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太空化學家:宇航員們的星際“調(diào)酒師”

更新時間:2024-10-10      點擊次數(shù):862

太空化學家:宇航員們的星際“調(diào)酒師

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(zhì)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)。


太空化學家:宇航員們的星際“調(diào)酒師

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

2.1

神奇的納米乳液


納米乳液是一種特定的納米結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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。


2.2

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(zhì)器及超聲波均質(zhì)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。

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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(zhuǎn)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(jié)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(zhì),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。

2.3

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(zhì)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

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圖3 頂部:假定的納米液滴形成流體在滴定管中,左側(cè),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(jié)果失真。




2.4

實驗結(jié)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)。

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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。

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圖5. 油相密度與表面活性劑與油比之間的關系  

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圖6. 油相粘度與SOR =0.5–2.0,MCT 和 Tween 80 與溫度的關系。




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(diào)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)。




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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(jié)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(jié)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(diào)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(zhì),并計劃調(diào)整微流體制造工藝以優(yōu)化飲料的整體質(zhì)量。此外,向納米乳液中添加風味以提升飲料的感官質(zhì)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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