综述：微纳米气泡在食品加工中的应用：从产品质量提升到工艺可持续性

《Food Chemistry Advances》：Micro- and Nanobubbles in Food Processing: From Product Quality Enhancement to Process Sustainability

　　

微纳米气泡（Micro-Nanobubbles，MNBs）代表了一类独特的气-液分散体系，与传统气泡相比具有截然不同的物理化学行为。其应用价值源于高比表面积、高内部气体压力、长期稳定性以及负的Zeta电位，这些特性决定了独特的界面现象。本研究对MNBs在食品、饮料及水处理中的应用进行了综合评述，重点关注过程强化与可持续性。生物活性化合物（如多酚、黄酮类和萜烯类）的提取可通过MNBs促进溶剂扩散和改善传质而得到增强。在MNBs辅助分离过程中，泡沫分馏和浮选通过增强吸附和界面稳定性而得到改进。此外，微生物发酵和营养保健品递送通过改善气-液传质和生物利用度而得到优化。MNBs可调控食品微观结构、流变学和结晶行为。食品安全与微生物消毒具有重要意义。MNBs辅助离子浮选为海水淡化提供了解决方案，直接应对全球淡水短缺问题。纳米气泡（NB）强化曝气提高了生物处理效率并减少了气体排放。通过优化传质和表面相互作用，MNBs可减少食品体系中的加工时间、能源、水消耗和化学品依赖。因此，MNBs技术支撑了向资源节约型和可持续食品加工框架的转型。

1. 引言

气泡是包裹在液体介质中的微小充气单元。按尺寸可分为三类：纳米气泡（Nanobubbles，NBs）直径0.07至0.2微米，微气泡（Microbubbles，MBs）直径0.5至10微米，大气泡（Macrobubbles）直径超过600微米。近年来，微纳米气泡（Micro-Nanobubbles，MNBs）在众多科学与工程领域引起了广泛关注。随着气泡直径从毫米级减小至纳米级，气泡数量急剧增加，而单个气泡的表面积减小。然而，由于相同的气体体积被分配到数量更多的微小气泡中，总界面面积显著增大。例如，将气泡直径从1 mm减小至100 nm，气泡数量从1个增加至约10¹²个，同时总表面积从3.14 mm2增加至31,400 mm2。

NBs的突出特性包括大表面积、因布朗扩散而在溶液中具有长停留时间、高内部压力、严格负的表面电荷以及优异的气体溶解效率。其超乎预期的持久性尽管违背经典溶解理论，主要归因于静电稳定力。这些特性提供了独特的功能，包括改善传质、崩溃时产生活性分子物种，以及表面电荷对颗粒相互作用的影响。这些特性促进了更强的气-液相互作用并改善了气体传输，例如氧气效率可达90%。MNBs是一种新兴的柔性平台技术，具有广泛的工业与科学应用前景。MNBs在食品和饮料行业规模化可持续应用中具有广阔前景，因其具备提高加工效率和产品质量的特性。其应用包括改善水质、提高乳液和泡沫稳定性、增强清洁与卫生效果以及延长产品货架期。这些气泡产生的活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）增强了消毒效果，并促进持续供氧、气体溶解和高效气体传输。

可持续性可定义为高效且优化地行动、保护自然、经济和社会资源的能力。在工业加工中，MNB技术通过最小化能源、水和化学品消耗，同时保持或提高产品质量来增强可持续性。特别是，体相NBs可为食品和饮料行业的未来创新开辟有前景的途径，在最小化环境影响的同时提高产量和保藏能力。

本研究提出了一个概念模型，将MNBs的基本概念与广泛潜在应用联系起来，同时强调体相NBs与可持续食品加工和生产的相关性。通过考察NB技术应用增加的影响，研究强调了其在推进食品生产环保实践方面的巨大潜力。此外，本研究阐明了MNBs的基础科学以及其增强食品加工和生产可持续性与效率的实践路径。

2. 方法

为确保对微纳米气泡（MNB）技术在食品和饮料加工中的应用进行严谨公正的评估，本综述采用了结构化的多阶段方法框架。

2.1. 文献检索策略

系统文献检索覆盖多个高影响力数据库，包括Scopus、Web of Science、Google Scholar、ScienceDirect、Taylor & Francis Online、SpringerLink和PubMed。部分专利及相关网站也被视为与主题相关。检索采用布尔运算符组合两个主要概念层。第一层涉及气泡技术的广泛术语（如nanobubble、microbubble、micro-nanobubble*和MNB）。第二层整合食品特定背景（如食品加工、乳制品、饮料和果汁）。此外，还进行了针对特定应用领域的定向检索，如结晶控制、原位清洗（Cleaning-in-Place，CIP）与卫生、传质强化、破乳、油水分离和海水淡化。

2.2. 研究筛选与纳入标准

所有检索记录均被导出、合并并去重。实施两阶段筛选流程——标题/摘要筛选后接全文审查。纳入标准为明确涉及MNBs/NBs在食品、饮料或水处理背景下的应用研究。

所选研究按不同食品基质中的技术应用进行分类，特别关注这些应用如何促进过程强化和增强可持续性。通过综合多学科工程视角，本综述将基础物理化学表征与工业可扩展性的实际考量联系起来。本综述旨在评估MNB驱动的食品特性改善，同时识别现有研究空白和技术瓶颈。检索时间范围：2008–2026年；发表分布：主要集中在近年，另含主要发表集群之外的部分基础性和近期研究。

3. MNBs在食品工业中的应用

3.1. 生物活性化合物提取

多酚是一大类源自植物的次级代谢产物，具有强抗氧化和保护特性，包括木脂素、二苯乙烯和酚酸，具有C6–C3–C6骨架。黄酮类是多酚中最大的亚类，以其抗炎、抗氧化和促进健康的特性而闻名。相比之下，萜烯是源自异戊二烯的代谢产物，是精油的主要成分，也是甾醇、维生素和其他生物活性物质的重要前体。尽管这些植物化学物质具有重要意义，但其有限的溶解度、在植物基质中的强结合以及无效的传质常使提取面临挑战。近年来，NB辅助提取已成为一种流行的绿色高效技术，通过改善传质、溶剂渗透和细胞壁通透性，可大幅提高生物活性化合物回收的产率、选择性和可持续性。

文献已充分证明NB辅助提取在增强多种植物材料生物活性化合物回收方面的有效性。如表1所示，在传统溶剂辅助提取中使用N₂、CO₂或空气填充的NBs，显著提高了油茶籽壳中萜烯和花生壳中生物活性物质的产率，与传统方法相比改善幅度最高达291%。总体而言，较小的NBs（<100 nm）与更高的提取效率相关，主要归因于其更大的有效表面积和改善的传质。此外，将NBs与超声（Ultrasound，US）、离子液体（Ionic Liquids，IL）、疏水性天然深共熔溶剂（Hydrophobic Natural Deep Eutectic Solvents，HBDES）等互补技术结合，可通过加强溶剂-基质相互作用、促进更深入渗透植物组织来进一步增强性能。改善百分比按公式（1）计算：改善（%）= [（使用NBs的效率?未使用NBs的效率）/ 未使用NBs的效率] × 100。

表1对比了NBs与传统方法在提取生物活性物质方面的效果。例如，Tween 80稳定的N₂-NBs（255 nm）用于油茶籽壳中萜烯（柠檬烯）提取，产率从10.96 ± 2.87 mg/g DW提升至42.88 ± 1.87 mg/g DW，改善达291.0%。鼠李糖脂稳定的CO₂ NBs（52 nm）结合US用于油茶籽壳多酚提取，总酚含量（Total Phenolic Content，TPC）达36.75 ± 0.22 mg GAE/g DW，总黄酮含量（Total Flavonoid Content，TFC）达24.06 ± 0.22 mg RE/g DW。该NBs体系数密度为（8.45 ± 1.05）×10⁸个/L，Zeta电位为?41.6 ± 1.3 mV。Tween 80和鼠李糖脂浓度对平均气泡尺寸影响可忽略。鼠李糖脂稳定的CO₂-NBs表现出显著更优的胶体稳定性（p < 0.05）。N₂在离子液体[C₄C₁im][BF₄]中（85.5 nm）用于山核桃果壳多酚提取，TPC达85.67 ± 2.05 mg GAE/g DW，TFC达42.44 ± 1.17 mg CE/g DW，总鞣质含量（Total Tannin Content，TTC）达8.20 ± 0.05 mg TAE/g DW，提取效率显著高于传统方法。IL+NB技术是一种可持续、有效且环保的生物活性物质提取方式。NBs+HBDES（百里酚/芳樟醇，Thy/Lin）+US用于山核桃青果壳三萜酸提取，积雪草酸从0.35（估算）提升至0.75 mg/g DW，改善114%；马斯里酸从不可检测提升至8.39 mg/g DW，改善257%；科罗索酸从不可检测提升至14.08 mg/g DW，改善278%。UPLC-Triple-TOF/MS被用作可扩展、有效且环保的方法来鉴定三种重要三萜酸。空气NBs用于柑橘果皮黄酮提取，产率从12.22 ± 0.90提升至20.82 ± 0.85，改善70.3%。CO₂ NBs（229.96 ± 17.44 nm）结合US（高压纳米射流均质化）用于花生壳多酚提取，含量从2340.11 ± 80.02 μg GAE/mL提升至3619.21 ± 113.07 μg GAE/mL，改善54.6%，Zeta电位为?15.9 ± 1.27 mV。

这种创新的环保NB提取技术在未来研究中可被称为植物化学物质的“绿色提取方法”，并有望建立工业应用的放大模型。

3.2. 分离过程：泡沫分馏与发泡

泡沫分馏依赖于化合物在气-液界面吸附并在泡沫相中富集的能力（该过程起源于矿物加工）。MNBs增加了接触表面。目标分子附着在气泡表面，随着泡沫上升并被收集，物质从溶液中提取出来。泡沫分馏并非新工艺，长期以来一直用于处理矿物、金属、植物营养素、代谢产物、蛋白质及相关化合物。然而，它尚未发展为常规分离工艺。泡沫分馏依赖于表面活性化合物在气-液界面的优先吸附和富集。

3.2.1. 浮选机制与气泡动力学

泡沫浮选的效率取决于气泡的产生方式，无论是通过压力、电力还是机械分散。关键权衡在于尺寸：较大的微气泡（约100 μm）提供速度，而较小的气泡（约20 μm）和纳米气泡提供更好的蛋白质捕获表面积。工艺设计通常倾向于高富集或高回收。高富集使用低进料浓度来纯化目标蛋白质，浓缩倍数可达50倍。高回收旨在去除90%以上的表面活性物种，但较高浓度可能引入分子竞争并降低纯度。此外，电场可通过改变水的氢键结构来减小气泡尺寸并降低体系粘度。

泡沫分馏的效果取决于不同气泡群体的独特物理作用。MBs通常为50至200 μm，作为主要传输载体。其自然浮力使其能上升通过液柱并有效产生泡沫。相反，NBs小于200 nm，高度稳定但缺乏直接分馏所需的浮力，通常分散在液相中。尽管如此，NBs与MBs联合使用时能增强工艺效果。它们提供巨大的总吸附表面积，改善泡沫结构的均匀性和稳定性。优化这种混合物需要精细平衡；较大的MBs（如100 μm）加速分离速度，而较小的MBs（20至50 μm）提供更优的附着机会。实现最大效率需要在上升速度和碰撞频率之间权衡。

表面活性剂在消费品中不可或缺，尽管其对环境有害。表面活性剂广泛应用于工业过程和日常产品。为有效解决表面活性剂废液问题，人们正在寻求新技术。泡沫分馏是去除或纯化这些表面活性剂的多功能方法，是一种通过气-液界面吸附分离表面活性剂的环保技术。泡沫分馏主要用于生物技术和废物处理，以回收生物表面活性剂、蛋白质和脂质（如鼠李糖脂、乳链菌肽、皂苷和多不饱和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acids，PUFAs））。

在不添加额外表面活性剂的情况下，MNBs可通过从周围环境中吸附表面活性分子（如蛋白质）来分离物质。蛋白质、酶和表面活性剂等表面活性物质可通过这种温和、非剪切技术从稀溶液中有效分离。在讨论利用MNBs增强泡沫时，目标通常是对溶解物质进行分离或选择性浓缩。近期提高泡沫分馏效率的进展包括使用不规则聚合物颗粒进行对映选择性分离，以及添加玻璃珠以细化气泡尺寸和增强泡沫排水。使用NBs增强泡沫分离的优势包括提高蛋白质分离效率、比色谱或蒸馏等方法更低的能量需求，以及优异的生物相容性（适用于食品、生物技术和制药行业）。

表2强调了MNBs与泡沫分馏结合用于从食品加工废水中回收有价值化合物的应用。在泡沫分馏方面：鼠李糖脂（50–200 μm气泡）产率和纯度改善25–30%，实现连续分离和磁去除；鼠李糖脂（100–300 μm气泡）产率改善15–20%，比较了两种菌株；乳链菌肽使用细气泡（Tween-80减小尺寸），工业规模半间歇模式，酸化培养基（pH 3.5），下游通过消泡剂添加实现泡沫塌陷；天然皂苷的回收和富集受系统敏感性限制，工业放大需要连续/多柱配置；乳清蛋白（α-乳白蛋白和β-乳球蛋白）（100–500 μm气泡）富集比改善48%，回收率高达96%，间歇模式，pH约5.0，25–30°C，持续30–60分钟。