综述：食品系统中纳米气泡功能性的机理基础：电动力学稳定、传输动力学与功能结果的关联

《COMPREHENSIVE REVIEWS IN FOOD SCIENCE AND FOOD SAFETY》：Mechanistic Basis of Nanobubble Functionality in Food Systems: Linking Electrokinetic Stabilization, Transport Dynamics, and Functional Outcomes

　　

近期，科学兴趣向非热技术在食品加工应用中的转移激增。纳米气泡（NB）技术是近年来受到日益关注的新兴绿色技术之一。然而，其功能性常被与气体特性、电动力学稳定、传输行为及食品基质相互作用分开讨论。本综述建立了一个基于“机理-性质-传输-功能-结果”的框架，以解释NB稳定性、界面电荷、驻留时间、持续传输及基质相互作用如何调控食品功能性与应用。该框架解释了为何相似NBs在不同食品系统中表现不同，强调了并分类了NB在食品应用中的主要作用机制，同时将气体性质作为潜在因素。本综述以电动力学和传输现象作为NBs在食品系统中稳定性和适用性的机理基础，同时强调了用于选择潜在食品应用NBs的气体特异性、性质调控和食品基质导向框架。与食品基质相互作用的电动力学和基于传输的结果已在驻留时间调控的传输、微对流效应、食品基质调节、氧化还原反应及生物活性递送下进行了讨论。

**1 引言**
纳米气泡（NB）技术作为一种多功能且创新的方法，迅速获得关注，用于解决科学中的关键挑战。它在环境修复、工业过程效率提升、食品与农业系统改进、个人护理配方开发以及生物医学领域新型诊断和治疗策略中展现出巨大潜力。作为绿色技术，结合卓越的稳定性和功能效率，NB在食品加工中也引起关注。NBs是液体溶液中通常为纳米级的气体空腔，能够改变水的特性。主要研究的两种NB类型包括体相NBs和界面NBs，前者位于固-液界面，后者位于体相液体中，直径通常为100-200 nm，且能长时间稳定。界面NBs通常是高度约10 nm、面积7850-78500 nm²的气体填充口袋。尺寸小于1 μm且悬浮在液体中的气泡被称为体相NBs。由于处于纳米尺寸范围，它们表现出与普通宏观气泡不同的结构性质。通过原子力显微镜研究，NBs的结构属性包括曲率半径约100 nm，高度20-30 nm，接触角5°-20°。尽管接触角较小，但界面NBs通常能稳定长达4天。界面NBs处于动态平衡，气体从界面外流与界面内流相平衡。除界面NBs外，体相NBs在过去几年也得到广泛研究。体相NBs的内在特性之一是稳定性，这最终决定了其在不同领域的应用，并由表面电荷强度和两表面间的静电相互作用定义。体相NBs的异常稳定性常是争论点，需要深入理解其潜在应用，因此需要分子计算方法来探索其在体相和界面上的相互作用。NBs的长寿命和持久稳定性（通常持续数周至数月）本身就是一个悖论，因为它与经典热力学理论相矛盾。根据杨-拉普拉斯定律，气泡内部压力与其直径成反比，因此小气泡由于高内部压力应立即溶解，但事实并非如此，这使得NBs在应用中具有特殊性。独特性质，包括稳定性、自由基形成、负zeta电位、表面吸引和氧化，赋予NBs控制病原体、防止矿物质结垢、生物膜形成以及改善固/油/液分离的额外优势。NBs通常在整体处理水平上被视为非热技术，因为该技术不涉及加热；然而，在基于空化的系统中观察到局部热效应。NBs弥补了气体到液体流中传质不足的过程，因为减小气泡尺寸会降低气泡上升速度并增加表面积与体积比。由于NBs的上升速度低于其布朗运动速度，它们可用于生物过程强化。NBs在液体中停留较长时间，并暴露较大的界面面积，而相同体积的宏观气泡则不然。NBs优于其他气体传输方法的另一事实是它们悬浮在液体中，不像其他气泡那样消失或聚结，从而持续进行气体传输直至最终崩溃。然而，现有文献在讨论NBs时，并未将NBs的机理行为与其在食品系统中的功能性联系起来。因此，在本综述中，热力学、动力学和界面效应之间的相互作用使得NBs的稳定性和功能性得以实现，这些相互作用产生的性质随后决定了特定的食品功能结果。现有综述主要将NBs的产生、稳定性、电动力学行为、传质和食品应用作为独立主题进行讨论。这种分离无法解释为什么相同的NBs在食品系统中产生截然不同的结果，例如在发酵中促进有益微生物生长，同时在消毒过程中灭活病原体。食品功能性最终源于电动力学稳定、传输行为和基质介导的界面相互作用之间的耦合与交互。需要解释由于纳米尺度下增强的气体交换、流体动力学相互作用、氧化还原反应和气体功能而产生的功效和不同功能性，以便更好地理解其在特定食品系统或基质中的功能性。因此，本综述以电动力学稳定和传输行为作为机理基础，但将其扩展为由气体特性、氧化还原行为、基质相互作用和预期应用所支配的性质-功能-结果框架。该框架引入了新颖见解，并强调仅由电动力学控制的稳定性不会单独产生功能性，仅传输持久性也不足以实现期望结果；因此，这种耦合的不同表现形式会产生不同的食品功能性。该方法对于根据加工、保藏、微生物和质量控制目标选择NB系统至关重要。

**2 NBs的起源与电动力学基础**
**2.1 成核与界面稳定**
体相NBs的形成涉及溶解气体的成核，随后是新形成的气-液界面的稳定化。成核是一级相变反应，涉及气体从处于亚稳态的液体中析出。如果溶液中没有预先存在的气泡，则发生均相成核。然而，这难以实现，因为气泡需要克服能量屏障，因此自由能变化表示为ΔG = (4πR²γ) - (4/3πR³ΔP)，其中ΔP代表允许半径为R的气泡形成的系统能量得失，γ为液-气表面张力，对抗成核。当气体过饱和时，自由能屏障降低，从而有利于气泡形成。另一方面，异相成核归因于杂质的存在，这些杂质减少了核的表面积，从而降低了表面自由能。因此，对于产生体相NBs，在气体过量的环境中进行异相成核是前提条件。此外，表面活性剂和疏水分子可降低表面张力并修改电荷分布，有利于NBs的形成和稳定化。这些界面现象很重要，因为它们建立了定义NB行为的电动力学特性。表面电荷和界面稳定尤其重要，因为它们有助于NB的持久性，进而影响其在食品系统中的传输行为和功能性。

**2.2 气泡生长动力学**
从气泡成核到达到最终尺寸，扩散生长控制着气泡的生长模式。气泡生长与时间的关系由平方根幂律方程表示：R(t) = √(2D(C_∞ - C_s)t)，其中D是气体扩散常数，R是半径，t是时间。液体主体中气泡外部的溶解气体浓度由亨利定律给出：C = p/H，其中p是气体分压，C是液体中特定气体的浓度，H是亨利常数。随着气泡尺寸减小，拉普拉斯压力和界面张力影响气体溶解。然而，相邻气泡之间的液层改变了局部浓度梯度并限制了气泡的气体扩散，因此NBs尽管尺寸为纳米级，仍表现出延长存在时间。这种浓度梯度的持久性在液体食品系统中可能很重要，因为它影响电动力学稳定、气体保留以及涉及食品组分和反应性物种的传输介导相互作用。因此，生长动力学为电动力学稳定奠定了基础，而电动力学稳定是任何食品相关功能性的先决条件。

**3 NBs的产生方法**
NBs的产生方法取决于所需类型。常用报道的界面NBs方法基于溶剂交换、电化学反应以及将疏水基底浸入改变压力和温度的水中。然而，由于体相NBs在科学界引起更多关注，其产生方法在科学文献中提及相对较多。通常，体相NBs通过机械搅拌、压力波动、气体溶解释放、空化以及微流控膜方法产生。开发并选择高效、经济、可扩展且可靠的方法对于该技术在商业和工业层面的采用至关重要。下面讨论体相NB产生的各种方法：

**3.1 空化**
基于空化的方法是产生体相NBs的广泛采用方法，已知它们能在界面产生强烈活动并增强传输行为。当液体静压降至蒸汽压以下时，空化生效，在液体内部产生充满蒸汽的小空腔。当这些空腔破裂时，会产生湍流、剪切力、冲击波和界面扰动，有助于新气泡形成以及随后的传输放大。除了这些机械效应外，崩溃伴随着局部热点产生。局部热点局限于纳米尺度，寿命仅几微秒，不会引起食品温度可测量的升高；然而，局部效应可能根据强度、暴露时间和食品基质的不同，通过产生的自由基和剪切力导致蛋白质变性、营养损失、酶失活和DNA破坏。形成体相NBs的空化机制主要可识别为蒸汽型和气体型。当压力水平降至液体蒸汽压以下时，液体迅速转变为蒸汽，导致气泡形成。这称为蒸汽型空化，通常被认为是声空化，主要由声音引起。然而，如果压力降至液体中气体饱和压力以下，则扩散过程生效，称为气体型空化，通常由术语水力空化识别。

**3.1.1 水力空化**
水力空化发生在流动液体因系统形状和结构变化而经历突然压力降低时。其特点是出现成核，随后气泡膨胀，最后气泡内爆。水力空化被认为是大规模NB生产中最节能、最经济可行的方法之一。产生装置的结构分为两类，一类带有移动部件，如转子-定子组件，另一类带有非移动部件，包括线性流量计，如孔板和文丘里管，以及旋流装置。在这些系统中，压力和流速的变化调节NB尺寸和浓度。在螺旋液体流中，液体通过侧向孔被泵入圆柱形腔室，引起旋流，进一步形成涡流。当气体从底部引入螺旋液体时，由于旋转液体的离心力而形成NBs。类似地，基于喷射器的系统通过将气体喷射到最低压力的快速膨胀区域来产生NBs。水力空化在食品加工系统中尤其相关，因为产生的NBs表现出强烈的崩溃诱导传输放大、湍流和增加扩散。这些特性有利于涉及生物活性化合物提取、膜清洗、防污和强化传质的应用。然而，这种有效且廉价技术的相关缺点是可能产生热量，从而干扰NB属性及其稳定性。

**3.1.2 声空化**
声空化在液体受到频率高于20 kHz且强度足以从现有气体核中产生气泡的超声波时生效。超声波产生的振荡压力场促进重复的压缩和稀疏循环，导致液体介质中气体核的成核、膨胀和崩溃。空化气泡的崩溃产生强烈的剪切力和冲击波，增强传质、破坏细胞膜，并促进溶质的混合和分散。因此，产生的NBs具有强扩散放大、增强溶剂渗透和增加界面传输的特点。这些特性使声空化适用于提取系统、微生物破坏和传输强化的食品加工应用。超声波功率、暴露时间和频率对NBs的直径和浓度有影响，将这些条件确定为NB产生过程的关键参数。超声空化相对于其他方法具有优势，因为其操作灵活且能够改变参数以控制NBs的尺寸和浓度。

**3.2 电解**
电解方法涉及使用带有正负电极的电极作为NB产生的位点。它与其他方法不同，因为气体NBs是各种盐在电极上电解的结果。电极介导的电解导致水分解，从而产生氢气和氧气，最终形成稳定的氧气和氢气NBs。当这些气体浓度在液体阳极和阴极末端达到过饱和水平时，NBs形成。氧气NBs的寿命相对长于氢气NBs，后者寿命仅数小时。在初始阶段，气泡倾向于在电极上成核并生长，然后由于浮力和界面张力而脱离并上浮。通过此方法产生的NBs具有高界面电荷，因此更显著的稳定化，有利于持续驻留和反应性物种生成。因此，这些系统可用于基于氧气的净化以及活性氧物种（ROS）传输。电解方法在可扩展性、能效和成本效益方面具有优势。增加施加电流、操作时间、电解质浓度以及降低水温，可增加NBs的产生。由于其可扩展性、成本效益以及产生高电荷NBs的能力，电解仍然是食品应用中值得探索的有前景方法。

**3.3 膜方法**
在基于膜的方法中，气相通过纳米多孔膜被引导进入水相，在两相界面处产生NBs。当空气通过薄的可渗透层时，诱导负压，导致气泡形成。形成机制主要基于气泡膨胀，随后脱离。水和空气之间的表面张力将NBs保持在孔附近，而水相的拖曳力将其拉开，从而导致其从孔中脱离。与基于空化的方法相比，膜系统产生的NBs具有更窄的尺寸分布和改善的胶体稳定性。因此，膜产生的NBs适用于需要持续气体传输、延长传输持久性和可控充氧行为的应用。对于气体NBs的产生，陶瓷膜在蛋白质分散系统中的应用已被证明比水力空化更合适，因为后者会导致起泡从而降低过程效率。此外，空化装置复杂，强调了连续膜基NB产生的必要性。气泡特性，如尺寸和形状，受膜孔径影响。基于膜的气体NB发生器的一般设置包括加压气罐、气体流量计、气体压力调节器和多孔膜。

**3.4 乙醇-水交换**
溶剂交换过程或乙醇-水交换，通过用溶剂（如水）置换被气体或油（乙醇）饱和的溶液，产生过饱和以促进成核。该方法主要适用于制备界面NBs，但体相NBs也可通过溶剂交换形成。一些研究声称溶剂交换产生的实体是纳米液滴或纳米颗粒，而另一些研究则认为是实际气体NBs。前者观点基于纳米液滴对外部压力的响应及其密度，后者则通过检查溶剂交换过程来识别交换期间气泡尺寸的减小，这不同于气体NBs的性质。与空化法和膜法相比，溶剂交换方法目前由于毒性限制和可扩展性问题，在食品相关体相NB系统中显示出有限适用性。

**3.5 其他方法**
其他NB产生方法包括减压型和气-水循环型，其中在高压下增加气体在连续液体中的掺入，导致过饱和。随后将溶液减压至大气压，产生NBs。NBs也已通过将减压气体饱和溶液通过针阀、在气-液系统中使用电场以及通过振动来制备。

**4 气体依赖性NB行为与食品功能性**
气体特性是解释NBs在食品系统中功能性的重要定义因素，因为它基于不同的化学和物理相互作用效应，决定了稳定性、传质、界面活性和氧化还原反应。读者可参考Wang等人（2026）的综述以获取气体组成和应用的详细说明。从研究中普遍观察到，由各种气体产生的NBs的稳定性，氧气和臭氧最高，其次是空气和氮气，二氧化碳最低，主要归因于溶解度和zeta电位的差异。稳定的O₂ NBs有利于气体的持续释放，因此O₂ NBs可促进好氧代谢、发酵、益生菌生长和受氧气限制的生物过程的持续氧气可用性，但如果与反应性物种相关，也可促进氧化消毒。另一方面，N₂ NBs基于非氧化保藏，主要通过置换溶解氧，从而降低氧化还原电位，因此为食品保藏提供惰性气氛。CO₂ NBs表现出瞬态行为，涉及破裂后溶解，因为它们高度可溶且不稳定，导致溶解CO₂释放，降低pH，支持液体或高水分食品的酸化基保藏。O₃ NBs表现出氧化特性，通过分解成•OH自由基在界面充当高级氧化系统，导致微生物灭活、农药/有机污染物降解和生物膜破坏。然而，H₂ NBs作为抗氧化或氧化还原保护实体而非消毒剂，因为氢气NBs选择性清除ROS，如•OH、ClO^-和ONOO^-，并且由于氢气在水中溶解度较低，其抗氧化活性高于不含NBs的氢水。因此，H₂ NBs应与O₃ NBs区分开来，后者通过促进氧化应激进行微生物灭活，而H₂ NBs通过选择性ROS清除来降低氧化应激。除气体特性外，气泡尺寸也影响NB行为，在设计食品应用时应予以适当考虑。超小NBs（<50 nm）已被证明可抑制由活性自由基引起的氧化，而正常NBs则表现出弱但有利的氧化行为，取决于底物。超小NBs在气-液界面选择性淬灭不稳定ROS，而较大NBs可能提供足够的界面面积来吸附ROS和底物，从而增加其反应可能性。超小NBs的抗氧化效果相对可持续，优于传统还原剂，因为气-水界面不会被耗竭。这也将基于尺寸的抗氧化作用与H₂ NBs区分开来，其中抗氧化活性与氢气的化学性质及NB的持久性相关，表明NBs的氧化还原行为取决于气体尺寸分布以及气体类型。这种抗氧化行为可应用于易氧化食品，超小NBs可能有助于延缓脂质氧化、防止色素降解和敏感生物活性化合物的损失，而无需添加外源抗氧化剂。在鲜切果蔬中，超小NBs可作为减少由ROS和氧化应激引起的褐变的策略进行探索；然而，需要在真实食品系统中进行实验验证。对于富含脂质的食品，如肉、鱼、乳制品和食用油，超小NBs清除ROS的能力可能提示限制氧化酸败，同时保持颜色、风味和营养质量。超小NBs可在生物活性递送系统中充当抗氧化剂，并可能保护对氧化敏感的营养保健品，与包封基质协同发挥作用。产生方法也对NB性质产生影响，进而可定义功能性。在产生N₂ NBs期间，水压、气体流量和剪切时间等参数影响调节气泡密度、zeta电位、氧化还原电位（ORP）、表面张力和粘度，表明食品应用需要以定制其性质的方式产生NBs，而非通用用法。N₂ NBs还表现出比O₂和CO₂ NBs更高的稳定性，因为它们在30天后仍保持相当密度，并且在高盐条件下仍保持部分稳定性，这有利于高盐食品的保藏。NB的固有性质也决定了其稳定性和功能性。从尺寸为3、5、7和10 nm的CO₂ NBs可见，稳定性随尺寸增加而增加。较大的CO₂ NBs具有多层结构，由致密核心、过渡层和交换层组成，表现出较低的扩散和气体交换速率，而较小的NBs缺乏稳定核心，表现出更大的水渗透性，从而更易溶解。内部多层结构在无离子/表面活性剂且无屏蔽效应的情况下赋予CO₂ NBs稳定性。这些特性突出了气体功能性的变化，并可根据目标过程是否需要气体传输、氧气排除、氧化灭活、酸化或抗氧化保护，实现NBs在食品系统中的选择性应用，因此仔细选择可提高过程效率。

**5 电动力学调控的传输机制调控食品功能性**
**5.1 双电层与离子强度介导的传输行为**
NBs的稳定性从根本上决定了其在食品系统中的持续传输、界面反应、传质能力及随之而来的功能性。已确定NBs的稳定性质与经典物理现象相矛盾，根据杨-拉普拉斯方程（方程4），该方程假设小NBs由于高内部压力而收缩并随后消失：P = P₀ + 2γ/R，其中P是NB内部压力，P₀是外部压力，γ是表面张力，R是半径。此外，根据Epstein-Plesset理论和经典扩散理论，对于直径小于1 μm的NBs，寿命应为0.05秒。然而，NBs在数小时至数月的长时间尺度上稳定存在表明，额外的稳定化机制调控着其界面和传输行为。由界面电荷引起的静电稳定化日益受到关注，因为它直接支配传输过程。在水系中，NBs的电荷主要由H⁺和OH^-离子决定，NBs在界面处表现出主导负电荷，这反过来是氢离子过度水合的结果，使得羟基离子开放与气相相互作用。离子在界面的积累形成双电层（EDL），抑制聚并并延缓气体扩散，从而延长NB持久性。由于NB表面带负电，双电层处的电位改变了界面处的离子强度和气体溶解度。EDL排斥带同种电荷的离子并吸引反离子，导致局部粘度和扩散性变化。因此，电动力学相互作用不仅影响NB稳定性，还定义界面处的传输活动，最终控制食品系统内的持续气体扩散。在滑动面或边界层处，较高的zeta电位赋予NBs更高的稳定性。低绝对zeta电位无法防止由于范德华力导致的NBs聚集和聚并。较低的周围pH值降低绝对zeta电位和NBs的迁移率，而较高的溶液pH值赋予NBs更高zeta电位，这是由于阴离子（OH^-）在NB表面吸附，从而防止其聚并并延长NB持久性。由于食品系统在pH和离子组成上表现出显著差异，基质条件可强烈调节NB传输行为和气体保留功能性。在气-液边界吸附的离子促进相互离子排斥，从而降低内部压力。在溶液中，NB表面普遍存在的总负电荷施加径向负静电压力，平衡内部拉普拉斯压力，以赋予NB稳定性。表面电荷密度σ与NB半径成反比：σ ∝ 1/R。此外，表面电荷密度和表面电位（ψ₀）通过Grahame方程关联：σ = √(8ε_rε₀k_BTC_∞) sinh(zeψ₀/2k_BT)，其中ε_r是分散介质的相对介电常数，ε₀是真空介电常数，k_B是玻尔兹曼常数，T是温度，C_∞是体相溶液中同离子浓度，z是盐价态，e是基本电荷。表面电位降低会减少静电压力并加速气体溶解，从而在酸性条件下使NBs不稳定。体相NB簇的胶体稳定性由Derjaguin、Landau、Verwey和Overbeek（DLVO）理论解释，该理论将稳定性解释为静电斥力和范德华吸引力之间的平衡，如方程（7）所示：V_total = V_{electrostatic} + V_vdW，其中V_total、V_{electrostatic}和V_vdW分别代表总相互作用势、静电势和范德华势。正的相互作用势形成能量屏障，防止NB聚并，通常在pH 4以上。在表面电荷降低或高电解质条件下，双电层可被压缩或屏蔽，从而降低静电斥力。反离子和盐类改变界面性质和流体动力学边界层，从而影响气体保留和传输持久性。EDL厚度由德拜长度（Debye length = 1/κ）表征：κ = √(2nz²e²/ε_rε₀k_BT)，其中n是溶液中阴离子或阳离子浓度。因此，具有更厚双电层和更高zeta电位的NBs将表现出更大的胶体稳定性和延长的传输持久性。这些电动力学效应在食品系统中具有重要意义，因为食品成分（如蛋白质、多糖、盐、矿物质和酸）可改变离子强度，从而改变界面电荷分布。离子强度进一步影响EDL厚度，从而影响NB行为。在乳制品、果汁和蛋白质溶液等食品系统中，溶解盐可压缩双电层并减少德拜长度，降低zeta电位，从而促进NB溶解。降低的静电稳定化可能缩短驻留时间并限制持续气体传输。然而，较低的离子强度和较高的负zeta电位有利于延长NB稳定性，从而持续维持氧气和臭氧等气体及其后续传输。类似地，蛋白质和多糖在吸附时可改变表面电荷和双电层。蛋白质可通过电荷中和诱导不稳定化，而带负电的多糖可赋予电荷富集和稳定化。由于气体的持续传输取决于界面稳定性，食品基质相互作用最终调节食品系统内的氧保留、ROS持久性和气体传输功能性。

**5.2 驻留时间调控的气体传输功能性**
NBs基于传输的功能性从根本上由其延长的驻留时间和持续的气体传输能力决定。传统上，来自NBs的气体传输基于由拉普拉斯压力驱动的气体扩散；然而，电动力学稳定显著调节NBs周围的传输行为。双电层的表面电荷稳定NBs并影响持续气体传输。因此，可在传质方程中引入修正因子：dn/dt = k_La (C_i - C_b) × f_ek，其中dn/dt是体积气体传输速率，k_La是体积传质系数，C_i和C_b分别代表界面和体相液体中的气体浓度，而f_ek代表电动力学调节，取决于zeta电位、离子强度和半径。当f_ek > 1时，电动力学稳定延长NB寿命并维持可用于扩散的界面面积。因此，体积传质系数（k_La）受NB驻留时间影响：k_La = k_L × (A/V) × τ_bubble，其中A/V是单位体积的界面面积，τ_bubble是由电动力学稳定延长的NB寿命。NB在体相液体中还表现出长驻留时间，这是由于相对于较大气泡，较低浮力导致上升速度较慢。NBs的运动还受到其与附近水分子碰撞的影响，产生布朗运动，阻止其上升到表面，保留不规则曲线运动，因此在溶液中具有高驻留时间，高驻留时间有利于与食品组分、微生物和表面的有效相互作用。此外，NBs还具有大的比表面积，即单位体积的表面积，与直径成反比。因此，NBs与物质具有更高的接触点，增加了体相液体中分子与NBs的反应。高表面积还为化学反应、吸附过程以及与生物或环境目标的相互作用提供了更多活性位点。由于NBs比表面积较大，通过界面溶解到液相中的气体含量会随着气泡内外压力的增加而增加。这促进了NBs在体相中的更高气体传输效率。这是因为小气泡具有更高的表面张力和上升内部压力，最终导致崩溃。尽管收缩，但随着NBs经历自增压，气体传输效率在气-液界面得到增强。在液体中气体过饱和后，气体传输仍在继续，这提高了空气、二氧化碳、氧气、臭氧和其他气体在溶液中的溶解度。这些气体传输特性直接影响食品系统中的微生物和生化过程。气体传输被解释为一种强化各种生物过程的策略，其中核心气体和NB供应模式决定了微生物生长和代谢产物生产。在Guo等人的研究中，NBs的微生物效应与NBs密度、zeta电位、pH和生长阶段密切相关。N₂和H₂ NBs产生最强的生长促进作用，其次是空气，而CO₂几乎没有显著效果。N₂ NBs表现出最高密度和强负zeta电位，缩短了滞后期并增加了最大生长速率，其次是H₂，呈剂量依赖性。稳定NBs可作为离子或营养物的载体，协助其向细菌细胞运输，并帮助细胞在生长早期适应。在后期阶段，乳酸积累导致pH降低，从而降低NB稳定性，抑制了稳定期的生长促进作用。然而，CO₂ NBs由于低pH和最弱负zeta电位而降低NB稳定性，从而限制了其可能的生物效应。类似地，氧气NBs被观察到刺激酿酒酵母的好氧生长，但并非作为唯一氧气来源。将氧气NBs添加到通气培养物中产生了更高的生物量、更快的葡萄糖消耗和增加的比生长速率。NBs被认为在气泡界面附近产生局部过饱和区，改善氧气生物可用性，从而刺激细胞代谢，但需持续供应。NBs为细菌提供除传统扩散外的底物转移替代途径，支持其生长。类似地，NBs介导的受控氧气传输已显示可改善氧气利用并维持好氧代谢。持续氧气传输可最小化氧化应激，并抑制不良代谢产物（包括醛类和有机酸）的形成。这对于确保发酵产品的理想风味和稳定性至关重要。此外，由于持续气体供应增强了底物利用，可提高过程效率并减少废物产生。对于生物反应器中的气体传质，气体从气泡传输到液相，随后被微生物消耗。增加气泡表面积并减小其尺寸有利于气体传输并增强生物过程。已知微生物和气泡由于碰撞和界面相互作用而交换气体，使两相紧密接近。因此，延长传输并随后持续氧气传输在微生物和发酵系统中起关键作用。类似地，用NB水补充培养基增加了菌丝浓度以及多糖产量，同时增强了菌丝生物活性。由于高密度，菌丝丝阻碍传质。NB水由于其高自旋-自旋弛豫时间（T₂），增加了水分子的迁移率，而zeta电位产生排斥力，防止聚并，共同有利于生物量积累。最近一项关于细菌纳米纤维素生产的研究表明，在相同气流速率下，NBs介导的k_La和氧气传输速率比传统气升式反应器高出近六倍。这支持了NBs在增加气-液界面面积和氧气驻留时间方面的作用。然而，尽管氧气可用性增加，只有细胞密度和底物消耗增加，而细菌纳米纤维素产量仍与传统通气相当，表明NBs的氧气递送需要优化以实现更高的代谢产物产量，而非简单最大化。NB介导的氧气传输还促进了微藻的生长，如雨生红球藻和布朗葡萄藻，分别以产虾青素和脂质著称，主要归因于生物量增加。在NB水补充培养基中培养微绿球藻和普通小球藻时，叶绿素和类胡萝卜素含量也有所增加。持续溶解氧可用性还改善了NB水系统中虹鳟鱼和香鱼的生长和食物消耗。这些发现共同表明，延长气体传输直接影响从微生物发酵到水生生长和厌氧生物过程的多种生物系统。NBs还研究了其对厌氧消化过程中生物甲烷和生物氢气产生的影响，其中对细菌生长和酶活性的积极影响提高了气体生产效率。尽管氧气NBs的持续驻留通常增强氧气可用性，但氮气NBs通过置换系统中的溶解氧发挥拮抗作用。N₂ NBs降低溶解氧和氧化还原电位，从而创造适合延缓好氧腐败反应的低氧水环境。这意味着气体传输在系统中可产生不同结果，具体取决于所用气体类型。除了微生物和发酵系统，延长气体保留还影响食品系统中的胶体和泡沫稳定性。NBs的掺入保持了速溶咖啡中的泡沫结构。NBs的小尺寸，结合高稳定性，将气体保留在液体中并增加其溶解度，从而进一步减缓其在气-液界面的传输，因此泡沫结构得以保持。这突出了由支配电动力学机制调控的持续传输介导的NBs功能性，而非仅气体溶解。

**5.3 界面微对流与食品系统中的传输放大**
NBs通过诱导局部湍流和流体流动、纳米射流以及崩溃产生的冲击波，显著增强传输过程。气泡崩溃期间产生的局部微流会稀释扩散层，从而降低固体基质周围的阻力，增强溶剂可及性和细胞内化合物的扩散。这些界面传输现象在从植物组织中提取酚类、黄酮类和其他生物活性化合物时变得尤为重要，通过形成永久性纳米孔并物理破坏细胞壁和膜，改善溶剂渗透到植物材料中并释放细胞内化合物。此外，NBs的高表面积-体积比促进了溶剂与植物组织之间的有效接触，促进了提取过程中的传质。通过压缩-减压法产生并用表面活性剂稳定的CO₂ NBs，随后进行超声处理，显著改善了从油茶壳中回收酚类化合物，与常规提取方法相比。鼠李糖脂和吐温-80用作表面活性剂，降低表面张力并增加NBs的负zeta电位，赋予其聚并稳定性。因此，稳定的NBs促进了更多界面反应。据报道，总酚含量为34.42 mg没食子酸当量/克干重（mg GAE/g DW），黄酮含量为23.36 mg芦丁当量/克干重（RE/g DW）。另一项研究还优化了使用CO₂ NB辅助超声提取法从花生壳中提取多酚。CO₂ NBs在蒸馏水中使用定制高压纳米射流均质机产生，展示了这种先进方法革新提取过程的潜力。联合处理产生的多酚含量显著高于单独超声处理。由于纳米气泡在液体中的高比表面积和高稳定性，它们积聚在植物组织的组织表面、孔隙和微裂纹处。在超声处理期间，气泡崩溃，产生强烈的局部剪切力和湍流。空化效应被CO₂ NBs增强，因为它作为成核位点，导致更强且更均匀的气泡崩溃。这需要与固有NB崩溃区分开来，因为它是通过超声波介导的。这里的NBs作为预先存在的气体核，其存在也归因于固有效应，如长驻留时间、高界面面积和气体递送，以便通过超声激活成空化现象。结果，植物细胞损伤显著，细胞内多酚更快地扩散到溶剂中。此外，溶解的CO₂可通过形成碳酸略微降低提取介质的pH，这可能改善某些酚类化合物的溶解度和稳定性。因此，这些结果是静态NB-超声空化耦合的结果，针对所考虑的研究。当超声波与NBs结合时，多酚含量更高，表明NBs倍增了空化效应。同样，离子液体（IL）[C₄C₁im][BF₄]中的氮气NBs用于从山核桃中提取多酚。NBs通过压缩-减压产生，然后应用超声诱导空化。从结果中明显看出，IL-NB提取表现出优于乙醇和单独IL的总酚和总黄酮含量所测量的抗氧化潜力。这是由于增加IL浓度减小了NB尺寸同时增加了其zeta电位，从而增加了稳定性。在水中，由于气泡表面OH^-离子的丰富，NB表面存在负表面电位。添加IL后，观察到从负zeta电位到正zeta电位的电荷反转，因为[C₄C₁im]⁺的非极性尾端附着于气-液界面，朝向气体，从而赋予气泡表面朝向体相的正电荷。IL可强烈破坏植物细胞壁并改善结合酚类的释放，由于其独特的离子相互作用。然而，在本研究中，单独IL提取无法达到与NBs结合使用时相当的结果，突显了NBs的积极作用，显微研究也证实了这一点，显示出更多孔隙、细胞壁破坏和粗糙