食品中納米顆粒的制備、 表征及其應用的研究進展

錢雪麗,陶寧萍,2,*,王錫昌,2

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306; 2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心,上海 201306)

納米結構是將以納米尺度(1～100 nm)的物質為基礎單元,按一定規則構筑或制成的一種新體系,它包括一維的體系、二維的體系、三維的體系。包括納米顆粒、穩定的團簇、納米管、納米棒以及納米尺寸的空洞等在內的多種物質單元,并以此為基礎,制備成納米結構組裝體系[1]。納米顆粒作為一種微型顆粒,具有重要的科學研究價值。它具有多種形態如聚合物、乳膠體、陶瓷顆粒、金屬顆粒等。納米顆粒在化工、醫學、化妝品、食品等領域應用越來越廣。

隨著人們對食品質量要求的不斷提高,在食品生產加工過程中,利用納米技術將食品加工成納米食品,可優化食品的理化性質,改善食品的營養和風味,提高食品中活性成分的生物利用率,促進其在人體中的消化吸收[2-4]。微乳液、納米乳化液、脂質體、納米微膠囊等多種納米食品已被成功研發,這些產品都具有較好的穩定性和功能性,對改善食品風味、延長食品貨架期,豐富食品種類,拓展食品市場起到重要作用。

因此,對納米食品進行研究與開發有利于功能性食品的發展,這已逐漸成為食品科學和食品工業研究的熱點。本文綜述了近年來食品中納米顆粒的制備方法、表征手段以及應用的研究進展,為今后食品中納米顆粒的制備和應用提供一定的參考。

1 食品中納米顆粒的制備方法

從理論上講,任何制備納米顆粒的技術和方法都可以用于制備食品中的納米顆粒,但由于食品的特殊性,用于食品中納米顆粒的制備方法會受到限制。近年來使用較多的方法有機械粉碎法、高壓均質法、超聲波法、乳液法、超臨界流體技術法、分子自組裝法等,各方法因制備過程中使用的原料、設備等的不同,制備得到的納米顆粒的性狀亦有差異。

1.1 機械粉碎法

機械粉碎法是目前食品中用于制備超細微粒最簡單的方法,其原理是利用機械研磨破碎散裝材料將尺寸減小到納米級,隨后通過加入膠體保護劑穩定所得的納米尺寸顆粒,包括傳統的機械方法、高能球磨法、高速氣流粉碎機等。該方法具有效率高、成本低、操作簡便等特點[1,5]。

曲源等[6]研發了多維擺動式及多層次分級式高能球磨新技術,具有較好的粉碎效果,可獲得10 nm以上的粉體。這種新技術在制備納米植物粉體過程中,相對的保證了植物成份的天然性與完整性,應用領域特別廣泛。Shibata等[7]利用球磨機將粗綠茶粉碎,并用篩子篩選出1 μm以下的微細粉末。在紅外線照射室中,在40～60 ℃的溫度下,用紅外線將該綠茶微細粉末加熱130～180 min。經研究以這種方式可制備得到具有較高營養物消化吸收比和高活性氧消除效力的微細粉末。

1.2 高壓均質法

高壓均質法是將油相、水相及表面活性劑組成的混合分散液放在微小的入口孔板處,經過高壓均化器或振蕩器的作用,發生碰撞,釋放能量,使混合液達到納米破碎,從而形成納米級粒徑的乳液,已被廣泛用于乳液的生產[8]。

采用高壓均質法制備納米顆粒時,要充分考慮溫度、均質壓力、循環次數三個方面的因素對顆粒粒徑和乳液性質的影響。Thiebaud等[11]用200 MPa的高壓均質器均質脂肪球顆粒,循環2次后得到的脂肪球顆粒的平均粒徑為200 nm,增加了牛奶乳液的穩定性。Gibis等[12]通過高壓均質法制備葡萄籽提取物脂質體,分別用殼聚糖和果膠作為第一、二層的表面修飾劑,結果發現殼聚糖修飾的脂質體能與不同電荷量的蛋白質之間發生靜電相互作用,進而降低蛋白質的沉淀,因此證明殼聚糖修飾的脂質體能用來開發葡萄籽提取物的功能性食品。胡本濤[13]以高壓均質法制備得到平均粒徑為(164.5±18.7) nm的DHA固體脂質納米顆粒。將此納米顆粒應用在嬰兒液態配方仿制乳中,4 ℃冰箱冷藏一周后,該嬰兒液態配方仿制乳的色澤、氣味、組織形態及其他性質等無不良變化,且DHA含量保持原含量的95%,表明該DHA固體脂質納米顆粒具有較好的感官性和穩定性。侯淑瑤等[14]以甘薯淀粉為原料,采用高壓均質法制備甘薯納米淀粉。研究結果表明,當均質壓力為80 MPa、循環次數25次、淀粉濃度為3.2 g/100 mL時制備的甘薯納米淀粉的得率達到46.12%,且該甘薯納米淀粉呈橢圓形,平均粒徑為214.3 nm。

目前,工業生產中已經使用高壓均化器來減少脂肪球的大小以增加乳液的穩定性。液體原料因受到非常高的應力,在高壓均質化中形成極細乳液液滴,能夠得到比傳統均質器更精細的乳液。其中,微流化法是一種常用的均質化形式,其輔助室用于尺寸減小和乳液形成,從而增強乳液的質地和口感,它已經被有效地用于制作沙拉醬、奶油、酸奶、糖漿、巧克力和麥芽飲料、風味油乳劑、餡料和糖衣等[9-10]。

1.3 超聲波法

超聲波法制備納米顆粒主要利用超聲波與媒質相互作用的空化機制,在超聲強度足夠大時,超聲波產生的超聲空化氣泡發生爆炸,釋放出巨大的能量,產生局部高溫高壓環境和強烈沖擊力的微射流,驅動許多化學反應,從而使物料達到納米破碎[15]。

Kentish等[10]以20～24 kHz的超聲波發電,使用亞麻籽油和水的混合物,在表面活性劑吐溫40存在下,制備得到了平均液滴尺寸低至(135±5) nm的乳液。Luo等[16]采用超聲波法成功制備了殼聚糖-脂質體,經透射電子顯微鏡觀察到該殼聚糖-脂質體的平均粒徑為(77.9±.4) nm。Chang等[17]利用超聲波法制備得到平均粒徑在75 nm左右的淀粉納米顆粒。

超聲波法的優點在于設備簡單、操作方便、且反應時間短,已廣泛用于實驗室研究。

1.4 微乳液法

微乳液法指在表面活性劑、乳化劑存在的條件下,利用機械攪拌或劇烈振蕩等作用將芯材和高聚物單體分散至納米大小形成乳狀液,引發聚合反應生成高聚物對芯材進行包覆,形成納米尺度的顆粒[18-19]。利用該方法制備納米結構需要達到一定的條件方可實現:體系中具有合適的結構參數;結構比較穩定;微乳液的界面強度較大。它的優勢在于操作過程簡單、能量消耗少。目前,該方法主要用于納米微膠囊和脂質體的制備。

1.5 超臨界流體技術法

超臨界流體技術是利用超臨界流體獨特的理化性質,以及溶質和溶劑在超臨界流體中溶解度不同來制備納米顆粒,是目前用于食品中納米顆粒制備使用較多的制備方法。在食品工業生產中最常用的方法是超臨界二氧化碳流體技術法,超臨界二氧化碳是處于臨界溫度和臨界壓力以上狀態的一種可壓縮高密度CO2流體,分子間作用力很小,密度接近于液體,粘度接近于氣體,具有低粘度、高密度、高溶解性以及高傳質性等多種優點,并且價廉易得、安全無毒、環保性高[20-21]。該法制備得到的納米顆粒的平均粒徑小、形態均勻、分布范圍窄,適用于處理熱敏性物質。隨著超臨界流體技術的發展,超臨界流體快速膨脹法、超臨界流體抗溶劑結晶法、超臨界反相蒸發法逐漸用于食品中納米顆粒的制備。

Zhao等[22]利用超臨界二氧化碳技術通過超臨界相減壓生產脂質體,并研究了壓力,降壓速率和溫度對脂質體特性的影響。經研究表明,降壓速率達到120 bar/min時,脂質體具有較高均勻度;壓力為200 bar時產生具有良好均勻性的球形囊泡,脂質體可以儲存長達4周,尺寸變化有限(低5%)。與常規薄膜水合法相比,超臨界二氧化碳法制備得到的脂質體具有高穩定性和均勻性的優點。林長春等[23]研究表明,超臨界二氧化碳抗溶劑法可用于制備球形度較好、粒徑分布較窄的玉米蛋白微球,所得玉米蛋白微球平均粒徑160～400 nm。Jin等[24]采用超臨界流體抗溶劑結晶法制備出了羥丙基甲基纖維素鄰苯二甲酸酯/葉黃素納米微膠囊,并對影響納米微膠囊的產量、葉黃素包埋量和包埋率、粒徑大小與分布等因素進行了研究。研究結果表明制備得到的納米膠囊的平均直徑范圍為163～219 nm。當葉黃素的初始濃度達到飽和時,納米微膠囊的最高產量達到95.35%。在11 MPa,40 ℃,羥丙基甲基纖維素鄰苯二甲酸酯/葉黃素濃度比為5/1的條件下,葉黃素包埋量最高達15.80%,包封效率達88.41%。該技術促進了葉黃素在食品工業的應用。

1.6 分子自組裝方法

分子自組裝技術是最近幾年才發展起來的用于制備納米顆粒的新技術。它是指體系中各分子之間通過分子間非共價鍵(氫鍵、范德華力、靜電作用力、疏水作用力等)的作用自發地結合成熱力學穩定、性能特殊的分子聚集體的過程[25-26]。分子自組裝法在制備納米顆粒的過程中,可以從大小、形狀、組成等多方面進行精確的控制[27]。到目前為止,分子自組裝方法已能用于制備多種納米顆粒。胡冰等[28]也利用分子自組裝法的原理,制備得到包封有兒茶素的殼聚糖納米膠囊。研究結果表明當殼聚糖與三聚磷酸鈉質量比為1.3～3.0時,可制備得到平均粒徑為10～50 nm、形態規則、分散性好的球形納米顆粒。經高效液相色譜法分析,兒茶素的包封率為30.54%～50.46%,較好的保持了兒茶素的穩定性。

1.7 其他制備方法

隨著納米技術的發展以及人們對更高要求的功能性食品的追求,用于食品中納米顆粒的制備方法,除了以上幾種外,還有其他的制備方法,如脂質體制備的薄膜分散法、逆向蒸發法、乙醇注入法[29];納米微膠囊制備的界面聚合法、化學交聯法[27];微乳液和納米乳化液制備的稀釋法、相轉變溫度法、高能乳化法等[30-31]。針對不同的原材料,選擇合適的制備方法,可以得到理想的納米顆粒。

2 食品中納米顆粒的表征

2.1 粒徑大小及分布、Zeta電位測定

納米顆粒粒徑評估的方法有許多,包括投射電鏡觀察法、X射線衍射線寬法、拉曼散射法、動態光散射法和激光粒度分析法等。Zeta電位與納米顆粒在分散體系中所帶電荷有關,是表征膠體分散系穩定性的重要指標。一般來講分散體系的 Zeta 電位越高,顆粒所攜帶的電荷越多,體系的穩定性越好;反之,Zeta電位越小,顆粒越易團聚,體系的穩定性越低[32]。

動態光散射法是根據光照射顆粒時產生的動態散射光來獲取顆粒信息的一種方法,具有測量過程簡單、成本低、速度快等優點,是測量納米顆粒粒徑最重要的方法之一[33]。而激光粒度分析儀可同時測量顆粒的粒徑大小及分布、顆粒電位變化,并且具有測量精度高、速度快、重復性好、可測粒徑范圍廣等優點[34],是目前使用較多的一種方法。何傳琦[35]利用馬爾文激光粒度儀檢測到板藍根湯劑中存在納米膠體顆粒。同時測定了在不同離心力條件下,板藍根湯劑膠體顆粒的Zeta電位在誤差范圍內變化不大,都在-9.0 mV左右。祿彥科[36]用Nano-Zs粒徑電位測定儀監測到骨湯熬煮過程各成分呈現階段性變化,此間膠粒的組成和尺寸逐漸趨于穩定均一,顆粒數量逐步增加,顆粒表面電位絕對值雖逐漸下降(35～28 mV左右),但就骨湯整體而言仍然維持了較好的穩定性。

2.2 形貌觀察

食品中納米顆粒形貌觀察的顯微鏡方法主要有透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)等。

透射電子顯微鏡(TEM)進行形貌觀察時,具有樣品處理復雜,樣品薄,放大倍數高的特點。通常用于觀察樣品內部空間結構,微觀組織分析、晶體結構分析等方面[37]。Luo等[16]用TEM觀察到殼聚糖-脂質體顆粒為表面光滑的球形形態。何傳琦[35]用TEM觀察板藍根湯劑膠體顆粒的形態特征,發現板藍根湯劑中膠體顆粒呈大小不一的球形和橢球形,并且顆粒不穩定會相互聚集形成形狀各異的聚集體。

掃面電子顯微鏡(SEM)主要用于樣品表面形貌觀察,具有直接觀察樣品結構、樣品制備過程簡單,圖像放大范圍廣,分辨率高、樣品的損傷及污染小等多種優點[38]。李冰潔等[39]利用SEM觀察到甘草蛋白聚合物具有典型的膠體顆粒的特征。

對比TEM和SEM,原子力顯微鏡(AFM)可用于樣品的成像與表征,納米加工,力學性能測量等,在常壓或液體環境中可良好的工作。在觀察過程中,不需要對樣品進行特殊處理,可提供樣品的三維表面圖,還具有成像范圍小、速度慢、受探頭影響較大等諸多特點[40-42]。查飛等[43]利用AFM分別觀察了加水不加熱蛋白樣品及加水加熱30 min蛋白樣品的結構變化,結果表明,加水不加熱蛋白顆粒較小,且若干蛋白分子靠攏形成類似雪花的形狀;而加水加熱30 min蛋白相互聚集形成顆粒較大的納米顆粒,顆粒平均直徑約為50 nm左右。吳丹[44]利用AFM對踴蟲草炮制液樣品進行觀察,結果表明,蛹蟲草炮制是納米級膠體顆粒形成的過程。

3 食品中納米顆粒的應用

3.1 微乳液的應用

微乳液通常指由水、油、表面活性劑組成的熱力學穩定均相液體,液滴粒徑在1～100 nm之間[45]。因體系中各組分的比例差異,以及溫度、壓力、pH等環境條件的影響,微乳液可形成W/O型、O/W型和雙連續型多種結構。微乳液在食品領域被廣泛應用。微乳液可使某些難溶于水的物質在乳化劑的作用下,提高在溶劑中的溶解度,形成穩定的溶液。同時,微乳液可用于運輸功能性成分包括胡蘿卜素、ω-3類脂肪酸、蛋白質、番茄紅素、蝦青素和葉黃素等,提高食品的外觀、風味和生物活性[31]。目前,已有一些成功的應用微乳液的報導。Chen等[46]針對α-亞麻酸因其水溶性和抗氧化能力的差而在食品領域中的應用受到限制這一問題研究了α-亞麻酸-微乳液的溶解性和抗氧化能力,結果表明,該亞麻酸-微乳液由直徑為20～40 nm的球狀液滴組成,存在O/W型和W/O型兩種結構,且抗氧化能力比亞麻酸在油溶液中提高約80%左右。部分研究已成功申請專利,如新疆特色油脂微乳液[47]、磷脂微乳液[48]、高含量穩定型青刺果油微乳液[49]等。

3.2 納米乳化液的應用

納米乳化液是液滴尺寸范圍為50～1000 nm的膠體分散體,由兩種互不相溶的液體組成,其中一種液體以球狀小液滴的形式分散于另一種液體中[3]。同樣可以分為O/W型和W/O型,是一種熱力學不穩定的體系。它廣泛用于生產調味油、沙拉醬、蛋黃醬、甜味劑等加工食品中。相比常規乳液,納米乳液不僅能夠將葉黃素、β-胡蘿卜素、ω-3脂肪酸以及維生素A、D、E等功能性成分包埋其中以提高其生物利用度,而且具有較好的功能性和穩定性,改善產品的外觀和風味,延長產品的貨架期[50]。

3.3 脂質體的應用

脂質體主要由磷脂等極性脂肪形成的單層或多層結構,其大小在0.02微米至幾百微米之間變化[51]。由于脂質體具有包封功能性成分,改善食物溶解度、穩定性和生物利用度、避免食品沉降分層、利于活性成分控制釋放等諸多優點而在食品應用中越來越受關注。關于脂質體用于食品中的報道已有很多,如將脂肪酸、輔酶Q、維生素A等水溶性低、生物利用率低的功能食品,以脂質體為載體包封于水溶性材料中,這不僅提高了其生物利用率而且促進了功能性水溶性食品的開發[52]。譚晨[53]制備得到類胡蘿素脂質體,能顯著改善類胡蘿卜素清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基的能力和還原能力。同時用殼聚糖包封類胡蘿卜素脂質體,發現包封后的脂質體具有典型的核-殼結構,其平均粒徑<150 nm,zeta電位在10～20 mV之間。此外,殼聚糖包覆提高了脂質體對類胡蘿卜素的包埋能力,并顯著增強了類胡蘿卜素對光、熱和胃腸道環境的耐受性。Liu等[54]采用薄膜分散法和動態高壓微射流技術分別制備粗脂質體和納米脂質體,結果表明脂質體在模擬胃液消化時理化性質受胃蛋白酶的影響較小,而在模擬小腸的消化中脂質體磷脂壁受到較大破壞。

3.4 納米微膠囊的應用

納米微膠囊是指利用納米復合、納米乳化和納米構造等技術在納米大小范圍內對囊核物質進行包覆形成的微型膠囊,是一種由芯材和壁材構成的有特定功能的多相體系。其中,被包覆的物質稱為微膠囊的芯材(如β-胡蘿卜素、ω-3脂肪酸、維生素等),用來包覆的物質稱為微膠囊的壁材(如蛋白、樹膠、明膠、阿拉伯膠等)[21]。由于納米微膠囊能夠保護芯材物質免受環境條件的影響,屏蔽異味,避免顏色和氣味變化,降低揮發性和毒性,具有緩釋與控釋以及良好的靶向性等性能[55],因而在食品加工中有著廣闊的應用前景。目前,納米微膠囊在固體飲料加工、果蔬汁和食品添加劑、粉末油脂以及包囊功能性組分等方面廣泛應用。

王錦成等[56]以明膠為囊壁、辣椒素為囊芯,采用單凝聚法制備了粒徑在100 nm左右的納米膠囊,該膠囊的包覆率在70%左右,包覆明膠后的辣椒素的熱穩定性能得到了較大的提高。Zimet等[57]以β-乳球蛋白和低甲氧基果膠為載體,制備了包埋二十二碳六烯酸(DHA)的納米微膠囊,經測定該納米微膠囊的平均粒徑為100 nm,并顯示出了良好的膠體穩定性,能夠有效地抑制DHA的氧化分解,在40 ℃的環境中將DHA產品放置100 h,經過納米微膠囊化的DHA氧化分解量只有5%～10%,而未經過處理的DHA卻損失了80%。

4 展望

納米顆粒因其特有的理化性質,其形成和存在對食品營養成分的分布、利用、風味和功能都具有極重要的影響。目前,已有多種方法和技術用于食品中納米顆粒的制備和表征,兩種及以上的方法共同用于納米顆粒制備和表征也在不斷的被發現。同時納米級的食品,更有利于提高食品中功能性成分的生物利用率,改善食品品質,延長食品貨架期。隨著納米技術的發展,納米食品的研發與推廣也將成為食品領域的熱點。雖然食品中納米顆粒的制備和應用取得了一些進展,但是任有很多問題亟需解決。如在制備過程中,其穩定性易受環境因素的影響以及納米食品對人體健康的影響等問題,都需要進一步的研究。隨著人們對食品營養、功能要求的不斷提高,微乳液、脂質體、納米微膠囊等納米食品的應用也日益普及。這不僅可有效提高生物活性物質的利用率,而且對促進人體的消化吸收也有好處。納米食品的研發將成為未來功能性食品發展的一個方向。隨著人們對納米顆粒制備和應用的深入研究,相信將會獲得更多更好的納米顆粒產品以豐富功能食品市場。