纳米乳液制备技术及功能应用研究进展

江连洲，李佳妮，姜 楠，李 杨，隋晓楠，伍 丹，张 璟，张菀坤，王中江

(东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030)

纳米乳液制备技术及功能应用研究进展

江连洲，李佳妮，姜 楠，李 杨，隋晓楠，伍 丹，张 璟，张菀坤，王中江

(东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030)

随着科学技术在食品领域的发展，纳米技术在食品、药物、化妆品、石油、农业及涂料等领域被广泛应用，引起了社会的高度关注。纳米科技包括众多科学技术，其中包埋技术是纳米科技中的重要技术之一。在功能性食品组分的运输载体构建方面，纳米包埋技术展现出了极大的潜力。该文综合叙述了纳米乳液结构、性能、制备方法以及应用情况。同时，该文以纳米乳液在食品中的应用为基础，围绕着被包埋物的人体利用率以及可能存在的被包埋纳米颗粒潜在的生物毒性，阐述了当前纳米乳液技术存在的关键性问题，并分析了问题的产生原因，为纳米乳液技术在日后的研究提供依据。

纳米乳液；结构性能；制备方法；生物利用率；潜在毒性

近几年来，伴随着科学技术的发展，纳米技术的研究与应用在世界范围内受到普遍关注。由于该技术制备的纳米乳液分散体稳定性较好，不易发生聚合或分离的现象[1]，较传统乳状液又兼具有高粘性或凝胶状特性[2-3]，使得纳米乳化技术日渐渗透到众多科技领域，也因此成为了全球范围内拥有巨大应用前景及发展潜力的研究对象。该文主要围绕纳米乳液的结构性能、制备方法及应用领域进行详细叙述。此外，在食品科学方面，针对食品中存在的诸如类胡萝卜素等功能性营养成分创建出了纳米级颗粒输送载体，这种载体随后逐渐演化成为纳米技术研究的核心部分[4-7]。相较于其他种类载体而言，食品级纳米载体表现出了更强的稳定性能与更突出的体内消化、控释及靶向性功能。然而随着纳米乳液添加量的扩大，食品安全也存在着不可避免的隐患[8-10]，从而引起生物体内一些不确定的潜在的变化。综上，本文阐述了人体胃肠道内纳米乳液在吸收、分布、代谢以及排泄过程中发生的一系列物理或化学变化。并借助前人各项研究结论，推测了造成人体内纳米乳液中所包埋的各营养成分在体内综合利用度差异的种种原因，同时分析了引发纳米乳液潜在毒性的可能原因。

1 纳米乳液的概念

纳米乳液被定义为是一种包含极小颗粒的普通乳状液[1-2]，粒径在50～200 nm之间[11]，也被称为微小乳液[12]、超细乳液[13]或不稳定微乳液[14]等。由于其粒径极小，所以往往呈现出透明到半透明状态。根据液滴分布情况，可将其分为三大类：即油包水型纳米乳(W/O型)、水包油型纳米乳(O/W型)及双连续型纳米乳(B.C型)[15]。针对纳米乳液而言，加入表面活性剂不仅会使形成的乳液更稳定更难于凝聚，而且在提升该乳液动力学稳定性方面也会有显著效果[16]。与此同时，复合表面活性剂较单一表面活性剂的使用能更容易地制备出稳定性能良好的纳米乳液。在一般情况下，纳米乳液的组分包含水、油及以乳化剂等为代表的表面活性剂，有时还添加助表面活性剂以达到更理想的乳化效果。

2 纳米乳液结构

2.1 壁材与芯材

壁材及芯材是构成纳米乳液颗粒的重要组成部分，壁材常由一种/多种水溶性物质构成，常见壁材包含司盘及吐温等；芯材一般包含一种/多种脂溶性非极性成分，以甘油单酯、甘油三酯及各类营养素为多见[17]。

2.2 乳化剂类型

2.2.1 小分子乳化剂 通常情况下，食品添加剂的国际通用标准中允许在纳米乳液内添加一些诸如司盘、吐温等小分子表面活性剂。由于这些表面活性剂能够相对容易地在油水界面展开，并兼有降低表面张力的能力，从而使乳液颗粒粒径缩小，故受到研究学者们的亲睐。然而，因纳米乳液的吸收模式较特殊以及这类通过化学手段合成的表面活性剂在人体中的应用，研究者们对其安全性产生了顾虑。因此，研究者开始寻找天然的生物大分子乳化剂[18-19]，旨在纳米乳液的制备过程中使其代替小分子表面活性剂。

2.2.2 大分子乳化剂 界面上空间结构复杂的生物大分子能够形成粘弹性吸附膜，不同于形成单分子层吸附的小分子乳化剂，大分子乳化剂能够加大乳液颗粒间的空间排斥作用，还能有效阻隔乳化体系同外环境之间的接触。故而，生物大分子对功能性组分以及对乳液稳定性所产生的保护效果是小分子乳化剂无法达到的，同时生物大分子也可应用于具有生物兼容性的纳米乳化体系的制备。部分食品大分子乳化剂使用情况见附表[20-23]。

附表 食品领域常用大分子乳化剂性能

3 纳米乳液性能特征

纳米乳液稳定性好，分散均匀，粒径小，表面积大且自由能大，使乳液能有效地传递系统能量。纳米乳液为动力学稳定体系，与微乳液(有表面活性剂能自发形成的热力学稳定体系)有所不同。由于纳米乳液的粒径较小，从而使体系能够利用布朗运动抵抗重力因素。这不仅减少了储存过程中可能存在的沉淀问题，还能够防止体系产生絮凝现象，使纳米乳液体系更加均一化。较大的油/水界面张力能提高纳米乳液渗透及沉积、润湿、铺展能力。比表面积大的小粒径纳米颗粒能够提高活性物质的穿透力，使纳米乳液更易穿透皮肤表面。

4 纳米乳液的制备技术

纳米乳液不能自发形成，属于非平衡系统，利用乳液结构中的化学潜能、外界机械设备的能量等外加能量来制备纳米乳液为其常用制备方式。

4.1 低能乳化技术

低能乳化技术是指通过体系内能制备纳米乳液的方式。自乳化技术、相转变温度技术和反相乳化技术都属于低能乳化技术[27]。

4.2 高能技术

具有微小液滴的纳米乳液还能用产生强烈破坏性力的机械设备制备。采用高能技术所形成的最小粒径，取决于均质机的类型、各相成分的理化性质、样品组成及操作条件等因素[24]。

5 纳米乳液功能

5.1 光学透明体系

在食品加工领域内，纳米乳液主要用途是把脂溶性功能组分包裹起来并转运携带至澄清/稍有浑浊的产品内[25-26]。对于此应用，为避免强烈的光散射效应，纳米乳液的液滴半径需足够小，并且在产品长期储藏时也需保证其粒径维持在这一足够小的标准上。依据米氏理论可知，若要制得光学透明的体系，乳液中大多数液滴的半径需小于40 nm[27]。所以如果要生产具有一定透明度的食品级纳米乳液，就要控制乳液内绝大部分液滴的半径不可高于某一临界值并在此水平下维持稳定，否则乳液经过一段时间后便不再澄清透明。

5.2 改善乳液稳定性

乳液是一种热力学不稳定体系，极易受到各种物化机理作用的影响而破乳[28～30]。然而虽与常规乳液组成成分相同，但纳米乳液的稳定性却与常规乳液有着明显差异。纳米乳液能够有效抵抗重力分离及液滴聚合等作用而维持其良好的稳定性能，但因纳米乳液的液滴较小，因此对于奥氏熟化的稳定性比较差。除此之外，纳米乳液的液滴粒径较小也使其内部组分相对于普通乳液内的成分更易发生化学降解。

5.3 装载和释放特性

被纳米乳液包裹的功能性成分的分子特性及纳米乳液的组成、性质和微观结构决定了纳米乳液装载和释放功能性成分的能力[29]。纳米乳液可装载与释放的成分可分为挥发性成分和非挥发性成分两大类。

5.3.1 非挥发性组分 非挥发性成分向周围水相释放的机理与过程是研究者们关注的焦点，即在人体的口腔、胃部及十二指肠内的释放。因此，构建一种触发机制来促使非挥发性成分的释放是至关重要的。即使纳米乳液的组分与常规乳液内的组分十分相近，但它们装载及释放非挥发性组分的能力却有明显差异，这是由于乳液中油成分的溶解度会随乳液中油滴粒径的变化而发生改变造成的。

5.3.2 挥发性组分 由于挥发性组分能够以极快的速率由乳液中扩散而出，所以纳米乳液的颗粒粒径对于这类挥发性组分的释放速率没有明显的影响。然而，体系内所含总油脂的量会明显地影响纳米乳液液滴释放挥发性组分的速率。若乳液中油脂含量比较高，则其中风味物质的释放就会较持续，反之，则风味物质便会短暂而强烈地释放。

5.4 提高脂溶性成分的生物利用率

研究表明，包埋在乳液液滴中的脂溶性功能成分的生物利用率会随液滴粒径的减小而提高[32-33]。但针对组成成分不同、液滴大小及表面性质有所差异的纳米乳液而言，科学界对其的作用机理的尚未有明确的结论，对于纳米乳液提高脂溶性成分生物利用率的机理也有各种不同的解释。近年来，Wang Xiaoyong[34]和Huang Qingrong[35]等人研究发现，被纳米乳液所包裹的姜黄素的口服效果有显著提升。同时，很多的研究结论[36-39]也表明，各类脂溶性的营养成分及药物的生物利用率都可以利用纳米乳液技术而得到提升。

6 纳米乳液包埋物吸收代谢、可利用率与纳米乳液潜在毒性

依据前人研究[40-41]能够得出结论，胃肠道中各个部位提供了复杂的物化及生物学环境，纳米乳液颗粒构造及其所包裹的营养成分存在形式会因这些环境的改变产生相应改变，从而会影响纳米乳液的生物学效应及其生物学安全性。

6.1 纳米乳液的消化代谢

纳米乳液被人体摄入后，经过口腔、胃部、十二指肠消化时，由于会受到各个部位酸碱度、表面活性组分、酶的种类与活性，以及剪切力等因素的影响，而产生结构的改变。最初在进入人体口腔(pH=7)时，由于强烈的咀嚼力度与咀嚼速率使得纳米乳液的颗粒结构被部分的破坏[42]。随后进入胃部开始被胃内消化酶水解消化，由于胃部pH在2.3～3的较酸范围内，这样的强度酸会与乳液颗粒自身携带的电荷中和，造成乳液颗粒之间呈现部分聚集状态[43-44]。随后，已被大部分破坏的纳米乳液颗粒进入小肠(pH=6～7)及大肠(pH=5.5～7)被进一步水解，此过程中，外源性及内源性的表面活性成分会进行竞争性吸附以取代脂质液滴表面上所存在的表面活性组分，此时脂质消化产物以及亲脂性的成分，便会进到胆盐或磷脂形成的胶束/囊泡内。一旦脂质消化产物以胶束/囊泡的形式被转运穿过粘膜层，它们便被肠道上皮细胞所吸收。这些被上皮细胞吸收后的纳米乳液颗粒被细胞内的酶进一步消化并被吸收利用。

6.2 包裹于纳米乳液中的活性组分的生物学效价

消化吸收乳液颗粒的整个过程中，对包埋于颗粒中的活性组分的吸收将会产生一定程度的影响，乳液颗粒的生物利用率(F)按下式计算：F=FB×FA×FM，等式中的FB为生物可以利用的、经纳米载体的释放进入胃及肠道的所包含的所有具有生理活性的物质；FA为经纳米载体释放后、可以直接被人体小肠上皮细胞吸收的那部分具有生理活性的物质；FM为可到达全身各处、不被机体自身的代谢系统所消耗的被吸收成分内所包含的所有活性物质[45]。纳米乳液在被摄入、消化和吸收的过程均从属于以上三个部分，而乳液颗粒在其中发生的变化将起着决定作用，并随颗粒的组成成分以及理化性能的变化而有所不同[33]。

6.3 构建纳米乳液对其中所包裹着的有益物质的生物生理活性影响因素

6.3.1 纳米乳液颗粒粒径 人体肠道内进行消化时，如果粒子过小，可相对增大粒径的表面积，颗粒与消化酶接触时，表面积也会增大，这样能对乳液的消化效率以及营养物的生物转化率起到一定的促进作用[46]。Mcclements等人[47]进行了一项有关利用细胞模型进行摄取消化过程的实验。研究表明：在含有橘皮素的纳米乳液中，β-乳球蛋白包裹橘皮素时的摄取吸收率要明显强于溶解于水中或者油系中的摄取率，且其效率会因粒径的不断减小而明显增强。但也存在部分的纳米载体颗粒，结构牢固、稳定性较强，经过上皮细胞吸收并进入体内循环的过程后，仍能够以纳米颗粒的稳定形式存在，不会轻易被细胞代谢，其中的营养素也无法释放，因此难以被利用。可见，在构建每一个纳米乳液体系时，应当使粒径范围控制至某一合适的区间内，这样才能使其生物学价值最优化。

6.3.2 纳米乳液颗粒构成 脂类为乳液的重要组分，且是生物活性物质的重要溶剂。由于甘油三酯在人体胃肠道内的消化吸收率及摄取吸收的程度各有不同，导致了乳液中所含有的活性物质的生物利用率也不尽相同。在整个消化过程中，游离脂肪酸在水中因脂质成分的不同而表现出不同的分散性，从而表现出了不同的消化特性[48-49]。

6.3.3 纳米乳液液态颗粒的聚集状态 在液态颗粒之间存在着胶体相互作用力，其对脂质的摄取吸收速率和消化程度的不同对液态颗粒的聚集状态起着决定性的作用。这些变化主要由乳化剂的类型及纳米乳液在体内所处的环境条件决定。当液滴出现聚结现象时，裸露在消化酶液中的脂类物质的总表面积将会减少，这将会使消化速率减慢，导致消化过程缓慢。当液滴出现絮凝现象时，则消化酶系需要穿过液态颗粒体系后才能到达体系中絮凝物所形成的脂质液滴中心，这时预期的消化吸收速率将会进一步降低，消化吸收过程进一步延缓。正因如此，可通过适当改变乳液的成分构成来调控其在摄取吸收过程中的聚集状态，进而有效调控消化进程，根据需要来适当调整乳液中生物活性物质组分的利用率。

6.3.4 纳米乳液的界面组成 在人体胃肠道内，乳液的摄取吸收转运过程发生在乳液界面处，乳液的表面活性物质组分相竞争吸附，乳液的界面特性因而成为了乳液消化吸收效率高低的关键影响因素[50]。纳米乳液的颗粒组成中，表面活性剂的特性是界面特性主要决定因素。合理地筛选制备乳液时所需的初始乳化剂，便可有效调控脂质的摄取吸收速率及乳液中所含活性物质的转运情况。

6.4 潜在生物毒性

人体内胃肠道的消化吸收过程会受到纳米乳液的影响，食用纳米乳液可能对人体产生某些不良作用，所以考究其是否存在对人体有害的潜在毒性并探明该毒理反应的机制是至关重要的。

由于微小液滴的比表面积和曲率相对较大，这便赋予了液滴的特殊表面反应活性。纳米乳液颗粒在经过口腔、胃和小肠时，在液滴界面位置，体内脂肪酶、胆汁盐及其他一些消化组分均有受乳液颗粒影响而发生改变的潜能，便造成了胃肠初始功能也发生不同程度的改变[51]，除此之外，乳液颗粒能与细胞膜表面特异受体相结合，而使细胞原有的正常代谢体系遭到破坏，给生物系统带来的影响也十分难预测。

7 纳米乳液的应用及展望

在食品工业中，充分考虑到食品功能、性质与营养成分等因素，从而建立了一系列对营养物质进行包埋与传递运输的纳米乳液体系，这是一种极为简单有效的食用体系[52]。即使是自身极易氧化、易变质、难溶于水、难被机体吸收的脂溶性物质在纳米乳液体系中也能得到广泛应用并使其更易被人体消化利用。

如今，在医药、食品和化妆品等各个领域中，纳米乳液均得到了较好的应用。因此，纳米乳液的应用和推广也具有越来越重要的意义。通过对纳米乳液的机理及制备方法的不断优化及探究，未来纳米乳液必定会更具有普遍性，通用性和多用性。◇

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(责任编辑 李婷婷)

Research Advancement of Preparation and Application of Nanoemulsion

JIANG Lian-zhou，LI Jia-ni，JIANG Nan，LI Yang，SUI Xiao-nan，WU Dan，ZHANG Jing，ZHANG Wan-kun，WANG Zhong-jiang

(College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

With the development of science and technology in the field of food，nanotechnology in food，medicine，cosmetics，petroleum，agriculture，coating material and other fields is widely used，causing a high degree of social concern.Nano technology is concerned with many aspects of science and technology.Embedding technology is one of the important technologies.Embedding technology has shown great potential in the construction of carriers which transport functional components (such as：fragrance，nutrients，colorants，etc.).This paper described the structure，properties，preparation methods and application of nanoemulsion.At the same time，based on the worldwide application of nanoemulsion in food，this paper expounded buried nano-particles’ bioavailability and potential bio-toxicity.This paper also stated present crucial problems which exist in the field of nano-emulsion technology，analyzed the causes of these problems，and provided the basis for the research of nanoemulsion technology in the future.

nanoemulsion；structure and function；preparation method；bioavailability；potentialbio-toxicity

国家自然科学基金面上项目“大豆蛋白结构柔性与界面功能的构效关系研究”(项目编号：31671807)；国家自然科学基金面上项目大豆蛋白—磷脂酰胆碱纳米乳液的稳定机制及营养素运载代谢途径(项目编号：31571876)。

江连洲 (1960— )，男，博士，教授，研究方向：粮食、油脂及植物蛋白工程。

王中江 (1987— )，男，博士研究生，研究方向：粮食、油脂及植物蛋白工程。