鄭 佳,何臘平,2*,陳翠翠,劉涵玉
(1.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省農(nóng)畜產(chǎn)品貯藏與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025)
近幾年來,一些新興學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展給食品工業(yè)帶來了巨大的變化[1],其中最具代表性的有生物技術(shù)、信息技術(shù)以及納米技術(shù),而納米技術(shù)已經(jīng)從電子、生物工程等領(lǐng)域過渡到食品、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,成為食品工業(yè)發(fā)展的熱門話題[2]。目前,食品中采用的納米技術(shù)包括:納米包裝材料、納米食品加工及納米檢測技術(shù)等,而納米食品加工主要有納米乳液及超細(xì)微粒,不過我們?cè)谶@里重點(diǎn)探討納米乳液。
納米乳液可以用作親脂性化合物的遞送系統(tǒng),是微膠囊包埋技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。納米級(jí)的粒徑能更好的保護(hù)營養(yǎng)素外,其亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)更能增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性、靶向性及生物利用度[3-4]。但是納米乳液在食品中的應(yīng)用還處于起步階段,還不能很好的控制其在食品中的穩(wěn)定性,因此有必要對(duì)形成及穩(wěn)定機(jī)理做進(jìn)一步研究?;诖?,本文就納米乳液的組成,制作,形成和穩(wěn)定性機(jī)理及近幾年來的應(yīng)用做了簡單綜述,并提出存在的問題以及今后的發(fā)展方向。
納米乳液包括有機(jī)相、水相及表面活性劑等組分,將其按照一定的比例混合形成的一種無色、外觀較為透明、各向同性、粘度較低、熱力學(xué)比較穩(wěn)定的分散體系,液滴粒徑在1~100 nm之間,均勻地分散在連續(xù)相中,兩相之間表面張力極低。
納米乳液應(yīng)用于食品時(shí),所選擇的油相必須對(duì)人體無毒無害。油相與界面膜相互作用形成納米乳液,其分子大小及與乳化劑的親和性是制備納米乳液的關(guān)鍵[5]。當(dāng)油相的碳鏈過長時(shí),較大的體積限制了其嵌入到表面活性劑中形成界面膜;而當(dāng)碳鏈過短時(shí),由于其疏水能力較弱,也很難與表面活性劑結(jié)合形成界面膜[6]。因此,一般選擇中等鏈長的油相作為營養(yǎng)物質(zhì)的載體,如玉米油、薄荷油、大豆油、橄欖油和亞麻籽油等。
一些親脂的功能性成分及一些具有藥用價(jià)值的植物精油[7],由于其溶解度較小,物理穩(wěn)定性低,易受到環(huán)境的影響,實(shí)際利用率較低[8],當(dāng)轉(zhuǎn)化為納米乳液時(shí),這些功能性成分不僅可獲得一些新的物理特性(硬度、滲透性、結(jié)晶度、熱穩(wěn)定性及溶解性)和生物學(xué)特性(生物降解性、體內(nèi)吸收、控釋和靶向性)[9],還能避免與食品其他成分相互作用。目前,用于包埋的化合物有功能性營養(yǎng)成分(黃酮類、類胡蘿卜素、多不飽和脂肪、植物甾醇以及油溶性維生素等)、抑菌性的揮發(fā)性成分(酚類、萜烯類、醛類及精油[10-13])及一些刺激性香料。
圖1 納米乳液運(yùn)載體系[14]Fig.1 Nanoemulsion delivery system
水相主要依靠其離子濃度、堿基含量等來影響納米乳液的理化性質(zhì)[15]。
乳化劑是吸附到油-水界面并在液滴周圍形成保護(hù)涂層的表面活性劑,它可以防止乳液形成期間和之后的液滴聚集[16],降低界面能,增加穩(wěn)定性,從而有助于納米體系的形成。乳化劑分為離子型和非離子型,非離子乳化劑不會(huì)在水中電離,所以其穩(wěn)定性更好,應(yīng)用更為廣泛。
食品級(jí)納米乳乳化劑的選擇要考慮得到成本、安全性、可靠性,使用濃度限制,目前常用的有吐溫系列、司盤系列、乳清蛋白、酪蛋白酸鈉等。
助表面活性劑是指有助于調(diào)整水油極性的一類物質(zhì),通常為短碳鏈脂肪醇,其中水溶性醇能降低水的極性,油溶性醇則可增加油的極性。助表面活性劑一般與表面活性劑共同作用,來提高體系的穩(wěn)定性。
一般助表面活性劑包括短鏈醇、有機(jī)氨、單雙氨基酸甘油酯等,而使用最多的是短鏈醇。
納米乳液的制備通常需要油,水,乳化劑和能量輸入(機(jī)械或物理化學(xué))。其能量變化由下式給出[17]:
ΔG=ΔAγ-TΔS
(公式一)
式中:ΔAγ——增加油水界面所需的自由能(A代表界面面積,γ代表界面張力)
TΔS——液滴數(shù)量對(duì)應(yīng)的自由能(其中T是溫度,S是熵)
ΔG——形成納米乳液所需的能量,可通過機(jī)械裝置或系統(tǒng)的化學(xué)潛能來提供。
高能乳化法通過強(qiáng)烈的機(jī)械力作用,將分散相中的大液滴破碎成為無數(shù)的小液滴,均勻地分散在連續(xù)相當(dāng)中[18],高能乳化法主要包括高壓均質(zhì)(High- pressure homogenization)、微射流(Micro- jet)和超聲波(Ultrasound)三種方式。高能乳化法對(duì)原材料要求不高,所需的表面活性劑濃度低,對(duì)設(shè)備要求較高,雖然輸入的能量較高,但其中大部分的機(jī)械能因摩擦生熱損失,僅有0.1%的能量被利用來形成納米乳液[19],因此高能乳化法制造納米乳在工業(yè)化應(yīng)用中是不適用的。
低能乳化是在乳化過程中,組分不需要外界能量供給而是利用自身的物理化學(xué)性質(zhì),通過恒定溫度下改變組分或恒定組分下改變溫度來影響表面活性劑自發(fā)曲率,從而形成納米乳[20]?;谶@一理論的低能乳化法包括相轉(zhuǎn)變溫度(PIT)法、Sub-PIT法、相轉(zhuǎn)變組分(PIC)法、自乳化法及微乳液稀釋法等。
總之,低能乳化法因其低成本、低耗能、操作簡單、使用儀器設(shè)備簡單,且制得的納米乳粒徑較高能乳化法更小,在一些研究領(lǐng)域受到人們的青睞[21]。
乳液通常由互不相容的分散相和連續(xù)相組成,在連續(xù)相中,分散相以粒徑大于100 nm的小液滴形式分布其中,較大的界面張力使體系的穩(wěn)定性降低。納米乳液粒徑小于100 nm,表面活性劑的加入降低了表面張力,使混合后納米乳的自由能低于混合前各組分的自由能,因此納米乳液的穩(wěn)定性較高,且能在不外加能量的情況下自發(fā)形成。
目前,納米乳液的形成機(jī)理尚未明確,在現(xiàn)有的研究中,較為成熟的理論有:負(fù)界面張力理論、R比理論和雙層膜理論。
3.1.1負(fù)界面張力理論 負(fù)界面張力理論認(rèn)為,納米乳液的形成,是由于表面活性劑顯著降低界面張力,在助表面活性劑的協(xié)同作用下,出現(xiàn)了瞬時(shí)負(fù)界面張力,為保證乳液的穩(wěn)定性,體系自發(fā)擴(kuò)展界面面積以抵消負(fù)界面張力的影響,同時(shí)表面活性劑大量吸附到界面,導(dǎo)致分散相的液滴粒徑進(jìn)一步減小,最終得到穩(wěn)定的納米乳液。當(dāng)納米乳液出現(xiàn)聚結(jié)現(xiàn)象時(shí),液滴之間發(fā)生聚集,界面積減小,此時(shí)產(chǎn)生的負(fù)界面張力再次擴(kuò)大界面面積,阻止了納米乳液兩相分散,保持體系穩(wěn)定。
3.1.2雙層膜理論 該理論認(rèn)為在納米乳液的界面存在混合膜,與乳化劑一起以雙層膜的形式介于兩相之間。 當(dāng)雙層膜與兩相間的界面張力不等時(shí),界面會(huì)發(fā)生彎曲,形成水包油或油包水體系。 該理論很好地解釋了納米乳液的類型,表面活性劑和助表面活性劑促進(jìn)了雙層膜的形成,增加了界面的延展性及該體系的穩(wěn)定性。
3.1.3R比理論 R比理論認(rèn)為納米乳的形成是由于表面活性劑及助表面活性劑與水油兩相之間的分子間相互作用。如下所示[22]:該理論將納米乳液中各相之間的內(nèi)聚作用能與其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)聯(lián)系起來。
式中:Aco——表面活性劑親油基與油分子之間的內(nèi)聚能;
Aoo——油之間的內(nèi)聚能;
All——表面活性劑與親油基之間的內(nèi)聚能;
Acw——表面活性劑親水基與水分子之間的內(nèi)聚能;
Aww——水之間的內(nèi)聚能;
Ahh——表面活性劑親水基之間的內(nèi)聚能
R比理論將納米乳液從宏觀上分為三個(gè)相區(qū),即水相區(qū)、油相區(qū)、界面相區(qū)(表面活性劑占主體)。 根據(jù)R比的大小,定義了納米乳液的三種類型:WinsorⅠ型是當(dāng)R小于1時(shí),界面相區(qū)親水性大于親油性,界面膜朝著水相區(qū)凸起,形成 O/ W型微乳液;WinsorⅡ正好相反, R>1時(shí)界面膜朝著油相區(qū)凸起,得到W/O 型微乳液;Winsor Ⅲ型是當(dāng)R等于1 時(shí),界面處于平衡狀態(tài),不發(fā)生彎曲,形成雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)[23]。
圖2 多相納米乳液結(jié)構(gòu)示意圖[24]Fig.2 Multi-phase nanoemulsion structure
3.2.1重力分離 重力分離是納米乳液中常見的不穩(wěn)定形式之一,根據(jù)連續(xù)相和分散相的相對(duì)密度,可以分為沉降和懸浮兩種形式。液體食用油的密度通常比液體水低,因此在傳統(tǒng)的油水乳狀液中懸浮分離更為普遍,而在水油乳狀液中沉淀分離更多,油相發(fā)生結(jié)晶時(shí)除外。 當(dāng)納米乳液中的脂滴被厚而致密的生物聚合物涂層包圍時(shí),相對(duì)密度增加,液滴會(huì)發(fā)生懸浮或沉淀。
因重力分離而引起的移動(dòng)一般針對(duì)粒徑較大的液滴,其移動(dòng)速度由斯托克斯定律[25]給出:
式中:vStokes——懸浮速度
r——顆粒的半徑
g——重力加速度
ρ——密度
η——剪切粘度
下標(biāo)1和2——分別指分散相和連續(xù)相。
除此之外,布朗運(yùn)動(dòng)的存在也會(huì)導(dǎo)致液滴移動(dòng)且針對(duì)粒徑較小(低于10 nm)的液滴,其流體中顆粒移動(dòng)距離由下式給出[26]:
式中:D——粒子的平移擴(kuò)散系數(shù)
t——是時(shí)間。
3.2.2液滴聚合 聚合是兩個(gè)小液滴相互碰撞并合并成大液滴的現(xiàn)象。一對(duì)液滴的相互作用可近似地用 空間位阻(wS)、范德華力(wVDV),靜電作用力(wE)和疏水(wH)相互作用的總和來描述[27]:
w(h)=wVDV(h)+wE(h)+wS(h)+wH(h)
(公式五)
其中,范德華力和疏水相互作用是吸引力,空間位阻和靜電相互作用是排斥力。乳液的穩(wěn)定性由斥力決定,空間位阻是由小分子基團(tuán)彼此接近引起的空間阻力,靜電斥力取決于液滴上的電荷和水相中的離子組成。
3.2.3奧斯特瓦爾德熟化 如圖3所示[28],在乳液的儲(chǔ)存過程中,乳液中液滴的平均尺寸從小到大的堆積過程稱為Ostwald熟化。
圖3 奧斯特瓦爾德熟化過程Fig.3 Ostwald ripening process
如在水包油體系中,對(duì)于球形顆粒的理想溶液,液滴周圍的平衡濃度大小與液滴尺寸的關(guān)系遵循Kelvin方程[29]:
S(r)=S(公式六)
式中:S(r)——當(dāng)存在于半徑r的球形液滴內(nèi)時(shí)油的水溶性
S∞——當(dāng)油存在于無限曲率的液滴(即,平面界面)內(nèi)時(shí)的油的水溶性
Vm——油的摩爾體積
γ——油水界面張力
R——?dú)怏w常數(shù)
T——是絕對(duì)溫度
隨著熟化現(xiàn)象發(fā)生,大液滴尺寸增加,小液滴尺寸減小。由上式可知尺寸減小會(huì)導(dǎo)致溶解性的增加,這意味著在小液滴周圍溶解的油分子濃度較大,與大液滴周圍環(huán)境形成了濃度梯度,油分子順濃度梯度移動(dòng)至大液滴,從而導(dǎo)致液滴的增長。
理想情況下,Ostwald熟化會(huì)持續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致兩相分離;但實(shí)際情況中,隨著液滴尺寸的增加,液滴增長的速率降低,逐漸趨于平衡。 奧氏熟化速率w可表示為[30]:
式中:r——時(shí)間t時(shí)的液滴平均半徑
r0——初始數(shù)值平均液滴半徑
D——油通過水相的擴(kuò)散系數(shù)
ω——熟化速率
納米乳體系中油相的溶解度決定了奧氏熟化速率,一般來說,溶解度較小的油相能夠降低熟化速度[31]。
納米乳液的穩(wěn)定性與各相的組分與濃度有關(guān),此外還與添加成分密切相關(guān)。幾種乳化劑復(fù)配使用,由于其作用位點(diǎn),作用方式不同,相比單獨(dú)使用,更能降低界面張力,提高納米乳液的穩(wěn)定性。中等鏈長的油相,因其分子大小和對(duì)乳化劑的親和性,更容易形成納米乳,且水溶性低的油相較水溶性高的油相穩(wěn)定好,因此,在均質(zhì)化之前,將一種低水溶性油加入到油相中,可以增加高水溶性油基納米乳液的穩(wěn)定性。 有研究表明,在納米乳中添加一定的穩(wěn)定劑或影響界面能的物質(zhì),同樣能增強(qiáng)體系的穩(wěn)定性。
Hoscheid J等[32]研究了基于P.Pubescens油制作的納米乳液遞送體系,兩種不同親水表面活性劑(PEG-40蓖麻油/脫水山梨醇油酸酯和PEG-40氫化蓖麻油/脫水山梨醇油酸酯)對(duì)其液滴尺寸分布,多分散指數(shù),pH值,粘度指數(shù),離心力穩(wěn)定性和活性成分穩(wěn)定性等的影響,結(jié)果得出用PEG-40氫化蓖麻油(125 mg/kg)制備的納米乳液具有更高的穩(wěn)定性,在365天的儲(chǔ)存后也保持了較好的生物活性。
Guan Y等[33]研究丁香酚對(duì)用乳清蛋白和卵磷脂制備的β-胡蘿卜素負(fù)載納米乳液的物理和化學(xué)穩(wěn)定性的影響。乳清蛋白和卵磷脂作為表面活性劑來制作納米乳液,將丁香酚以10%含量加入到油相中。結(jié)果表明:在油相中加入丁香酚,大大降低了環(huán)境保存期間β-胡蘿卜素的降解,改善了環(huán)境儲(chǔ)存過程中納米乳液液滴尺寸的穩(wěn)定性,并進(jìn)一步提高了β-胡蘿卜素在研究應(yīng)力(紫外、加熱)下的穩(wěn)定性,其原因可能是由于丁香酚降低了體系的自由能,改變界面膜的粘彈性等。
Ai M C等[34]通過高壓均質(zhì)化方法研究了基于洋麻籽油水包油納米乳劑,通過響應(yīng)面來優(yōu)化了酪蛋白酸鈉(柔性蛋白質(zhì)),阿拉伯樹膠(多糖)和吐溫20(小分子乳化劑)三種乳化劑的組合,來提高洋麻籽油水包油納米乳液的物理穩(wěn)定性。蛋白、多糖、小分子表面活性劑的協(xié)同作用,增加了納米體系的穩(wěn)定性,酪蛋白酸鈉作為一種優(yōu)異的立體穩(wěn)定劑,可形成高粘彈性膜,作為防止絮凝和聚結(jié)的排斥屏障。
納米乳液這一分散體系最早應(yīng)用于化工、材料、生物及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域,近幾年來才逐漸發(fā)展到食品領(lǐng)域。目前,納米乳因其穩(wěn)定性好、分散均勻、粒徑小等特點(diǎn),作為遞送體系應(yīng)用于食品中,現(xiàn)有的應(yīng)用包括作為營養(yǎng)素藥物的遞送制劑、維生素制劑,添加其他元素的乳品制劑等。 納米乳包封體系可以最小程度地改變食品的外觀和口感,遞送生物活性成分,提高生物利用度,還可以改善食品的一般特征,改良傳統(tǒng)食品。
抗氧化劑(Antioxidants)是阻止氧氣不良影響的物質(zhì),通過清除自由基來防止氧化對(duì)人體的傷害。食物中添加抗氧化劑能夠抑制各成分的氧化作用,延長保質(zhì)期。
白藜蘆醇是一種有效的抗氧化劑,由于其水溶性差,化學(xué)不穩(wěn)定性低,口服生物利用度低[35],作為食品工業(yè)中營養(yǎng)食品的利用非常有限。Donsì F等[36]報(bào)道了以花生油作為脂質(zhì)體包埋的白藜蘆醇納米乳液增強(qiáng)其穩(wěn)定性,以硬脂酸作為脂質(zhì)相包埋的姜黃素納米乳液在水相中也表現(xiàn)出較高的溶解度,防止在應(yīng)用過程中的重結(jié)晶和沉降等不穩(wěn)定現(xiàn)象。輔酶Q10對(duì)光敏感,正常條件下不能很好的發(fā)揮其抗氧化作用,Cho H T等[37]報(bào)道了基于玉米油包埋的輔酶Q10納米乳提高了親脂性營養(yǎng)藥物的口服生物利用度。陳思淵[38]用高壓微射流法制備了輔酶 Q10納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體(Q10-NLC),與未包埋的活性物質(zhì)相比,其對(duì)堿、氧、光、高溫的穩(wěn)定性均有所提高。
基于納米乳液的遞送系統(tǒng)來增加高度疏水性營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用度是十分可行的[39],使用納米乳技術(shù)對(duì)油溶性維生素及營養(yǎng)成分等進(jìn)行包埋,在食品和藥物輸送等方面都有很好的應(yīng)用價(jià)值[40]。
維生素D是一種油溶性微量營養(yǎng)素,不僅幫助骨骼發(fā)育,還能預(yù)防癌癥,心臟和免疫疾病[41]。但是,它們?cè)谌梭w內(nèi)不能自發(fā)合成,必須通過外界攝入,由于其水溶性差,暴露于外部環(huán)境時(shí)容易發(fā)生化學(xué)降解以及口服生物利用度變化大,很大程度上限制了維生素D的營養(yǎng)強(qiáng)化[42]。Guttoff M等[43]采用自發(fā)乳化法制備了維生素D水包油納米乳液,很大程度上提高了維生素D的穩(wěn)定性。Ozturk B等[44]研究發(fā)現(xiàn)使用長鏈甘油三酯(玉米或魚油)制備的納米乳劑在增加維生素生物利用度方面是最有效的。同樣,將維生素E[45]及類胡蘿卜素[46]包埋在水包油的納米體系中,可以提高其穩(wěn)定性及生物利用度。聚甲氧基黃酮(PMF)具有很強(qiáng)的抗癌活性,但是在環(huán)境溫度下,它在水相中溶解性極差。Li Y[47]研究了將PMF封裝在基于納米乳液的輸送系統(tǒng)中以促進(jìn)其在營養(yǎng)藥品和藥物產(chǎn)品中的應(yīng)用的可能性。
食品安全問題一直是公眾聚焦的熱點(diǎn)話題,盡管食品保鮮技術(shù)在不斷提高高,但食品中致病和腐敗微生物引起的疾病爆發(fā)發(fā)生率也有所上升[48]。由于化學(xué)防腐劑的大量使用,導(dǎo)致出現(xiàn)了一些食源性病菌,不僅具有耐藥性,而且對(duì)一些食品保藏技術(shù)也具有耐受性。因此,食品中天然抗菌化合物作為化學(xué)防腐劑的替代品,受到了廣大消費(fèi)者的青睞[49]。芳香植物精油已經(jīng)被證明具有廣譜的抑菌活性[50],且作為食材,其安全性也有所保障。由于精油的疏水性、光敏性及高揮發(fā)性,使其直接添加入食品中受到了一定的限制。將精油包封于納米體系中,既保護(hù)其不受外界條件的影響,又增加了水溶性,能更好的應(yīng)用于食品中。
精油的主要活性成分可以分為三類,即酚類,萜烯類和醛類[51],且這三種成分主要作用于細(xì)胞膜,因?yàn)樗鼈兊氖杷?,可影響不飽和脂肪酸在膜上的百分比,從而改變其結(jié)構(gòu)[52]。Otoni C G等[53]以果膠和木瓜泥為基礎(chǔ)制作了復(fù)合肉桂醛納米乳液可食用薄膜,證實(shí)了納米乳可食用薄膜作為環(huán)保型食品包裝材料的可行性,其中肉桂醛是肉桂精油的主要活性成分。Almadiy A A等[54]研究了Achillea biebersteinii,Achillea fragrantissima,Achillea santolina和Achillea millefolium精油的化學(xué)成分和抗菌活性及其對(duì)五種食源性菌種的抗性,開發(fā)了新的納米乳液制劑,并測試了其抗菌活性。Donsì F等[55]報(bào)道了香芹酚,d-檸檬烯和反式肉桂醛用向日葵油包埋來制備納米乳制劑,證明其抑菌性與活性物質(zhì)在水相中的溶解度有關(guān)。Donsì F等[55]用棕櫚油作為有機(jī)相,包埋從美洲槐提取的萜烯混合物和D-檸檬烯,得到的納米乳對(duì)大腸桿菌,德氏乳桿菌和釀酒酵母都有較好的抑菌性,并將其應(yīng)用到果汁中,可以在室溫下將橘子汁微生物的生長延緩5天。除此之外,相關(guān)的報(bào)道還有薄荷精油、檸檬草精油、丁香精油等。
與常規(guī)乳液相比,納米乳能構(gòu)建光學(xué)透明體系、增加營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用度和改善其穩(wěn)定性,在食品的研究和開發(fā)中具有深遠(yuǎn)的意義。然而,納米乳液的包封體系在工業(yè)化之前,還存在許多潛在的問題。首先,要選擇食品級(jí)的材料來制備納米乳液,而現(xiàn)有的納米乳制劑,許多組分特別是表面活性劑,不適合在食品中大量使用,因此,有必要從原材料入手保證納米乳的安全性和可食用性。其次,必須開發(fā)出一套低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)業(yè)化加工工藝,而這種加工工藝更傾向于低能乳化的方法。第三,由于微小液滴的比表面積和曲率相對(duì)較大,賦予了液滴特殊的表面反應(yīng)活性,這在人體利用上可能存在一些安全性問題。
與國外相比,國內(nèi)有關(guān)納米乳液的研究尚在初始階段,而將其應(yīng)用于食品,更應(yīng)著重開發(fā)無毒無害的添加成分。雖然納米乳液在工業(yè)化應(yīng)用中任然存在許多問題,但其優(yōu)良的特性使納米乳的研究具有巨大的前景。
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