本文系Journal of Future Foods原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

Introduction

Pickering乳液的液滴被一層固體顆粒覆蓋，因其較強(qiáng)的穩(wěn)定性和在食品、藥品、脂質(zhì)活性成分遞送和個人護(hù)理配方中的潛在應(yīng)用而引起了廣泛關(guān)注。在這些系統(tǒng)中，Pickering顆粒不可逆地吸附在液-液界面上，形成有效的空間位且通常是靜電屏障，防止聚結(jié)和宏觀相分離。傳統(tǒng)穩(wěn)定劑存在環(huán)境和可持續(xù)性問題，促使人們探索天然食品級顆粒如有機(jī)晶體和油凝膠（如蜂蠟）作為替代方案。蜂蠟因其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和安全性成為研究熱點(diǎn)，其油凝膠網(wǎng)絡(luò)可通過改變流變特性穩(wěn)定乳液，但Pickering穩(wěn)定機(jī)制尚不明確，且傳統(tǒng)熱熔方法存在能耗高、熱敏成分降解等問題。

為此，本研究提出了一種室溫制備蜂蠟穩(wěn)定W/O乳液的方法，通過多尺度表征技術(shù)系統(tǒng)分析了蜂蠟晶體的界面行為和穩(wěn)定機(jī)制。研究揭示了蜂蠟晶體作為天然Pickering穩(wěn)定劑的潛力，為開發(fā)可持續(xù)乳液體系提供了新思路，并拓展了天然蠟基材料在食品、個人護(hù)理等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

Results

蜂蠟基油凝膠的特性

如圖1A所示。在BW濃度為4%（

m

m

）時，油凝膠表現(xiàn)出自支撐結(jié)構(gòu)，形成半固體凝膠。 基于凝膠狀質(zhì)地和初步貯藏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇含有4%蜂蠟（BW4）的油凝膠作為乳液配方。 圖1B和C描繪了BW4的晶體形貌與交叉偏振光學(xué)顯微（PLM）和冷凍掃描電子顯微鏡（cryo-SEM）的結(jié)合。在PLM圖像中，BW4表現(xiàn)出緊密堆積的針狀晶體，這為液態(tài)油的結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的物理網(wǎng)絡(luò)。圖1C中的 cryo-SEM 圖像進(jìn)一步支持了這一觀察結(jié)果，該圖像還揭示了能夠有效捕獲油相的針狀晶體形態(tài)（如黃色箭頭所示）。

圖1 倒置小瓶中的蜂蠟油凝膠的圖像（A）、BW4油凝膠的PLM照片（B）和cryo-SEM圖像（C）

由圖2A所示，BW100的小角度衍射峰顯示了由長碳鏈形成的晶體的長間距有序。圖2B顯示了廣角區(qū)域，其中在15.2和16.9 nm-1處觀察到2 個強(qiáng)衍射峰，對應(yīng)于間距分別為4.12 ?和3.71 ?的蠟分子的橫向堆積。X射線衍射分析表明，油凝膠中的蜂蠟晶體表現(xiàn)出穩(wěn)定的

'多晶型物，具有斜方堆積，保持了從純蜂蠟中的7.8 nm減小到6.3 nm的長鏈間距，這有助于Pickering W/O乳液的穩(wěn)定。

圖2 蜂蠟和含不同濃度蜂蠟的油凝膠的XRD圖譜

W/O乳液的形成

通過在25 ℃下高速剪切成功制備了含有30% （

V

V

）水的無表面活性劑W/O乳液，其微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3乳液微觀結(jié)構(gòu)觀察

乳液粒徑范圍（

D

32 ）從 8～ 16 μm ，具體取決于液滴體積分?jǐn)?shù)，并且在 6 周的貯藏期內(nèi)沒有顯示出顯著變化。界面的微觀觀察表明，乳液穩(wěn)定性是通過 Pickering 穩(wěn)定和體網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的。

在加熱過程中，穩(wěn)定的BW晶體逐漸熔化，導(dǎo)致水和油在60 ℃以上的溫度下全相分離（圖4A1～A3）。XRD分析顯示，50°C以上時BW晶體顯著減少，60°C以上時晶體峰完全消失，但仍存在少量小晶體穩(wěn)定水滴（圖4B）。當(dāng)溫度升至70°C，BW晶體完全熔化，導(dǎo)致水滴聚結(jié)（圖4C）。冷卻后，BW晶體在油相和W/O界面重新形成，并在低于40°C時達(dá)到最大結(jié)晶量（圖4D）。

圖4 在加熱和冷卻過程中乳液的結(jié)構(gòu)變化

通過原位偏光顯微鏡分析（圖5）研究了BW在W/O界面附近的結(jié)晶行為。實(shí)驗(yàn)先將油凝膠與純水在高于BW熔點(diǎn)的溫度（70 °C）下接觸，確保蠟完全溶解（圖5A）。冷卻過程中，溶解的BW在油相內(nèi)部（圖5B）和W/O界面處（圖5C）重新結(jié)晶。

圖5 不同溫度下油凝膠-水界面的交叉偏振顯微鏡圖像

含水量對乳液性能的影響

通過高速剪切法制備了水相含量從10%～70%（

V

V

）的乳液（圖6A）。除70%水含量的樣品外，其余乳液均呈現(xiàn)均一狀態(tài)，表明BW晶體能有效穩(wěn)定高內(nèi)相乳液。

圖6 新鮮制備的含有不同體積分?jǐn)?shù)水的W/O乳液的圖像（A）、乳液粒徑分布（B）和平均液滴粒徑（C）

液滴粒徑是評估乳液穩(wěn)定性和乳化效果的關(guān)鍵指標(biāo)（圖6B）。研究發(fā)現(xiàn)，W/O乳液的液滴粒徑分布大多呈雙峰型，且分布曲線向左偏移。當(dāng)水相含量從10%增至40%時，平均液滴直徑減小；而繼續(xù)提高水含量則導(dǎo)致液滴逐漸增大。

利用CLSM對含水量增加的乳狀液中水滴和BW晶體的分布進(jìn)行可視化觀察。結(jié)果顯示，BW晶體在W/O界面和油相內(nèi)部形成雙重穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：低水含量（20%）時水滴呈規(guī)則球形稀疏分布，而高水含量（60%）時則呈現(xiàn)緊密堆積的不規(guī)則形態(tài)。

圖7新鮮制備的含有不同體積分?jǐn)?shù)水的W/O乳液的激光共聚焦顯微圖像

圖8顯示了不同含水量的乳液的流變特性。觀察到的黏度（圖8A）、黏彈性（圖8B）和應(yīng)變依賴性行為（圖8C）的趨勢為控制這些系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)制提供了見解。結(jié)果表明，所有乳液均呈現(xiàn)剪切稀化行為和凝膠特性（G′>G′′），且隨著水含量增加（10%～70%）體系黏彈性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)：低水含量（10%～50%）時黏度隨含水量增加而上升，表現(xiàn)為典型的凝膠網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)體系；當(dāng)水含量超過50%后，高剪切速率下的剪切稀化效應(yīng)尤為顯著，同時70%水含量乳液在整個頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出最高的儲能模量（

G

’ ）和屈服應(yīng)變。

圖8乳液的流變特性

貯藏穩(wěn)定性

在貯藏6 周后，所有乳液都保持穩(wěn)定，沒有聚結(jié)的跡象，并保持了其自支撐的凝膠狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證明了Pickering乳液的宏觀穩(wěn)定性（圖9A）。貯藏6周后，不同含水量的乳液內(nèi)液滴粒徑無明顯變化（圖9B）。從右側(cè)的CLSM圖像（圖9C）可以看出，貯藏6 周后沒有明顯的液滴合并。

圖9 不同體積分?jǐn)?shù)的W/O乳液圖像（A）、貯藏6 周后乳液的平均液滴粒徑（B）和共聚焦顯微照片（C）

Conclusion

綜上所述，本研究表明，蜂蠟通過Pickering和網(wǎng)絡(luò)形成穩(wěn)定機(jī)制的結(jié)合，可以有效穩(wěn)定不含表面活性劑的W/O乳液。通過在高速剪切下簡單地混合水和油凝膠，我們成功地制備了含水量高達(dá)70%的乳液，而總蜂蠟濃度低于4%，而無需使用任何額外的表面活性劑。蜂蠟的

'多晶型物及其正交鏈堆積在油凝膠和乳液中得到維持，增強(qiáng)了Pickering油包水乳液的穩(wěn)定性。蜂蠟的結(jié)晶行為和多晶型穩(wěn)定性對乳液的結(jié)構(gòu)完整性有顯著貢獻(xiàn)。光學(xué)微晶鏡分析直接證實(shí)，蜂蠟晶體作為Pickering顆粒穩(wěn)定水滴界面，同時為油凝膠提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。蜂蠟晶體在接近其熔點(diǎn)的溫度下提供界面穩(wěn)定性。在所有含有高達(dá)70%水的蜂蠟穩(wěn)定乳液中都表征了微米級的液滴。不同含水量的乳液的黏彈性表明，除了Pickering穩(wěn)定外，蜂蠟穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)還增強(qiáng)了乳液結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。此外，乳液表現(xiàn)出出色的貯藏穩(wěn)定性，在貯藏數(shù)周后仍保持相似的液滴粒徑和微觀結(jié)構(gòu)。

總體而言，這些研究為W/O乳液中蜂蠟的穩(wěn)定機(jī)制提供了新的見解，并為開發(fā)替代的無表面活性劑乳化劑提供了寶貴的指導(dǎo)。這里介紹的油凝膠水系統(tǒng)可用于未來的配方中，以封裝親水性和親脂性營養(yǎng)素，用于藥物、化妝品、食品等的配方。

Pickering water-in-oil emulsions stabilized by beeswax crystals: Design and stabilityYanhui Zhangab, Elizabeth Tenorio-Garciab, Yanxiang Gaoa, Fanny Nascimento Costac, Michael Rappoltb, Like Maoa*, Sepideh Khodaparastd*, Anwesha Sarkarb*

aCollege of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing, 100083, China

bFood Colloids and Bioprocessing Group, School of Food Science and Nutrition, University of Leeds, LS2 9JT, Leeds, UK

cThe Bragg Centre for Materials Research, University of Leeds, LS2 9JT, Leeds, UK

dSchool of Mechanical Engineering, University of Leeds, LS2 9JT, Leeds, UK

* Corresponding authors.

Abstract

The aim of this study was to understand how beeswax can be used to stabilize water-in-oil emulsions and examine the impact of droplet volume fraction on emulsion stability. Pickering water-in-oil (W/O) emulsions were successfully designed using beeswax oleogels (4 wt%) as the sole stabilizer via a facile homogenization approach. The effects of beeswax crystals on the formation, stability, and structural organization of W/O emulsions (containing up to 70 % v/v water) were systematically investigated. Oleogelation reduced the interfacial tension between oil and water from 21 ± 1 mN/m to 14 ± 1 mN/m, enabling beeswax crystals to stabilize emulsions without the need for any synthetic surfactant. X-ray diffraction analysis revealed that beeswax crystals in oleogels exhibited a stable β’ polymorph with orthorhombic packing, maintaining a reduced long-chain spacing from 7.8 nm in pure beeswax to 6.3 nm, which contributed to the stabilization of Pickering W/O emulsions. The emulsions ranged in size (D 32 ) from 8 to 16 μm depending upon the droplet volume fraction and showed no significant change over storage period of 6 weeks. Microscopic observations of the interface demonstrated that emulsion stability was achieved through the synergistic effects of both the Pickering stabilization and bulk network stabilization. This dual stabilization mechanism was further confirmed by thermal cycling experiments and in situ crystallization analysis at the interface as well as rheological measurements showing gel formation at higher volume fractions of droplets. Overall, these findings highlight the potential of beeswax to stabilize W/O emulsions for applications in food and allied soft matter industries.

Reference:

ZHANG Y H, TENORIO-GARCIA E, X GAO Y, et al. Pickering water-in-oil emulsions stabilized by beeswax crystals: Design and stability [J]. Journal of Food Engineering, 2026, 403: 112710. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2025.112710.

翻譯：羅敬

編輯：龔藝；責(zé)任編輯：梁安琪

封面圖片來源：攝圖網(wǎng)

為進(jìn)一步促進(jìn)動物源食品科學(xué)理論的完善與創(chuàng)新，加速科研成果向?qū)嶋H生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，助力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展，由北京食品科學(xué)研究院、中國肉類食品綜合研究中心、中國食品雜志社將與江西農(nóng)業(yè)大學(xué)、江西科技師范大學(xué)、 南昌師范學(xué)院、 家禽遺傳改良江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 共同舉辦的“ 2025年動物源食品科學(xué)與人類健康國際研討會 ”，將于 2025年10月25-26日 在 中國 江西 南昌 召開。

長按或微信掃碼進(jìn)行注冊

會議招商招展

聯(lián)系人：楊紅；電話：010-83152138；手機(jī)：13522179918（微信同號）