乳液是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的多膠體體系,其液滴尺寸從20納米到幾十毫米?具有納米級(jí)液滴尺寸的乳液(通常在20-200納米范圍內(nèi))通常被稱(chēng)為納米乳液?納米乳液是兩種不混溶的液體(通常為油,水和表面活性劑)組成,其中一種液體以非常小的液滴形式分散在另一液體中,形成W/0或0/W系統(tǒng)。

本文將介紹通過(guò)應(yīng)用高剪切速率和控制乳液的組成，在高壓微射流過(guò)程中將微液滴破裂至直徑小至30納米，而且可以產(chǎn)生適合商業(yè)生產(chǎn)的批量。

微尺度乳劑通常可以在廚房里使用攪拌器、抹刀和攪拌機(jī)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力來(lái)制作；蛋黃醬是一種常見(jiàn)的食物乳液，油滴滴在水中，由雞蛋蛋白穩(wěn)定。然而，由于所施加的剪切應(yīng)力過(guò)低，用這些方法通常無(wú)法獲得液滴直徑小于100nm的納米級(jí)乳液。

我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)的操作步驟，使用高壓微射流裝置，獲得直徑小至30nm的水包油納米乳液。雖然原始納米乳液有一個(gè)峰值單峰尺寸分布，由動(dòng)態(tài)光散射確定，我們使用超離心法分離液滴，使其更單分散。一旦分餾，納米乳液是利用小角度中子散射（SANS）研究可變形液滴濃縮分散結(jié)構(gòu)的一個(gè)很好的模型系統(tǒng)。我們將濃縮納米乳的結(jié)構(gòu)與均勻硬球的濃縮懸浮液的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)其結(jié)構(gòu)上的差異提出了一些簡(jiǎn)單但推測(cè)性的解釋。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

高速剪切機(jī)（粗乳制備）

WST高壓微射流均質(zhì)機(jī)（超小納米乳制備）

實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果：

硅油（聚二甲基硅氧烷或PDMS）首先分散在離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）的水溶液中，使用粗?jǐn)嚢杵鳟a(chǎn)生微尺度液滴。在第一步中，我們創(chuàng)建了一種預(yù)混乳液，它具有特定的油粘度、油體積分?jǐn)?shù)和表面活性劑濃度。然后，預(yù)混微尺度乳液被用作高壓Y型射流微射流設(shè)備（Microfluidizer）的輸入進(jìn)料。微射流設(shè)備由壓力電機(jī)帶動(dòng)增壓泵增壓驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生脈沖拉伸剪切流，峰值剪切速率˙γ超過(guò)108s?1。我們通常在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)處理大約100毫升的體積。由于微流控通道中的流動(dòng)在空間上是不均勻的，我們將處理過(guò)的乳液多次將其送回微射流設(shè)備，使所有液滴都經(jīng)歷峰值剪切區(qū)域。乳化液通過(guò)該裝置處理的次數(shù)為次數(shù)N，通過(guò)改變壓力，我們可以改變峰值剪切速率和破裂液滴的大小。我們用90度的動(dòng)態(tài)光散射（DLS）將大量稀釋到φ≈10?5的乳狀液的體積加權(quán)徑向分布p(a)。從中，我們提取出體積平均半徑。

不同配方下，粒徑與通過(guò)次數(shù)關(guān)系圖

我們研究了峰值剪切速率如何對(duì)半稀釋乳液受強(qiáng)拉伸剪切流影響的液滴尺寸的影響。在圖1中，我們展示了從DLS獲得的平均油滴半徑作為通過(guò)數(shù)N的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于微射流設(shè)備的一組不同的處理壓力，范圍從8000psi-25000psi。預(yù)混合乳液的成分在所有情況下都相同：φ=0.2，C=116mM，和ηd=10cP。通過(guò)驅(qū)動(dòng)微射流壓力增加峰值剪切速率，平均液滴半徑系統(tǒng)地減小。此外，隨著N的增加，平均半徑最初減小，但它開(kāi)始在我們探索的最大N處，飽和到一個(gè)常數(shù)值。

主要結(jié)論：

微流控生產(chǎn)可用于生產(chǎn)半徑約為15納米的水中硅油納米乳劑。由于微流控裝置中的空間不均勻流動(dòng)，通常需要多次乳液才能使所有液滴經(jīng)歷最高剪切區(qū)域，從而獲得更小液滴的更均勻分布。通過(guò)稀釋和離心，可以獨(dú)立控制φ和c。此外，超離心尺寸分餾可以有效地制備多分散性接近10%以?xún)?nèi)的納米乳。經(jīng)過(guò)乳化和分餾后，納米乳可以在不改變液滴尺寸的情況下改變其組成。因此，我們已經(jīng)證明了用于科學(xué)研究的可變形納米尺度液滴的可控模型系統(tǒng)是可能的，而不依賴(lài)于膨脹的溶促性膠束相。如果油的分子量足夠大，可以防止液滴尺寸通過(guò)油分子從一個(gè)液滴到另一個(gè)液滴的擴(kuò)散傳輸，納米級(jí)液滴是穩(wěn)定的、堅(jiān)固的和壽命長(zhǎng)的。可以制造粘度高達(dá)1000cP的納米級(jí)油液滴，盡管最小的液滴通常是用低粘度較低的油獲得的。因此，納米乳劑代表了亞穩(wěn)態(tài)液滴分散的極限。我們認(rèn)為，可以通過(guò)乳化反應(yīng)產(chǎn)生半徑小于10nm的穩(wěn)定液滴，盡管我們不期望達(dá)到2nm，對(duì)應(yīng)于表面活性劑膠束的半徑。探索乳化仍然是軟凝聚態(tài)物理中一個(gè)有趣的前沿。

納米乳在食品領(lǐng)域中的作用：

近年來(lái),人們對(duì)食品生物活性成分(如兒茶素?植物留醇?姜黃素?番茄紅素?Ω3脂肪酸和胡蘿卜素)對(duì)健康的促進(jìn)作用有了越來(lái)越多的關(guān)注,其抗氧化?抗癌和預(yù)防慢性疾病的性質(zhì)已經(jīng)在許多研宄中得到證明?而這些活性成分在研宄過(guò)程中的主要難題是它們?nèi)芙庑圆?生物利用度低?據(jù)研宄,納米乳液由于其具有較小的液滴尺寸和較高的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性,可以提高大部分的油溶性植物活性成分的溶解度?穩(wěn)定性和生物活性。