纳米乳的研究进展与潜在局限性

陈雯烨 王志高 鞠兴荣

[摘要]纳米乳以其独特的优势展现出巨大潜力，具有广阔的应用前景。近年来，纳米乳在食品、药品、化妆品等领域的应用，引起了相关研究人员的关注。本文主要阐述纳米乳的概念和制备方法，以及在递送系统中的研究进展与应用，并且围绕纳米乳技术的潜在局限性进行了分析与讨论，以期为纳米乳日后的研究与应用提供依据。

[关键词]纳米乳;制备方法;递送系统;局限性;表面活性剂;植物蛋白

中图分类号：R943 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202003

纳米乳是一种粒径范围为50～200nm的纳米级乳液，其与传统乳液的主要区别在于连续相中不同的粒径和形状。相较于传统乳液，纳米乳作为一种递送系统，具有天然的稳定性，且不易产生聚集、絮凝等，这使得纳米乳成为拥有巨大发展潜力的研究对象[1]。本文主要围绕纳米乳液的概念、制备方法，以及在递送系统中的研究与应用进行阐述，并且围绕纳米乳技术的相关局限性进行了分析与讨论。纳米乳液作为一种潜在的药物传递系统，能够较好地提高生物活性物质的生物利用度[2]，因此纳米乳作为载体被大量应于食品与生物医药等行业。此外，纳米乳液的制备离不开表面活性剂，大量研究通过利用合成的表面活性剂制备出了粒径小、稳定性好的纳米乳。但是有相关研究表明，合成的表面活性剂可能会影响人类的健康，有着不可避免的一系列生物安全性隐患，从而引起研究人员的关注[3]。因此，寻找可替代的天然表面活性剂至关重要，相关研究报道植物蛋白可以作为一种天然表面活性剂，用于制备出具有优异的生物降解性及相容性的天然高分子纳米乳。综上所述，本文在前人各项研究结论的基础上阐述了纳米乳的研究进展及其相关应用，对制备纳米乳过程中存在的生物安全性問题进行了分析与讨论，并简要介绍了利用植物蛋白作为天然表面活性剂的可能性。

1 纳米乳的概念

传统乳液是由两种不相溶的液相，通过机械剪切和表面活性剂混合而成的分散剂。传统乳液可分为油包水（W/O）型和水包油（O/W）型，低HLB值的表面活性剂可用于形成W/O乳液，高HLB值的表面活性剂可用于形成O/W乳液，这是利用两亲性表面活性分子即表面活性剂可减少以表面张力形式存在的自然引力的原理形成的。传统乳液的粒径随时间不断增大，最终在重力作用下发生分离，这表明纳米乳液属于热力学不稳定体系[4]。

与传统乳液不同的是，纳米乳作为一种两相体系，它是由两种不相溶的相，经表面活性剂稳定后形成的分散相。其中，分散相又称内部相或不连续相，外部相又称分散介质、外部相或连续相，并且表面活性剂也称为中间相或间相。纳米乳的平均粒径一般在50～200nm[5]。纳米乳一般可以形成三种类型：（1）油分散在连续水相中的水包油型纳米乳;（2）水滴分散在连续油相中的油包水型纳米乳;（3）双连续型纳米乳。纳米乳一词有时可与微乳液互换使用，但它与微乳液之间也存在一定的区别。微乳液是由油、水、表面活性剂和助表面活性剂组成的分散体系，该体系是一个各向同性且热力学稳定的体系，其分散域直径大约在1～100nm，通常为10～50nm[6]。纳米乳虽然具有与微乳液相近的液滴大小范围，但它是热力学不稳定体系，在结构和长期热力学稳定性方面存在巨大差异，是通过机械力获得的，这不同于自发形成的微乳液[7]，纳米乳的主要成分是油相、水相和表面活性剂。油可以是任何类型的，如大豆油、玉米油、椰子油、亚麻籽油等。油和水的混合物可能形成一种暂时的粗乳状液，当它凝固时，由于分散水珠的结合，它将分成两个不同的相，而表面活性剂正好能使这类体系稳定[8]。根据表面活性剂的来源可以分为天然表面活性剂（如卵磷脂、某些蛋白质等）以及合成表面活性剂（如聚丙烯酰胺、聚甘油酯、吐温80等）。

2 纳米乳的制备方法

制备纳米乳的方法有高能乳化和低能乳化两种。高能乳化常用的方法包括高压均质化、微流化、超声乳化、膜乳化等;低能乳化常用的方法包括反相法、自发乳化、溶剂蒸发法、水凝胶法等。

2.1 高能乳化法

2.1.1 高压均质化

采用专门设计的高压均质仪生产纳米乳液，在非常高的压力（500～5 000psi）下，油相和水相可以强行通过小入口，并且由于强湍流和水力剪切，产生了极小的颗粒。但是这种方法需要很高的温度和能量[9]。纳米乳液的粒径大小受均质仪的压力大小以及循环次数的影响，压力越高，循环次数越多，粒径就越小，本法制备的纳米乳粒径极低（最高可达1nm）。之前有研究利用高压均质仪制备出了亚麻仁油乳清蛋白分离乳状液，同时研究了压力以及循环次数对乳液稳定性的影响[10]。高压均质化是制备纳米乳液最常用的方法。

2.1.2 微流化

微流化利用了一种叫作微流化的设备，该设备在高压（500～20 000psi）下，迫使产品通过一个由微通道组成的相互作用室，利用液压剪切、冲击、磨损、冲击、强湍流和空化来减小尺寸，以产生亚微米范围的非常细的液滴[11]。在将油水相混合制备成粗乳状液后，迫使粗乳通过微通道进入撞击区形成纳米尺寸的颗粒，再经流化得到均匀的颗粒。粗乳液通过微流化器反复循环，直到形成所需的尺寸和分散性，从而获得均匀的纳米乳[12]。之前有研究利用微流化技术制备了稳定维生素A和C的纳米乳液，并证明了该纳米乳液在改变牛乳腺上皮细胞（MAC-T）中牛奶特异性蛋白方面的有效性[13]。

2.1.3 超声乳化

台式超声仪由压电探头组成，探头尖端会产生强烈的击穿力[14]。这个方法的原理是当探头在样品中浸泡时，超声波会产生空化泡，这些空化泡会持续增长直到内爆。内爆会产生激波，激波反过来又会产生周围液体的喷射流，对分散的液滴施加压力，从而导致液滴尺寸减小，同时液滴尺寸随着超声时间和输入功率的增加而减小。它主要应用于所需乳液粒径低至0.2?m的实验中。超声方法依赖于高频声波（20kHz及以上），与其他高能量的方法相比，超声乳化所消耗的能量最少。之前也有研究利用超声制备出了分离乳清蛋白-瓜尔胶稳定的孜然籽油纳米乳，乳液稳定性较高，且具有防腐剂的潜力[15]。

2.1.4 膜乳化

膜乳化主要有两种类型，一种是直接膜乳化（DME），在DME中，分散相通过微孔膜进入搅拌或交叉流动的连续相，产生小尺寸的纳米液滴[16];另外一种是预混膜乳化（PME），在PME中，通过多孔膜引入制备好的粗乳（预混料）形成液滴[17]。膜乳化虽然也使用机械力，但与其他乳化方法相比，能量输入更低，这导致乳化过程中温度的降低，使温度敏感物质具有更好的稳定性[18]。膜乳化是制备粒径小、分布窄的乳液的一种较新的、有前途的技术，目前运用较少。

2.2 低能乳化法

2.2.1 反相法

该方法利用反相温度的原理，即相变发生的温度。低温有利于O/W乳液，而高温有利于W/O乳液，快速冷却和加热循环会产生细小颗粒。由于聚合物链的脱水，非离子表面活性剂（如聚氧乙烯）在高温下变为亲脂性，在低温下变为亲水性。这种方法通过对微乳液施加更高的温度来改变相[19]。之前有研究以非离子表面活性剂PEG-40和氢化蓖麻油（RH40）为原料，通过相转变温度制备了姜黄素纳米乳，该乳液需要至少2个月的时间内保持稳定[20]。

2.2.2 自发乳化

该方法操作简单，使用的是由油、水、亲脂性和亲水性表面活性剂组成的挥发性有机溶剂，允许组合物通过磁力搅拌均匀混合。将水溶溶剂在真空下蒸发得到纳米乳液，它包括三个步骤：（1）制备在水溶性溶剂和亲水性表面活性剂中的由油和亲脂性表面活性剂组成的均质有机溶液;（2）在连续磁力搅拌下将有机相注入水相中，形成O/W乳液;（3）通过减压蒸发除去水相[21]。之前有研究利用自发乳化以食品级成分（中链甘油三酯和吐温）形成水包油乳液，其操作方法较为简单，但需较高的表面活性剂/油比才能制备出较小的液滴[22]。

2.2.3 溶剂蒸发法

在该技术中，首先使用合适的表面活性剂将药物与有机溶剂混合，通过混合连续相制备O/W乳液。然后在真空加热条件下蒸发有机溶剂，以获得载有药物的微球，最后进行离心或过滤[23]。有研究利用酪蛋白酸钠为壁材，通过乳化溶剂蒸发法制备出了南极磷虾油纳米乳，并较好地保留了南极磷虾油本身良好的功能组分[24]。

2.2.4 水凝胶法

该方法与溶剂蒸发法具有相似之处。高剪切力用于形成可与药物抗溶剂混溶的药物溶剂纳米乳液。

高能乳化和低能乳化各有特点。高能乳化是依赖于机械装置产生强大的分裂力来缩小尺寸的。它的优势在于几乎任何油都可以进行纳米乳化，主要缺点是仪器成本和操作中产生的高温，这排除了耐热药物对该方法的运用。低能乳化法的一个关键特点是利用储存在系统中的能量生产超细液滴，无需考虑仪器成本，但它会受到可用油型和表面活性剂的限制[25]。

3 纳米乳的研究与应用

人体健康必不可少的生物活性物质大多是疏水性的，具有难溶性，这些物质在制药和食品工业中的应用面临着生物利用度低、稳定性差，以及生物组织渗透性差的巨大挑战。而纳米乳可以很好地防止和保护生物活性物质免受不适当的环境影响，并提高其生物利用度和稳定性，从而促进了纳米乳在食品和药品中的应用。因此，纳米乳得到了科学界以及工业界的广泛研究与应用。

在食品行业中，纳米乳可以保护生物活性物质免于与其他食物成分发生一系列生化反应，有效地防止了生物活性物质的降解，从而确保了食品的质量和营养，同时还可以改善食品的物化稳定性，延长其货架期[26]。近期，有研究人员利用高压均质技术制备出了天然抗菌纳米乳，并将其应用于苹果汁中以降低其受致病微生物污染的风险，提高了苹果汁的安全性从而延长了货架期，同时也促进了苹果汁品质的提升[27]，这使得纳米乳在果汁行业有着巨大的应用前景，这项研究也为食品工业的发展提供了理论基础。

在生物医药领域，纳米乳可用于增加疏水性或油溶性药物的溶解性，以增加药物在生物体中的局部吸收;可以掩盖药物的不同口味及气味，以提高相关药物的适口性;可以改善亲脂药物的水分散性和生物利用度;还可以保护易水解和氧化的药物，延长药物的作用时间等[28]。有相关研究将水包油（O/W）纳米乳液作为载体，运输水溶性较差的槲皮素至肺部，槲皮素在48h内释放率达到26.75%，并对A549肺癌细胞具有一定的细胞毒性。研究结果表明，纳米乳可以作为一种运输水溶性较差物质的潜在载体[29]。之前还有研究利用纳米乳的递送系统，运输难溶性药物卡维地洛，提高了皮肤组织对卡维地洛的吸收，改善了其透皮给药的效果，控制药物释放时长至24h以上，增加了药物通过皮肤组织的通量，这使得纳米乳液在透皮给药系统中的应用前景更加广阔[30]。

4 纳米乳的潜在局限性

现如今，纳米乳受到大量研究人员的青睐，但纳米乳作为载体也存在一些局限性。乳液是热力学不稳定系统，会导致聚集、絮凝和沉淀等现象的产生，因此在制备纳米乳时，通常使用表面活性剂进行稳定。表面活性剂通过在油水界面形成吸附层，通过吸附层产生的静电排斥和空间稳定来防止纳米乳的聚集和絮凝[31]。表面活性剂分为天然表面活性剂和合成表面活性剂，许多合成的表面活性剂由于具有良好的界面扩散性，已广泛用于纳米乳配方。尽管研究人员可以通过分子工程来调节表面活性剂的理化性能，制备得到粒径小、稳定性好的纳米乳，但是对于食品级的合成表面活性剂而言，仍然有研究表明其会改变肠道菌群的种类组成，导致肥胖、代谢综合征和其他慢性炎症疾病的发病率增加[32]。因此，在制备纳米乳的过程中，表面活性剂的选择是一个关键问题，既需要高界面吸附速率又需要良好的界面活性，以减少聚集程度并稳定纳米乳[33];同时，还要考慮其是否具有生物毒性，一个好的表面活性剂，不会影响纳米乳的生物学效应及其生物相容性。研究表明纳米乳被人体摄取后，会经由呼吸道到消化道，由于人体不同的器官具有复杂的生理生化环境，纳米乳中的合成表面活性剂有可能会对器官产生不良反应，由此产生的潜在生物毒性还需进一步研究。因此，寻找能够替代合成表面活性剂的天然表面活性剂至关重要。

近年來，由于植物蛋白丰富的来源、低廉的成本使其受到食品行业的广泛关注。植物蛋白是一种天然的高分子聚合物，不但有着良好的理化性质，而且与合成表面活性剂相比，其生物安全性更高，更适合应用于食品和制药行业[34]。由于植物蛋白在油水界面有着良好的吸附能力以及界面膜的形成能力，因此具有特殊的乳化性能。与低分子量乳化剂（如吐温80）相比，由于植物蛋白的结构庞大，它们扩散到界面的速度很慢，植物蛋白一旦到达界面，就会发生构象变化（表面变性），并重新排列，使其疏水性氨基酸在油相中，亲水性氨基酸在水相中，从而降低了界面张力，降低了系统的总自由能[35]，进而增强该系统的稳定性。由于蛋白质具有疏水性和亲水性基团，可以使它们迅速吸附在油水界面上，并产生静电和空间相互排斥作用，同时形成一种抗破裂的界面膜，在长期储存过程中对稳定纳米乳的絮凝和聚集起着至关重要的作用[36]。因此，利用植物蛋白作为天然表面活性剂来稳定纳米乳液的技术是食品工业的一个重要课题。目前，有相关研究利用大豆蛋白通过高压均质制备出了纳米乳，该纳米乳在各种离子强度、pH值、热处理和冷藏存储期间均表现出显著的理化稳定性。另外还有相关研究利用改性的豌豆蛋白制备了纳米乳，该纳米乳表现出了良好的稳定性，同时对包埋的维生素D3起到了很好的保护作用[37]。

5 结 论

由于纳米乳巨大的研究潜力，近年来得到了众多研究人员的关注，并且取得了较好的研究成果，工业界也成功将纳米乳技术应用于食品、药品领域，并得到了很大的发展。食品工业利用纳米乳进行包埋封装来维持食品的营养与品质，同时还改善了食品的物化稳定性，提高了货架期。纳米乳还被广泛应用于药物系统，掩盖油性液体的难闻气味，保护易水解和易氧化的药物，提高抗肿瘤药物的控释效果。总之，目前纳米乳配方被认为是有效的、安全的，并且具有更高的生物利用度。对于研究者而言，在未来更好地利用植物蛋白来开发新型纳米乳，可以更好地避免目前纳米乳存在的局限性。

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