微纳米电喷在食品中的进步和发展外文翻译资料

 2022-03-27 07:03

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微纳米电喷在食品中的进步和发展

摘 要

微米和纳米技术是在食品技术领域被广泛使用的工具。电喷雾技术蓬勃发展，因为其重要性在于开发含有活性成分的微生物和纳米颗粒作为生物活性化合物，增强分子的气味，气味和包装涂料，以及开发由食品（蛋白质，碳水化合物）获得的聚合物作为壳聚糖，藻酸盐，明胶，琼脂，淀粉或麸质。与常规技术相比，电喷雾技术如纳米沉淀法，乳液法，双重乳化法和逐层提供更大的优点，因为其简单，成本低，使用少量溶剂，因此开发微米和纳米颗粒具有更大的优势，产品是 在一个步骤中获得。这种技术也可以应用于农产品部门，用于制备化肥或农药的受控和/或延长释放系统，为此必须进行更多的研究。

关键词：纳米技术，电喷射，微粒子，纳米粒子，食品

  1. 简介

如今，食品技术专家正在寻找替代品来帮助改善人类食用的食物生产。所应用的技术包括用于食品微生物学的微米和纳米技术用于涂料或无细菌包装，用于包封衍生食品的产品的微米和纳米颗粒，例如生物活性化合物，生物分子（蛋白质和碳水化合物）生产乳液的包封，以及目前农业用于控释和延长释放肥料的繁荣。电喷雾技术或电动力雾化是包含在食品微观和纳米技术领域中作为新方法应用的工具之一。该技术基于通过应用高电场从聚合物溶液制备球体，从而获得不同食品的包封。

在食品中应用这种技术有助于生产具有无限应用的产品，除了对环境和人类更加友好;然而，在食物领域却没有实现的研究。本文的目的是介绍电喷技术在食品技术领域的发展和应用，展现其优缺点。

  1. 电喷射技术

电喷雾是静电纺丝方法的一种变体，其开始用于药物中，目的在于包封药物。 Vonnegut和Neubauer（1952）是应用电压产生微米级球形颗粒作为喷雾剂的先驱。今天，这项技术正在扩展到食品技术蓬勃发展的其他领域，因为它简单，使用低成本的设备。

根据收集液滴的方式，电喷雾技术有两种变体：电极中的电喷雾和溶液中的电喷雾。板中的电喷雾包括将带电液滴收集在接地板中，收集可以是两种形式。 第一个带电液滴是单独沉积的，或者可以作为液滴的聚集物沉积在板上(图1)。

  1. 溶液中的电喷雾基于将交联溶液中的带电液滴收集到沉淀玻璃中，以促进微孔和纳米球的形成。在该方法中作为交联剂研究和使用的最多的是氯化钙(图2)。

电喷雾的原理是基于电场使液滴的界面变形的能力，并根据要控制的参数获得微米或纳米范围内的液滴。该原理基于带电液滴的理论，其确定如果将电场施加到液滴，则电荷产生静电力到液滴中，称为库仑力，其与液滴中的内聚力竞争。当施加的库仑力能够克服液滴的内聚力时，这表现为表面张力的释放和纳米微滴的形成（图3）。命名为瑞利极限LR的极限存在粒径和粒度分布的顶点。这些变量涉及系统参数，如溶液流速，施加电位，收集器距离，溶液粘度，电导率，表面张力，分子量和聚合物浓度(表1)。

2.1系统参数

流量（Q）：知道该方法的这个参数允许预测材料在确定粒度时具有的行为。 Chan等人（2010）将聚甲基倍半硅氧烷（PMSQ）的微球的制备用作包封粒径为310-1000nm的氟己烷（PFH）的核心的微球壳的模型材料。其次，Ghayempour等（2013）制造了用氯化钙交联的藻酸钠的微粒子，用于将粒度从80nm至900mu;m的精油包封。这两个工作确定了流速如何影响粒度，获得以下结果：

  1. 在高流量下，可能导致形成大粒径颗粒。发生这种现象是因为喷射速度和从针头滴落的聚合物浓度较高; 因此，溶剂不会完全挥发
  2. 由于喷射速率较小，导致较低的流动速率和增加的导电性可导致较小的颗粒至80nm，导致溶剂的挥发更大。

Moghadam等人（2010）应用电喷雾法来研究电压（0-9 kV）的效果。在这项研究中，Sa制备了与氯化钙交联的海藻酸钠纳米球，并观察到4.5至6.5kV正在将效果改变为喷射模式，有利于产生液滴，并得出更高的电压（9kV）产生微米颗粒（400mu;m）的结论。Hartman等人（2000），Fanzheng（2009）和Nguyen等人（2014年）同意其结果，确定更高的电压（15 kv）可以产生更大的喷射锥（泰勒锥）的稳定性，而Fanzheng的颗粒直径为3.4mu;m，Hartman为10mu;m，但该电压不应超过15 kV 因为造成喷气锥体的不稳定性。

收集器距离（L）：为了控制形成的颗粒和均匀性，必须考虑溶剂的有效蒸发，这取决于溶剂的收集器距离和蒸发速率。 快速蒸发速率可导致多孔孔的包含甚至达到最终的颗粒碎裂，并且不利于形成高质量的液滴。另一方面，如果蒸发缓慢，这些颗粒采用的形式更加球形，因为溶剂蒸发时间更长，无溶剂的聚合物形成。

其他研究表明，如果收集器的距离非常小，则不可能蒸发溶剂，因此颗粒会变得更加不稳定，颗粒尺寸会很大。 然而，如果收集器的距离相当大（15-20cm），则溶剂的挥发和聚合物颗粒的分散可能更容易。 然而，没有研究将高喷射速率和长的捕集器距离（15-20厘米）与粒径相关联，如Ghayempour等人的研究案例。Nedovic等人（2001）报道，以较高的喷射速度和较短的距离（4-8cm）获得较小的颗粒。Nedovic等人制备海藻酸钠酵母（Saccharomyces uvarum）的纳米胶囊，得到的粒径为250mu;m。

同时，粘度是获得具有所需直径的颗粒的重要参数，与聚合物的浓度（C）和流动速率（Q）密切相关。 保持浓度不变，为获得相似尺寸的颗粒，粘度往往相同，但是如果这些参数增加了生长范围内的电压，则颗粒的直径将会降低。 Moghadam等人（2010）研究了电喷技术中浓度和粘度的关系，证明如果浓度在10-30 g L-1海藻酸钠浓度范围内增加，则粘度会降低，在浓度为30g L-1时更为明显;相反，在浓度为10g L-1时，粘度几乎没有变化。

电导率是另一个参数，如粘度受流速和电位的影响。它被定义为材料必须使电荷通过的能力，在这种情况下是聚合材料。在Khan等人的调查中（2012），预测电导率和流量之间的关系，得出导电率的增加导致油的表面张力和颗粒尺寸减小了20mu;m; 然而，如果流量和电导率增加，则粒径增加。

在微米或纳米范围内的粒径的减小是受系统其他参数影响的参数。 减小粒径提供更大的表面积;因此，它可以使生物医学和食品应用的微纳米胶囊具有更大的生物利用度。 粒度的重要性在药物领域中首先被解释，可以应用于食品技术，并在Noyes-Whitney（1897）的方程2中描述：

其中（dm/dt）=溶出速率，A =暴露于溶解介质的药物的表面积，D =药物的使用范围，h =溶解药物边界层的厚度，Cs =饱和浓度溶解度，Cb=培养基在时间t的药物浓度。

如果功能粒径的上述参数有助于获得有利的颗粒，则显然必须考虑涉及聚合物性质的其它方面，例如分子量，相互作用和化学组成。如果不知道原材料的行为如何，结果将是不可取的。

3.电喷射技术的优点和缺点

目前在基础科学和工业领域有几种技术，用于开发具有不同应用的微米和纳米颗粒。主要基于聚合物制备纳米颗粒的技术包括：纳米沉淀，乳液分离，双重乳化，乳液凝聚，聚合物涂层（表2）。

3.1纳米沉淀方法

纳米沉淀法是基于合成名为溶剂（有机物）和称为非溶剂（水溶液）的相的纳米胶囊。在有机相中，存在包括聚合物（合成或天然），活性物质，油和表面活性剂（油 - 水）的溶液或几种溶液，水相是非溶剂或非溶剂混合物。该方法是通过操作流动条件和水相速度搅拌等条件，将有机相包括在形成胶态悬浮液的水相中，并获得更小尺寸（lt;100nm）的颗粒。

3.2乳液扩散方法

与纳米沉淀法不同，乳液分离方法有三个阶段：有机，含水和脱水，允许亲水和亲脂性活性物质的包封.39该方法基于通过搅拌聚合物，表面活性剂与有机相和水相进行乳化和饱和溶液;在溶液进行脱水后，溶剂离子和活性化合物进入，纳米胶囊小于200nm。

3.3双乳化法

双重乳化由几种乳化剂组成的系统得到，分为乳化油 - 水 - 油（O-W-O）和乳化水 - 油 - 水（W-O-W）。 该方法使用两种表面活性剂进行两个步骤：第一种用于稳定界面内层W-O的疏水性表面活性剂，另一种稳定W-O-W外层界面的方法。 正确选择表面活性剂对于在内层的界面处形成膜和屏障以及外层界面中的空间稳定剂是必需的。通过该方法制备纳米胶囊，首先通过超声和表面活性剂W-O获得乳液; 第二乳液也通过超声波获得，分散纳米胶囊通过稳定剂稳定; 最后通过真空蒸发除去溶剂。所获得的粒度在150-200nm的范围内。

3.4乳液凝聚法

乳液凝聚法已经用于开发纳米胶囊天然和合成聚合物。 该方法涉及通过机械搅拌的有机相（油，活性物质和活性物质的溶剂（如果需要）和水相（水，聚合物，稳定剂）的O- W乳液; 然后将该过程与电解质凝聚。该方法使用乳液作为模板相和相凝聚，引起聚合物的沉淀和膜在纳米胶囊的模板上形成。最后加入交联剂以加强纳米胶囊。

3.5涂层法

聚合物涂层的方法包括在形成的纳米胶囊的表面上沉积薄层聚合物。这种方法非常灵活，因为它不提供独特的方法; 可以根据获得颗粒的条件来应用。 一种方法是在制备纳米胶囊期间提供聚合物层，另一种方法是在纳米胶囊形成结束时从其它常规方法应用聚合物涂层作为纳米沉淀或双重乳化。

3.6层层推进法

层叠方法是基于组装一系列聚合物层形成纳米球，其中这些层中的每一层均由不同的材料制成，因此具有不同的化学性质。该方法需要通过在聚合物溶液中温育而吸收聚合物层的胶体模板，随后的洗涤或聚合物的溶解性降低，并且滴加不混溶的溶剂。然后用第二聚合物重复该过程，并且依次沉积多层聚合物。

所有这些技术都具有很大的优点，因为它们适用于通用材料，例如加载和稳定各种有机或生物分子的可能性，并且可以以受控的方式释放颗粒（通过聚合物基质的反应，随后膨胀 通过广播或响应当地环境）。这些方法的缺点是使用各种溶剂和表面活性剂需要多于一个合成步骤; 因此它们是昂贵的并且它们的残留物可以损害环境，它们需要改变以获得纳米颗粒，并且不利于获得具有高分子量聚合物的颗粒。表2显示，电喷雾技术除了与其他方法共享之外，被认为是获得颗粒的最佳选择之一，在其应用中显示出很少的缺点。

  1. 在食品领域的应用

电喷雾技术开始用于医学中，用于封装从其延长和/或控制释放提供更大生物利用度的药物。Lee等人的一项研究（2010）描述了通过电喷雾法合成用聚（乳酸 - 共 - 乙醇酸）涂覆的药物颗粒。他们表明，通过适当调整方法，研究的系统可以达到几乎100％的药物封装效率，通过PLGA的浓度变化和喷雾溶液的电导率，获得165 nm至1.2的粒径mu;m。

最近使用电喷雾超越了食品技术，是一种蓬勃发展的新型技术。在这方面，电喷技术可以用于三个目的：主要作为在不可食用食品领域的应用，用于开发智能包装，可以抵抗病原体的进入并导致食品的腐败;第二种是应用纳米结构作为食品成分，即生产包封化合物或食品的颗粒;并且第三种应用是使用食品中的聚合物材料来包封任何化合物或活性物质。

4.1应用程序包装和容器

纳米技术应用纳米球对食品和农业系统的许多方面有重大影响，从食品包装新材料开发到纳米催化剂系统，包括食品链的分析控制。将纳米颗粒结合到含有防腐剂的容器中，其在食品开始变质时释放，从而延长了保质期并提高了其生物利用度。

设备也被用于称为生物传感器的塑料包装中，可以实时检测病原体及其毒素，并提供食品安全。由于其独特的光学性能，聚二乙炔（PDA）是用作传感器的理想选择。PDA分子可以形成薄膜或囊泡，其响应于不同的刺激（例如温度，pH）和生物分子的存在而从蓝色变为深红色。

4.2封装化合物在食品中的应用

食品工业中的纳米球对于掺入可用于包封植物营养素，益生元，60种生物活性化合物，61种抗氧化剂或一些增效剂的物质或化合物是重要的。

有研究表明电喷雾技术应用于包封生物活性化合物。Jun（2013）表明，可以从天然植物产品乙醇提取物中连续生成稳定的抗菌纳米粒子。 Eltayeb等（2013）通过电喷雾法将活性化合物包封在脂质聚合物膜中，所用参数为13-15kV的电位，流速为10-15mu;L/ min;获得的颗粒直径在10至100nm之间，封装效率和性能分别为69.5％和69％。

Bocanegra等人（2005）通过电喷雾法开发了含水溶液的可可乳液W-O，这被证明是一种有效的方法，用于将基于含水食品的成分包含在水分测定仪中，如千分尺，气味，酶，盐，矿物质和维生素范围具有较高的单分散性和可控几何食用油是可以包封用于食品，制药和化妆品行业的其他物质。姜油具有抗菌，抗真菌，抗氧化和驱虫性能，但不稳定和易挥发。由于这个原因，壳聚糖和藻酸盐的膜被封装，形成纳米尺寸的聚合物颗粒。

4.3高分子胶囊在食物中的应用

来自食品的聚合物材料的微米和纳米颗粒是直径为100nm或更小的颗粒，其具有可生物降解的特征，并且可以通过电喷雾技术制备。这些聚合物已经在药物工业中大量使

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