超声辅助一步法制备纳米乳凝胶：增强流变-摩擦学性能的创新策略

本研究针对传统纳米乳凝胶制备工艺复杂、效率低的问题，开发了一种低频超声(20 kHz)辅助的一步法合成技术。研究人员通过超声处理同时实现乳化均质化和结冷胶凝胶化过程，成功制备出具有纳米级液滴的乳凝胶体系。研究结果表明：该方法显著降低了液滴尺寸(431.7±64.3 nm)和多分散指数(PDI<0.08)，提高了凝胶网络协调性(协调数Z达6.10)并降低了摩擦系数。该技术为功能性软固体食品开发提供了新思路，特别适用于吞咽障碍患者的膳食设计，具有重要的工业应用价值。

　　

在现代食品工业发展中，功能性食品的创新开发正面临重要机遇与挑战。随着消费者对健康饮食需求的不断提升，如何将具有保健功能的生物活性物质有效添加到食品体系中，同时保持食品原有的感官品质和质地特性，成为食品科学家们亟待解决的关键问题。特别是针对特殊人群如吞咽障碍患者的膳食设计，需要在满足营养需求的同时确保食物质地安全适宜。

传统纳米乳凝胶制备通常采用分步工艺：首先通过机械均质化制备纳米乳液，随后单独进行凝胶化反应，最后将两者混合。这种多步骤工艺不仅生产效率较低，而且可能影响最终产品的稳定性和功能特性。因此，开发一种能够同时实现乳化和凝胶化的高效集成工艺，具有重要的工业应用价值。

在此背景下，来自米兰大学的研究团队在《Innovative Food Science》发表了创新性研究成果，他们开发了一种基于低频超声波(20 kHz)的一步法纳米乳凝胶制备技术，成功将乳化均质化和凝胶化过程整合到单个操作单元中。这项研究不仅简化了生产工艺，还显著改善了纳米乳凝胶的功能特性。

研究人员采用了一套综合性的技术方法开展本研究。他们使用低频超声处理器(20 kHz)进行乳液制备，通过精确控制超声能量输入实现同时乳化和凝胶化。采用光学显微镜和荧光显微镜进行结构表征，使用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)分析液滴尺寸分布和多分散指数。流变学特性通过动态机械分析测定，使用平板-平板几何结构评估样品的粘弹性模量。摩擦学特性通过球-三板几何结构测定，绘制Stribeck曲线分析润滑行为。所有实验均采用统计学方法进行数据分析，确保结果可靠性。

3.1. 超声辅助乳凝胶形成

研究人员发现超声波处理能够同时实现乳化作用和凝胶引发功能。超声产生的空化效应不仅能够将油相液滴破碎至纳米尺度，其产生的局部加热效应还能促进高酰基结冷胶(HA-GG)的水合和溶解，为后续冷却过程中的凝胶化奠定基础。通过控制超声处理时间使体系温度达到80°C，并维持2分钟，成功实现了结冷胶的溶胶-凝胶转变温度要求。

3.2. 超声处理乳凝胶的形态学和视觉特性

形态学分析显示，超声处理的纳米乳凝胶呈现出均匀的半透明外观和光滑的白色色泽。与传统的转子-定子均质化制备的乳凝胶相比，超声处理样品的液滴尺寸显著减小，从4607.3±1702.9 nm降低至431.7±64.3 nm，达到了真正的纳米乳液标准。多分散指数(PDI)均低于0.08，表明体系具有优异的单分散性。荧光显微镜图像进一步证实了纳米级液滴的均匀分布，没有出现聚集现象。

3.3. 流变学表征

流变学测试结果表明，所有乳凝胶样品都表现出弱凝胶特性，储能模量(G′)始终大于损耗模量(G″)。超声处理的纳米乳凝胶显示出更宽的线性粘弹性区域(LVR)，临界剪切应变从传统样品的1.0%提高至6.6%。通过Bohlin模型计算协调数(Z值)发现，超声处理样品的网络协调性显著增强，其中接受最高比能量输入的E_US1样品Z值达到6.10，而传统样品仅为3.43。这表明超声波处理促进了凝胶网络内部连接点的形成，增强了结构稳定性。

3.4. 摩擦学表征

摩擦学性能评估通过Stribeck曲线进行分析，显示了从边界润滑到混合润滑再到流体动力润滑的典型转变区域。纳米乳凝胶表现出比传统乳凝胶更低的摩擦系数，这归因于纳米级液滴作为润滑剂的有效作用。有趣的是，研究发现摩擦系数与协调数之间存在关联：网络协调性越强的样品，由于其更致密的结构，反而表现出略高的摩擦阻力。这表明在优化乳凝胶配方时需要综合考虑流变学和摩擦学性能的平衡。

本研究成功证实了超声波辅助一步法制备纳米乳凝胶的技术可行性。该方法通过将乳化均质化和凝胶化过程整合到单一操作中，实现了工艺过程的显著简化，体现了过程强化原则的实际应用。研究结果表明，超声处理不仅能够产生纳米级液滴，还能同步改善凝胶网络的结构特性，增强其机械强度和稳定性。

特别值得关注的是，通过调节超声比能量输入，可以精确控制最终产品的功能特性。较高比能量输入导致更小的液滴尺寸、更低的PDI值、更高的网络协调数和更低的摩擦系数，这为定制化设计特定应用需求的纳米乳凝胶产品提供了技术途径。

这项技术的成功开发为功能性食品领域带来了重要创新，特别是在吞咽障碍膳食设计方面具有直接应用价值。纳米乳凝胶体系能够有效包埋脂溶性生物活性物质，提高其生物利用度，同时提供安全适宜的质地特性。此外，该技术还可扩展到制药和化妆品等领域，为开发新型递送系统提供新思路。

研究人员也指出，尽管本研究证明了超声一步法的技术优势，但未来研究需要进一步探索油相浓度、表面活性剂选择和胶凝剂含量等配方参数的协同效应，以优化不同应用场景下的产品性能。同时，进行能量标准化的量热比较研究将有助于更精确地评估该技术的能效优势。

总体而言，这项研究为下一代食品加工技术的发展奠定了基础，将过程强化与功能性能提升有机结合，展示了超声波技术在食品创新中的巨大潜力。随着对该技术机理的深入理解和工艺参数的进一步优化，超声辅助一步法纳米乳凝胶制备技术有望在食品工业中得到广泛应用，为消费者提供更多高质量的功能性食品选择。