利用微乳技术从植物油料中同步提取油脂及天然活性成分的研究进展

田莞尔 易有金 李昌珠 肖志红, 刘汝宽

(湖南农业大学食品科学与技术学院1，长沙 410128)

(湖南省林业科学院2，长沙 410004)

(湖南粮食集团3，长沙 410003)

微乳液(microemulsion，ME)这一物质体系的存在是在1943年时Hoar等[1]利用己醇滴定乳状乳液所产生的清澈单相溶液而确定的，但当时众人并没有对该物质进行具体的定义与概述。一直到1959年的时候， Schulman等[2]才对其进行正式命名，将其称为“微乳液”，并在1981年，Danielsson等[3]对微乳液这一概念赋予了规范的定义，将其定义为“水，油和两亲物的体系”。微乳液是由两种不混溶液体所组成的热力学稳定分散体，其通过表面活性剂来稳定在油相与水相之间所形成的界面膜，并且在一般情况下与助表面活性剂相结合。在大多数情况下，表面活性剂和助表面活性剂都用于进一步提高体系的乳化程度并稳定水介质中的油相液滴。

微乳液作为具有低黏度的光学透明体系，与常规制剂相比，其具有良好的稳定性、易制性、两亲性等优点，使其在食品、化妆品、采油、日用化学、药品农药等多个与我们生活息息相关的领域都具有广阔的潜力[4]。而为了克服传统提取植物油脂工艺中低效率、用时长、操作复杂等缺点，有科研人员将微乳技术与植物油料的提取相结合，这为植物油料的提取提供了一个新的方向与思路，本文从微乳液的特性、形成机理与微乳技术在植物油料提取中的相关研究进行综述，为以后运用微乳技术提取植物油料提供参考，并进一步展望其广阔的前景。

1 微乳液的特性及分类

无论是微乳液，还是普通乳液，都是由2种不混溶的液体所构成的体系，且其所包含的液滴结构类型均有O/W型与W/O型。但与此同时，这两者在微观与宏观上都存在着明显的差异。

从微观角度来看，微乳体系中的粒子半径一般为10～100nm，而普通乳液的粒子半径则>100nm。此外，从宏观角度将两者进行比较，因为胶束反射自然光，分散质点较大且不均匀，易发生凝结与沉降，所以普通乳液大多呈乳白色的浑浊状态。而在微乳液中，由于分散质点要远小于可见光的波长，因此体系呈透明或半透明状[5]，因此可通过观察体系状态和测定体系中液滴粒径大小及分散情况来判断是否为微乳液。

而在微乳液与普通乳液间最根本的不同在于普通乳液虽然可能表现出优异的动力学稳定性，但从根本上说，其热力学并不稳定，体系中各相终将会发生分离，出现分层与破乳现象。而微乳液由于其热力学稳定的特性，就算是在离心情况下也并不会如普通乳液一样出现相分离。并且，微乳液的制备不像制备普通乳液时需要大量外界能量的推动，它能在自发状态下所形成[6]，因此，相较于普通乳液，微乳液拥有更好的稳定性和较低的成本，同时也具有更广的发展前景。

而根据微乳体系中相行为的不同，又可将其划分为四种不同的Winsor型微乳，如图1所示。其中WinsorⅠ型、WinsorⅡ型和Winsor Ⅲ型微乳体系都为多相微乳液，Winsor Ⅰ型为O/W(油包水)型微乳体系，除了下相微乳液以外，还包括多余的油相，WinsorⅡ型为W/O(水包油)微乳体系，体系中上相微乳液与过量水相共存，Winsor Ⅲ型微乳为双连续相型微乳体系，体系包括三相，分别为中相微乳液与多余的油相及水相。而Winsor Ⅳ型微乳体系为单相微乳液，其作为Winsor Ⅲ型微乳的特殊形式，是在加入合适的表面活性剂时所形成的[7-8]。

图1 微乳液的种类

2 微乳液的形成机理

目前尚且还没有一种理论能够完整的解释微乳液的形成，但已有六种影响较大的理论出现，本文集中对这六种微乳形成理论进行了概述。

2.1 瞬时负界面张力理论

随着对微乳体系形成原理的探究，瞬时负界面张力理论出现在了众人的面前，在该理论中提出微乳的形成需要极低的界面张力，而界面张力的降低是因为表面活性剂所产生的混合吸附，其甚至出现瞬时为负的情况。但这种情况是不能持续稳定存在的，所以界面将自发扩张，导致微乳体系形成[9-12]。

对于多分散体系，存在Gibbs公式：

-dγ=ΣΓidμi=ΣΓiRTdlnCi

式中：γ为油/水界面张力；μi为i组分的化学位；Гi为i组分在界面的吸附量；Ci为i组分在体系中的浓度。

在提取植物油料的过程中，加入体系中的表面活性剂与助表面活性剂，会被吸附在加入的水相与植物油脂所形成的界面上，此时Гi增大，界面张力(γ)会进一步降低，导致界面张力有一瞬时为负的情况出现，为消除界面张力的负值，水相与植物油脂的接触面会自发的增大，最后形成油滴包裹在水相外的微乳液结构，其内核形成了“水池”，溶解蛋白质等天然活性物质，将活性成分溶解萃入到所构建的微乳体系中，从而达到同步提取油料中植物油脂及天然活性成分的目的。

然而，该理论虽然对微乳形成过程中界面张力的变化进行了分析，解释了微乳体系的形成与稳定性，也说明了助表面活性剂在微乳体系过程中的作用，但因为不能用具体的实验来测定微乳形成过程中界面张力的数值，也不能确定所形成微乳体系的类型与在构建微乳体系过程中形成液晶相的原因，而且，在许多微乳体系的构建中，并不一定需要助表面活性剂的加入，所以该理论存在一定的局限性。

2.2 混合膜理论

在微乳体系中，除了包括油相与水相外，中间还存在一吸附单层，其两侧分别与另外两相接触并产生界面压力，因压力差的不同而产生不同的弯曲程度和方向，这决定了所形成微乳体系的类型[8]，理论示意图如图2所示。

图2 混合膜理论示意图

当油相侧所受到的界面压力大于水相侧时，混合膜会向水相侧发生弯曲，形成的微乳体系为W/O型，反之则形成O/W型微乳，若两侧所受压力一致，无压力差，那么混合膜也不会发生弯曲现象，构成双连续相型微乳体系[11]。在提取植物油料时，为将植物油料中具有亲水性的天然活性成分溶于内核，则需构建W/O型微乳，使油相侧压力大于水相侧压力，在微观结构内部形成一个水核，将天然活性成分包裹在内，保护天然活性成分的天然结构及活性。

该理论虽然通过分析压力差所造成的中间相弯曲现象，解释了在何种情况下更有利于形成何种结构的微乳体系，但在某些微乳体系的构成中并不需要助表面活性剂的加入，所以该理论并不全面，仍存在一定的缺陷。

2.3 几何排列理论

在上述混合膜理论的基础上，通过研究双亲物聚集体中分子的几何排列进行考虑,构建了表面活性剂在水相与油相交接的界面上进行填充的几何模型，并将填充系数定义为：

式中：v为表面活性剂中烷基链的体积；a0为表面活性剂中极性头的最佳截面积；lc为烷基链的长度。

填充系数P反应了表面活性剂亲水基与疏水基横截面积的相对大小，由此来判断该表面活性剂有利于何种结构微乳体系的形成。当P<1时，则表面活性剂中烷基链的横截面积小于极性的横截面积，这使得混合膜向油相侧发生弯曲，有利于形成O/W型微乳，其中当P<1/3时，体系中形成正常胶团，随着P值的不断增大，体系中W/O微乳液滴的粒径也在不断增大，直到P=1时，粒径达到无限大，界面不发生弯曲，因此1/31时，则有利于形成W/O型微乳[7,13]。

因此在利用微乳技术提取植物油脂时，可以利用几何排列理论对所添加的表面活性剂进行分析，筛选出P>1，有利于形成W/O型微乳体系的表面活性剂，优化微乳液的组成，促进植物油脂及天然活性成分的提取。而电解质的加入与温度等条件的变化，都会对填充系数产生影响，从而对微乳体系的构建及稳定性产生影响，所以在构建微乳体系时需要对这些影响因素进行综合考虑。

2.4 增溶理论

微乳液与胶团溶液在许多方面具有极大的相似性，被Shinoda认为是胀大的胶团。当表面活性剂的水溶液浓度比临界胶束浓度(CMC)值大时,体系会形成胶束,此时油相就会被体系中的胶束增溶，胶束发生溶胀,当增溶到一定程度形成微乳[14-16]。

若将此理论运用于植物油料的提取中，可根据CMC来确定表面活性剂与水相的比例，为构建微乳体系提供理论基础，但即使表面活性剂的水溶液得植物油脂具有增溶作用，但并不能表明此时所形成的体系为微乳体系，也不是只有微乳体系才发生增溶作用。

2.5 R比理论

R比理论是着力于构建微乳体系各组分之间所存在的分子间相互作用而提出的,其定义公式为：

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

式中：ACO为表面活性剂亲油基与油分子间的内聚能；ACW为亲水基与水分子之间的作用能；AOO为油分子间的内聚能；AWW为水分子之间的内聚能；ALL为亲油基间的内聚能；AHH为亲水基间的内聚能。

在R<1的范围内,随着体系中R比值逐渐向1增大,体系中所形成正常胶团会逐渐膨胀,变为O/W型结构的微乳液,加强对油相的增溶能力；而当R>1时,情况则正好相反，体系中会构成反胶团，逐渐膨胀后形成W/O型微乳体系；而当R=1时,体系形成的为双连续型结构微乳[13-17]。

根据R比理论可知，当微乳体系中各组分的种类、比例、温度等性质发生改变时，其分子间的相互作用都会发生变化，此时R比也会随之改变，因此当运用微乳技术提取植物油料时，需要考虑各组分的种类、比例及外界条件对构建微乳体系的影响。

2.6 热力学理论

对于前几项理论，都已经有很多科研人员进行过深度的研究和总结，而热力学理论尚且还处于刚刚起步的阶段，是通过热力学的计算方法探究微乳的形成过程，但该理论对指导微乳的形成并没有实际意义。

许多科研人员对微乳体系的形成过程进行了热力学分析，从而提出了热力学理论,其中所提出的热力学公式为[7,18,19]：

ΔG=γΔA-TΔS

式中：ΔG为微乳形成的自由能；γ为油-水表面的表面张力；ΔA为微乳化时表面积的变化；ΔS为系统的嫡变；T为热力学温度。

在微乳的形成过程中，大量小液滴状的相混合时会产生分散熵，其与γ相抵消。而当表面张力的大幅降低时，会伴随明显的熵变化，由此实现了负的自由形成能。此时，微乳体系的形成是自发进行的，并且所形成的的为热力学稳定的分散体系。但在利用微乳技术提取植物油料，构建微乳体系的过程中，仍然可能出现各种各样的因素影响微乳的形成，所以适当的通过搅拌、加热等方法能为微乳的形成提供能量，有利于微乳的形成。同时可通过热力学理论，构建热力学函数，探究各因素对微乳体系的形成过程及性质的影响。

3 微乳技术在植物油料提取中的应用概况

3.1 植物油料提取概况

近年来，有许多科研人员对植物油脂的特性进行了探究，比如有研究发现，山核桃油具有降血脂、调节脂肪代谢的作用[20]，茶油具有多种营养物质，不仅能降血脂、降胆固醇，还能增强免疫能力[21]。因此随着经济的持续发展与人们生活水平的不断提高，当今社会人们对于含有丰富的非必需脂肪酸和维生素，具有抑菌特性、降血脂、预防冠心病、抗氧化、抗癌、提高记忆力等优点，且消化吸收率远高于动物油脂的植物油脂的需求量也在日益增加。

目前，植物油脂的传统提取方法主要分为两种，一是机械压榨法，二是溶剂萃取法，其中溶剂萃取法由于其较高的出油率，在我国的植物油大规模的生产中得到了广泛的应用，但在溶剂萃取法中所使用的有机溶剂，大多为易燃易爆品，而且还有部分溶剂为有毒有害试剂，这构成了一定的安全隐患。而压榨法虽然安全无害无添加剂、操作简单，但其却效率低下，需要较大的劳动力输出，出油率低[22]。

同时，在植物油料中，除了含有高价值的植物油脂，还含有多种生物活性物质，虽然现有技术采用极性不同的萃取溶剂能分步得到单一目标组分，但其工艺流程长、传质效率低。因此，低成本、高效率、条件温和不破坏生物活性成分的同步萃取技术及成为了植物油料内含物高效提取的必然发展方向。而微乳技术的出现无疑是为我们解决以上一系列问题提供了新思路及途径。

3.2 微乳技术同步萃取植物油脂及蛋白

由关于微乳液分类的阐述可知，根据微乳体系微观结构的不同可以分为3种类型，分别为O/W型微乳液、W/O型微乳液及双连续相型微乳液，其中O/W型微乳体系中形成的是正常胶束，而W/O型微乳液在体系中形成的为反胶束。在近几年的时间里，反胶束作为由非极性溶剂中表面活性剂稳定的油包水(W/O)型微乳液滴[23-24]，因为其简单易制、稳定双亲等性质，将反胶束与萃取技术相结合运用于物质的提取中，能实现无毒、无害且高效的结果，并且在萃取过程中能充分的保护活性成分的天然结构与活性，所以使反胶束萃取技术在食品领域得到了广泛的应用，也有越来越多的科研人员对反胶束萃取技术进行探究。

基于W/O型微乳体系自身所具有的自增溶特性，有科研人员猜想，利用W/O微乳体系可以将油脂溶解于有机溶剂中，把蛋白质增溶到极性内核里，从而实现植物油料中油脂和蛋白质的同步萃取，而后续科研人员的研究也成功的证实了这一猜想。

Leser等[25]就将反胶束萃取技术作用在了大豆和向日葵上，从其中同步提取出了植物油脂及蛋白质，并对提取的工艺条件进行了优化。这是首次将反胶束技术作用于提取植物油料物质，并成功的实现了油脂及蛋白质的同步提取，说明了反胶束技术在同步萃取油料中油脂和蛋白质上的可行性，为后续研究人员开辟了新的道路，从此，微乳技术开始在提取植物油料的应用上大放异彩。

陈复生等[26]利用反胶束技术作用于花生，将花生中的植物蛋白和油脂同步提取了出来，实现了微乳技术与同步萃取相结合，此后，对反胶束萃取技术进行不断的深入研究，致力于微乳液同步萃取技术的不断优化，并对其理论机制进行探究，通过实验得出理论知识，再通过理论知识的不断深入来辅佐实验与工艺的进行，从而使微乳技术在提取植物油料上不断的得到进步和发展。

目前微乳技术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质，如张洁等[27]筛选了最佳配比的SDS/异辛烷/正辛醇反胶束体系，然后用其来萃取大豆蛋白，并优化其工艺条件，在一定的程度上提高了大豆蛋白的后萃取率。张淑霞等[28]对利用AOT/异辛烷反胶束溶液所萃取的大豆蛋白与经碱溶酸沉法所生产的大豆蛋白的功能性进行比较，通过实验结果发现，反胶束萃取所得蛋白，无论是溶解性与发泡性，还是乳化性都具有较好的性质，并且发现反胶束对于小分子蛋白的萃取能力比对大分子蛋白的萃取能力强。高亚辉等[29]在所构建的AOT/异辛烷反胶束基础上探究了其在反萃取大豆蛋白时的动力学模型，研究了在不同条件下，各因素对其反萃取过程的影响，这为控制萃取过程，提高萃取率提供了理论基础。杨颖莹等[30]将反胶束萃取与浸出法所得的大豆油脂进行对比，通过实验结果发现反胶束法所提取的油脂具有较优的品质。因为在前期实验中发现，当用AOT/异辛烷反胶束来萃取油脂时，体系中会有AOT残留，吴倩等[31]对如何脱除残留的AOT进行了研究，并将ATO反胶束萃取所得大豆油与索氏抽提提取的大豆油的品质进行对比，对比的结果发现通过反胶束所得的油值具有更优的品质。张倩等[32]以全脂豆粉为原材料，考察了不同因素下，反胶束体系微观结构及前萃率的变化。在过去的二十多年中，陈复生团队为反胶束技术同步萃取的研究做出了巨大的贡献，不仅为国内微乳技术在植物油料的提取上的应用打下了坚实的基础，为反胶束同步萃取的后续研究提供了一系列的理论基础，具有极大的参考价值。

随着微乳技术在植物油料提取上不断进行深入研究，研究人员对微乳技术同步萃取植物油脂及蛋白进行了探究。赵萍等[33]将SDS、正辛醇与异辛烷所配制的反胶束体系作用于葵花籽粕，对葵花籽粕中的蛋白质进行萃取，并对工艺操作进行筛选优化，得到最优的工艺条件。王悦等[34]在2018年以核桃为原料，研究了反胶束法提取核桃蛋白的工艺优化，并对其所得核桃蛋白的理化性质进行评价。

现有的研究充分说明在利用微乳技术提取蛋白的过程中应如何优化‘前萃’及‘后萃’的工艺条件，以此来达到更优的提取效率与结果，为日后构建其他的微乳体系作用于其他油料作物提供充足的参考。并通过对比研究可知，通过微乳技术所获得的植物油脂及蛋白质都具有更为优良的品质，充分说明了微乳技术在提取植物油脂及蛋白质的优势。但在利用微乳技术提取油料物质的同时仍存在一系列需要解决的问题，比如，在提取过程中所加入的表面活性剂大多为有机溶剂，在提取结束后应充分去除。

3.3 微乳技术萃取其他生物活性物质

现在已经有很多科员人员验证了微乳技术能应用于植物油脂与蛋白质的同步萃取，并对其萃取过程进行了具体的分析，但随着对应用微乳技术在植物提取中应用研究的不断深入，研究人员发现，运用微乳技术，不仅能在植物油料中同时萃取油脂及蛋白，也可以达到提取其他天然活性物质的目的。如陈明拓等[35]将AOT/异辛烷反胶束应用于粗苦参碱，提取粗苦参碱中的苦参碱达到纯化的作用。刘小琴等[36]提出将微波辅助、双水相与反胶束技术联用，作用于药材提取纯化苦参生物碱。郭晓歌等[37]以葵花籽仁粉为原料，利用反胶束技术，从中提取绿原酸。金挺等[38]选用P204/正辛醇反胶束作用于枳实粗提物提取L-辛弗林，优化其萃取条件，探究其萃取原理。卢瑞芯等[39]运用微乳技术作用于番石榴叶，提取其中所包含的槲皮素，并于传统提取方法相比较，发现利用微乳法提取能得到更高的提取率。任彦飞等[40-42]将微乳技术与闪式提取技术相结合，并利用O/W型微乳提取厚朴与当归，充分体现了微乳技术在萃取方面高效、快速的特点，并说明了微乳技术运用于中药材提取所具有的优势性。贺俊杰等[43]将微乳技术运用于灵芝组分的提取，达到同步萃取灵芝中所包含的灵芝三萜与多糖，发现微乳萃取技术不但具有同步萃取，操作简单快速等优点，由于其提取物的粒径为纳米级，因此更有助于肠胃对有效成分的吸收。

近年来微乳技术不仅能利用于蛋白质的提取，还能用于中药材中黄酮类、醌类、多糖等活性成分的提取与纯化[44]，因为大部分的天然活性物质在植物油料中含量较低，所以若单一提取天然活性物质，一般都会存在耗时长、效率低等问题，而利用微乳技术能达到同步萃取这一特性，无疑在很大程度上避免了单一提取所造成的缺点，并具有经济、无毒、选择性强、便于操作等优势。这为植物油料中活性成分的高效提取提供了一个新的思路与方向。

4 小结

随着对微乳技术的不断深入研究以及优化，微乳技术在植物油料提取领域将会得到更加广泛的应用，从而提高了从植物种子中植物油脂的提取率与所提植物油脂的质量。同时，微乳技术在植物油料的提取上可以达到同步萃取的目的，在提取植物油脂的同时，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损失。为植物油料高效率、低污染的提取提供宽广的前景。

但微乳技术同步提取植物油脂及天然活性成分仍处于发展研究阶段，仍存在许多问题需要进一步的解决及探究，如在利用微乳技术从植物油料中提取油脂及天然活性成分的过程中，不可避免的需要加入有机溶剂，因此萃取后如何去除残留的有机溶剂也是必须要解决的问题。虽然微乳技术能达到同步提取植物油脂及天然活性成分的目的，但为构建微乳体系，需要先对各组分的比例进行探究，植物油料中油脂及所需提取天然活性成分的含量比例会对微乳体系的构建造成一定的影响，因此在利用微乳技术提取植物油料的时候，需要对这一因素进行综合考虑。这些问题是将来需要研究的重点。随着这些问题一步一步的解决，微乳技术在植物油料的提取上会得到越来越广泛的应用。