您了解納米乳液嗎？
納米乳液常被用于藥物傳遞、食品、化妝品、制藥和材料合成。
您是否曾設想過，在浩瀚無垠的太空中，如何巧妙地實現(xiàn)納米乳液的無重力制造，比如一款太空自動化機器。作為未來“天體藥劑師"，它可以為長期太空探索的宇航員提供新鮮的滿足營養(yǎng)、質量和風味需求的個性化飲料或者藥物配方，支持健康監(jiān)測數(shù)據(jù)和醫(yī)療專家決策(圖1)。
圖1. 本研究旨在證明微流體自發(fā)乳化的先例（“概念驗證"），以滿足強化設計飲料的產(chǎn)品需求。后者需要解決超越先例的科學挑戰(zhàn)。
讓我們一起跟隨流動化學領域國際專家，澳大利亞阿德萊德大學Volker Hessel教授團隊， 共同探究未來“天體藥劑師"—如何在連續(xù)流設備中實現(xiàn)微流體自發(fā)納米乳化。
研 究 探 索
神奇的納米乳液
納米乳液是一種特定的納米結構，由液滴（即分散相）分 散在另一種液體（即連續(xù)相）中。典型的納米乳液是油包水（O/ W）納米乳液和水包油（W/O）納米乳液。
特征尺寸：與傳統(tǒng)乳液相比，納米乳液的平均液滴直徑要小得多，通常 定義為200納米以下。納米乳液具有光學透明或輕微渾濁的特性，不太容易受到由重力引起的不穩(wěn)定機制的影響。
應用優(yōu)勢：O/W納米乳液在制藥和食品研究中備受關 注，可以分別包裹疏水活性藥物成分或疏水營養(yǎng)保健品和香精劑。這些化合物通常對環(huán)境條件很敏感，而納米結構封裝可以保護生物活性分子免受過早降解，促進生物利用度。
傳統(tǒng)制備S連續(xù)流自發(fā)乳化
傳統(tǒng)制備方案
高能量乳化技術：納米乳液通過高能量乳化技術如高壓閥門均質器及超聲波均質器等制備。這些技術依賴強大的機械力以誘導液滴分散至油相中。這些方法不僅能耗高，還會在過程中釋放大量熱量，可能對溫度敏感的封裝分子造成損害。
圖2. 自發(fā)乳化的過程：一旦油相和水相接觸，表面活性劑會移動到界面，并通過快速擴散形成液滴。
自發(fā)乳化（SE）：是表面活性劑由油相因親水性特性自發(fā)遷移至油水界面處的現(xiàn)象。低能量乳化技術利用這一自然機制及乳液相轉變等分子間作用，實現(xiàn)乳液穩(wěn)定形成，避免了高溫損害，保護了活性成分（如圖2）。
連續(xù)流自發(fā)乳化
傳統(tǒng)方法需高濃度合成表面活性劑或依賴強大的機械力，限制了在食領域的應用。作者聚焦無溶劑自發(fā)乳化，并建議與連續(xù)流微流體技術結合，以提升乳化效率。
連續(xù)自發(fā)乳化：
通過連續(xù)流探索微小尺度流體，其通道直徑介于幾十微米至幾毫米，此時毛細力和表面張力顯著，實現(xiàn)流體精確控制。該技術擴大界面面積，促進傳質，并增強相內(nèi)對流，加速界面更新。
連續(xù)流自發(fā)乳化，能生成尺寸均勻的液滴，增強了乳液的穩(wěn)定性。盡管微流體形成的液滴直徑下限通常在幾微米，但其自發(fā)乳化能力在理想條件下能顯著超越傳統(tǒng)方法，輕松制備出超細液滴。
實驗研究過程
實驗體系：
作者采用與以往文獻相同的油、乳化劑和水相建立作乳液模型系統(tǒng)。
油相組分：超濾制藥級中鏈甘油三酸酯（MCT）
乳化劑：非離子表面活性劑Tween 80（Polysorbate 80）
水相：高度稀釋的磷酸鹽緩沖液（5 mm；pH 7.4，25 °C）
實驗研究：
油相的制備：SOR（surfactant-to oil ratio）是指 Tween 80 和 MCT 質量比
油相密度測量
油相粘度測量
大流體乳化研究（滴定管）
單接觸微流體乳化研究：通過使用內(nèi)徑為0.5毫米的T型混合器混合極性相和非極性相進行
多接觸微流體乳化研究：使用康寧低流量反應器混 粒度分析
圖3 頂部：假定的納米液滴形成流體在滴定管中，左側，在T微流體混合器中；左下：康寧高通量微通道反應器系統(tǒng)具有兩個泵；右下：康寧反應器中多次重復的心形單元。
實驗完成后，作者立即使用靜態(tài)光散射儀進行了平均粒徑（d32）和粒徑分布測定，以避免由于顆粒聚集引起的結果失真。
實驗結果與討論
案特征化模型系統(tǒng)
本研究旨在開發(fā)穩(wěn)定的納米乳液飲料模型系統(tǒng)，通過三元相圖分析確定了油-水-表面活性劑的最佳組合（圖4）。
圖4. Tween 80，中鏈甘油三酸酯（MCT）和5 mmol磷酸鹽緩沖液（水相）組成的系統(tǒng)的三元相圖。1）“同時混合": 所有組分同時混合，2）“水表面活性劑預混合": 在添加MCT之前混合Tween 80和磷酸鹽緩沖液，3）“油表面活性劑預混合": 在添加水相之前混合Tween 80和MCT。
研究顯示：
在低表面活性劑濃度和大量水相濃度的組合范圍內(nèi)，作者找到了一個穩(wěn)定的三組分組合（圖4c）：即10 wt%的中鏈甘油三酯（MCT）、20 wt%的Tween 80（表面活性劑與油的比例為2.0）和70 wt%的磷酸鹽緩沖液。
這一組合不僅穩(wěn)定，而且不與凝膠形成區(qū)域接壤，為后續(xù)的深入研究提供了理想的起點。該組合將被視為進一步研究的最高表面活性劑濃度基礎，旨在通過優(yōu)化表面活性劑與油的比例，進一步降低表面活性劑的用量，提高乳液的經(jīng)濟性和環(huán)保性。
油相的密度和粘度
作者詳細考察了油相（MCT）的密度和粘度，以設定工藝參數(shù)，確保其在設備操作范圍內(nèi)。油相密度和粘度隨Tween 80濃度增加而增加，高粘度影響準確進料。實驗確定了在20-50°C下油-表面活性劑混合物的粘度變化，發(fā)現(xiàn)所有混合物在50°C時粘度低于設備限制，但考慮設備溫度限制，選定40°C為操作溫度。
通過粘度分析，確定了微流體實驗中可考慮的最高SOR為1.5，以避免設備損壞。此外，提出了微流體實驗建議，強調連續(xù)流動乳化過程的優(yōu)勢，可能通過分步添加油相降低表面活性劑濃度，促進自發(fā)乳化，進而為接下來的自發(fā)乳化和微流體混合評估實驗奠定基礎。
自發(fā)乳化和微流體混合評估
作者對比了自發(fā)乳化和傳統(tǒng)乳化在宏觀流體與微流體混合器中的表現(xiàn)（圖7）。
圖7 a）Sauter直徑與表面活性劑-油比例相關（CE：傳統(tǒng)乳化，SE：自發(fā)乳化）。b）使用傳統(tǒng)乳化制備的宏觀流體乳液的粒徑分布。c）使用自發(fā)乳化制備的宏觀流體乳液的粒徑分布。
宏觀流體實驗中，自發(fā)乳化在低表面活性劑濃度下即能形成納米級液滴，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)乳化。
單接觸微流體混合器雖能縮短過程時間，但乳液粒徑較大。
多接觸微流體混合器在自發(fā)乳化條件下，顯著降低了液滴尺寸，達到納米級，且粒徑分布更窄，表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。特別是在SOR為0.5時，自發(fā)乳化結合多接觸微流體混合器制備的乳液粒徑最小，僅為94納米，相比宏觀流體和單接觸微流體分別減小了64%和42%。
多接觸微流體裝置大幅縮短了處理時間，對于實現(xiàn)宇航空間飲料分配器具有競爭潛力，為制備高效、穩(wěn)定的納米乳液提供了新思路。
未 來 展 望
高效混合與納米乳液應用
鑒于顆粒大小方面的積極結果，但在應用自發(fā)乳化時顆粒大小分布方面的意外觀察，作者計劃未來調查在不同表面活性劑-油比下自發(fā)乳化機制。
預計將使用類似混合性能更高的多接觸微流體混合器進行實驗，例如康寧G1反應器具有類似設計和最大體積流量為300ml/min，進一步顯著縮短處理時間
自動化系統(tǒng)與“設計師飲料"
作者未來致力于驗證營養(yǎng)品和藥物在納米液滴中的穩(wěn)定添加，確保納米乳液的品質，并計劃調整微流體制造工藝以優(yōu)化飲料的整體質量。此外，向納米乳液中添加風味以提升飲料的感官質量也是作者關注的重點。
展望未來，作者團隊將實現(xiàn)微流體系統(tǒng)的全面自動化，這包括安裝過程監(jiān)測傳感器和分析設備（如溫度、壓力、粒徑控制等），以及配置閥門以從化學庫中精確選擇和投放各種營養(yǎng)品和藥物，實現(xiàn)定制“設計師飲料"的概念。通過計算機控制泵、閥門和監(jiān)測裝置，不僅能夠確保生產(chǎn)過程的精確控制，還將實現(xiàn)遠程操作微流體處理單元，為飲料制造業(yè)帶來靈活性和效率。
參考文獻：DOI: 10.1002/adhm.202203363
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