利用微乳技術從植物油料中同步提取油脂及天然活性成分的研究進展

田莞爾 易有金 李昌珠 肖志紅, 劉汝寬

(湖南農業大學食品科學與技術學院1，長沙 410128)

(湖南省林業科學院2，長沙 410004)

(湖南糧食集團3，長沙 410003)

微乳液(microemulsion，ME)這一物質體系的存在是在1943年時Hoar等[1]利用己醇滴定乳狀乳液所產生的清澈單相溶液而確定的，但當時眾人并沒有對該物質進行具體的定義與概述。一直到1959年的時候， Schulman等[2]才對其進行正式命名，將其稱為“微乳液”，并在1981年，Danielsson等[3]對微乳液這一概念賦予了規范的定義，將其定義為“水，油和兩親物的體系”。微乳液是由兩種不混溶液體所組成的熱力學穩定分散體，其通過表面活性劑來穩定在油相與水相之間所形成的界面膜，并且在一般情況下與助表面活性劑相結合。在大多數情況下，表面活性劑和助表面活性劑都用于進一步提高體系的乳化程度并穩定水介質中的油相液滴。

微乳液作為具有低黏度的光學透明體系，與常規制劑相比，其具有良好的穩定性、易制性、兩親性等優點，使其在食品、化妝品、采油、日用化學、藥品農藥等多個與我們生活息息相關的領域都具有廣闊的潛力[4]。而為了克服傳統提取植物油脂工藝中低效率、用時長、操作復雜等缺點，有科研人員將微乳技術與植物油料的提取相結合，這為植物油料的提取提供了一個新的方向與思路，本文從微乳液的特性、形成機理與微乳技術在植物油料提取中的相關研究進行綜述，為以后運用微乳技術提取植物油料提供參考，并進一步展望其廣闊的前景。

1 微乳液的特性及分類

無論是微乳液，還是普通乳液，都是由2種不混溶的液體所構成的體系，且其所包含的液滴結構類型均有O/W型與W/O型。但與此同時，這兩者在微觀與宏觀上都存在著明顯的差異。

從微觀角度來看，微乳體系中的粒子半徑一般為10～100nm，而普通乳液的粒子半徑則>100nm。此外，從宏觀角度將兩者進行比較，因為膠束反射自然光，分散質點較大且不均勻，易發生凝結與沉降，所以普通乳液大多呈乳白色的渾濁狀態。而在微乳液中，由于分散質點要遠小于可見光的波長，因此體系呈透明或半透明狀[5]，因此可通過觀察體系狀態和測定體系中液滴粒徑大小及分散情況來判斷是否為微乳液。

而在微乳液與普通乳液間最根本的不同在于普通乳液雖然可能表現出優異的動力學穩定性，但從根本上說，其熱力學并不穩定，體系中各相終將會發生分離，出現分層與破乳現象。而微乳液由于其熱力學穩定的特性，就算是在離心情況下也并不會如普通乳液一樣出現相分離。并且，微乳液的制備不像制備普通乳液時需要大量外界能量的推動，它能在自發狀態下所形成[6]，因此，相較于普通乳液，微乳液擁有更好的穩定性和較低的成本，同時也具有更廣的發展前景。

而根據微乳體系中相行為的不同，又可將其劃分為四種不同的Winsor型微乳，如圖1所示。其中WinsorⅠ型、WinsorⅡ型和Winsor Ⅲ型微乳體系都為多相微乳液，Winsor Ⅰ型為O/W(油包水)型微乳體系，除了下相微乳液以外，還包括多余的油相，WinsorⅡ型為W/O(水包油)微乳體系，體系中上相微乳液與過量水相共存，Winsor Ⅲ型微乳為雙連續相型微乳體系，體系包括三相，分別為中相微乳液與多余的油相及水相。而Winsor Ⅳ型微乳體系為單相微乳液，其作為Winsor Ⅲ型微乳的特殊形式，是在加入合適的表面活性劑時所形成的[7-8]。

圖1 微乳液的種類

2 微乳液的形成機理

目前尚且還沒有一種理論能夠完整的解釋微乳液的形成，但已有六種影響較大的理論出現，本文集中對這六種微乳形成理論進行了概述。

2.1 瞬時負界面張力理論

隨著對微乳體系形成原理的探究，瞬時負界面張力理論出現在了眾人的面前，在該理論中提出微乳的形成需要極低的界面張力，而界面張力的降低是因為表面活性劑所產生的混合吸附，其甚至出現瞬時為負的情況。但這種情況是不能持續穩定存在的，所以界面將自發擴張，導致微乳體系形成[9-12]。

對于多分散體系，存在Gibbs公式：

-dγ=ΣΓidμi=ΣΓiRTdlnCi

式中：γ為油/水界面張力；μi為i組分的化學位；Гi為i組分在界面的吸附量；Ci為i組分在體系中的濃度。

在提取植物油料的過程中，加入體系中的表面活性劑與助表面活性劑，會被吸附在加入的水相與植物油脂所形成的界面上，此時Гi增大，界面張力(γ)會進一步降低，導致界面張力有一瞬時為負的情況出現，為消除界面張力的負值，水相與植物油脂的接觸面會自發的增大，最后形成油滴包裹在水相外的微乳液結構，其內核形成了“水池”，溶解蛋白質等天然活性物質，將活性成分溶解萃入到所構建的微乳體系中，從而達到同步提取油料中植物油脂及天然活性成分的目的。

然而，該理論雖然對微乳形成過程中界面張力的變化進行了分析，解釋了微乳體系的形成與穩定性，也說明了助表面活性劑在微乳體系過程中的作用，但因為不能用具體的實驗來測定微乳形成過程中界面張力的數值，也不能確定所形成微乳體系的類型與在構建微乳體系過程中形成液晶相的原因，而且，在許多微乳體系的構建中，并不一定需要助表面活性劑的加入，所以該理論存在一定的局限性。

2.2 混合膜理論

在微乳體系中，除了包括油相與水相外，中間還存在一吸附單層，其兩側分別與另外兩相接觸并產生界面壓力，因壓力差的不同而產生不同的彎曲程度和方向，這決定了所形成微乳體系的類型[8]，理論示意圖如圖2所示。

圖2 混合膜理論示意圖

當油相側所受到的界面壓力大于水相側時，混合膜會向水相側發生彎曲，形成的微乳體系為W/O型，反之則形成O/W型微乳，若兩側所受壓力一致，無壓力差，那么混合膜也不會發生彎曲現象，構成雙連續相型微乳體系[11]。在提取植物油料時，為將植物油料中具有親水性的天然活性成分溶于內核，則需構建W/O型微乳，使油相側壓力大于水相側壓力，在微觀結構內部形成一個水核，將天然活性成分包裹在內，保護天然活性成分的天然結構及活性。

該理論雖然通過分析壓力差所造成的中間相彎曲現象，解釋了在何種情況下更有利于形成何種結構的微乳體系，但在某些微乳體系的構成中并不需要助表面活性劑的加入，所以該理論并不全面，仍存在一定的缺陷。

2.3 幾何排列理論

在上述混合膜理論的基礎上，通過研究雙親物聚集體中分子的幾何排列進行考慮,構建了表面活性劑在水相與油相交接的界面上進行填充的幾何模型，并將填充系數定義為：

式中：v為表面活性劑中烷基鏈的體積；a0為表面活性劑中極性頭的最佳截面積；lc為烷基鏈的長度。

填充系數P反應了表面活性劑親水基與疏水基橫截面積的相對大小，由此來判斷該表面活性劑有利于何種結構微乳體系的形成。當P<1時，則表面活性劑中烷基鏈的橫截面積小于極性的橫截面積，這使得混合膜向油相側發生彎曲，有利于形成O/W型微乳，其中當P<1/3時，體系中形成正常膠團，隨著P值的不斷增大，體系中W/O微乳液滴的粒徑也在不斷增大，直到P=1時，粒徑達到無限大，界面不發生彎曲，因此1/31時，則有利于形成W/O型微乳[7,13]。

因此在利用微乳技術提取植物油脂時，可以利用幾何排列理論對所添加的表面活性劑進行分析，篩選出P>1，有利于形成W/O型微乳體系的表面活性劑，優化微乳液的組成，促進植物油脂及天然活性成分的提取。而電解質的加入與溫度等條件的變化，都會對填充系數產生影響，從而對微乳體系的構建及穩定性產生影響，所以在構建微乳體系時需要對這些影響因素進行綜合考慮。

2.4 增溶理論

微乳液與膠團溶液在許多方面具有極大的相似性，被Shinoda認為是脹大的膠團。當表面活性劑的水溶液濃度比臨界膠束濃度(CMC)值大時,體系會形成膠束,此時油相就會被體系中的膠束增溶，膠束發生溶脹,當增溶到一定程度形成微乳[14-16]。

若將此理論運用于植物油料的提取中，可根據CMC來確定表面活性劑與水相的比例，為構建微乳體系提供理論基礎，但即使表面活性劑的水溶液得植物油脂具有增溶作用，但并不能表明此時所形成的體系為微乳體系，也不是只有微乳體系才發生增溶作用。

2.5 R比理論

R比理論是著力于構建微乳體系各組分之間所存在的分子間相互作用而提出的,其定義公式為：

R=(ACO-AOO-ALL)/(ACW-AWW-AHH)

式中：ACO為表面活性劑親油基與油分子間的內聚能；ACW為親水基與水分子之間的作用能；AOO為油分子間的內聚能；AWW為水分子之間的內聚能；ALL為親油基間的內聚能；AHH為親水基間的內聚能。

在R<1的范圍內,隨著體系中R比值逐漸向1增大,體系中所形成正常膠團會逐漸膨脹,變為O/W型結構的微乳液,加強對油相的增溶能力；而當R>1時,情況則正好相反，體系中會構成反膠團，逐漸膨脹后形成W/O型微乳體系；而當R=1時,體系形成的為雙連續型結構微乳[13-17]。

根據R比理論可知，當微乳體系中各組分的種類、比例、溫度等性質發生改變時，其分子間的相互作用都會發生變化，此時R比也會隨之改變，因此當運用微乳技術提取植物油料時，需要考慮各組分的種類、比例及外界條件對構建微乳體系的影響。

2.6 熱力學理論

對于前幾項理論，都已經有很多科研人員進行過深度的研究和總結，而熱力學理論尚且還處于剛剛起步的階段，是通過熱力學的計算方法探究微乳的形成過程，但該理論對指導微乳的形成并沒有實際意義。

許多科研人員對微乳體系的形成過程進行了熱力學分析，從而提出了熱力學理論,其中所提出的熱力學公式為[7,18,19]：

ΔG=γΔA-TΔS

式中：ΔG為微乳形成的自由能；γ為油-水表面的表面張力；ΔA為微乳化時表面積的變化；ΔS為系統的嫡變；T為熱力學溫度。

在微乳的形成過程中，大量小液滴狀的相混合時會產生分散熵，其與γ相抵消。而當表面張力的大幅降低時，會伴隨明顯的熵變化，由此實現了負的自由形成能。此時，微乳體系的形成是自發進行的，并且所形成的的為熱力學穩定的分散體系。但在利用微乳技術提取植物油料，構建微乳體系的過程中，仍然可能出現各種各樣的因素影響微乳的形成，所以適當的通過攪拌、加熱等方法能為微乳的形成提供能量，有利于微乳的形成。同時可通過熱力學理論，構建熱力學函數，探究各因素對微乳體系的形成過程及性質的影響。

3 微乳技術在植物油料提取中的應用概況

3.1 植物油料提取概況

近年來，有許多科研人員對植物油脂的特性進行了探究，比如有研究發現，山核桃油具有降血脂、調節脂肪代謝的作用[20]，茶油具有多種營養物質，不僅能降血脂、降膽固醇，還能增強免疫能力[21]。因此隨著經濟的持續發展與人們生活水平的不斷提高，當今社會人們對于含有豐富的非必需脂肪酸和維生素，具有抑菌特性、降血脂、預防冠心病、抗氧化、抗癌、提高記憶力等優點，且消化吸收率遠高于動物油脂的植物油脂的需求量也在日益增加。

目前，植物油脂的傳統提取方法主要分為兩種，一是機械壓榨法，二是溶劑萃取法，其中溶劑萃取法由于其較高的出油率，在我國的植物油大規模的生產中得到了廣泛的應用，但在溶劑萃取法中所使用的有機溶劑，大多為易燃易爆品，而且還有部分溶劑為有毒有害試劑，這構成了一定的安全隱患。而壓榨法雖然安全無害無添加劑、操作簡單，但其卻效率低下，需要較大的勞動力輸出，出油率低[22]。

同時，在植物油料中，除了含有高價值的植物油脂，還含有多種生物活性物質，雖然現有技術采用極性不同的萃取溶劑能分步得到單一目標組分，但其工藝流程長、傳質效率低。因此，低成本、高效率、條件溫和不破壞生物活性成分的同步萃取技術及成為了植物油料內含物高效提取的必然發展方向。而微乳技術的出現無疑是為我們解決以上一系列問題提供了新思路及途徑。

3.2 微乳技術同步萃取植物油脂及蛋白

由關于微乳液分類的闡述可知，根據微乳體系微觀結構的不同可以分為3種類型，分別為O/W型微乳液、W/O型微乳液及雙連續相型微乳液，其中O/W型微乳體系中形成的是正常膠束，而W/O型微乳液在體系中形成的為反膠束。在近幾年的時間里，反膠束作為由非極性溶劑中表面活性劑穩定的油包水(W/O)型微乳液滴[23-24]，因為其簡單易制、穩定雙親等性質，將反膠束與萃取技術相結合運用于物質的提取中，能實現無毒、無害且高效的結果，并且在萃取過程中能充分的保護活性成分的天然結構與活性，所以使反膠束萃取技術在食品領域得到了廣泛的應用，也有越來越多的科研人員對反膠束萃取技術進行探究。

基于W/O型微乳體系自身所具有的自增溶特性，有科研人員猜想，利用W/O微乳體系可以將油脂溶解于有機溶劑中，把蛋白質增溶到極性內核里，從而實現植物油料中油脂和蛋白質的同步萃取，而后續科研人員的研究也成功的證實了這一猜想。

Leser等[25]就將反膠束萃取技術作用在了大豆和向日葵上，從其中同步提取出了植物油脂及蛋白質，并對提取的工藝條件進行了優化。這是首次將反膠束技術作用于提取植物油料物質，并成功的實現了油脂及蛋白質的同步提取，說明了反膠束技術在同步萃取油料中油脂和蛋白質上的可行性，為后續研究人員開辟了新的道路，從此，微乳技術開始在提取植物油料的應用上大放異彩。

陳復生等[26]利用反膠束技術作用于花生，將花生中的植物蛋白和油脂同步提取了出來，實現了微乳技術與同步萃取相結合，此后，對反膠束萃取技術進行不斷的深入研究，致力于微乳液同步萃取技術的不斷優化，并對其理論機制進行探究，通過實驗得出理論知識，再通過理論知識的不斷深入來輔佐實驗與工藝的進行，從而使微乳技術在提取植物油料上不斷的得到進步和發展。

目前微乳技術同步萃取植物油料的研究主要集中于同步萃取植物油料中的植物油脂及蛋白質，如張潔等[27]篩選了最佳配比的SDS/異辛烷/正辛醇反膠束體系，然后用其來萃取大豆蛋白，并優化其工藝條件，在一定的程度上提高了大豆蛋白的后萃取率。張淑霞等[28]對利用AOT/異辛烷反膠束溶液所萃取的大豆蛋白與經堿溶酸沉法所生產的大豆蛋白的功能性進行比較，通過實驗結果發現，反膠束萃取所得蛋白，無論是溶解性與發泡性，還是乳化性都具有較好的性質，并且發現反膠束對于小分子蛋白的萃取能力比對大分子蛋白的萃取能力強。高亞輝等[29]在所構建的AOT/異辛烷反膠束基礎上探究了其在反萃取大豆蛋白時的動力學模型，研究了在不同條件下，各因素對其反萃取過程的影響，這為控制萃取過程，提高萃取率提供了理論基礎。楊穎瑩等[30]將反膠束萃取與浸出法所得的大豆油脂進行對比，通過實驗結果發現反膠束法所提取的油脂具有較優的品質。因為在前期實驗中發現，當用AOT/異辛烷反膠束來萃取油脂時，體系中會有AOT殘留，吳倩等[31]對如何脫除殘留的AOT進行了研究，并將ATO反膠束萃取所得大豆油與索氏抽提提取的大豆油的品質進行對比，對比的結果發現通過反膠束所得的油值具有更優的品質。張倩等[32]以全脂豆粉為原材料，考察了不同因素下，反膠束體系微觀結構及前萃率的變化。在過去的二十多年中，陳復生團隊為反膠束技術同步萃取的研究做出了巨大的貢獻，不僅為國內微乳技術在植物油料的提取上的應用打下了堅實的基礎，為反膠束同步萃取的后續研究提供了一系列的理論基礎，具有極大的參考價值。

隨著微乳技術在植物油料提取上不斷進行深入研究，研究人員對微乳技術同步萃取植物油脂及蛋白進行了探究。趙萍等[33]將SDS、正辛醇與異辛烷所配制的反膠束體系作用于葵花籽粕，對葵花籽粕中的蛋白質進行萃取，并對工藝操作進行篩選優化，得到最優的工藝條件。王悅等[34]在2018年以核桃為原料，研究了反膠束法提取核桃蛋白的工藝優化，并對其所得核桃蛋白的理化性質進行評價。

現有的研究充分說明在利用微乳技術提取蛋白的過程中應如何優化‘前萃’及‘后萃’的工藝條件，以此來達到更優的提取效率與結果，為日后構建其他的微乳體系作用于其他油料作物提供充足的參考。并通過對比研究可知，通過微乳技術所獲得的植物油脂及蛋白質都具有更為優良的品質，充分說明了微乳技術在提取植物油脂及蛋白質的優勢。但在利用微乳技術提取油料物質的同時仍存在一系列需要解決的問題，比如，在提取過程中所加入的表面活性劑大多為有機溶劑，在提取結束后應充分去除。

3.3 微乳技術萃取其他生物活性物質

現在已經有很多科員人員驗證了微乳技術能應用于植物油脂與蛋白質的同步萃取，并對其萃取過程進行了具體的分析，但隨著對應用微乳技術在植物提取中應用研究的不斷深入，研究人員發現，運用微乳技術，不僅能在植物油料中同時萃取油脂及蛋白，也可以達到提取其他天然活性物質的目的。如陳明拓等[35]將AOT/異辛烷反膠束應用于粗苦參堿，提取粗苦參堿中的苦參堿達到純化的作用。劉小琴等[36]提出將微波輔助、雙水相與反膠束技術聯用，作用于藥材提取純化苦參生物堿。郭曉歌等[37]以葵花籽仁粉為原料，利用反膠束技術，從中提取綠原酸。金挺等[38]選用P204/正辛醇反膠束作用于枳實粗提物提取L-辛弗林，優化其萃取條件，探究其萃取原理。盧瑞芯等[39]運用微乳技術作用于番石榴葉，提取其中所包含的槲皮素，并于傳統提取方法相比較，發現利用微乳法提取能得到更高的提取率。任彥飛等[40-42]將微乳技術與閃式提取技術相結合，并利用O/W型微乳提取厚樸與當歸，充分體現了微乳技術在萃取方面高效、快速的特點，并說明了微乳技術運用于中藥材提取所具有的優勢性。賀俊杰等[43]將微乳技術運用于靈芝組分的提取，達到同步萃取靈芝中所包含的靈芝三萜與多糖，發現微乳萃取技術不但具有同步萃取，操作簡單快速等優點，由于其提取物的粒徑為納米級，因此更有助于腸胃對有效成分的吸收。

近年來微乳技術不僅能利用于蛋白質的提取，還能用于中藥材中黃酮類、醌類、多糖等活性成分的提取與純化[44]，因為大部分的天然活性物質在植物油料中含量較低，所以若單一提取天然活性物質，一般都會存在耗時長、效率低等問題，而利用微乳技術能達到同步萃取這一特性，無疑在很大程度上避免了單一提取所造成的缺點，并具有經濟、無毒、選擇性強、便于操作等優勢。這為植物油料中活性成分的高效提取提供了一個新的思路與方向。

4 小結

隨著對微乳技術的不斷深入研究以及優化，微乳技術在植物油料提取領域將會得到更加廣泛的應用，從而提高了從植物種子中植物油脂的提取率與所提植物油脂的質量。同時，微乳技術在植物油料的提取上可以達到同步萃取的目的，在提取植物油脂的同時，提取出植物油料中的活性成分，避免了天然生物活性成分的損失。為植物油料高效率、低污染的提取提供寬廣的前景。

但微乳技術同步提取植物油脂及天然活性成分仍處于發展研究階段，仍存在許多問題需要進一步的解決及探究，如在利用微乳技術從植物油料中提取油脂及天然活性成分的過程中，不可避免的需要加入有機溶劑，因此萃取后如何去除殘留的有機溶劑也是必須要解決的問題。雖然微乳技術能達到同步提取植物油脂及天然活性成分的目的，但為構建微乳體系，需要先對各組分的比例進行探究，植物油料中油脂及所需提取天然活性成分的含量比例會對微乳體系的構建造成一定的影響，因此在利用微乳技術提取植物油料的時候，需要對這一因素進行綜合考慮。這些問題是將來需要研究的重點。隨著這些問題一步一步的解決，微乳技術在植物油料的提取上會得到越來越廣泛的應用。