纳米乳液通常由油相、水相、乳化剂制备而成，是一种热力学不稳定体系。在外力或扰动的作用产生絮凝、沉淀、乳析等分离现象。乳化剂在油 / 水界面上形成的界面层对乳液的稳定性起关键作用，也一直被认为是改善乳液稳定性的切入点。 诸多研究表明，界面层的稳定行为很大程度上依赖于乳化剂的分子特性（分子质量、组成、结构等），因此乳化剂的选择对高稳定乳液基产品的形成至关重要。
先进的实验技术提供了深入的分子层面信息，但面临捕捉界面分子间相互作用、溶剂效应等挑战。 分子动力学（MD）模拟是一种使用经典力学和牛顿运动定律来解决复杂系统的计算机模拟方法 。 利用MD模拟的方法研究纳米乳液中乳化剂分子的微观行为从而探究乳化剂分子的性能，模拟纳米乳液中的乳化剂分子在界面处的分子运动及聚集状态可以分析界面处乳化剂分子对界面体系的影响。
华南农业大学食品学院的杨怡霜、熊厚盛、李璐*等为揭 示大分子乳化剂（辛烯基琥珀酸酯化（OSA）改性淀粉）、天然乳化剂（卵磷脂）和小分子乳化剂（吐温80/司盘80（T/S80））在油/水界面行为上的差异，结合实验和计算机模拟手段探究乳化剂更为深入的界面行为，比较不同乳化剂分子的氢键数、表面势能及弱相互作用等对纳米乳液油/水界面的影响。研究结果可为后续选择合适的乳化剂稳定纳米乳液提供参考，也为了解乳化剂在微观分子层面的相互作用奠定理论基础。
1 粒径和电位
乳化剂在乳液中稳定液滴的能力，通常与液滴大小和液滴的分散程度有关。多分散指数（PDI）用于表示液滴的均匀性，PDI越低则液滴分散性越好。由表1可以看出，OSA纳米乳液的粒径为153.7 nm，但PDI最低（0.123），且Zeta电位达到-42.6 mV，说明其液滴的均匀性和长期稳定性较好。T/S80纳米乳液粒径为140.3 nm，但PDI高达0.268，Zeta电位也较低（-30.6 mV），说明分散性比另外2种稍差。
2 稳定性
乳液在生产加工，储存和使用过程中会受到各种热处理或冷冻处理。这些环境下可能会对作为载运体系的乳液性能造成不利影响。因此，对新鲜乳液、 37 ℃储存 30 d 、 70 ℃热处理和 -20 ℃冻融处理的 4 种乳液进行光学显微镜观察。如图 1 所示， 3 种乳化剂稳定的新鲜纳米乳液液滴在光学显微镜下粒径均较小且均匀。在室温下储存 30 d 后，乳液液滴颗粒因重力作用和布朗运动加快了颗粒间的碰撞频率，导致液滴粒径增大，但仍分散均匀且颗粒分明。不同的纳米乳液 70 ℃热处理 60 min 并冷却至室温后观察到乳液体相，发现 OSA 纳米乳液出现分层和析油现象，说明 OSA 改性淀粉在高温条件下比较不稳定，容易导致乳液发生奥氏熟化引起液滴破碎聚集成大液滴从而失稳， T/S80 和卵磷脂稳定的纳米乳液粒径也明显增大。经过冻融处理后的卵磷脂稳定的纳米乳液出现相分离现象，说明卵磷脂在相同条件下比 OSA 改性淀粉和 T/S80 更不耐受剧烈的温度变化。
3 剪切流变学特性分析
乳液的表观黏度是评价乳液最重要的物理和化学指标之一。根据斯托克斯定律，乳液的黏度越大，液滴的沉降和漂浮速率越小，乳液的稳定性也越高。 3 种不同的乳化剂构建的姜黄素纳米乳液的表观黏度与剪切速率函数关系如图 2a 所示，剪切速率从 0.01 s-1 增加到 1 s-1 时，卵磷脂稳定的乳液表观黏度从 1 581 mPa · s 快速下降到 45 mPa · s ，呈现出最快的下降趋势。 OSA 纳米乳液表观黏度从 1 666 mPa · s 下降到 144 mPa · s ，与 T/S80 乳液的下降速率相近。当剪切速率在 1 s-1 后进一步增加时， T/S80 、 OSA 和卵磷脂稳定的乳液表观黏度基本不变。三者均呈现出假塑性流体特征。 T/S80 稳定的纳米乳液表观黏度最大，有研究表明，乳化剂分子间相互作用的增加导致流体流动阻力增加，从而增强乳液的表观黏度。
通过频率扫描测定乳液的G’、G”，可以在保持应变力不变，改变振荡频率使乳液发生形变时，评价其界面黏弹性特征。如图2b所示，G’和G”均随角频率的增加而增大。3种乳液都具有良好的剪切稀化特性；明显的频率依赖性表明乳液网络结构黏弹性得到增强，OSA改性淀粉稳定的纳米乳液体现尤为明显，这可能是由于OSA的疏水基团更多，从而降低油/水IFT并强化界面网络结构，从而黏弹性得到增强。另外，在这3种乳液系统中，OSA和T/S80稳定的乳液G’＞G”且近平行趋势，表明这两种乳液系统为弱凝胶分散系统，提高了乳液的黏度，使其具备更好的稳定性，且OSA稳定的乳液网络结构弹性较强。而卵磷脂稳定的乳液G’和G”曲线在该频率范围内相交，表明其网络结构较为松散。
4 膨胀流变学特性分析
表面活性剂的界面性质是评估其稳定乳液能力的重要指标，表面张力的降低将减少吉布斯表面自由能，即可以增强界面层的稳定性，从图 3a 可看出， 3 种乳化剂的 IFT 均随时间的延长降低，卵磷脂、 T/S80 和 OSA 的 IFT 分别从 14.7 、 13.5 、 9.9 mN/m 下降到 10.1 、 8.15 、 6.3 mN/m ，表明这 3 种乳化剂均可有效吸附到油 / 水界面。 OSA 改性淀粉呈现出最低的 IFT ，可能是因为其没有受到其他支链的干扰，后续 MD 模拟也发现 OSA 乳化剂氢键数目较多，在界面处可形成较厚且致密的乳化层，有利于其吸附到油 / 水界面上。卵磷脂虽然疏水基更多，但由于支链的存在使油相界面不稳定，支链较多的 T/S80 虽然疏水链更长但仍为直链，在油相上依然可以保持一个平整的界面，因此卵磷脂溶液的 IFT 明显高于另外两种乳化剂。
图3b反映了3种不同乳化剂在油/水界面的π随t1/2变化的关系图。3种乳化剂的π值均随着吸附时间延长而逐渐上升，且上升速度趋于平缓，这表明乳化剂不断在界面上完成吸附过程。若π和t1/2呈线性关系，则乳化剂在界面吸附层上以扩散为主，曲线的斜率即为Kdiff。Kdiff越大，表明乳化剂的扩散速度越快，如表2所示，T/S80的扩散速率为0.040 68 m2/s，比另外两种乳化剂明显扩散更快，这与吐温80和司盘80复配后的亲水亲油平衡（HLB）值有关，T/S80的HLB值为6.44，既亲水也亲油的性质使其在油/水界面更稳定。另外，这可能也与以碳链为骨架的T/S80易分散在水中有关。
乳化剂在界面处的吸附分为 3 个步骤：乳化剂向油 / 水界面处扩散、渗透和重排。 3 种乳化剂溶液在油 / 水界面层的吸附动力学如图 3c 所示，有两个线性区域，曲线的第一斜率为一阶渗透常数（ K 1 ）；曲线的第二斜率为分子重排速率（ K 2 ）。从表 2 可以看出， K 1 的绝对值显著小于 K 2 ，说明 3 种乳化剂分子在油 / 水界面处的渗透阶段的吸附时间远大于分子重排阶段，原因可能是 3 种乳液界面层中的乳化剂分子一旦被吸附到界面上，其发生重排的几率小于水溶液中乳化剂分子。
5 MD模拟研究不同乳化剂在纳米乳液油/水界面行为
5.1 不同乳化剂对乳液稳定差异的影响
均方根偏差（RMSD）可描述在模拟过程中每个时刻的分子结构和初始结构之间的差异，可以通过RMSD随时间的变化来检测乳液系统的稳定性。OSA、吐温80、司盘80和卵磷脂稳定乳液的RMSD变化如图4所示，各乳化剂的RMSD值在4 000 ps后趋于稳定，RMSD值的微小变化表明系统达到了平衡。由于卵磷脂乳化剂分子具有支链结构，而T/S80为复合乳化剂，在乳液中成分较为复杂，导致二者的RMSD的振荡比OSA乳化剂更为明显。如图4a2所示，吐温80和司盘80的蓝线在2 000 ps之后几乎重合在一起，这表明吐温80和司盘80在2 000 ps后结构变化一致。而在图4a3中卵磷脂乳液体系中姜黄素的RMSD的振荡相较其他乳液体系更小，且一直维持在一个相对稳定的幅度上，这意味卵磷脂乳液体系能更稳定地包埋姜黄素。
R g 被用于监测分子拉伸的程度，它提供了粒子大小的信息。 R g 随模拟时间的关系曲线如图 4b 所示，在 0 ～ 5 000 ps 期间， 3 种乳化剂的 R g 值呈下降趋势。其中，卵磷脂的 R g 变化幅度最大，接近 0.3 nm ； OSA 和 T/S80 的 R g 值变化幅度较小，约为 0.1 nm ，这可能是因为卵磷脂分子具有更长的链长。
5.2 乳化剂的分子流动性与界面行为的关系
均方位移（ MSD ）是分子流动性的一个有用的定量反映。图 5a 显示了 4 种乳化剂分子的 MSD 变化，其中，吐温 80 与司盘 80 的轨迹在 2 000 ps 之后几乎一致，说明二者在界面中的迁移一致，几乎是作为一个整体在活动，客观反映了 T/S80 作为复合乳化剂使用的合理性。另外，从 MSD 的变化趋势来看，模拟时间在 4 000 ps 后 OSA 乳液体系仍直线上升，波动不大；而 T/S80 和卵磷脂乳液体系的 MSD 波动幅度较大，这可能是因为 OSA 乳液形成了厚且致密的乳化剂层，使其在界面处较为稳定。
从图 5b 可以直观看到各乳化剂在乳液中的密度分布，红色区域越大代表密度越高，蓝色区域越大则密度越低。 OSA 淀粉乳液的密度图最红且最为完整，说明 OSA 乳化剂在乳液表面形成了密度较高的界面膜，这与 MSD 得到的结果一致； T/S80 和卵磷脂乳化剂也能均匀分布在乳液表面形成界面膜。
5.3 不同乳化剂分子的界面行为分析
5.3.1 氢键分析
氢键是一种电负性较高的原子与其相连的氢原子之间的相互作用，它可以是分子间的也可以是分子内的。作为一种特定的相互作用，氢键比范德华力相互作用强，但比共价键弱。识别氢键的标准是基于供体原子和受体原子之间的距离，以及O-H•••O键的角度。水分子之间的氢键的特点是供体和受体氧原子之间的距离小于3.5 Å，O-H•••O键的角度小于30°。图6a显示了4种乳化剂分子与水分子的氢键数量变化，且均为距离小于3.5 Å的氢键。其中OSA分子与水产生的氢键最多，为1 300 对左右，反映了OSA的疏水作用最大，而吐温80、司盘80和卵磷脂的疏水作用相差不大。
另外，OSA分子和卵磷脂分子与水分子的氢键数量随时间波动后一定时间后，终点的数目低于起点，这是因为模拟过程中乳化剂发生了亲油反应，油相对乳化剂的吸引使得氢键断裂导致氢键数目减少；而T/S80含有许多环氧乙烷基团，可能与羟基离子产生氢键，因此其氢键数变化不大。
从 3 种乳化剂构建乳液的液滴形态图（图 6b ）可看明显看出， OSA 淀粉乳液的液滴形态最接近球形，这是由于羟基数量较多的 OSA 乳化剂对界面的影响更大，所以弯曲度越大。乳液界面的曲率也反映了乳化剂的不同表面活性。而卵磷脂分子很长， ESP 分布区域相对集中，很难形成稳定的氢键，因此羟基与水分子之间的氢键减少，其乳液形态也差于 T/S80 乳液。
5.3.2 3种乳化剂的表面势能分析
对乳化剂分子表面的 ESP 和范德华势的分析有助于了解并预测乳化剂与其他分子的相互作用特性。图 7 为 3 种乳化剂分子表面的 ESP 图和范德华势图。在范德华势图中绿色的正区域表示存在交换互斥，而蓝色的负区域表示分散吸引作用。分子的分散吸引力代表了分子吸附周围分子的能力。
从图 7a1 可以看到， OSA 中的含孤立 O 原子的区域呈负 ESP 特征，并且 碳链段 ESP 特征一般。图 7a2 中 OSA 的范德华势电位特性非常显著，在与氢原子的区域表现出交换排斥，而碳原子周围的位置呈现分散吸引力，不同类型的范德华势分布决定了范德华力的强度和范围。在一定程度上削弱了这种不稳定的弱相互作用，表明 O 原子与水分子之间存在强烈的相互作用，有利于形成氢键，从而增强其在油 / 水界面的吸附能力。从图 7b1 、 c1 可知， T/S80 中具有孤对电子的 O 原子的区域表现出明显的负 ESP 特征，而 H 原子与 O 原子相连的位置则表现出显著的正 ESP 特征。更多的碳原子聚集在长链的弯曲处，其中π电子对 ESP 有负贡献，因此 ESP 是负值。因此，可以推测 T/S80 的左端是亲油基团，而右端是亲水基团； T80 的蓝色区域较多，具有较强的分散吸引作用，这与它的长链结构和更多的碳原子有关，有利于形成稳定的乳液。 T80 比 S80 的碳原子更多，蓝色的负等值面区域分布在碳原子周围，在长链的弯曲处分散效果最明显。而在图 7d1 中可以看到，含孤立 O 原子的区域呈负 ESP 特征，并且碳链段 ESP 特征最弱，近乎白色；图 7d2 中卵磷脂的范德华力电位特性非常显著，在与氢原子的区域表现出交换排斥。卵磷脂含有两个碳链，而碳原子周围的位置呈现分散吸引力，导致两条碳链有一定的相互排斥作用。这可能影响其在油 / 水界面的排列方式，但其负 ESP 特征和范德华势分布表明它仍然能够有效地吸附并稳定乳液。
5.3.3 弱相互作用分析
采用平均非共价相互作用分析方法能更好地了解乳化剂分子的迁移和变形过程。sign(λ2)ρ将函数映射到不同颜色的平均降低密度梯度等值面上，显示弱相互作用的类型，并对分子之间的相互作用可视化。
从图8a1中可以看出OSA的碳基与水分子形成了氢键和范德华力，这是因为水中H原子的ESP是正的，而孤立O原子则与水分子有强作用力。图8b1显示，在T/S80和水之间形成了范德华力，而乳化剂中的O原子是高度负电的，因此两者之间容易形成强烈的相互作用。图8c1中卵磷脂的亲水性头部通常由磷脂酰胆碱构成，其中磷酸基团与水分子可以形成氢键，而氮原子（在胆碱或乙醇胺部分中）通过范德华力与周围的原子相互作用，共同维持卵磷脂头部的亲水特性。由于水分子已经和O形成氢键，所以含正电荷的氮原子与水分子排斥导致强排斥作用。因此推测磷脂作为乳化剂的界面吸附特性在很大程度上取决于甘油骨架的头部的亲水基团和尾部疏水基团的性质。RDG散点图（图8a2～c2）显示，OSA和T/S80左边的峰的sign(λ2)ρ在0.00～-0.02间，而卵磷脂左边的峰的sign(λ2)ρ在0.00～-0.01之间的负值更大，范德华作用强度更大；RDG散点图右侧的峰的sign(λ2)ρ为较小正值，3种乳化剂皆体现了微弱的位阻效应。油相与乳化剂结合过程中的疏水强度和氢键数量随着二者之间的交联而增加，进一步稳定了分子之间的相互作用，促进了聚集体的形成。
结论
本实验综合采用实验和MD模拟手段对3种乳化剂构建纳米乳液的稳定性及其在油/水界面的行为差异进行研究，发现OSA淀粉表现出最低的IFT和最佳的稳定性，这主要归因于其氢键数最多，能与水分子形成稳定的相互作用，增强了其在油/水界面的吸附能力，从而形成了较致密的界面层。T/S80乳化剂作为小分子乳化剂，其碳链结构使其易于在水中分散，从而在界面的吸附和扩散过程比较快速，形成较薄但稳定的界面层。而卵磷脂分子具有较长的碳链和复杂的支链结构，这会导致其在油/水界面上的排列不平整，增加了界面的不稳定性。此外，乳化剂的表面势能和弱相互作用分析表明，OSA与水分子的相互作用最强，而T/S80和卵磷脂的相互作用较弱，这与它们在乳液中的稳定性和界面行为相吻合。研究结果为理解乳化剂在纳米乳液中的作用机制提供了重要信息，也为选择、设计合适的高稳定乳液递送体系提供理论依据。
作者简介
第一作者
杨怡霜 硕士研究生
华南农业大学食品加工与安全专业。主要研究方向为：蛋白质的酶促改性和接枝作为乳化剂在活性成分输送系统中应用，以及乳液体系的体外消化特性。
通信作者
李璐 副教授
博士，副教授，硕士生导师。主要从事食品加工工艺优化、蛋白质等生物大分子乳化剂改性及稳定机理、食品功能因子递送体系构建及性能等领域的研究工作。主持国家自然科学基金1 项、广东省自然科学基金2 项、广东省公益研究与能力建设项目1 项、广州市基础科学研究和广州市农村科技特派员项目各1 项，以第一或通信作者在Food Chemistry、LWT等国内外期刊上发表科研论文30多篇，其中被SCI、EI收录超20 篇。
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