納米乳液的形成機制、制備方法及在食品中應用的研究進展

隨著人們健康飲食意識的增強，人們對食品營養(yǎng)性與功能性的日益重視，推動了含有有益營養(yǎng)素或生物活性物質的功能性食品的開發(fā)。然而，大部分活性成分，例如多酚、類胡蘿卜素以及多不飽和脂肪酸等在實際應用中仍存在諸多局限性，如在水中分散性差、加工過程中性質不穩(wěn)定、在胃腸道環(huán)境易降解、在體內代謝速率快、生物利用率偏低等，導致其在食品、藥品領域的應用受到極大限制[1]。因此，如何改善功能因子的水溶性，提高其在加工和儲存過程中的穩(wěn)定性，以及如何緩解其在胃腸道中的降解，提高其在人體中的生物利用率，是營養(yǎng)與健康領域研究的熱點問題，開發(fā)功能因子運載體系成為研究人員關注的焦點。已有研究表明，乳液具有獨特的遞送特性，可以作為傳遞系統(tǒng)，實現(xiàn)活性功能因子高效遞送及可控釋放[2]。乳液是由乳化劑乳化的兩種不混溶的液體（通常是水和油）的混合系統(tǒng)，其中油相的存在允許脂溶性物質的溶解[3]。作為生物活性物質的載體，對部分化學性質不穩(wěn)定的功能因子進行負載包埋，極大地拓展了其在食品領域的應用。低分子量乳化劑（如吐溫、司盤）和兩親性生物聚合物常用于穩(wěn)定非均相乳液，乳化劑通過在油/水界面吸附降低表面張力來防止液滴聚結以達到乳液體系的穩(wěn)定[4]。與常規(guī)乳液（微米尺寸的液滴）相比，納米乳液（平均粒徑為10～100nm）的小液滴尺寸被認為能夠提供更高的動力學穩(wěn)定性，具備抗沉降或聚結等乳液失穩(wěn)的能力[5]。同時，當液滴尺寸處于50～200nm時，納米乳液通常呈現(xiàn)透明或半透明的光學性質，這也滿足了人們對部分商品的感官需求[6]。此外，在提高功能因子的高效利用方面，小液滴體積與大的比表面積不僅提高脂溶性活性成分的分散性與溶解性，還會加速有效成分在胃腸道中的釋放和吸收，改善生物利用率[7]。因此，納米乳液作為一種遞送體系，這些特性使其在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化妝品、食品配方和包裝等領域得到廣泛應用[8]。本文綜述納米乳液的組成、形成機理以及制備方法，以更好地了解納米乳液的穩(wěn)定機制。此外，以食品中常見的烘焙制品、肉制品以及乳制品為例闡述納米乳液在開發(fā)低脂食品、增加食品功能性和延長食品保質期方面的應用，旨在為后續(xù)納米乳液的深度研究提供思路。1納米乳液的組成納米乳液主要由油相、水相和乳化劑組成。油相可以由多種非極性分子構成，如游離脂肪酸、礦物質油、脂類替代物等親脂性組分以及各種脂溶性維生素[6]。其所具有的營養(yǎng)特性和物理化學特征，如極性、黏度、密度、折射率、化學穩(wěn)定性和界面張力等，對于納米乳液的制備、穩(wěn)定性和基本功能特性起著重要作用。水相通常為水或含有碳水化合物、蛋白質、助溶劑、礦物質等成分的極性溶液，它的類型決定了溶液的界面張力、離子強度和流變行為，影響納米乳液的制備和理化性能[9]。乳化劑作為乳液形成和穩(wěn)定過程中的關鍵成分，通過吸附在液滴表面，促進液滴破裂，降低界面張力，在提高納米乳液的動力學穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。目前，許多研究越來越熱衷于開發(fā)天然生物聚合物（例如蛋白質和多糖）作為乳化劑應用于乳液中，選擇合適的乳化劑是決定納米乳液穩(wěn)定性的重要因素之一[10]。納米乳液同樣也分為水包油（oilinwater，O/W）和油包水（waterinoil，W/O）兩種類型[11]。這兩種類型的形成是由親水親脂平衡值決定的。親水親脂平衡值用于表征表面活性劑的親水性和親脂性。親水親脂平衡值越大，表面活性劑越親水，該值越小，表面活性劑越親脂。一般情況下，當親水親脂平衡值小于6且表面活性劑為脂溶性時，形成W/O納米乳液；當親水親脂平衡值大于8且表面活性劑為水溶性時，形成O/W納米乳液[12]。在O/W納米乳液體系中，水為連續(xù)相，表面活性劑的疏水尾部面向液滴內部；而在W/O納米乳液體系中，油相為連續(xù)相，表面活性劑的親水頭部面向液滴內部。2納米乳液的形成機理納米乳液與粗乳液和懸浮液等粗分散體之間最大的區(qū)別在于它們的穩(wěn)定性。這些粗分散體是弱動力學穩(wěn)定和熱動力學不穩(wěn)定體系，一般在幾小時至幾天內會發(fā)生相分離，而納米乳液是動力學穩(wěn)定的體系，穩(wěn)定性能保持數(shù)月甚至更長時間[13]。通常，納米乳液的制備需要先形成粗乳液，然后進一步分散成納米乳液，且納米乳液無法自發(fā)形成，需要能量輸入和乳化劑的存在[14]。因此，納米乳液的形成機理可以由自由能ΔG的變化來解釋，如式（1）所示[15]。當乳液體系由粗乳液轉變?yōu)榧{米乳液時，乳液粒徑急劇減小，油滴數(shù)量急劇增加，油水界面的面積（ΔA）和界面自由能（γΔA）增大，系統(tǒng)構型熵（TΔS）的變化不足以克服界面自由能的增加，因此，需要補充額外的能量來克服增加的自由能ΔG，包括外力產(chǎn)生的機械能和溶液內部的化學能[6]。此外，乳化劑對納米乳液的形成具有重要作用，一方面通過降低界面張力并降低自由能ΔG來形成納米乳；另一方面，乳化劑能夠快速在油水界面吸附，極大增強乳液的穩(wěn)定性[16]。式中：ΔG表示從分散相到納米乳液的自由能增量，kJ/mol；γ表示油與水之間的界面張力，mN/m；ΔA表示從分散相到納米乳液的油水接觸面積增量，m2；T表示絕對溫度，K；ΔS表示熵變，J/（mol·K）。3納米乳液的制備作為非平衡體系，納米乳液的制備通常需要大量的能量或者添加表面活性劑。根據(jù)納米乳液形成機理，制備方法通常為高能方法和低能方法[17]。高能方法需要機械裝置提供大量能量（1010W/kg）將分散相轉變?yōu)檫B續(xù)相，乳液粒徑降低，得到具有高動力學穩(wěn)定性的納米乳液[18]。目前，高壓均質法、超聲破碎法、微射流法等是納米乳液制備的常用方法。低能方法只需較少的外部能量（103W/kg）甚至不需能量的參與，在室溫下將乳化劑、油相混合物在水相中不斷攪拌，即可形成具有大范圍液滴粒徑（20～800nm）的納米乳液，且不會導致熱敏組分降解[8，19]。低能方法制備納米乳液過程主要涉及相反轉溫度（phaseinversiontemperature，PIT）、相反轉成分（phaseinversioncomposition，PIC）和自發(fā)乳化方法。由于低能方法不需要額外的機械裝置，較高能方法更為經(jīng)濟，但在降低液滴粒徑方面效率顯著低于高能方法，且對乳化劑種類和用量的要求較高[15]。3.1高能方法3.1.1高壓均質法高壓均質是制備納米乳液的常用方法之一。高壓均質機通常由壓力閥、容積泵和均質室組成。傳統(tǒng)的高壓均質機壓力為50～100MPa，最高壓力可達350MPa[13]。將粗乳液加入容積泵后，在高壓作用下粗乳液會通過一個小閥進入均質室，高強度振動和剪切速率產(chǎn)生的空化效應將粗乳液的大液滴剪切成納米級液滴，粒徑最小的液滴甚至可達1nm，從而產(chǎn)生具有更高動力學穩(wěn)定的納米乳液[20]。然而，均質壓力、膠體組成（如油和表面活性劑的種類）、閥道數(shù)、油水相的黏度等因素都會影響液滴粒徑的分布，且過高的剪切速率還可能降解聚合物、乳化劑等長鏈分子[8]。Li等[21]研究表明，適當?shù)木|次數(shù)和均質壓力會促進形成更小的油滴，然而當過度均質時，新的液滴迅速聚集，重新產(chǎn)生較大的粒徑液滴，可能導致乳液失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。3.1.2超聲破碎法超聲是一種低成本、低能耗的均質方法[11]，將超聲探頭插入粗乳液中，使用頻率在20kHz及以上的高頻聲波產(chǎn)生強烈的機械振動和空化作用以降低液滴粒徑，將粗乳液轉化為納米乳液[22]。具體作用機制在于超聲波的壓力波動作用引起的空化現(xiàn)象，在溶液中形成大量微氣泡，微氣泡的崩塌產(chǎn)生強烈的破壞力，使乳液液滴降低至納米級[17]。但由于超聲系統(tǒng)發(fā)射聲場的不均勻性，可能需要多次進行超聲處理制備納米乳液，且對高黏度體系的作用欠佳，因此，超聲破碎法制備納米乳液在工業(yè)生產(chǎn)中的應用有一定局限性。Amiri?Rigi等[23]研究了超聲處理對液滴粒徑的影響，結果表明，隨著超聲時間、超聲振幅和超聲功率的延長和增加，納米乳的粒徑逐漸減小，最小粒徑約為126nm。Shahavi等[24]發(fā)現(xiàn)納米乳液中液滴的粒徑隨著超聲時間的延長而減小，且間斷性超聲比連續(xù)超聲更有效。3.2低能方法3.2.1相反轉溫度（PIT）在PIT方法中，非離子乳化劑的親水性和疏水性隨溫度的變化而改變[25]。例如，對溫度敏感的非離子表面活性劑在低溫條件下親水，在油水界面具有正曲率，形成O/W納米乳液；在高溫條件下親水性降低，疏水性增強，自發(fā)曲率變?yōu)樨摚纬蒞/O納米乳液[18]。在中等溫度條件下，界面張力較低（10-2～10-5mN/m），此時曲率接近于0，則形成雙連續(xù)微乳液[26]。PIT則是O/W乳液轉變?yōu)閃/O乳液的溫度[27]，因此，利用PIT方法制備納米乳液時對乳化劑的選擇和溫度的精確控制特別重要。Chuesiang等[28]研究發(fā)現(xiàn)，PIT法形成的納米乳尺寸隨著表面活性劑濃度的增加而減小，納米乳液的粒徑約為100nm，穩(wěn)定性長達30d。3.2.2相反轉成分（PIC）不同于相反轉溫度法，相反轉成分法通過改變納米乳液的組成來誘導相轉變[26]。這種制備納米乳液的方法通常分為兩步：首先將油和乳化劑混合形成有機分散相，然后將水作為連續(xù)相加入到有機相中，在稀釋分散相的過程中，油相中的水滴逐漸變大，乳液發(fā)生相轉變，得到油水界面零自發(fā)曲率和雙連續(xù)微乳液，隨著水相分數(shù)的繼續(xù)增加，雙連續(xù)微乳液破裂，形成O/W納米乳液[29]。與PIT法相比，PIC法的驅動力較小，但需要大量的乳化劑和較長的制備時間，需要注意的是在此過程中的稀釋速率需要得到充分控制。因此，這種易于操作、設備簡單的操作方式往往更適用于大規(guī)模生產(chǎn)[30]。Pan等[31]通過PIC方法在水/月桂醇聚氧乙烯醚/石蠟油體系中形成了油包水納米乳液，研究發(fā)現(xiàn)，當溫度從25℃升高到80℃時，納米乳液的粒徑從50μm減小到82nm，且在80℃下制備的納米乳液表現(xiàn)出長達5個月的穩(wěn)定性。4納米乳液在食品方面的應用4.1生物活性物質包埋與遞送研究報道，當液滴尺寸減小時，包封在脂滴中的生物活性物質的生物利用度增加[32]。因此，納米乳液在食品工業(yè)中常用于包封功能性物質，例如類胡蘿卜素（番茄紅素、姜黃素和蝦青素）、多不飽和脂肪酸和油溶性維生素。這些物質在納米乳液形成之前通常先與油相進行混合，一旦乳液形成運送至體內，小液滴具備的大的表面積可以被消化酶快速消化，促進了活性物質的釋放與吸收。其次，小液滴可能滲透到覆蓋小腸上皮細胞的黏膜層中，從而延長它們的停留時間并使它們更接近吸收部位[6]。Inapurapu等[33]評估了乳液尺寸在100～200nm的納米乳液作為載體對ω?3脂肪酸進行包埋，與僅用油相負載的相比（34.7%），納米乳液顯著提高了ω?3脂肪酸的生物利用度（53%）。因此，納米乳液中較大的表面積被認為是改善生物利用度的主要原因之一。4.2作為脂肪替代物納米乳液可以用于烘焙制品，替代部分油脂，減少烘焙食品中的脂肪含量，在低脂烘焙食品的研發(fā)中展現(xiàn)出巨大潛能。Ekin等[34]研究了粒徑為169.8～363.4nm的載油納米乳液代替起酥油制備的低脂餅干及對其品質的影響。結果表明，低脂餅干的延展性由對照組的5.17顯著增至7.84，硬度降低了18.40%～40.27%，飽和脂肪酸含量由63.35%降低至36.64%，不飽和脂肪酸含量由35.59%增加至57.39%，且納米乳液代替起酥油并沒有降低餅干的感官品質，感官評價結果表明，低脂餅干的整體質量、油膩感、味道的感官評分均較高，表明即使在餅干配方中減少脂肪，用納米乳液可以消除脂肪缺失所導致的品質缺陷，分析原因可能是納米乳液較低的粒徑增加了油的比表面積，為開發(fā)低脂烘焙食品提供了潛在的脂肪替代品。4.3抑菌、延長食品保質期盡管食品保鮮技術的研究不斷深入，在加工、貯運過程中食品仍易受到微生物的污染。納米乳液可以通過包埋作用有效克服肉桂精油、丁香精油等天然防腐劑水溶性差、揮發(fā)性強、不穩(wěn)定等缺陷，解決天然防腐劑的應用局限性，從而延長肉類食品保質期[35]。Kaze?meini等[36]研究發(fā)現(xiàn)，以海藻酸鹽作為乳化劑、糙果芹精油作為油相的納米乳液可以顯著抑制李斯特菌在火雞肉片4℃冷藏12d后的生長。Artiga?Artigas等[37]將負載牛至精油的納米乳液作為抗菌涂層應用于低脂切達奶酪，奶酪貯藏15d后金黃色葡萄球菌的數(shù)量由對照組的6.0lg（CFU/g）顯著降低至4.6lg（CFU/g），納米乳液的應用有效延長了奶酪的貨架期。4.4改善食品品質隨著消費者對飲食與健康的關注，功能性食品的制備成為研究熱點，納米乳液作為食品重要組成部分，不僅可以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，還能改善風味、提高營養(yǎng)價值。Salama等[38]在以嗜酸乳桿菌、瑞士乳桿菌和雙歧桿菌為發(fā)酵劑制備的攪拌型酸奶中添加粒徑為30nm、負載綠薄荷、檸檬草、丁香和肉桂精油的納米乳液，不僅提高了酸奶中的活菌數(shù)，還賦予攪拌酸奶獨特的風味，開發(fā)出具有天然風味的功能性攪拌酸奶。Das等[39]將菜籽油和殼聚糖構建的納米乳液（105.0±8.4）nm作為涂層應用于香蕉保鮮，常溫儲藏7d后發(fā)現(xiàn)，納米乳液薄膜通過延遲香蕉成熟、減少質量變化和防止氧化應激，提高了香蕉在貯藏過程中的品質