太空化學(xué)家：宇航員們的星際“調(diào)酒師”

納米乳液是一種特定的納米結(jié)構(gòu)，由液滴（即分散相）分 散在另一種液體（即連續(xù)相）中。典型的納米乳液是油包水（O/ W）納米乳液和水包油（W/O）納米乳液。

 特征尺寸：與傳統(tǒng)乳液相比，納米乳液的平均液滴直徑要小得多，通常 定義為200納米以下。納米乳液具有光學(xué)透明或輕微渾濁的特性，不太容易受到由重力引起的不穩(wěn)定機(jī)制的影響。

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：O/W納米乳液在制藥和食品研究中備受關(guān) 注，可以分別包裹疏水活性藥物成分或疏水營(yíng)養(yǎng)保健品和香精劑。這些化合物通常對(duì)環(huán)境條件很敏感，而納米結(jié)構(gòu)封裝可以保護(hù)生物活性分子免受過(guò)早降解，促進(jìn)生物利用度。

高能量乳化技術(shù)：納米乳液通過(guò)高能量乳化技術(shù)如高壓閥門(mén)均質(zhì)器及超聲波均質(zhì)器等制備。這些技術(shù)依賴(lài)強(qiáng)大的機(jī)械力以誘導(dǎo)液滴分散至油相中。這些方法不僅能耗高，還會(huì)在過(guò)程中釋放大量熱量，可能對(duì)溫度敏感的封裝分子造成損害。

圖2. 自發(fā)乳化的過(guò)程：一旦油相和水相接觸，表面活性劑會(huì)移動(dòng)到界面，并通過(guò)快速擴(kuò)散形成液滴。

自發(fā)乳化（SE）：是表面活性劑由油相因親水性特性自發(fā)遷移至油水界面處的現(xiàn)象。低能量乳化技術(shù)利用這一自然機(jī)制及乳液相轉(zhuǎn)變等分子間作用，實(shí)現(xiàn)乳液穩(wěn)定形成，避免了高溫?fù)p害，保護(hù)了活性成分（如圖2）。

傳統(tǒng)方法需高濃度合成表面活性劑或依賴(lài)強(qiáng)大的機(jī)械力，限制了在食領(lǐng)域的應(yīng)用。作者聚焦無(wú)溶劑自發(fā)乳化，并建議與連續(xù)流微流體技術(shù)結(jié)合，以提升乳化效率。

連續(xù)自發(fā)乳化：

•  通過(guò)連續(xù)流探索微小尺度流體，其通道直徑介于幾十微米至幾毫米，此時(shí)毛細(xì)力和表面張力顯著，實(shí)現(xiàn)流體精確控制。該技術(shù)擴(kuò)大界面面積，促進(jìn)傳質(zhì)，并增強(qiáng)相內(nèi)對(duì)流，加速界面更新。

•  連續(xù)流自發(fā)乳化，能生成尺寸均勻的液滴，增強(qiáng)了乳液的穩(wěn)定性。盡管微流體形成的液滴直徑下限通常在幾微米，但其自發(fā)乳化能力在理想條件下能顯著超越傳統(tǒng)方法，輕松制備出超細(xì)液滴。

作者采用與以往文獻(xiàn)相同的油、乳化劑和水相建立作乳液模型系統(tǒng)。

• 油相組分：超濾制藥級(jí)中鏈甘油三酸酯（MCT）

• 乳化劑：非離子表面活性劑Tween 80（Polysorbate 80）

• 水相：高度稀釋的磷酸鹽緩沖液（5 mm；pH 7.4，25 °C）

• 油相的制備：SOR（surfactant-to oil ratio）是指 Tween 80 和 MCT 質(zhì)量比

• 油相密度測(cè)量

• 油相粘度測(cè)量

• 大流體乳化研究（滴定管）

• 單接觸微流體乳化研究：通過(guò)使用內(nèi)徑為0.5毫米的T型混合器混合極性相和非極性相進(jìn)行

• 多接觸微流體乳化研究：使用康寧低流量反應(yīng)器混 粒度分析

實(shí)驗(yàn)完成后，作者立即使用靜態(tài)光散射儀進(jìn)行了平均粒徑（d32）和粒徑分布測(cè)定，以避免由于顆粒聚集引起的結(jié)果失真。

本研究旨在開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的納米乳液飲料模型系統(tǒng)，通過(guò)三元相圖分析確定了油-水-表面活性劑的最佳組合（圖4）。

圖4. Tween 80，中鏈甘油三酸酯（MCT）和5 mmol磷酸鹽緩沖液（水相）組成的系統(tǒng)的三元相圖。1）“同時(shí)混合": 所有組分同時(shí)混合，2）“水表面活性劑預(yù)混合": 在添加MCT之前混合Tween 80和磷酸鹽緩沖液，3）“油表面活性劑預(yù)混合": 在添加水相之前混合Tween 80和MCT。

研究顯示：

• 在低表面活性劑濃度和大量水相濃度的組合范圍內(nèi)，作者找到了一個(gè)穩(wěn)定的三組分組合（圖4c）：即10 wt%的中鏈甘油三酯（MCT）、20 wt%的Tween 80（表面活性劑與油的比例為2.0）和70 wt%的磷酸鹽緩沖液。

• 這一組合不僅穩(wěn)定，而且不與凝膠形成區(qū)域接壤，為后續(xù)的深入研究提供了理想的起點(diǎn)。該組合將被視為進(jìn)一步研究的最高表面活性劑濃度基礎(chǔ)，旨在通過(guò)優(yōu)化表面活性劑與油的比例，進(jìn)一步降低表面活性劑的用量，提高乳液的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

作者詳細(xì)考察了油相（MCT）的密度和粘度，以設(shè)定工藝參數(shù)，確保其在設(shè)備操作范圍內(nèi)。油相密度和粘度隨Tween 80濃度增加而增加，高粘度影響準(zhǔn)確進(jìn)料。實(shí)驗(yàn)確定了在20-50°C下油-表面活性劑混合物的粘度變化，發(fā)現(xiàn)所有混合物在50°C時(shí)粘度低于設(shè)備限制，但考慮設(shè)備溫度限制，選定40°C為操作溫度。

通過(guò)粘度分析，確定了微流體實(shí)驗(yàn)中可考慮的最高SOR為1.5，以避免設(shè)備損壞。此外，提出了微流體實(shí)驗(yàn)建議，強(qiáng)調(diào)連續(xù)流動(dòng)乳化過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，可能通過(guò)分步添加油相降低表面活性劑濃度，促進(jìn)自發(fā)乳化，進(jìn)而為接下來(lái)的自發(fā)乳化和微流體混合評(píng)估實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

作者對(duì)比了自發(fā)乳化和傳統(tǒng)乳化在宏觀(guān)流體與微流體混合器中的表現(xiàn)（圖7）。

圖7 a）Sauter直徑與表面活性劑-油比例相關(guān)（CE：傳統(tǒng)乳化，SE：自發(fā)乳化）。b）使用傳統(tǒng)乳化制備的宏觀(guān)流體乳液的粒徑分布。c）使用自發(fā)乳化制備的宏觀(guān)流體乳液的粒徑分布。

• 宏觀(guān)流體實(shí)驗(yàn)中，自發(fā)乳化在低表面活性劑濃度下即能形成納米級(jí)液滴，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)乳化。

• 單接觸微流體混合器雖能縮短過(guò)程時(shí)間，但乳液粒徑較大。

• 多接觸微流體混合器在自發(fā)乳化條件下，顯著降低了液滴尺寸，達(dá)到納米級(jí)，且粒徑分布更窄，表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。特別是在SOR為0.5時(shí)，自發(fā)乳化結(jié)合多接觸微流體混合器制備的乳液粒徑最小，僅為94納米，相比宏觀(guān)流體和單接觸微流體分別減小了64%和42%。

• 多接觸微流體裝置大幅縮短了處理時(shí)間，對(duì)于實(shí)現(xiàn)宇航空間飲料分配器具有競(jìng)爭(zhēng)潛力，為制備高效、穩(wěn)定的納米乳液提供了新思路。

高效混合與納米乳液應(yīng)用

自動(dòng)化系統(tǒng)與“設(shè)計(jì)師飲料"