, в частности они не способны к биоразложению и практически усваиваются в организме человека, а органические частицы имеют высокий молекулярный вес. В статье представлен обзор литературных данных по описанию отличительных особенностей эмульсий Пикеринга, а также основных факторов, влияющих на их свойства и качество (смачиваемость, форма и размер частиц). Рассмотрены виды частиц природного происхождения, используемых в качестве стабилизаторов пищевых эмульсий Пикеринга (частицы полисахаридов, частицы на основе белка, частицы флавоноидов, сложные частицы (комплексы) и твердые липидные наночастицы). Обозначены будущие тенденции по применению эмульсий Пикеринга в пищевых системах (молочных и мясных продуктов, майонезов). Важным является поиск стабилизатора, обладающего не только необходимыми физическими свойствами, но и повышенной биологической активностью, а также безопасного способа его модификации. Исследования в этой области позволят разработать новые ресурсосберегающие технологии, что является задачей, востребованной как в экономике, так и в социальной сфере. Поскольку это позволит обеспечить решение задач, связанных с расширением ассортимента биопродуктов, обладающих заданной технологической функциональностью и безопасных для потребителя.

Еще

Эмульсии пикеринга, стабилизаторы, твердые частицы, пищевые системы, биологически активные вещества

Короткий адрес: https://sciup.org/147236424

IDR: 147236424 | DOI: 10.14529/food220102

Текст научной статьи Перспективы применения эмульсий пикеринга в пищевых системах

Одной из основных тенденций современной пищевой индустрии является создание экологически чистых и энергетически сбалансированных «натуральных» продуктов питания, обеспечивающих высокое качество пищи. Увеличивается также спрос потребителя на продукты функционального, лечебно-профилактического и диетического питания [1].

Многие пищевые продукты представляют собой высококонцентрированные эмульсии. Эмульсии можно встретить в молочных, мясных, кондитерских, масложировых продуктах, напитках. Эмульсия представляет собой дисперсную систему, состоящую из нескольких несмешивающихся жидкостей. При этом необходимо отметить, что на сегодняшний день особый интерес для производителей представляют стабильные эмульсионные системы с высокой концентрацией дисперсной фазы. Такое пристальное внимание к ним связано с тем, что именно дисперсная фаза является носителем разнообразных полезных прикладных свойств, если рассматривать эмульсию с технологической точки зрения в качестве основы для производства различных пищевых продуктов [31, 34].

Обычные эмульсии, стабилизированные поверхностно-активными веществами (ПАВ)

или амфифильными макромолекулами с хорошей растворимостью (например, белками и полисахаридами), обычно термодинамически нестабильны и имеют тенденцию разрушаться со временем из-за коалесценции, флокуляции и созревания по Оствальду [18]. Эта проблема потенциально может быть решена с помощью эмульсий Пикеринга, в которых молекулярные поверхностно-активные вещества заменены твердыми частицами. Эмульсии, стабилизированные твердыми частицами, были впервые изучены в начале XX века В. Рам-сденом (1904 г.) и С. Пикерингом (1907 г.) [24, 26]. Они обладают многими преимуществами по сравнению с классическими эмульсиями, такими как более низкая токсичность, стабильность в течение долгого времени и экономичность. Поэтому они нашли широкое применение в фармацевтической [3], пищевой [34], косметической [30, 32], химической [5], нефтяной [14] и др. промышленности. Эмульсии Пикеринга используются при получении новых материалов и коллоидосом, а также часто при инкапсулировании и доставке биологи-чески-активных веществ [2]. При этом стоит отметить, что эмульсии Пикеринга, стабилизированные неорганическими частицами, имеют ограниченное применение в пищевых целях.

Литературно-патентный анализ доступных ресурсов научной электронной библиотеки Еlibrary.ru показал, что по ключевой фразе «эмульсии Пикеринга» идентифицируется всего 47 документов, причем имеющиеся публикации относятся преимущественно к химической и фармацевтической промышленности. Также выявлено, что работы в данном направлении исследований проводятся сравнительно недавно (начиная с 2013 года).

В международных базах данных и системах цитирования Scopus и Web of Science выявлено 33 800 документов научных исследований в области «Pickering emulsions». Основными лидерами научных исследований по частоте упоминания являются Китай, США, Великобритания, Франция и Германия. В последние годы интерес к эмульсиям Пикеринга возрастает в связи с их специфическими свойствами, привлекательными для производителей.

Отличие обычных эмульсий от эмульсий Пикеринга заключается в различном механизме их стабилизации. Стабилизация обычных эмульсий в основном реализуется за счет сочетания следующих факторов: электростатической стабилизации, снижения межфазного натяжения и стерической стабилизации с помощью ПАВ или растворимых макромолекул. При этом адсорбция обычных эмульгаторов на границе раздела масло - вода в обычных эмульсиях обычно обратима. Для эмульсий Пикеринга частицы, адсорбированные на границе раздела масло-вода, образуют физический барьер (см. рисунок), который может блокировать межфазное взаимодействие и контакт капель за счет исключения объема, а адсорбция частиц на границе раздела масло -вода считается необратимой. Различные механизмы стабилизации придают эмульсиям различные межфазные свойства. Благодаря

Обычная эмульсия

Эмульсия Пикеринга

Характерный вид эмульсий типа масло – в воде – обычной и Пикеринга, а также различные формы частиц стабилизатора Пикеринга (В – вода, М – масло, ПАВ – эмульгатор, Ч – твердые частицы)

адсорбции частиц, эмульсии Пикеринга имеют более высокую поверхностную нагрузку и толщину, чем обычные эмульсии [10].

По гидрофобности частиц простые эмульсии Пикеринга можно разделить на два типа: масло – в воде (М/В) и вода – в масле (В/М) [5]. На основе этого принципа ученые разработали более сложные двойные эмульсии Пикеринга: масло – в воде – в масле (М/В/М) и вода – в масле – в воде (В/М/В). Общие подходы к получению двойных эмульсий Пикеринга обычно основаны на двухстадийном эмульгировании [12].

Эмульсии Пикеринга стабилизируются нерастворимыми твердыми частицами. Смачиваемость и размер частиц являются основными факторами, влияющими на стабильность эмульсий. В качестве стабилизаторов эмульсий Пикеринга можно использовать только частицы с двойной смачиваемостью, которые должны оставаться стабильными как в масляной, так и в водной фазах [22].

Размер твердых стабилизирующих частиц также является важным фактором, определяющим стабильность эмульсий Пикеринга. Размер частиц должен быть значительно меньше размера капель фракций в эмульсии (минимум в 10 раз), иначе частицы не смогут адсорбироваться на границе раздела масло-вода для стабилизации [36]. Благодаря подходящей смачиваемости и размеру, частицы необратимо адсорбируются на границе раздела масло-вода и образуют стерический барьер, препятствующий агрегации дисперсных фаз.

Форма частиц также является важным фактором, влияющим на стабильность эмульсий Пикеринга. Различные формы частиц включают сферическую, волокнистую, многоугольную, эллипсоидную и стержнеобразную форму (см. рисунок). Частицы с большей поверхностью соприкосновения подходят для стабилизации эмульсий Пикеринга, поскольку они способны смачивать обе фазы [10].

Отсутствие ПАВ делает возможным применение эмульсий Пикеринга в пищевой промышленности. В многочисленных исследованиях показано применение в качестве стабилизаторов большого количества разных твердых частиц природного происхождения, которые можно условно разделить на следующие группы: частицы полисахаридов, частицы на основе белка, частицы флавоноидов, сложные частицы (комплексы) и твердые липидные наночастицы. В таблице представлены данные по использованию таких частиц в качестве стабилизаторов эмульсий Пикеринга.

Таблица

Частицы, используемые в качестве стабилизаторов пищевых эмульсий Пикеринга

Вид частиц	Размер частиц	Форма частиц	Источник
Частицы полисахаридов
Модифицированный крахмал маниоки	5–100 нм	сферическая	[6]
Гранулы модифицированного крахмала киноа	1–2 мкм	сферическая	[16]
Частицы кукурузного крахмала	500–700 нм	эллиптическая	[15]
Нанокристаллы крахмала	79–95 нм	многоугольная	[25]
Нанофибрилы целлюлозы	33–49 нм	волокнистая	[11]
Частицы хитозана	100–500 нм	палочковидная	[7]
Нанокристаллы хитина	20–250 нм	палочковидная	[33]
Супраколлоиды лигнина	90–600 нм	сферическая	[21]
Частицы на основе белка
Частицы соевого белка	60–130 нм	многоугольная	[13]
Изолят соевого белка	0,2–160 мкм	сферическая	[17]
Микрогели сывороточного протеина	250–300 нм	сферическая	[27]
Казеиновые наногели	180 нм	сферическая	[4]
Наночастицы желатина	250 нм	сферическая	[31]
Частица белка арахиса	178–260 нм	сферическая	[20]

Окончание таблицы

Вид частиц	Размер частиц	Форма частиц	Источник
Частицы флавоноидов
Частицы тилирозида/рутина/нарингина	500–1000 нм	неизвестно	[8]
Частицы флавоноидных гликозидов из экстракта Ginkgo biloba	0,8–1 мкм	неизвестно	[37]
Сложные частицы (комплексы)
Частицы комплекса альгинат-хитозан	230–1100 нм	сферическая	[19]
Частицы комплекса β-циклодекстрин-глюкан	105 нм	сферическая	[9]
Частицы комплекса сывороточного белка и куркумина	0,2 мкм	палочковидная	[38]
Твердые липидные наночастицы
β-циклодекстрин	не известно	неизвестно	[29]
Кристаллические наночастицы трипальмитина	130 нм	сферическая	[23]
Кристаллические наночастицы трипальмитина	100–350 нм	сферическая	[28]

Список литературы Перспективы применения эмульсий пикеринга в пищевых системах

Лисицын А.Б., Чернуха И.М., Лунина О.И. Современные тенденции развития индустрии функциональных пищевых продуктов в России и за рубежом // Теория и практика переработки мяса. 2018. Т. 3, № 1. С. 29–45. [Lisitsyn A.B., Chernukha I.M., Lunina O.I. Modern trends in the development of the functional food industry in Russia and abroad. Theory and Practice of Meat Pro-cessing, 2018, vol. 3, no.1, pp. 29–45 (In Russ.)] DOI 10.21323/2414-438X-2018-3-1-29-45.
Нуштаева А.В. Пищевые стабилизаторы эмульсий Пикеринга // Образование и наука в современном мире. Инновации. 2019. № 5 (24). С. 90–97. [Nushtaeva A.V. Food-grade stabilizers of Pickering emulsions Education and science in the modern world. Innovation, 2019, vol. 5, no. 24, pp. 90–97 (In Russ.)]
Albert C., Beladjine M., Tsapis N., Fattal E., Agnely F., Huang N. Pickering emulsions: Preparation processes, key parameters governing their properties and potential for pharmaceutical applications. Journal of Controlled Release, 2019, vol. 309, pp. 302–332.
Chen S., Zhang L.M. Casein nanogels as effective stabilizers for Pickering high internal phase emulsions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2019, vol. 579, p. 123662. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2019.123662.
Chevalier Y., Bolzinger M.A. Emulsions stabilized with solid nanoparticles: Pickering emulsions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2013, vol. 439, pp. 23–34. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2013.02.054.
Cossu A., Wang M.S., Chaudhari A., Nitin N. Antifungal activity against Candida albicans of starch Pickering emulsion with thymol or amphotericin B in suspension and calcium alginate films. International Journal of Pharmaceutics, 2015, vol. 493, no. 1–2, pp. 233–242. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2015.07.065.
Costa A.L.R., Gomes A., Cunha R.L. One-step ultrasound producing O/W emulsions stabi-lized by chitosan particles. Food Research International, 2018, vol. 107, pp. 717–725. DOI: 10.1016/ j.foodres.2018.02.057.
Geng S., Jiang Z., Ma H., Pu P., Liu B., Liang G. Fabrication and characterization of novel ed-ible Pickering emulsion gels stabilized by dihydromyricetin. Food Chemistry, 2021, vol. 343, p. 128486. DOI: 10.1016/j.foodchem.2020.128486.
Hu Y., Qiu C., Jin Z., Qin Y., Zhan C., Xu X., Wang J. Pickering emulsions with enhanced storage stabilities by using hybrid β-cyclodextrin/short linear glucan nanoparticles as stabilizers. Car-bohydrate polymers, 2020, vol. 229, p. 115418. DOI: 10.1016/j.carbpol.2019.115418.
Jafari S.M., Doost A.S., Nasrabadi M.N., Boostani S., Meeren P.V. Phytoparticles for the sta-bilization of Pickering emulsions in the formulation of novel food colloidal dispersions. Trends in Food Science & Technology, 2020, vol. 98, pp. 117–128. DOI: 10.1016/j.tifs.2020.02.008.
Li Q., Xie B., Wang Y., Wang Y., Peng L., Li Y., Li B., Liu S. Cellulose nanofibrils from Miscanthus floridulus straw as green particle emulsifier for O/W Pickering emulsion. Food Hydrocol-loids, 2019, vol. 97, p. 105214. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2019.105214.
Li Y., Gong S., Guan X., Jiang H., Tao S., Yang C., Ngai T. One-Step Preparation of All-Natural Pickering Double Emulsions Stabilized by Oppositely Charged Biopolymer Particles. Ad-vanced Materials Interfaces, 2021, vol. 8, no. 23, p. 2101568. DOI: 10.1002/admi.202101568.
Liu J., Guo J., Zhang H., Liao Y., Liu S., Cheng D., Zhang T., Xiao H., Du Z. Fabrication, characterization, and application of chitosan-NaOH modified casein nanoparticles and its stabilized long-term stable high internal phase Pickering emulsions. Food & Function, 2022, no. 13, pp. 1408–1420. DOI: 10.1039/D1FO02202D.
Liu J.X., Zhu H.J., Wang P., Pan J.M. Recent studies of Pickering emulsion system in petro-leum treatment: The role of particles. Petroleum Science, 2021, vol. 18, no. 5, pp. 1551–1563. DOI: 10.1016/j.petsci.2021.10.001.
Lu X., Wang Y., Li Y., Huang Q. Assembly of Pickering emulsions using milled starch parti-cles with different amylose/amylopectin ratios. Food Hydrocolloids, 2018, vol. 84, pp. 47–57. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2018.05.045.
Marku D., Wahlgren M., Rayner M., Sjöö M., Timgren A. Characterization of starch Picker-ing emulsions for potential applications in topical formulations. International journal of pharmaceu-tics, 2012, vol. 428, no. 1–2, pp. 1–7. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2012.01.031.
Matsumiya K., Murray B.S. Soybean protein isolate gel particles as foaming and emulsifying agents. Food Hydrocolloids, 2016, vol. 60, pp. 206–215. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2016.03.028.
McClements D.J. Advances in fabrication of emulsions with enhanced functionality using structural design principles. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2012, vol. 17, no. 5, pp. 235–245. DOI: 10.1016/j.cocis.2012.06.002.
Nan F., Wu J., Qi F., Liu Y., Ngai T., Ma G. Uniform chitosan-coated alginate particles as emulsifiers for preparation of stable Pickering emulsions with stimulus dependence. Colloids and Sur-faces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2014, vol. 456, pp. 246–252. DOI: 10.1016/ j.colsurfa.2014.05.017.
Ning F., Ge Z., Qiu L., Wang X., Luo L., Xiong H., Huang Q. Double-induced se-enriched peanut protein nanoparticles preparation, characterization and stabilized food-grade pickering emul-sions. Food Hydrocolloids, 2020, vol. 99, p. 105308. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2019.105308.
Nypelö T.E., Carrillo C.A., Rojas O.J. Lignin supracolloids synthesized from (W/O) microemulsions: use in the interfacial stabilization of Pickering systems and organic carriers for silver metal. Soft Matter, 2015, vol. 11, no. 10, pp. 2046–2054. DOI: 10.1039/C4SM02851A.
Ortiz D.G., Pochat-Bohatier C., Cambedouzou J., Bechelany M., Miele P. Current trends in Pickering emulsions: particle morphology and applications. Engineering, 2020, vol. 6, no. 4, pp. 468–482. DOI: 10.1016/j.eng.2019.08.017.
Pawlik A., Kurukji D., Norton I., Spyropoulos F. Food-grade Pickering emulsions stabilised with solid lipid particles. Food & function, 2016, vol. 7, no. 6, pp. 2712–2721. DOI: 10.1039/ C6FO00238B.
Pickering S.U. CXCVI.–Emulsions. Journal of the Chemical Society, Transactions, 1907, vol. 91, pp. 2001–2021.
Qian X., Lu Y., Xie W., Wu D. Viscoelasticity of olive oil/water Pickering emulsions stabi-lized with starch nanocrystals. Carbohydrate polymers, 2020, vol. 230, p. 115575. DOI: 10.1016/ j.carbpol.2019.115575.
Ramsden W. Separation of solids in the surface-layers of solutions and “suspensions” (obser-vations on surface-membranes, bubbles, emulsions, and mechanical coagulation). Preliminary ac-count. Proceedings of the royal Society of London, 1904, vol. 72, no. 477–486, pp. 156–164. DOI: 10.1098/rspl.1903.0034.
Sarkar A., Murray B., Holmes M., Ettelaie R., Abdalla A., Yang X. In vitro digestion of Pick-ering emulsions stabilized by soft whey protein microgel particles: influence of thermal treatment. Soft Matter, 2016, vol. 12, no. 15, pp. 3558–3569. DOI: 10.1039/C5SM02998H.
Schröder A., Sprakel J., Schroën K., Spaen J.N., Berton-Carabin C.C. Coalescence stability of Pickering emulsions produced with lipid particles: A microfluidic study. Journal of Food Engineer-ing, 2018, vol. 234, pp. 63–72. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2018.04.007.
Taguchi H., Tanaka H., Hashizaki K., Saito Y., Fujii M. Application of Pickering emulsion with cyclodextrin as an emulsifier to a transdermal drug delivery vehicle. Biological and Pharmaceu-tical Bulletin, 2019, vol. 42, no. 1, pp. 116–122. DOI: 10.1248/bpb.b18-00711.
Tan C., McClements D.J. Application of advanced emulsion technology in the food industry: A review and critical evaluation. Foods, 2021, vol. 10, no. 4, p. 812. DOI: 10.3390/foods10040812.
Tan H., Zhao L., Tian S., Wen H., Gou X., Ngai T. Gelatin particle-stabilized high-internal phase emulsions for use in oral delivery systems: protection effect and in vitro digestion study. Jour-nal of agricultural and food chemistry, 2017, vol. 65, no. 4, pp. 900–907. DOI: 10.1021/ acs.jafc.6b04705.
Tang J., Quinlan P.J., Tam K.C. Stimuli-responsive Pickering emulsions: recent advances and potential applications. Soft Matter, 2015, vol. 11, no. 18, pp. 3512–3529. DOI: 10.1039/ C5SM00247H.
Tzoumaki M.V., Moschakis T., Kiosseoglou V., Biliaderis C.G. Oil-in-water emulsions stabi-lized by chitin nanocrystal particles. Food hydrocolloids, 2011, vol. 25, no. 6, pp. 1521–1529. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2011.02.008.
Weiss J., Weiss J., Ahmad T., Zhang C., Zhang H. A review of recent progress on high inter-nal-phase Pickering emulsions in food science. Trends in Food Science & Technology, 2020, vol. 106, pp. 91–103. DOI: 10.1016/j.tifs.2020.10.016.
Xia T., Xue C., Wei Z. Physicochemical characteristics, applications and research trends of edible Pickering emulsions. Trends in Food Science & Technology, 2021, vol. 107, pp. 1–15. DOI: 10.1016/j.tifs.2020.11.019.
Xiao Z., Wang L., Lv C., Guo S., Lu X., Tao L., Duan Q., Yang Q., Luo Z. Preparation and characterization of pH-responsive Pickering emulsion stabilized by grafted carboxymethyl starch na-noparticles. International Journal of Biological Macromolecules, 2020, vol. 143, pp. 401–412. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2019.10.261.
Yang D., Wang X.Y., Ji C.M, Lee K.T., Shin J.A., Lee E.S., Hong S.T. Influence of Ginkgo biloba extracts and of their flavonoid glycosides fraction on the in vitro digestibility of emulsion sys-tems. Food Hydrocolloids, 2014, vol. 42, pp. 196–203. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2014.04.041.
Zembyla M., Lazidis A., Murray B.S., Sarkar A. Stability of water-in-oil emulsions co-stabilized by polyphenol crystal-protein complexes as a function of shear rate and temperature. Jour-nal of Food Engineering, 2020, vol. 281, p. 109991. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2020.109991.

Еще

Статья научная