長鏈n-3多不飽和脂肪酸納米乳液制備及應用研究進展

謝躍杰，王鍇，肖懿雪，王操，王怡涵，王強*

1(重慶第二師范學院 脂質資源利用及兒童日化品研發(fā)重點實驗室，重慶，400067)2(重慶第二師范學院 生物與化學工程學院，重慶，400067)3(重慶第二師范學院 現代大健康產業(yè)學院，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的熱力學穩(wěn)定、各向同性，透明或半透明的均相分散體系。一般來說，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，比如顏色透明、負載的生物活性物質生物利用度高、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食品越來越受到學術界的關注。然而，長鏈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等大多數具有特殊功能的生物脂質均為弱水溶性物質，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)勢一直未能很好的體現在食品工業(yè)中。近年來納米科技及膠體科學的快速發(fā)展，不斷涌現出制備納米乳液和提高穩(wěn)定性的新技術和新方法，這些進步使得優(yōu)化設計具有特定功能和用途的納米乳液成為可能[5-6]。針對該領域的研究現狀，本文綜述了近年來在LCn-3 PUFA納米乳液特點、制備方法以及功能應用等的最新研究成果，希望對食品及飲料工業(yè)中應用負載LCn-3 PUFA食品納米乳液的合理設計與制備有所啟示。

1 負載LC n-3 PUFA食品納米乳液的特點

在功能食品及飲料市場快速發(fā)展的當下，食品工業(yè)對在食品體系中有效包埋與傳輸(如生物活性物質、風味物質及天然色素等)功能性物質的需求逐漸增加。這其中大部分物質例如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，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，這限制了可用于負載脂溶性生物活性物質傳輸系統(tǒng)的種類，因為傳輸系統(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)有望克服以上問題，成功負載脂溶性生物活性物質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)食品或飲料產品中被廣泛用于包埋脂溶性活性物質，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，尤其在一些特殊食品中的應用。納米乳液通常能抵抗因顆粒聚集和重力作用導致的乳液不穩(wěn)定現象，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，因此更適合于對外觀清澈度有較高要求的食品，尤其是功能飲料的生產[2]。通過結構化設計，納米乳液可形成高黏度、膠狀類濃縮乳液，可實現在保證口感的同時顯著降低油的用量，因此可用于酸奶等對食品流變性質有不同需求的食品，或針對肥胖患者的低脂食品[10]。納米乳液可顯著提高其所負載活性物質的生物利用度，因此可用于包埋和傳遞某些對人體生物利用度低的生物活性物質[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構特性，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納米乳液對食品儲存穩(wěn)定性的影響見表1。

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

2 負載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，納米乳液可經高能量和低能量2種制備方法實現[21]。高能量方法利用機械裝置，產生可破壞或摻雜油水相的高強度作用力，實現乳液尺寸納米化，這類機械裝置包括高壓真空均質機，微射流均質機和超聲儀等。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，比如高昂的設備安裝維護費用及高能耗損失，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，在混合的表面活性劑-油-水(surfactant-oil-water, SOW)三相體系，通過改變SOW組成或環(huán)境條件，最終自發(fā)形成納米乳液[22]。基于低能量技術的納米乳液制備方法主要包括自乳化及相轉變兩大類[23]。低能量納米乳液制備方法具有設備簡單、成本低、低能耗損失等優(yōu)勢，該方法可用于對高黏度油脂制備納米乳液，且一旦形成后對環(huán)境的穩(wěn)定性影響較小[24]。

自乳化方法源于制藥領域，用于制備自乳化納米藥物傳輸系統(tǒng)，近年來開始應用于食品領域，以制備負載脂溶性生物活性物質的納米乳液[25]。盡管自乳化方法制備納米乳液的機制尚未完全闡明，但普遍公認的機理(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。由于這種運動，水分散物質由油相轉變?yōu)樗啵瑢е陆缑娌环€(wěn)定，小油滴自發(fā)形成。為了產生小的乳狀液滴，兩相界面處的紊流應該被觸發(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、界面應力、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鍵因素，可用該方法制備納米乳液的脂質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制Fig.1 Preparation mechanism of nano-emulsion by self-emulsification method

2.2 負載LC n-3 PUFA食品納米乳液低能量技術制備方法

通過低能量方法，雖可得到食品級納米乳液，但其制備過程主要依靠經驗方法，比如在油與食品級表面活性劑被確定的前提下，通過改變乳化條件實現乳液尺寸的納米化。此外，所制備的納米乳液是否能滿足對預期食品或飲料外觀、流變學等功能性的需求只能在反復試驗后得到確認，這種方式不僅浪費資源，常常也得不到理想結果。納米乳液是由單個納米顆粒組成，因此納米乳液最終的功能性質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)等結構特性決定。為了能在不同的低能量方法中正確選擇實現食品功能要求的方法及SOW組成，建立納米乳液-固體分散體結構功能關系將至關重要，這樣可實現按需定制食品納米乳液工業(yè)。因此，通過建立乳液納米顆粒自身微觀結構特性與納米乳液整體外觀、穩(wěn)定性及流變學特性等宏觀功能特性間關系，是優(yōu)化低能量方法，合理設計具有特定功能和用途食品納米乳液的有效保證。

相轉變方法可以通過改變體系不同溫度、鹽離子濃度或pH等環(huán)境條件下表面活性劑性質，包括其分子曲率、構相和相對溶解度的變化實現。常見的相轉變方法包括相轉變溫度、組成相轉變和突變相轉變等，但目前僅組成相轉變和突變相轉變2種方法可實現對食品級表面活性劑及食用油制備食品納米乳液。組成相轉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相變。它的形成是通過改變環(huán)境pH或鹽離子濃度，促使表面活性劑分子曲率或相對溶解度的改變，并最終形成納米乳液(圖2)。

圖2 組成相轉變方法制備納米乳液機制Fig.2 Preparation of nanoemulsion mechanism by phase transformation method

在低溫下，對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，使其在油水界面達到親疏水平衡，繼續(xù)添加將實現水包油納米乳液。由于聚合物鏈脫水，聚氧乙烯等非離子表面活性劑經過連續(xù)的快速冷卻和加熱過程，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。組成相轉變方法是一種低成本的方法，容易擴大規(guī)模，通過控制溫度從而產生所需的液滴尺寸。主要的缺點是它局限于非離子表面活性劑，可能需要大量的乳化劑[30]。

與組成相轉變不同，突變相轉變方法是通過改變表面活性劑-油-水組成比例來形成納米乳液。如圖3所示，在攪拌的狀態(tài)下通過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。該方法的作用機制是當水的添加量超過一臨界點時，最初油包水系統(tǒng)中形成的層狀液晶結構會因水濃度的增加而膨脹，最終導致油包水結構的破裂并達到相轉變點，形成水包油納米乳液[31]。

圖3 突變相轉變方法制備納米乳液機制Fig.3 Mechanism of nano emulsion prepared by mutant phase transformation method

納米乳液體系為熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng)，通常會因奧氏熟化而造成體系物理不穩(wěn)定。此外改變環(huán)境存儲條件時，其穩(wěn)定性也會發(fā)生改變，比如低溫貯藏通常會出現沉淀。因此需改善技術，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。固體分散技術是將研究對象以分子、膠態(tài)、微晶等狀態(tài)均勻分散在某一固體載體物質中，通過不同干燥技術，最終制成無定形固體分散體。固體分散技術最早用于增加難溶性藥物的溶解度和溶出速率，同時延緩和控制藥物釋放[32]。此外，固體分散技術能夠增加藥物的穩(wěn)定性，提高藥物的生物利用度，因此被廣泛應用于各種藥物劑型的制備。運用固體分散技術所制備的納米乳液固體分散體將同時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。通過固體分散技術制備的納米乳液固體分散體，一方面在體外可存儲于各種低溫狀態(tài)并保持其物化穩(wěn)定性，另一方面能有效保護生物活性物質順利通過胃液，并經胃液及胃的蠕動下再次生成粒徑<200 nm的微乳液進入人體小腸消化系統(tǒng)。這些細小微乳液的形成能有效增加其表面積，從而使其負載的生物活性物質能被腸壁細胞有效吸收，最終獲得生物活性物質一致和可重復的生物利用度。

3 負載LC n-3 PUFA納米乳液的應用

納米乳液可以通過覆蓋一層保護壁材料，封裝必需脂肪酸、維生素、多肽、抗氧化劑、礦物質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)、化學反應或遷移，并在加工和儲存時保持其穩(wěn)定性，廣泛應用于食品加工、生物、醫(yī)藥等多個領域[33]。

3.1 納米乳液在食品體系中的涂層保護應用

納米乳液包封親脂成分可提高其處理和使用的便利性，促進其與產品的結合，通過改善親脂化合物的性質增加生物利用度，控制其釋放的速度或位置，保護其免受化學降解。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多種疾病有預防作用，比如對心血管系統(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的方法是以經高壓均質、干燥獲得LCn-3 PUFA粉體為食品原料，添加入食品中。這一現有工藝最大的問題不僅是能耗高，而且由于LCn-3 PUFA化學穩(wěn)定性差，極易發(fā)生脂肪氧化。有研究表明經高壓均質后，由于機械操作過程溫度的影響，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，不僅對產品儲藏期間的微生物種群數量、生化反應、生理褐變、氧化穩(wěn)定性起到積極作用，而且應用領域也日趨廣泛。具體應用及影響效果見表2。

表2 納米乳液在食品體系的應用及其影響效果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應用

納米乳液的另一個優(yōu)勢是能提高其負載活性物質的生物利用度，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]。從營養(yǎng)學的角度，提高具有特殊營養(yǎng)功能活性物質的生物利用度，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載生物活性物質生物利用度的過度提高，是否會對人體造成負面影響[46]。納米乳液系統(tǒng)在提高食品基質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。封裝還有助于通過提供親水涂層或機械應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LCn-3的每日推薦用量是650～1 000 mg，而過多食用可能導致因血小板聚集造成的出血不止。理論上，納米乳液負載的LCn-3 PUFA因可能的生物利用度提高而對人體產生類似出血不止的劑量將低于其被普通食品負載所需的劑量[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載的食品或飲料，在固化納米乳液等納米食品進入市場前，應對其所負載生物活性物質的生物利用度進行系統(tǒng)評價[48]。

4 展望

低能量方法制備食品納米乳液并最終固化，是納米技術中最為便捷的可用于重塑食品功能的途徑。我國對功能性食品納米乳液的研究處于起步階段，尤其對負載生物活性脂質納米乳液固體分散自身物性及對生物利用度的改變和評價的研究相對較少，在將其成功應用于食品工業(yè)之前，仍有一些瓶頸亟待解決：如何選擇高效的工藝過程，利用食品級原料制備納米乳液；如何合理設計納米乳液顆粒，使其負載的功能物質獲得特殊的功能性；如何成功的將負載功能物質的納米乳液整合進入食品主體，在不同儲藏條件下保持物理穩(wěn)定，并不影響食品固有品質；如何正確評估負載功能物質納米乳液的生物利用度等都是該領域未來亟待解決的問題。選擇低能量制備方法及相關固體分散技術的研究不僅將對相關領域研究提供新的思路，所取得的研究成果對于開發(fā)安全無毒、負載其他生物活性脂質的食品納米乳液及固體分散體也將具有借鑒意義，為我國食品工業(yè)功能食品領域在國際市場上的拓展提供新的解決途徑。