纳米乳液的形成机制、制备方法及在食品中应用的研究进展

随着人们健康饮食意识的增强，人们对食品营养性与功能性的日益重视，推动了含有有益营养素或生物活性物质的功能性食品的开发。然而，大部分活性成分，例如多酚、类胡萝卜素以及多不饱和脂肪酸等在实际应用中仍存在诸多局限性，如在水中分散性差、加工过程中性质不稳定、在胃肠道环境易降解、在体内代谢速率快、生物利用率偏低等，导致其在食品、药品领域的应用受到极大限制[1]。因此，如何改善功能因子的水溶性，提高其在加工和储存过程中的稳定性，以及如何缓解其在胃肠道中的降解，提高其在人体中的生物利用率，是营养与健康领域研究的热点问题，开发功能因子运载体系成为研究人员关注的焦点。已有研究表明，乳液具有独特的递送特性，可以作为传递系统，实现活性功能因子高效递送及可控释放[2]。乳液是由乳化剂乳化的两种不混溶的液体（通常是水和油）的混合系统，其中油相的存在允许脂溶性物质的溶解[3]。作为生物活性物质的载体，对部分化学性质不稳定的功能因子进行负载包埋，极大地拓展了其在食品领域的应用。低分子量乳化剂（如吐温、司盘）和两亲性生物聚合物常用于稳定非均相乳液，乳化剂通过在油/水界面吸附降低表面张力来防止液滴聚结以达到乳液体系的稳定[4]。与常规乳液（微米尺寸的液滴）相比，纳米乳液（平均粒径为10～100nm）的小液滴尺寸被认为能够提供更高的动力学稳定性，具备抗沉降或聚结等乳液失稳的能力[5]。同时，当液滴尺寸处于50～200nm时，纳米乳液通常呈现透明或半透明的光学性质，这也满足了人们对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，小液滴体积与大的比表面积不仅提高脂溶性活性成分的分散性与溶解性，还会加速有效成分在胃肠道中的释放和吸收，改善生物利用率[7]。因此，纳米乳液作为一种递送体系，这些特性使其在医药、农业、化妆品、食品配方和包装等领域得到广泛应用[8]。本文综述纳米乳液的组成、形成机理以及制备方法，以更好地了解纳米乳液的稳定机制。此外，以食品中常见的烘焙制品、肉制品以及乳制品为例阐述纳米乳液在开发低脂食品、增加食品功能性和延长食品保质期方面的应用，旨在为后续纳米乳液的深度研究提供思路。1纳米乳液的组成纳米乳液主要由油相、水相和乳化剂组成。油相可以由多种非极性分子构成，如游离脂肪酸、矿物质油、脂类替代物等亲脂性组分以及各种脂溶性维生素[6]。其所具有的营养特性和物理化学特征，如极性、黏度、密度、折射率、化学稳定性和界面张力等，对于纳米乳液的制备、稳定性和基本功能特性起着重要作用。水相通常为水或含有碳水化合物、蛋白质、助溶剂、矿物质等成分的极性溶液，它的类型决定了溶液的界面张力、离子强度和流变行为，影响纳米乳液的制备和理化性能[9]。乳化剂作为乳液形成和稳定过程中的关键成分，通过吸附在液滴表面，促进液滴破裂，降低界面张力，在提高纳米乳液的动力学稳定性方面发挥着重要作用。目前，许多研究越来越热衷于开发天然生物聚合物（例如蛋白质和多糖）作为乳化剂应用于乳液中，选择合适的乳化剂是决定纳米乳液稳定性的重要因素之一[10]。纳米乳液同样也分为水包油（oilinwater，O/W）和油包水（waterinoil，W/O）两种类型[11]。这两种类型的形成是由亲水亲脂平衡值决定的。亲水亲脂平衡值用于表征表面活性剂的亲水性和亲脂性。亲水亲脂平衡值越大，表面活性剂越亲水，该值越小，表面活性剂越亲脂。一般情况下，当亲水亲脂平衡值小于6且表面活性剂为脂溶性时，形成W/O纳米乳液；当亲水亲脂平衡值大于8且表面活性剂为水溶性时，形成O/W纳米乳液[12]。在O/W纳米乳液体系中，水为连续相，表面活性剂的疏水尾部面向液滴内部；而在W/O纳米乳液体系中，油相为连续相，表面活性剂的亲水头部面向液滴内部。2纳米乳液的形成机理纳米乳液与粗乳液和悬浮液等粗分散体之间最大的区别在于它们的稳定性。这些粗分散体是弱动力学稳定和热动力学不稳定体系，一般在几小时至几天内会发生相分离，而纳米乳液是动力学稳定的体系，稳定性能保持数月甚至更长时间[13]。通常，纳米乳液的制备需要先形成粗乳液，然后进一步分散成纳米乳液，且纳米乳液无法自发形成，需要能量输入和乳化剂的存在[14]。因此，纳米乳液的形成机理可以由自由能ΔG的变化来解释，如式（1）所示[15]。当乳液体系由粗乳液转变为纳米乳液时，乳液粒径急剧减小，油滴数量急剧增加，油水界面的面积（ΔA）和界面自由能（γΔA）增大，系统构型熵（TΔS）的变化不足以克服界面自由能的增加，因此，需要补充额外的能量来克服增加的自由能ΔG，包括外力产生的机械能和溶液内部的化学能[6]。此外，乳化剂对纳米乳液的形成具有重要作用，一方面通过降低界面张力并降低自由能ΔG来形成纳米乳；另一方面，乳化剂能够快速在油水界面吸附，极大增强乳液的稳定性[16]。式中：ΔG表示从分散相到纳米乳液的自由能增量，kJ/mol；γ表示油与水之间的界面张力，mN/m；ΔA表示从分散相到纳米乳液的油水接触面积增量，m2；T表示绝对温度，K；ΔS表示熵变，J/（mol·K）。3纳米乳液的制备作为非平衡体系，纳米乳液的制备通常需要大量的能量或者添加表面活性剂。根据纳米乳液形成机理，制备方法通常为高能方法和低能方法[17]。高能方法需要机械装置提供大量能量（1010W/kg）将分散相转变为连续相，乳液粒径降低，得到具有高动力学稳定性的纳米乳液[18]。目前，高压均质法、超声破碎法、微射流法等是纳米乳液制备的常用方法。低能方法只需较少的外部能量（103W/kg）甚至不需能量的参与，在室温下将乳化剂、油相混合物在水相中不断搅拌，即可形成具有大范围液滴粒径（20～800nm）的纳米乳液，且不会导致热敏组分降解[8，19]。低能方法制备纳米乳液过程主要涉及相反转温度（phaseinversiontemperature，PIT）、相反转成分（phaseinversioncomposition，PIC）和自发乳化方法。由于低能方法不需要额外的机械装置，较高能方法更为经济，但在降低液滴粒径方面效率显著低于高能方法，且对乳化剂种类和用量的要求较高[15]。3.1高能方法3.1.1高压均质法高压均质是制备纳米乳液的常用方法之一。高压均质机通常由压力阀、容积泵和均质室组成。传统的高压均质机压力为50～100MPa，最高压力可达350MPa[13]。将粗乳液加入容积泵后，在高压作用下粗乳液会通过一个小阀进入均质室，高强度振动和剪切速率产生的空化效应将粗乳液的大液滴剪切成纳米级液滴，粒径最小的液滴甚至可达1nm，从而产生具有更高动力学稳定的纳米乳液[20]。然而，均质压力、胶体组成（如油和表面活性剂的种类）、阀道数、油水相的黏度等因素都会影响液滴粒径的分布，且过高的剪切速率还可能降解聚合物、乳化剂等长链分子[8]。Li等[21]研究表明，适当的均质次数和均质压力会促进形成更小的油滴，然而当过度均质时，新的液滴迅速聚集，重新产生较大的粒径液滴，可能导致乳液失稳现象的发生。3.1.2超声破碎法超声是一种低成本、低能耗的均质方法[11]，将超声探头插入粗乳液中，使用频率在20kHz及以上的高频声波产生强烈的机械振动和空化作用以降低液滴粒径，将粗乳液转化为纳米乳液[22]。具体作用机制在于超声波的压力波动作用引起的空化现象，在溶液中形成大量微气泡，微气泡的崩塌产生强烈的破坏力，使乳液液滴降低至纳米级[17]。但由于超声系统发射声场的不均匀性，可能需要多次进行超声处理制备纳米乳液，且对高黏度体系的作用欠佳，因此，超声破碎法制备纳米乳液在工业生产中的应用有一定局限性。Amiri⁃Rigi等[23]研究了超声处理对液滴粒径的影响，结果表明，随着超声时间、超声振幅和超声功率的延长和增加，纳米乳的粒径逐渐减小，最小粒径约为126nm。Shahavi等[24]发现纳米乳液中液滴的粒径随着超声时间的延长而减小，且间断性超声比连续超声更有效。3.2低能方法3.2.1相反转温度（PIT）在PIT方法中，非离子乳化剂的亲水性和疏水性随温度的变化而改变[25]。例如，对温度敏感的非离子表面活性剂在低温条件下亲水，在油水界面具有正曲率，形成O/W纳米乳液；在高温条件下亲水性降低，疏水性增强，自发曲率变为负，形成W/O纳米乳液[18]。在中等温度条件下，界面张力较低（10-2～10-5mN/m），此时曲率接近于0，则形成双连续微乳液[26]。PIT则是O/W乳液转变为W/O乳液的温度[27]，因此，利用PIT方法制备纳米乳液时对乳化剂的选择和温度的精确控制特别重要。Chuesiang等[28]研究发现，PIT法形成的纳米乳尺寸随着表面活性剂浓度的增加而减小，纳米乳液的粒径约为100nm，稳定性长达30d。3.2.2相反转成分（PIC）不同于相反转温度法，相反转成分法通过改变纳米乳液的组成来诱导相转变[26]。这种制备纳米乳液的方法通常分为两步：首先将油和乳化剂混合形成有机分散相，然后将水作为连续相加入到有机相中，在稀释分散相的过程中，油相中的水滴逐渐变大，乳液发生相转变，得到油水界面零自发曲率和双连续微乳液，随着水相分数的继续增加，双连续微乳液破裂，形成O/W纳米乳液[29]。与PIT法相比，PIC法的驱动力较小，但需要大量的乳化剂和较长的制备时间，需要注意的是在此过程中的稀释速率需要得到充分控制。因此，这种易于操作、设备简单的操作方式往往更适用于大规模生产[30]。Pan等[31]通过PIC方法在水/月桂醇聚氧乙烯醚/石蜡油体系中形成了油包水纳米乳液，研究发现，当温度从25℃升高到80℃时，纳米乳液的粒径从50µm减小到82nm，且在80℃下制备的纳米乳液表现出长达5个月的稳定性。4纳米乳液在食品方面的应用4.1生物活性物质包埋与递送研究报道，当液滴尺寸减小时，包封在脂滴中的生物活性物质的生物利用度增加[32]。因此，纳米乳液在食品工业中常用于包封功能性物质，例如类胡萝卜素（番茄红素、姜黄素和虾青素）、多不饱和脂肪酸和油溶性维生素。这些物质在纳米乳液形成之前通常先与油相进行混合，一旦乳液形成运送至体内，小液滴具备的大的表面积可以被消化酶快速消化，促进了活性物质的释放与吸收。其次，小液滴可能渗透到覆盖小肠上皮细胞的黏膜层中，从而延长它们的停留时间并使它们更接近吸收部位[6]。Inapurapu等[33]评估了乳液尺寸在100～200nm的纳米乳液作为载体对ω⁃3脂肪酸进行包埋，与仅用油相负载的相比（34.7%），纳米乳液显著提高了ω⁃3脂肪酸的生物利用度（53%）。因此，纳米乳液中较大的表面积被认为是改善生物利用度的主要原因之一。4.2作为脂肪替代物纳米乳液可以用于烘焙制品，替代部分油脂，减少烘焙食品中的脂肪含量，在低脂烘焙食品的研发中展现出巨大潜能。Ekin等[34]研究了粒径为169.8～363.4nm的载油纳米乳液代替起酥油制备的低脂饼干及对其品质的影响。结果表明，低脂饼干的延展性由对照组的5.17显著增至7.84，硬度降低了18.40%～40.27%，饱和脂肪酸含量由63.35%降低至36.64%，不饱和脂肪酸含量由35.59%增加至57.39%，且纳米乳液代替起酥油并没有降低饼干的感官品质，感官评价结果表明，低脂饼干的整体质量、油腻感、味道的感官评分均较高，表明即使在饼干配方中减少脂肪，用纳米乳液可以消除脂肪缺失所导致的品质缺陷，分析原因可能是纳米乳液较低的粒径增加了油的比表面积，为开发低脂烘焙食品提供了潜在的脂肪替代品。4.3抑菌、延长食品保质期尽管食品保鲜技术的研究不断深入，在加工、贮运过程中食品仍易受到微生物的污染。纳米乳液可以通过包埋作用有效克服肉桂精油、丁香精油等天然防腐剂水溶性差、挥发性强、不稳定等缺陷，解决天然防腐剂的应用局限性，从而延长肉类食品保质期[35]。Kaze⁃meini等[36]研究发现，以海藻酸盐作为乳化剂、糙果芹精油作为油相的纳米乳液可以显著抑制李斯特菌在火鸡肉片4℃冷藏12d后的生长。Artiga⁃Artigas等[37]将负载牛至精油的纳米乳液作为抗菌涂层应用于低脂切达奶酪，奶酪贮藏15d后金黄色葡萄球菌的数量由对照组的6.0lg（CFU/g）显著降低至4.6lg（CFU/g），纳米乳液的应用有效延长了奶酪的货架期。4.4改善食品品质随着消费者对饮食与健康的关注，功能性食品的制备成为研究热点，纳米乳液作为食品重要组成部分，不仅可以提高产品的稳定性，还能改善风味、提高营养价值。Salama等[38]在以嗜酸乳杆菌、瑞士乳杆菌和双歧杆菌为发酵剂制备的搅拌型酸奶中添加粒径为30nm、负载绿薄荷、柠檬草、丁香和肉桂精油的纳米乳液，不仅提高了酸奶中的活菌数，还赋予搅拌酸奶独特的风味，开发出具有天然风味的功能性搅拌酸奶。Das等[39]将菜籽油和壳聚糖构建的纳米乳液（105.0±8.4）nm作为涂层应用于香蕉保鲜，常温储藏7d后发现，纳米乳液薄膜通过延迟香蕉成熟、减少质量变化和防止氧化应激，提高了香蕉在贮藏过程中的品质