超声微反应器法制备稳定的W1/O/W2双乳液用于高效包封维生素C

《Ultrasonics Sonochemistry》：Ultrasonic microreactor-mediated fabrication of stable W 1/O/W 2 double emulsions for efficient vitamin C encapsulation

为解决水包油包水（W1/O/W2）双乳液作为生物活性物质载体的长期稳定性难题，研究人员利用超声微反应器（USMR），结合魔芋葡甘聚糖（KGM）构建内水相弱凝胶网络，成功制备了高稳定性双乳液体系。该体系实现了维生素C（VC）和维生素E（VE）的协同共包封，包封率达80%，并在长期储存及加速老化条件下展现出优异的物理稳定性与抗氧化活性，为化妆品和功能输送系统提供了高效可控的制备新策略。

　　

在追求美与健康的道路上，维生素C（VC）无疑是一位“明星成分”。它凭借强大的抗氧化、促进胶原蛋白合成和提亮肤色的能力，被广泛应用于化妆品、药品和食品领域。然而，这位明星却有一个致命的弱点——极不稳定。尤其是在水环境中，VC在光照、氧气或高温下极易氧化降解，导致其功效大打折扣。如何为这位“娇贵”的成分打造一个稳固的“保护舱”，成为了科研人员和产业界亟待破解的难题。

传统的微/纳米载体系统，如复合脂质体或电喷雾纳米粒子，在提高VC稳定性方面虽有所探索，但仍面临长期储存易发生囊泡融合、活性物泄露，或制备工艺复杂、难以规模化等挑战。水包油包水（W₁/O/W₂）双乳液结构，因其能通过中间的油相将VC与外部环境物理隔离，并提供可调节的释放曲线，被视为一种极具潜力的解决方案。但是，通过常规高速均质或高压乳化方法制备的双乳液，往往存在液滴尺寸分布宽、界面结构不稳定、包封效率低和长期稳定性差等问题，限制了其实际应用。

那么，有没有一种方法，既能精确控制双乳液的结构，又能赋予其超强的稳定性呢？发表在《Ultrasonics Sonochemistry》上的这项研究，为我们提供了一个创新性的答案：利用超声微反应器（USMR），并巧妙地给内水相“穿上”一层凝胶“盔甲”。

为了探究这一策略的可行性，研究团队展开了一系列系统性的工作。他们首先利用USMR制备初级W₁/O纳米乳液，通过精确调控超声功率和流速（即停留时间），将内水相液滴均匀破碎至纳米级（约100 nm），为后续包封奠定了坚实基础。随后，他们将含有VC和KGM（作为凝胶剂）的内水相纳米乳液，再次通过USMR乳化到外水相中，最终形成W₁/O/W₂双乳液。在整个研究过程中，团队综合运用了动态光散射和激光粒度分析来精确表征纳米级和微米级液滴的尺寸分布；通过透射电子显微镜（TEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）直观地揭示了双乳液的内部“多核”微观结构；并采用高效液相色谱法测定VC的包封效率，以及DPPH和ABTS自由基清除实验评估体系的抗氧化活性，全面验证了该递送系统的性能。

关键研究结果与发现

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  3.1. 影响W₁/O纳米乳液的关键因素
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    流速与停留时间：研究发现，在USMR中，较低的流速（即较长的停留时间）允许更多的空化气泡坍塌事件发生，从而更有效地将初级W₁/O液滴尺寸减小至约100 nm，为后续形成均匀的双乳液提供了理想的纳米构建模块。
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    乳化剂浓度：脂溶性乳化剂PGPR的浓度对纳米乳液的尺寸和稳定性至关重要。随着PGPR浓度从1%增加至5%，油水界面张力从28.0 mN/m急剧下降至1.23 mN/m，乳液液滴尺寸显著减小，外观从乳白色变为半透明的蓝色。浓度继续增加至10%，液滴尺寸稳定在约85 nm，乳液呈现清澈的蓝色，表明达到了界面饱和。
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    KGM的作用：在W₁相中添加KGM，虽然显著增加了内水相的粘度，形成了剪切变稀的弱凝胶网络，但得益于USMR的高能空化场，并未对初级纳米液滴的尺寸（105-110 nm）产生不利影响。这证明了USMR能够克服高粘度流体的阻力，实现高效乳化。
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  3.2. 影响W₁/O/W₂双乳液的关键因素
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    微观结构确认：通过TEM（借助GMS固化油相）和CLSM成像，研究清晰地证实了成功制备出具有“核-壳”结构的多核W₁/O/W₂双乳液。CLSM图像显示，在优化的超声功率（20-30 W）和流速（6 mL/min）下，内部水相液滴均匀地分散在更大的油相液滴中。
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    工艺参数的优化：流速和超声功率共同决定了最终双乳液的液滴尺寸和分布。在流速6 mL/min、超声功率20 W的优化条件下，双乳液的平均液滴尺寸约为1.1-2.5 μm，且分布均匀。过高的流速会导致空化能量不足，液滴破碎不完全，尺寸增大且出现双峰分布。
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    KGM对稳定性的决定性作用：KGM的添加是提升双乳液长期稳定性的关键。不含或仅含低浓度KGM（≤0.5%）的双乳液，在储存中易发生液滴聚并，粒径分布呈双峰。而含有1.0% KGM的双乳液，其内水相的高粘度网络有效抑制了布朗运动和液滴碰撞，在60°C加速储存12小时后以及室温储存35天后，仍能保持稳定的单峰分布和液滴形态，证明了凝胶网络对结构的强化作用。
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  3.3. VC双乳液的稳定性与包封效率
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    优异的物理与化学稳定性：负载VC的双乳液保持了良好的物理稳定性，在2800×g离心20分钟后几乎无相分离，在60°C下储存12小时液滴尺寸变化极小。VC的加入对乳液Zeta电位、液滴尺寸和界面张力影响甚微，表明其良好的相容性。
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    高包封效率与协同抗氧化：该双乳液体系对VC的包封效率最高可达80%。更为重要的是，当在油相中同时包封维生素E（VE）时，新鲜制备的乳液对DPPH和ABTS自由基的清除率接近100%，展现出卓越的协同抗氧化效果。在60°C储存12小时后，VC/VE共包封体系的抗氧化活性保留率（85%-88%）显著高于单独包封VC的体系（58%-60%），证明了VE在油水界面形成的“第一道防线”有效保护了内部的VC。
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    pH响应性稳定：该双乳液体系在酸性至中性环境（pH 3-7）下表现最佳，尤其是在pH 3时，其包封效率和抗氧化活性保留率最高。而在碱性（pH 9）条件下，由于KGM发生脱乙酰化并导致凝胶网络崩溃，体系的保护能力急剧下降。这提示了该体系特别适用于酸性配方的化妆品或功能性食品。

结论与重要意义

本研究成功开发了一种基于超声微反应器（USMR）和魔芋葡甘聚糖（KGM）凝胶化策略的、用于高效包封维生素C（VC）的稳定W₁/O/W₂双乳液制备新方法。该方法的创新性在于将USMR的高能、可控空化破碎能力与KGM在内水相构建的物理缠结网络相结合，实现了对乳液结构从纳米到微米尺度的精准调控。

研究得出的核心结论是：在优化条件下（超声功率20 W，流速6 mL/min，油水比2:8），所得双乳液具有粒径均一（~1.1-2.5 μm）、包封效率高（VC达80%）、物理稳定性优异（耐离心、耐60°C热储）和长期储存稳定（室温35天）的特点。KGM凝胶网络有效增强了内水相的结构强度，抑制了渗透和聚并。VC与VE的共包封产生了显著的协同抗氧化效应。

这项工作的意义深远。首先，在方法论上，它证实了USMR作为一种连续化、可控性强的制备工具，在复杂乳液体系构建中的巨大潜力，克服了传统乳化技术的局限性。其次，在应用层面，所开发的稳定双乳液载体系统，不仅为VC这类不稳定活性成分的高效保护和递送提供了创新方案，其协同抗氧化设计思路和pH响应特性，也为开发面向化妆品（尤其是酸性精华、乳液）、功能食品及药品的新型功能输送系统奠定了坚实的理论与技术基础，具有重要的产业应用前景。