微流控芯片温度梯度调控下核壳结构液滴的生成及其在食品科学中的应用研究

这篇研究报道了一种集成微加热器和珀耳帖冷却装置的微流控芯片系统，通过建立5 mm内60°C至6°C的短程温度梯度，实现了甘油单硬脂酸酯（GMS）结晶壳包裹的油水核壳液滴（13-49 μm）的可控制备。该系统采用流聚焦结构（31 μm特征尺寸）和三级气压控制（p1/p2/V），为食品工业中热稳定性乳液（如风味包埋、脂肪模拟物）和微反应器开发提供了新策略。

　　

微流控芯片温度梯度调控下的核壳液滴生成机制

材料与方法

研究团队设计了一种结合表面电阻微加热器（375 μm宽铝条，210 Ω）和显微镜载物台珀耳帖冷却装置的微流控系统。芯片采用SUEX干膜光刻（40 μm通道高度）和PDMS复制成型技术制备，流聚焦 junction设计为40 μm×170 μm狭缝。油相由中链甘油三酯（MCT）与10 wt% GMS及尼罗红染料组成，在100°C预处理后保持>40°C进样。

关键创新点在于建立了5 mm空间内跨越54°C的陡峭温度梯度。通过三级压力协议（水相140 mbar/油相180 mbar/真空190 mbar）驱动，液滴在>60°C的junction处生成后，在移动过程中迅速冷却至<6°C形成GMS结晶壳。该系统每小时可生产2.6×10^-11 m³/s的单分散液滴。

实验结果

粒径分析显示，新鲜样本（Sample 1）中31 μm球形颗粒占主导（13-49 μm分布），5天冷藏后（Sample 2）大颗粒比例下降。值得注意的是，当冷却区域仅限收集井时，会形成扁平粘连颗粒（图2D），而全程冷却通道则产生标准球形颗粒（图2E-F）。与常规T型结器件5.5-11%的变异系数相比，本系统粒径分布较宽，推测与温度梯度陡峭导致的流体界面张力波动有关。

应用前景

该技术为食品工业提供了新型载体系统：

1. 1.

   GMS结晶壳可保护风味物质和营养素，延长货架期

2. 2.

   作为脂肪模拟物用于低脂/纯素配方，改善口感（奶油感/延展性）

3. 3.

   微反应器潜在应用：通过酶促反应调控质地或风味

技术局限包括：

• 缺乏温度反馈控制导致加热波动

• 微流控固有通量限制需并行化改进

• 粒径均一性需通过优化梯度长度提升

这项研究为界面结晶调控提供了新范式，未来可通过集成温度传感器和并行化设计进一步优化系统性能。