使用温度可调膜乳化装置（TAMED）自动原位生产水包油乳液

《JCIS Open》：Automated in-situ production of oil-in-water emulsions using the Temperature Adjustable Membrane Emulsification Device ( TAMED)

　　

温度可调膜乳化装置（TAMED）被开发并评估为一种自动化、温度可控的实验室规模膜乳化系统。该装置通过气动控制实现重复的注射器滤器挤出，从而替代手动操作。研究人员证明，无需预先混合，即可将油相和水相直接加入同一注射器中，通过自动化挤出序列原位制备乳液，且所得液滴尺寸分布与预先混合制备的样品相当。研究考察了温度对膜阻力、跨膜通量和液滴尺寸的影响。结果表明，升温至60 °C时，尽管跨膜通量降低，但界面张力下降使得毛细管数（capillary number）增大，液滴更容易破裂，最终获得更小的液滴。膜阻力表现出温度依赖性和方向依赖性，在60 °C时反向流动的膜阻力显著高于正向。增加挤出次数可持续减小液滴尺寸，经20次循环后，索特平均直径（Sauter mean diameter, d_3,2）约为2.0–2.5 μm，粒径分布宽度（span值）约为1。研究人员还发现，吐温20（polysorbate 20）比吐温80（polysorbate 80）可获得更小的液滴，而降低分散相含量从30 vol.%至3.5 vol.%会导致最终液滴尺寸增大。所有实验结果均与Hunter和Frisken的润滑层模型及Link等人的T型分叉液滴破裂模型相吻合，表明较高的毛细管数和较厚的润滑层促进液滴的拉伸与破裂。TAMED为研究膜乳化中过程参数与配方之间的关系提供了一个有效的实验平台。

**基于TAMED的自动原位水包油乳液膜乳化制备研究解读**

**1. 研究背景与问题**

乳液在食品、制药和化妆品行业中应用广泛，其液滴尺寸是决定产品消化率、生物利用度、流变特性、感官性质、稳定性以及封装成分释放行为的关键参数。传统乳化技术如高压均质机，虽然能量密度高（约10⁵至10⁹ J·m^-3），但大量能量以热量形式耗散，可能导致热敏性成分降解。预混膜乳化技术作为一种低能耗替代方案，能量密度仅为10³至10⁶ J·m^-3，通过将预乳液强制通过多孔膜实现液滴破碎。传统注射器挤出法需要手动操作，无法精确控制温度，并且通常需要预先制备预混乳液，限制了过程的可重复性和参数研究的系统性。此前，虽然已有研究将双注射器膜乳化用于多种微粒制备，但尚未有将原位制备与自动化、温度可控的重复挤出相结合的装置。因此，开发一种能够自动化、精确控温的膜乳化设备，系统研究温度、压力、表面活性剂类型等因素对乳化过程的影响，具有重要的研究意义和应用价值。

**2. 研究技术与方法**

研究人员开发了温度可调膜乳化装置，该装置利用气动活塞泵交替推动双注射器，使液体反复通过注射器滤器内的复合膜，并配备温度控制系统。实验使用Versapor复合膜（孔径10 μm，由亲水性丙烯酸共聚物铸涂于无纺尼龙支撑体上构成），以中链甘油三酯油为分散相，吐温20和吐温80为乳化剂。研究采用原位制备方式，即将油相和水相直接加入同一注射器，无需预先混合。主要技术方法包括：通过扫描电子显微镜表征膜结构；基于达西定律测量不同温度及流向下膜的阻力；通过视频记录分析柱塞运动以计算跨膜体积通量；采用激光衍射法测定液滴尺寸分布；通过光学接触角测量仪测定界面张力；使用流变仪测量连续相和乳液的黏度。此外，基于Link等人的T型分叉模型和Hunter与Frisken的润滑层模型，计算毛细管数和润滑层厚度，以理解液滴破裂机制。

**3. 研究结果**

**3.1 温度和流向对膜阻力的影响**

研究人员通过重力驱动的水流实验测量了不同温度和流向下注射器滤器的膜阻力。结果表明，室温条件下，正向和反向流动的膜阻力在标准差范围内重叠，无明显方向差异；而升温至60 °C时，反向流动的膜阻力（2.64 × 10⁸ m^-1）显著高于正向（1.82 × 10⁸ m^-1）。从23 °C升至60 °C，平均膜阻力从1.09 × 10⁸ m^-1增至2.23 × 10⁸ m^-1，约增加一倍。扫描电子显微镜图像显示膜进出口两侧尼龙纤维堆积密度存在细微差异，但仅凭纤维排列无法解释温度依赖的方向性差异。由于60 °C超出了制造商规定的最高使用温度（55 °C），高温可能引起复合膜或聚丙烯外壳的结构变化，从而改变了有效流动路径。

**3.2 挤出次数的影响**

**3.2.1 挤出次数对跨膜体积通量的影响**

跨膜通量随挤出次数增加而略有增大，且正向流动通量始终低于反向。以吐温20在23 °C、注射器压力300 kPa条件下制备30 vol.%乳液为例，基于第1、2、19和20次通过计算的平均通量为71.76 ± 5.70 L·s^-1·m^-2，与全部20次通过的平均值（73.73 ± 5.67 L·s^-1·m^-2）接近。通量随次数增加的原因在于液滴逐次减小，变形和破碎所需能量降低。压力平衡分析表明，第2次通过时液滴破碎消耗的压力能占比最大；此后液滴尺寸减小幅度逐渐放缓，最终从第17次通过开始，入口压力主要用于克服膜阻力和污染阻力，通量接近给定压力下的极限值。

**3.2.2 挤出次数对液滴尺寸的影响**

增加挤出次数使所有特征液滴直径（d_4,3、d_3,2、d_5,0）和span值均下降，且数据点偏离趋势线的程度逐渐减小，表明乳液变得更加均匀。首次通过形成粗乳液，液滴远大于孔径；后续通过中，液滴在膜孔连接处发生破裂。最终中位直径约2.5 μm，小于膜孔径10 μm，与文献报道一致。显微镜图像清晰显示，经过20次通过后获得了高度均匀的乳液液滴。这一结果强调了在较低驱动压力下重复乳化对实现均一性的重要性。

**3.3 温度和乳化剂类型对液滴尺寸的影响**

单因素方差分析和t检验结果表明，所有比较均具有统计学显著性（p < 0.05）。在23 °C和60 °C下，吐温20均比吐温80产生更小的液滴，这可能与吐温20具有更高的亲水亲油平衡（Hydrophilic-Lipophilic Balance，HLB）值（16.7 vs. 15）有关。两种乳化剂在60 °C下均获得显著更小的液滴，这归因于高温降低界面张力，从而提高毛细管数。毛细管数从23 °C到60 °C的变化为：吐温20乳液从0.037增至0.043，吐温80乳液从0.048显著增至0.156。根据Hunter和Frisken模型，更高的毛细管数对应更厚的润滑层（吐温20从1.13 μm增至1.27 μm，吐温80从1.35 μm增至2.98 μm），使液滴在破裂前更加伸长、稳定性降低、更容易破碎。值得注意的是，尽管60 °C下乳液黏度显著降低，但跨膜通量反而低于室温条件，这与高温下膜阻力的增大和注射器压力降低相一致。更小的液滴能够在较低通量下形成，表明界面张力的降低在促进液滴破裂方面克服了低连续相黏度和低流速的不利影响。

**3.4 分散相含量对液滴尺寸的影响**

将吐温20乳液的分散相含量从30 vol.%降至3.5 vol.%时，索特平均直径显著增大（p < 0.05）。原因是较低分散相含量导致注射器内压力降低（从300 kPa降至240 kPa）和跨膜通量减小，从而降低了孔内液体流速和毛细管数。润滑层厚度也从1.13 μm降至1.02 μm，液滴伸长程度降低、更加稳定，不利于破碎。此外，壁面剪切应力与通量和黏度的乘积成正比，较低的通量和黏度导致更小的剪切应力，进一步抑制液滴破裂。

**4. 讨论与结论**

TAMED实现了自动化、温度可控的重复注射器滤器挤出，无需预先混合即可原位制备乳液，替代了手动操作。系统研究表明，液滴尺寸受多种因素调控：表面活性剂类型、温度、分散相含量、施加气压、界面张力、相黏度、注射器压力和跨膜通量等。在所选参数范围内，升温至60 °C时，尽管通量降低和连续相黏度下降不利于液滴破裂，但界面张力的降低起主导作用，最终形成更小的液滴，这体现了过程参数间的复杂耦合关系。研究还揭示了膜阻力的方向依赖性和温度依赖性，表明复合膜在高于制造商规定温度使用时可能出现结构性变化。研究人员指出，当前装置的主要局限性在于气动压力恒定并不能保证跨膜压力或通量恒定，因为实际注射器压力取决于乳液性质、温度和膜阻力。未来装置应直接控制跨膜压力或通量，以便更清晰地区分各因素的影响，并需开展放大研究，将TAMED与高压均质等成熟工艺进行系统比较。

论文发表在《JCIS Open》。