長(zhǎng)鏈n-3多不飽和脂肪酸納米乳液制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

謝躍杰，王鍇，肖懿雪，王操，王怡涵，王強(qiáng)*

1(重慶第二師范學(xué)院 脂質(zhì)資源利用及兒童日化品研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400067)2(重慶第二師范學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，重慶，400067)3(重慶第二師范學(xué)院 現(xiàn)代大健康產(chǎn)業(yè)學(xué)院，重慶，400067)

納米乳液(nanoemulsion)，又稱微乳液(microemulsion)，是由水、油、表面活性劑和助表面活性劑等自發(fā)形成，粒徑為1～100 nm的熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性，透明或半透明的均相分散體系。一般來(lái)說(shuō)，納米乳液分為3種類型：水包油型納米乳液(oil in water, O/W)、油包水型納米乳液(water in oil, W/O)以及雙連續(xù)型納米乳液(B.C)。與傳統(tǒng)乳液相比，納米乳液具有傳統(tǒng)乳液不可比擬的優(yōu)勢(shì)，比如顏色透明、負(fù)載的生物活性物質(zhì)生物利用度高、物理穩(wěn)定性優(yōu)異，可用于嬰兒食品、功能飲料等多種特殊食品的制備[1-2]。隨著功能性食品的不斷發(fā)展，搭載可防治癌癥、高血壓、肥胖和心血管系統(tǒng)等慢性疾病的生物活性物質(zhì)食品越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。然而，長(zhǎng)鏈n-3多不飽和脂肪酸 (long chainn-3 poly unsaturated fatty acids, LCn-3 PUFA)、類胡蘿卜素、共軛亞油酸、輔酶Q10等大多數(shù)具有特殊功能的生物脂質(zhì)均為弱水溶性物質(zhì)，很難被直接融入親水性食品或飲料中，通常需借助傳輸系統(tǒng)整合至食品體系[3-4]。

由于缺乏利用食品級(jí)原料制備具有特殊功能納米乳液的研究，納米乳液的潛在優(yōu)勢(shì)一直未能很好的體現(xiàn)在食品工業(yè)中。近年來(lái)納米科技及膠體科學(xué)的快速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出制備納米乳液和提高穩(wěn)定性的新技術(shù)和新方法，這些進(jìn)步使得優(yōu)化設(shè)計(jì)具有特定功能和用途的納米乳液成為可能[5-6]。針對(duì)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，本文綜述了近年來(lái)在LCn-3 PUFA納米乳液特點(diǎn)、制備方法以及功能應(yīng)用等的最新研究成果，希望對(duì)食品及飲料工業(yè)中應(yīng)用負(fù)載LCn-3 PUFA食品納米乳液的合理設(shè)計(jì)與制備有所啟示。

1 負(fù)載LC n-3 PUFA食品納米乳液的特點(diǎn)

在功能食品及飲料市場(chǎng)快速發(fā)展的當(dāng)下，食品工業(yè)對(duì)在食品體系中有效包埋與傳輸(如生物活性物質(zhì)、風(fēng)味物質(zhì)及天然色素等)功能性物質(zhì)的需求逐漸增加。這其中大部分物質(zhì)例如LCn-3 PUFA、植物甾醇、共軛亞油酸、類胡蘿卜素、姜黃素及維生素A、D、E、K等均為脂溶性物質(zhì)，很難被直接整合入以水為主體的食品或飲料中，通常需要被包埋于可均勻分散在水相中的膠體傳輸系統(tǒng)中[7]。此外，大部分功能飲料需外觀透明或輕微的渾濁，這限制了可用于負(fù)載脂溶性生物活性物質(zhì)傳輸系統(tǒng)的種類，因?yàn)閭鬏斚到y(tǒng)中的載體微粒尺寸需足夠小以至于不散射自然光(r?λ)。以納米乳液為載體的傳輸系統(tǒng)有望克服以上問(wèn)題，成功負(fù)載脂溶性生物活性物質(zhì)并有效整合在食品或飲料中。

傳統(tǒng)的水包油乳液(r>100 nm)已在傳統(tǒng)食品或飲料產(chǎn)品中被廣泛用于包埋脂溶性活性物質(zhì)，如富含二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, EPA)、二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)、維生素A、D的魚油和酸奶等[8-9]。然而納米乳液(r<100 nm)有著眾多優(yōu)于傳統(tǒng)乳液的潛在優(yōu)勢(shì)，尤其在一些特殊食品中的應(yīng)用。納米乳液通常能抵抗因顆粒聚集和重力作用導(dǎo)致的乳液不穩(wěn)定現(xiàn)象，并且納米乳液中的納米顆粒因尺寸較小而不易散射自然光，因此更適合于對(duì)外觀清澈度有較高要求的食品，尤其是功能飲料的生產(chǎn)[2]。通過(guò)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，納米乳液可形成高黏度、膠狀類濃縮乳液，可實(shí)現(xiàn)在保證口感的同時(shí)顯著降低油的用量，因此可用于酸奶等對(duì)食品流變性質(zhì)有不同需求的食品，或針對(duì)肥胖患者的低脂食品[10]。納米乳液可顯著提高其所負(fù)載活性物質(zhì)的生物利用度，因此可用于包埋和傳遞某些對(duì)人體生物利用度低的生物活性物質(zhì)[11]。納米乳液的功能性很大程度上取決于體系中納米顆粒的結(jié)構(gòu)特性，如納米顆粒的濃度、組成、粒徑分布、電荷及物理狀態(tài)等，而這些特性主要由構(gòu)建納米乳液原料固有的特性及制備方法決定。LCn-3 PUFA納米乳液對(duì)食品儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響見表1。

表1 LC n-3 PUFA納米乳液對(duì)食品儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響Table 1 Effects of LC n-3 PUFA nanoemulsion on food storage stability

2 負(fù)載LC n-3 PUFA納米乳液的制備方法

2.1 傳統(tǒng)納米乳液的制備方法

通常，納米乳液可經(jīng)高能量和低能量2種制備方法實(shí)現(xiàn)[21]。高能量方法利用機(jī)械裝置，產(chǎn)生可破壞或摻雜油水相的高強(qiáng)度作用力，實(shí)現(xiàn)乳液尺寸納米化，這類機(jī)械裝置包括高壓真空均質(zhì)機(jī)，微射流均質(zhì)機(jī)和超聲儀等。高能量方法雖然是食品工業(yè)目前制備納米乳液的基本方法，但有很多局限，比如高昂的設(shè)備安裝維護(hù)費(fèi)用及高能耗損失，最主要的是該類方法不能有效制備食品納米乳液。低能量方法制備納米乳液是利用乳化劑的特殊性質(zhì)，在混合的表面活性劑-油-水(surfactant-oil-water, SOW)三相體系，通過(guò)改變SOW組成或環(huán)境條件，最終自發(fā)形成納米乳液[22]?；诘湍芰考夹g(shù)的納米乳液制備方法主要包括自乳化及相轉(zhuǎn)變兩大類[23]。低能量納米乳液制備方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、低能耗損失等優(yōu)勢(shì)，該方法可用于對(duì)高黏度油脂制備納米乳液，且一旦形成后對(duì)環(huán)境的穩(wěn)定性影響較小[24]。

自乳化方法源于制藥領(lǐng)域，用于制備自乳化納米藥物傳輸系統(tǒng)，近年來(lái)開始應(yīng)用于食品領(lǐng)域，以制備負(fù)載脂溶性生物活性物質(zhì)的納米乳液[25]。盡管自乳化方法制備納米乳液的機(jī)制尚未完全闡明，但普遍公認(rèn)的機(jī)理(圖1)是在磁力攪拌下，將含有水溶性表面活性劑的油相與水混合。由于這種運(yùn)動(dòng)，水分散物質(zhì)由油相轉(zhuǎn)變?yōu)樗啵瑢?dǎo)致界面不穩(wěn)定，小油滴自發(fā)形成。為了產(chǎn)生小的乳狀液滴，兩相界面處的紊流應(yīng)該被觸發(fā)，并且輔助表面活性劑如乙醇、丙酮和丙二醇也被激活[26]。自乳化方法依賴于油和表面活性劑自身性質(zhì)、界面應(yīng)力、油和表面活性劑比例，及助溶劑用量和種類。油是自乳化方法中的關(guān)鍵因素，可用該方法制備納米乳液的脂質(zhì)包括中鏈甘油三脂或脂肪酸酯，而表面活性劑通常需要有較高親水疏水平衡值，如食品級(jí)表面活性劑吐溫和司盤系列中部分組成，或雙親性磷脂分子。這種方法的主要缺點(diǎn)是需要使用大量的合成表面活性劑[27]。

圖1 自乳化方法制備納米乳液機(jī)制Fig.1 Preparation mechanism of nano-emulsion by self-emulsification method

2.2 負(fù)載LC n-3 PUFA食品納米乳液低能量技術(shù)制備方法

通過(guò)低能量方法，雖可得到食品級(jí)納米乳液，但其制備過(guò)程主要依靠經(jīng)驗(yàn)方法，比如在油與食品級(jí)表面活性劑被確定的前提下，通過(guò)改變?nèi)榛瘲l件實(shí)現(xiàn)乳液尺寸的納米化。此外，所制備的納米乳液是否能滿足對(duì)預(yù)期食品或飲料外觀、流變學(xué)等功能性的需求只能在反復(fù)試驗(yàn)后得到確認(rèn)，這種方式不僅浪費(fèi)資源，常常也得不到理想結(jié)果。納米乳液是由單個(gè)納米顆粒組成，因此納米乳液最終的功能性質(zhì)將由納米顆粒的濃度、組成、相貌形態(tài)、大小分布、表面電荷及物理狀態(tài)等結(jié)構(gòu)特性決定。為了能在不同的低能量方法中正確選擇實(shí)現(xiàn)食品功能要求的方法及SOW組成，建立納米乳液-固體分散體結(jié)構(gòu)功能關(guān)系將至關(guān)重要，這樣可實(shí)現(xiàn)按需定制食品納米乳液工業(yè)。因此，通過(guò)建立乳液納米顆粒自身微觀結(jié)構(gòu)特性與納米乳液整體外觀、穩(wěn)定性及流變學(xué)特性等宏觀功能特性間關(guān)系，是優(yōu)化低能量方法，合理設(shè)計(jì)具有特定功能和用途食品納米乳液的有效保證。

相轉(zhuǎn)變方法可以通過(guò)改變體系不同溫度、鹽離子濃度或pH等環(huán)境條件下表面活性劑性質(zhì)，包括其分子曲率、構(gòu)相和相對(duì)溶解度的變化實(shí)現(xiàn)。常見的相轉(zhuǎn)變方法包括相轉(zhuǎn)變溫度、組成相轉(zhuǎn)變和突變相轉(zhuǎn)變等，但目前僅組成相轉(zhuǎn)變和突變相轉(zhuǎn)變2種方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)食品級(jí)表面活性劑及食用油制備食品納米乳液。組成相轉(zhuǎn)變方法是基于非離子表面活性劑的自發(fā)曲率變化引起的溫度誘導(dǎo)相變。它的形成是通過(guò)改變環(huán)境pH或鹽離子濃度，促使表面活性劑分子曲率或相對(duì)溶解度的改變，并最終形成納米乳液(圖2)。

圖2 組成相轉(zhuǎn)變方法制備納米乳液機(jī)制Fig.2 Preparation of nanoemulsion mechanism by phase transformation method

在低溫下，對(duì)溫度敏感的表面活性劑具有親水性和正的自發(fā)曲率，但隨著溫度的升高，它們變得更加疏水性和負(fù)的自發(fā)曲率[28]。HESSIEN等[29]采用吐溫-80和司盤80，首先在高鹽條件下制備了油包水乳液，通過(guò)向該體系添加水以降低體系鹽離子濃度以改變表面活性劑分子曲率，使其在油水界面達(dá)到親疏水平衡，繼續(xù)添加將實(shí)現(xiàn)水包油納米乳液。由于聚合物鏈脫水，聚氧乙烯等非離子表面活性劑經(jīng)過(guò)連續(xù)的快速冷卻和加熱過(guò)程，在高溫下具有親脂性，在低溫下具有親水性。因此，水包油納米乳液在低溫條件下更穩(wěn)定，而油包水納米乳液在高溫條件下更穩(wěn)定。組成相轉(zhuǎn)變方法是一種低成本的方法，容易擴(kuò)大規(guī)模，通過(guò)控制溫度從而產(chǎn)生所需的液滴尺寸。主要的缺點(diǎn)是它局限于非離子表面活性劑，可能需要大量的乳化劑[30]。

與組成相轉(zhuǎn)變不同，突變相轉(zhuǎn)變方法是通過(guò)改變表面活性劑-油-水組成比例來(lái)形成納米乳液。如圖3所示，在攪拌的狀態(tài)下通過(guò)向特定表面活性劑與油的混合體系緩慢加入水，首先形成油包水普通乳液，增加水的量形成油水彼此交織的雙連續(xù)相，持續(xù)加水最終將形成水包油納米乳液。該方法的作用機(jī)制是當(dāng)水的添加量超過(guò)一臨界點(diǎn)時(shí)，最初油包水系統(tǒng)中形成的層狀液晶結(jié)構(gòu)會(huì)因水濃度的增加而膨脹，最終導(dǎo)致油包水結(jié)構(gòu)的破裂并達(dá)到相轉(zhuǎn)變點(diǎn)，形成水包油納米乳液[31]。

圖3 突變相轉(zhuǎn)變方法制備納米乳液機(jī)制Fig.3 Mechanism of nano emulsion prepared by mutant phase transformation method

納米乳液體系為熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)，通常會(huì)因奧氏熟化而造成體系物理不穩(wěn)定。此外改變環(huán)境存儲(chǔ)條件時(shí)，其穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生改變，比如低溫貯藏通常會(huì)出現(xiàn)沉淀。因此需改善技術(shù)，從而提高納米乳液體外穩(wěn)定性，并保持其自身高生物利用度特性。固體分散技術(shù)是將研究對(duì)象以分子、膠態(tài)、微晶等狀態(tài)均勻分散在某一固體載體物質(zhì)中，通過(guò)不同干燥技術(shù)，最終制成無(wú)定形固體分散體。固體分散技術(shù)最早用于增加難溶性藥物的溶解度和溶出速率，同時(shí)延緩和控制藥物釋放[32]。此外，固體分散技術(shù)能夠增加藥物的穩(wěn)定性，提高藥物的生物利用度，因此被廣泛應(yīng)用于各種藥物劑型的制備。運(yùn)用固體分散技術(shù)所制備的納米乳液固體分散體將同時(shí)具備納米乳液的高生物利用率，及固體分散體的高溶解性和高穩(wěn)定性。通過(guò)固體分散技術(shù)制備的納米乳液固體分散體，一方面在體外可存儲(chǔ)于各種低溫狀態(tài)并保持其物化穩(wěn)定性，另一方面能有效保護(hù)生物活性物質(zhì)順利通過(guò)胃液，并經(jīng)胃液及胃的蠕動(dòng)下再次生成粒徑<200 nm的微乳液進(jìn)入人體小腸消化系統(tǒng)。這些細(xì)小微乳液的形成能有效增加其表面積，從而使其負(fù)載的生物活性物質(zhì)能被腸壁細(xì)胞有效吸收，最終獲得生物活性物質(zhì)一致和可重復(fù)的生物利用度。

3 負(fù)載LC n-3 PUFA納米乳液的應(yīng)用

納米乳液可以通過(guò)覆蓋一層保護(hù)壁材料，封裝必需脂肪酸、維生素、多肽、抗氧化劑、礦物質(zhì)和益生菌等多種生物活性化合物，防止活性成分在食物中蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)或遷移，并在加工和儲(chǔ)存時(shí)保持其穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于食品加工、生物、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域[33]。

3.1 納米乳液在食品體系中的涂層保護(hù)應(yīng)用

納米乳液包封親脂成分可提高其處理和使用的便利性，促進(jìn)其與產(chǎn)品的結(jié)合，通過(guò)改善親脂化合物的性質(zhì)增加生物利用度，控制其釋放的速度或位置，保護(hù)其免受化學(xué)降解。深海魚油含有大量的EPA和DHA 脂肪酸，具有眾多生物活性并對(duì)多種疾病有預(yù)防作用，比如對(duì)心血管系統(tǒng)疾病、嬰兒腦部與視力發(fā)育及部分癌癥等有明顯改善作用。由于人體自身不能有效合成EPA及DHA，因此需從外界食品中攝取，比如添加DHA的嬰兒奶粉[34]。LCn-3 PUFA因其不完全水溶性及化學(xué)不穩(wěn)定性，而不能作為直接食物原料。目前在食品中添加LCn-3 PUFA的方法是以經(jīng)高壓均質(zhì)、干燥獲得LCn-3 PUFA粉體為食品原料，添加入食品中。這一現(xiàn)有工藝最大的問(wèn)題不僅是能耗高，而且由于LCn-3 PUFA化學(xué)穩(wěn)定性差，極易發(fā)生脂肪氧化。有研究表明經(jīng)高壓均質(zhì)后，由于機(jī)械操作過(guò)程溫度的影響，包埋LCn-3 PUFA的乳液已開始氧化，這樣的制備工藝必將影響其貨架期。采用低能量制備的納米乳液，并采用溫和噴霧干燥條件配合最優(yōu)固化劑，將納米乳液固體分散，可保持LCn-3 PUFA化學(xué)穩(wěn)定性。此外，納米乳液在不同果蔬、糧油及肉制品的保鮮或穩(wěn)定性中已顯示出較好的效果，不僅對(duì)產(chǎn)品儲(chǔ)藏期間的微生物種群數(shù)量、生化反應(yīng)、生理褐變、氧化穩(wěn)定性起到積極作用，而且應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛。具體應(yīng)用及影響效果見表2。

表2 納米乳液在食品體系的應(yīng)用及其影響效果Table 2 Application and effect of nano-emulsion in food system

3.2 納米乳液在食品體系中的功效維護(hù)應(yīng)用

納米乳液的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能提高其負(fù)載活性物質(zhì)的生物利用度，因此LCn-3 PUFA的生物活性也可能因其承載體納米乳液自身特性，而顯著提高[45]。從營(yíng)養(yǎng)學(xué)的角度，提高具有特殊營(yíng)養(yǎng)功能活性物質(zhì)的生物利用度，有利于其生物活性在人體的利用，但目前并不清楚納米乳液負(fù)載生物活性物質(zhì)生物利用度的過(guò)度提高，是否會(huì)對(duì)人體造成負(fù)面影響[46]。納米乳液系統(tǒng)在提高食品基質(zhì)中疏水化合物的溶解度、生物利用度和功能性方面具有更高的潛力。封裝還有助于通過(guò)提供親水涂層或機(jī)械應(yīng)力增加脂溶性成分的溶解度，如脂溶性維生素(β-胡蘿卜素)，天然香料(辣椒素、檸檬醛)和某些抗氧化劑(白藜蘆醇)。目前，對(duì)LCn-3的每日推薦用量是650～1 000 mg，而過(guò)多食用可能導(dǎo)致因血小板聚集造成的出血不止。理論上，納米乳液負(fù)載的LCn-3 PUFA因可能的生物利用度提高而對(duì)人體產(chǎn)生類似出血不止的劑量將低于其被普通食品負(fù)載所需的劑量[47]。因此，目前建立的LCn-3 PUFA每日推薦量可能不再適用于其被納米尺寸載體負(fù)載的食品或飲料，在固化納米乳液等納米食品進(jìn)入市場(chǎng)前，應(yīng)對(duì)其所負(fù)載生物活性物質(zhì)的生物利用度進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)[48]。

4 展望

低能量方法制備食品納米乳液并最終固化，是納米技術(shù)中最為便捷的可用于重塑食品功能的途徑。我國(guó)對(duì)功能性食品納米乳液的研究處于起步階段，尤其對(duì)負(fù)載生物活性脂質(zhì)納米乳液固體分散自身物性及對(duì)生物利用度的改變和評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少，在將其成功應(yīng)用于食品工業(yè)之前，仍有一些瓶頸亟待解決：如何選擇高效的工藝過(guò)程，利用食品級(jí)原料制備納米乳液；如何合理設(shè)計(jì)納米乳液顆粒，使其負(fù)載的功能物質(zhì)獲得特殊的功能性；如何成功的將負(fù)載功能物質(zhì)的納米乳液整合進(jìn)入食品主體，在不同儲(chǔ)藏條件下保持物理穩(wěn)定，并不影響食品固有品質(zhì)；如何正確評(píng)估負(fù)載功能物質(zhì)納米乳液的生物利用度等都是該領(lǐng)域未來(lái)亟待解決的問(wèn)題。選擇低能量制備方法及相關(guān)固體分散技術(shù)的研究不僅將對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究提供新的思路，所取得的研究成果對(duì)于開發(fā)安全無(wú)毒、負(fù)載其他生物活性脂質(zhì)的食品納米乳液及固體分散體也將具有借鑒意義，為我國(guó)食品工業(yè)功能食品領(lǐng)域在國(guó)際市場(chǎng)上的拓展提供新的解決途徑。