长链n-3多不饱和脂肪酸纳米乳液制备及应用研究进展

谢跃杰，王锴，肖懿雪，王操，王怡涵，王强*

1(重庆第二师范学院 脂质资源利用及儿童日化品研发重点实验室，重庆，400067)2(重庆第二师范学院 生物与化学工程学院，重庆，400067)3(重庆第二师范学院 现代大健康产业学院，重庆，400067)

纳米乳液(nanoemulsion)，又称微乳液(microemulsion)，是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂等自发形成，粒径为1～100 nm的热力学稳定、各向同性，透明或半透明的均相分散体系。一般来说，纳米乳液分为3种类型：水包油型纳米乳液(oil in water, O/W)、油包水型纳米乳液(water in oil, W/O)以及双连续型纳米乳液(B.C)。与传统乳液相比，纳米乳液具有传统乳液不可比拟的优势，比如颜色透明、负载的生物活性物质生物利用度高、物理稳定性优异，可用于婴儿食品、功能饮料等多种特殊食品的制备[1-2]。随着功能性食品的不断发展，搭载可防治癌症、高血压、肥胖和心血管系统等慢性疾病的生物活性物质食品越来越受到学术界的关注。然而，长链n-3多不饱和脂肪酸 (long chainn-3 poly unsaturated fatty acids, LCn-3 PUFA)、类胡萝卜素、共轭亚油酸、辅酶Q10等大多数具有特殊功能的生物脂质均为弱水溶性物质，很难被直接融入亲水性食品或饮料中，通常需借助传输系统整合至食品体系[3-4]。

由于缺乏利用食品级原料制备具有特殊功能纳米乳液的研究，纳米乳液的潜在优势一直未能很好的体现在食品工业中。近年来纳米科技及胶体科学的快速发展，不断涌现出制备纳米乳液和提高稳定性的新技术和新方法，这些进步使得优化设计具有特定功能和用途的纳米乳液成为可能[5-6]。针对该领域的研究现状，本文综述了近年来在LCn-3 PUFA纳米乳液特点、制备方法以及功能应用等的最新研究成果，希望对食品及饮料工业中应用负载LCn-3 PUFA食品纳米乳液的合理设计与制备有所启示。

1 负载LC n-3 PUFA食品纳米乳液的特点

在功能食品及饮料市场快速发展的当下，食品工业对在食品体系中有效包埋与传输(如生物活性物质、风味物质及天然色素等)功能性物质的需求逐渐增加。这其中大部分物质例如LCn-3 PUFA、植物甾醇、共轭亚油酸、类胡萝卜素、姜黄素及维生素A、D、E、K等均为脂溶性物质，很难被直接整合入以水为主体的食品或饮料中，通常需要被包埋于可均匀分散在水相中的胶体传输系统中[7]。此外，大部分功能饮料需外观透明或轻微的浑浊，这限制了可用于负载脂溶性生物活性物质传输系统的种类，因为传输系统中的载体微粒尺寸需足够小以至于不散射自然光(r≪λ)。以纳米乳液为载体的传输系统有望克服以上问题，成功负载脂溶性生物活性物质并有效整合在食品或饮料中。

传统的水包油乳液(r>100 nm)已在传统食品或饮料产品中被广泛用于包埋脂溶性活性物质，如富含二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, EPA)、二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)、维生素A、D的鱼油和酸奶等[8-9]。然而纳米乳液(r<100 nm)有着众多优于传统乳液的潜在优势，尤其在一些特殊食品中的应用。纳米乳液通常能抵抗因颗粒聚集和重力作用导致的乳液不稳定现象，并且纳米乳液中的纳米颗粒因尺寸较小而不易散射自然光，因此更适合于对外观清澈度有较高要求的食品，尤其是功能饮料的生产[2]。通过结构化设计，纳米乳液可形成高黏度、胶状类浓缩乳液，可实现在保证口感的同时显著降低油的用量，因此可用于酸奶等对食品流变性质有不同需求的食品，或针对肥胖患者的低脂食品[10]。纳米乳液可显著提高其所负载活性物质的生物利用度，因此可用于包埋和传递某些对人体生物利用度低的生物活性物质[11]。纳米乳液的功能性很大程度上取决于体系中纳米颗粒的结构特性，如纳米颗粒的浓度、组成、粒径分布、电荷及物理状态等，而这些特性主要由构建纳米乳液原料固有的特性及制备方法决定。LCn-3 PUFA纳米乳液对食品储存稳定性的影响见表1。

表1 LC n-3 PUFA纳米乳液对食品储存稳定性的影响Table 1 Effects of LC n-3 PUFA nanoemulsion on food storage stability

2 负载LC n-3 PUFA纳米乳液的制备方法

2.1 传统纳米乳液的制备方法

通常，纳米乳液可经高能量和低能量2种制备方法实现[21]。高能量方法利用机械装置，产生可破坏或掺杂油水相的高强度作用力，实现乳液尺寸纳米化，这类机械装置包括高压真空均质机，微射流均质机和超声仪等。高能量方法虽然是食品工业目前制备纳米乳液的基本方法，但有很多局限，比如高昂的设备安装维护费用及高能耗损失，最主要的是该类方法不能有效制备食品纳米乳液。低能量方法制备纳米乳液是利用乳化剂的特殊性质，在混合的表面活性剂-油-水(surfactant-oil-water, SOW)三相体系，通过改变SOW组成或环境条件，最终自发形成纳米乳液[22]。基于低能量技术的纳米乳液制备方法主要包括自乳化及相转变两大类[23]。低能量纳米乳液制备方法具有设备简单、成本低、低能耗损失等优势，该方法可用于对高黏度油脂制备纳米乳液，且一旦形成后对环境的稳定性影响较小[24]。

自乳化方法源于制药领域，用于制备自乳化纳米药物传输系统，近年来开始应用于食品领域，以制备负载脂溶性生物活性物质的纳米乳液[25]。尽管自乳化方法制备纳米乳液的机制尚未完全阐明，但普遍公认的机理(图1)是在磁力搅拌下，将含有水溶性表面活性剂的油相与水混合。由于这种运动，水分散物质由油相转变为水相，导致界面不稳定，小油滴自发形成。为了产生小的乳状液滴，两相界面处的紊流应该被触发，并且辅助表面活性剂如乙醇、丙酮和丙二醇也被激活[26]。自乳化方法依赖于油和表面活性剂自身性质、界面应力、油和表面活性剂比例，及助溶剂用量和种类。油是自乳化方法中的关键因素，可用该方法制备纳米乳液的脂质包括中链甘油三脂或脂肪酸酯，而表面活性剂通常需要有较高亲水疏水平衡值，如食品级表面活性剂吐温和司盘系列中部分组成，或双亲性磷脂分子。这种方法的主要缺点是需要使用大量的合成表面活性剂[27]。

图1 自乳化方法制备纳米乳液机制Fig.1 Preparation mechanism of nano-emulsion by self-emulsification method

2.2 负载LC n-3 PUFA食品纳米乳液低能量技术制备方法

通过低能量方法，虽可得到食品级纳米乳液，但其制备过程主要依靠经验方法，比如在油与食品级表面活性剂被确定的前提下，通过改变乳化条件实现乳液尺寸的纳米化。此外，所制备的纳米乳液是否能满足对预期食品或饮料外观、流变学等功能性的需求只能在反复试验后得到确认，这种方式不仅浪费资源，常常也得不到理想结果。纳米乳液是由单个纳米颗粒组成，因此纳米乳液最终的功能性质将由纳米颗粒的浓度、组成、相貌形态、大小分布、表面电荷及物理状态等结构特性决定。为了能在不同的低能量方法中正确选择实现食品功能要求的方法及SOW组成，建立纳米乳液-固体分散体结构功能关系将至关重要，这样可实现按需定制食品纳米乳液工业。因此，通过建立乳液纳米颗粒自身微观结构特性与纳米乳液整体外观、稳定性及流变学特性等宏观功能特性间关系，是优化低能量方法，合理设计具有特定功能和用途食品纳米乳液的有效保证。

相转变方法可以通过改变体系不同温度、盐离子浓度或pH等环境条件下表面活性剂性质，包括其分子曲率、构相和相对溶解度的变化实现。常见的相转变方法包括相转变温度、组成相转变和突变相转变等，但目前仅组成相转变和突变相转变2种方法可实现对食品级表面活性剂及食用油制备食品纳米乳液。组成相转变方法是基于非离子表面活性剂的自发曲率变化引起的温度诱导相变。它的形成是通过改变环境pH或盐离子浓度，促使表面活性剂分子曲率或相对溶解度的改变，并最终形成纳米乳液(图2)。

图2 组成相转变方法制备纳米乳液机制Fig.2 Preparation of nanoemulsion mechanism by phase transformation method

在低温下，对温度敏感的表面活性剂具有亲水性和正的自发曲率，但随着温度的升高，它们变得更加疏水性和负的自发曲率[28]。HESSIEN等[29]采用吐温-80和司盘80，首先在高盐条件下制备了油包水乳液，通过向该体系添加水以降低体系盐离子浓度以改变表面活性剂分子曲率，使其在油水界面达到亲疏水平衡，继续添加将实现水包油纳米乳液。由于聚合物链脱水，聚氧乙烯等非离子表面活性剂经过连续的快速冷却和加热过程，在高温下具有亲脂性，在低温下具有亲水性。因此，水包油纳米乳液在低温条件下更稳定，而油包水纳米乳液在高温条件下更稳定。组成相转变方法是一种低成本的方法，容易扩大规模，通过控制温度从而产生所需的液滴尺寸。主要的缺点是它局限于非离子表面活性剂，可能需要大量的乳化剂[30]。

与组成相转变不同，突变相转变方法是通过改变表面活性剂-油-水组成比例来形成纳米乳液。如图3所示，在搅拌的状态下通过向特定表面活性剂与油的混合体系缓慢加入水，首先形成油包水普通乳液，增加水的量形成油水彼此交织的双连续相，持续加水最终将形成水包油纳米乳液。该方法的作用机制是当水的添加量超过一临界点时，最初油包水系统中形成的层状液晶结构会因水浓度的增加而膨胀，最终导致油包水结构的破裂并达到相转变点，形成水包油纳米乳液[31]。

图3 突变相转变方法制备纳米乳液机制Fig.3 Mechanism of nano emulsion prepared by mutant phase transformation method

纳米乳液体系为热力学不稳定系统，通常会因奧氏熟化而造成体系物理不稳定。此外改变环境存储条件时，其稳定性也会发生改变，比如低温贮藏通常会出现沉淀。因此需改善技术，从而提高纳米乳液体外稳定性，并保持其自身高生物利用度特性。固体分散技术是将研究对象以分子、胶态、微晶等状态均匀分散在某一固体载体物质中，通过不同干燥技术，最终制成无定形固体分散体。固体分散技术最早用于增加难溶性药物的溶解度和溶出速率，同时延缓和控制药物释放[32]。此外，固体分散技术能够增加药物的稳定性，提高药物的生物利用度，因此被广泛应用于各种药物剂型的制备。运用固体分散技术所制备的纳米乳液固体分散体将同时具备纳米乳液的高生物利用率，及固体分散体的高溶解性和高稳定性。通过固体分散技术制备的纳米乳液固体分散体，一方面在体外可存储于各种低温状态并保持其物化稳定性，另一方面能有效保护生物活性物质顺利通过胃液，并经胃液及胃的蠕动下再次生成粒径<200 nm的微乳液进入人体小肠消化系统。这些细小微乳液的形成能有效增加其表面积，从而使其负载的生物活性物质能被肠壁细胞有效吸收，最终获得生物活性物质一致和可重复的生物利用度。

3 负载LC n-3 PUFA纳米乳液的应用

纳米乳液可以通过覆盖一层保护壁材料，封装必需脂肪酸、维生素、多肽、抗氧化剂、矿物质和益生菌等多种生物活性化合物，防止活性成分在食物中蒸发、化学反应或迁移，并在加工和储存时保持其稳定性，广泛应用于食品加工、生物、医药等多个领域[33]。

3.1 纳米乳液在食品体系中的涂层保护应用

纳米乳液包封亲脂成分可提高其处理和使用的便利性，促进其与产品的结合，通过改善亲脂化合物的性质增加生物利用度，控制其释放的速度或位置，保护其免受化学降解。深海鱼油含有大量的EPA和DHA 脂肪酸，具有众多生物活性并对多种疾病有预防作用，比如对心血管系统疾病、婴儿脑部与视力发育及部分癌症等有明显改善作用。由于人体自身不能有效合成EPA及DHA，因此需从外界食品中摄取，比如添加DHA的婴儿奶粉[34]。LCn-3 PUFA因其不完全水溶性及化学不稳定性，而不能作为直接食物原料。目前在食品中添加LCn-3 PUFA的方法是以经高压均质、干燥获得LCn-3 PUFA粉体为食品原料，添加入食品中。这一现有工艺最大的问题不仅是能耗高，而且由于LCn-3 PUFA化学稳定性差，极易发生脂肪氧化。有研究表明经高压均质后，由于机械操作过程温度的影响，包埋LCn-3 PUFA的乳液已开始氧化，这样的制备工艺必将影响其货架期。采用低能量制备的纳米乳液，并采用温和喷雾干燥条件配合最优固化剂，将纳米乳液固体分散，可保持LCn-3 PUFA化学稳定性。此外，纳米乳液在不同果蔬、粮油及肉制品的保鲜或稳定性中已显示出较好的效果，不仅对产品储藏期间的微生物种群数量、生化反应、生理褐变、氧化稳定性起到积极作用，而且应用领域也日趋广泛。具体应用及影响效果见表2。

表2 纳米乳液在食品体系的应用及其影响效果Table 2 Application and effect of nano-emulsion in food system

3.2 纳米乳液在食品体系中的功效维护应用

纳米乳液的另一个优势是能提高其负载活性物质的生物利用度，因此LCn-3 PUFA的生物活性也可能因其承载体纳米乳液自身特性，而显著提高[45]。从营养学的角度，提高具有特殊营养功能活性物质的生物利用度，有利于其生物活性在人体的利用，但目前并不清楚纳米乳液负载生物活性物质生物利用度的过度提高，是否会对人体造成负面影响[46]。纳米乳液系统在提高食品基质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潜力。封装还有助于通过提供亲水涂层或机械应力增加脂溶性成分的溶解度，如脂溶性维生素(β-胡萝卜素)，天然香料(辣椒素、柠檬醛)和某些抗氧化剂(白藜芦醇)。目前，对LCn-3的每日推荐用量是650～1 000 mg，而过多食用可能导致因血小板聚集造成的出血不止。理论上，纳米乳液负载的LCn-3 PUFA因可能的生物利用度提高而对人体产生类似出血不止的剂量将低于其被普通食品负载所需的剂量[47]。因此，目前建立的LCn-3 PUFA每日推荐量可能不再适用于其被纳米尺寸载体负载的食品或饮料，在固化纳米乳液等纳米食品进入市场前，应对其所负载生物活性物质的生物利用度进行系统评价[48]。

4 展望

低能量方法制备食品纳米乳液并最终固化，是纳米技术中最为便捷的可用于重塑食品功能的途径。我国对功能性食品纳米乳液的研究处于起步阶段，尤其对负载生物活性脂质纳米乳液固体分散自身物性及对生物利用度的改变和评价的研究相对较少，在将其成功应用于食品工业之前，仍有一些瓶颈亟待解决：如何选择高效的工艺过程，利用食品级原料制备纳米乳液；如何合理设计纳米乳液颗粒，使其负载的功能物质获得特殊的功能性；如何成功的将负载功能物质的纳米乳液整合进入食品主体，在不同储藏条件下保持物理稳定，并不影响食品固有品质；如何正确评估负载功能物质纳米乳液的生物利用度等都是该领域未来亟待解决的问题。选择低能量制备方法及相关固体分散技术的研究不仅将对相关领域研究提供新的思路，所取得的研究成果对于开发安全无毒、负载其他生物活性脂质的食品纳米乳液及固体分散体也将具有借鉴意义，为我国食品工业功能食品领域在国际市场上的拓展提供新的解决途径。