《Foods》：Ultrasound-Assisted Nanoemulsification for Food and Nutraceutical Applications: Mechanisms, Formulation Strategies, and Translational Challenges
编辑推荐：
超声辅助纳米乳化已成为一种多功能平台，用于生产具有更高稳定性和改善亲脂性生物活性物递送潜力的食品级纳米乳液。本综述对超声辅助纳米乳化在食品与营养保健品应用中的机制原理、配方参数、应用及转化挑战进行了批判性整合分析。本综述综合了关于空化驱动液滴破碎、关键操作参数
超声辅助纳米乳化已成为一种多功能平台，用于生产具有更高稳定性和改善亲脂性生物活性物递送潜力的食品级纳米乳液。本综述对超声辅助纳米乳化在食品与营养保健品应用中的机制原理、配方参数、应用及转化挑战进行了批判性整合分析。本综述综合了关于空化驱动液滴破碎、关键操作参数以及控制纳米乳液形成与性能的配方因素的研究发现，并讨论了其在生物活性递送、基于精油的保鲜以及蛋白质载体系统中的应用。关键发现表明，超声可通过机械空化驱动破碎有效产生亚200 nm液滴。然而，过度处理仅能提供有限的粒径减小，而配方组成则决定乳液的稳定性与功能性。本综述指出，体外（in vitro）生物可及性的提高并不构成全身生物利用度增强的证据。液滴大小是胃肠道递送的条件性而非普遍性预测指标，界面悖论则代表了需要合理界面工程的基本设计挑战。产业转化的持续障碍包括参数报告不一致、放大过程中的空化场不均匀以及复杂食品基质中的验证有限。未来研究重点包括声学参数的标准化报告、将生物可及性与全身生物利用度关联的体内（in vivo）验证、中试规模研究以及解决稳定性-消化性权衡的界面工程策略。
1. 引言
超声辅助纳米乳化作为一种非热加工技术，可用于生产具有更好物理稳定性和递送亲脂性生物活性物能力的食品级纳米乳液。纳米乳液是动力学稳定的胶体体系，分散液滴通常约为20–200 nm，具有界面面积大、抗重力分离能力强、光学和流变性质可调等优势。低能方法对配方组成要求苛刻且常需较高乳化剂用量，而高能方法如高压均质、微流化和超声处理可更有效地将大液滴破碎至纳米尺度。超声因设备相对简单、适合热敏成分且可适应批式和连续加工而受关注。声空化是核心机制，但空化行为与最终纳米乳液性能之间的关联在复杂食品基质中仍不明确，且声化学效应可能引起氧化。现有综述较少将空化机制与配方依赖性性能、氧化稳定性及产业转化整合，因此本文旨在补足这一缺口。
2. 声空化与纳米乳化的声化学机制
2.1 空化驱动的液滴破碎与界面重构
超声辅助纳米乳化主要由声空化主导。高强度声波在液体中产生交替压缩和稀疏循环，促进气泡形成、生长和崩溃。惯性崩溃产生局部剪切力、冲击波、微射流和湍流微流，共同为界面破碎和液滴细化提供能量。在油水乳化中，液滴破碎是顺序进行的：初始声流和湍流促进混合，随后空化诱导的局部应力使液滴变形破碎，新形成的界面必须迅速被表面活性剂、蛋白质或其它界面材料稳定以防止再聚结。因此，纳米乳液形成不仅依赖空化强度，还取决于配方的界面稳定能力。所得乳液虽仍热力学不稳定，但具有改善的动力学稳定性。
2.2 超声参数对纳米乳液形成的影响
超声效率取决于频率、强度和传递能量。低频超声（约20–40 kHz）产生更大空化气泡和更强烈崩溃，有利于机械破碎；较高频率则更利于自由基形成，适用于声化学反应。声强可增强空化强度，但标称电功率不能准确代表实际传递到液体的能量，因为还受反应器几何、探头特性、液体组成和操作条件影响。增加声强至最佳点后，额外能量主要贡献于热效应，对粒径减小改善有限。目前研究存在参数报告不一致的问题，需标准化声学参数报告以提高可重复性。
2.3 平衡机械效应与声化学效应
空化除机械作用外，还通过水声解产生羟基自由基和过氧化氢等活性氧（ROS）。可控的声化学活性可促进界面改性和传质，但过量ROS会促进脂质氧化并降低氧化敏感化合物的稳定性。这一平衡对含易氧化油或生物活性物的配方尤为重要，需同时优化声学条件与配方特性，以在有效乳化和最小化不利反应间取得平衡。
3. 控制超声辅助纳米乳化的操作与配方参数
3.1 超声时间与振幅
超声时间决定空化暴露时长和累积能量输入。多数配方中，液滴尺寸在初始阶段迅速下降，随后进入平台期，即破碎与稳定/再聚结达到平衡。例如，20 kHz超声可制备粒径约29 nm的稳定罗勒精油纳米乳液，但延长处理仅带来有限改善。振幅决定探头位移和声压，增加振幅可增强剪切、湍流和空化活性，促进更小液滴形成，但超过最佳振幅后额外能量主要耗散为热。因此需针对配方和反应器优化振幅。
3.2 能量输入与温度控制
更准确地应使用传递声能而非标称电功率评估处理效率。量热功率、比能量输入、处理时间和体积等参数允许不同超声系统间更有意义的比较。能量输入与粒径减小呈非线性关系，存在最佳水平。过度能量输入可引起温度升高，改变粘度、影响界面行为并破坏敏感配方。通常采用间歇超声、控温容器和外部冷却系统以维持稳定加工条件和产品质量。
3.3 表面活性剂与油的比例及连续相性质
配方组成决定新生成液滴能否保持稳定。表面活性剂与油的比例（surfactant-to-oil ratio, SOR）控制界面覆盖、粒径和稳定性；不足时界面覆盖不完全，易发生再聚结，过量则改善有限。非离子表面活性剂如Tween 20和Tween 80吸附快且提供位阻稳定。蛋白质体系中，超声处理可诱导结构修饰，改善吸附行为和界面功能，如大豆分离蛋白、乳清蛋白等体系可实现更小液滴。连续相粘度适中可提高稳定性，但过高会衰减声传播、降低空化效率。最佳超声条件依赖于声学参数、乳化剂特性、分散相组成和连续相性质的组合。
4. 超声辅助纳米乳液在食品与营养递送中的应用
4.1 从液滴工程到生物可及性
超声辅助纳米乳化不仅减小液滴尺寸，还重塑油水界面，从而影响包封化合物的胃肠道命运。纳米乳液的大界面面积可改善消化酶接触、支持脂质水解并促进亲脂性化合物向混合胶束转移，这对肠道生物可及性至关重要。但生物可及性提高不等于全身生物利用度提高。例如，超声制备的鱼油维生素D纳米乳液包封率达95.7–98.2%，储存稳定，且模拟消化后维生素D回收率高于未包封形式；超声辅助κ-卡拉胶稳定的岩藻黄质纳米乳液也改善了模拟消化后的生物可及性。然而，多数研究仍限于包封效率、释放行为或模拟胃肠消化，动物药代研究较少，人体证据更有限。因此，改善的胶束化应被视为递送潜力提高的证据，而非全身生物利用度提高的直接证明。
4.2 液滴大小：胃肠道递送的重要但条件性决定因素
液滴减小可扩大界面，利于胆汁盐、共脂肪酶和胰脂肪酶吸附，从而支持脂解和混合胶束形成。但初始液滴尺寸仅反映起始结构，实际消化性能取决于界面在胃和肠道消化中的稳定性、可及性和可消化性。例如，超声微反应器制备的大豆油纳米乳液平均约96 nm，储存稳定45天，但研究并未关联消化或吸收；姜黄素纳米乳液约139 nm，高包封率和受控释放并未独立证明粒径单独负责生物可及性改善。维生素D纳米乳液粒径约300–450 nm，仍显示高包封率和显著改善的生物可及性，说明不存在固定的最佳粒径阈值。非超声证据也表明，初始粒径相似（约131–142 nm）的DHA纳米乳液因胃消化稳定性不同而呈现不同脂解和生物可及性。因此，液滴大小是重要但非独立的预测指标。
4.3 超越常规纳米乳液的超声辅助递送平台
超声已应用于蛋白质纳米载体和乳液凝胶体系，通过改变界面组织、载体结构和包封性能实现递送改善。鱼油基维生素D纳米乳液和OSA改性米淀粉体系均显示超声可提高包封效率。超声预处理大豆分离蛋白（soy protein isolate, SPI）使槲皮素包封率从7.2%提高到76.5%，体外生物可及性从10.5–13.0%提高到61.1–64.5%，归因于超声诱导蛋白结构展开、暴露疏水结合位点并增强蛋白-多酚相互作用。在发酵诱导SPI乳液凝胶中，超声优化使槲皮素包封率从81.25%提高至90.04%，生物可及性从28.90%提高至42.58%；肌原纤维蛋白-羧甲基纤维素（myofibrillar protein-carboxymethyl cellulose, MP-CMC）乳液凝胶的姜黄素包封率从86.75%提高至97.67%，生物可及性从28.68%提高至44.93%。这些结果显示，超声可重构凝胶网络、增强界面相互作用，其作用不限于减小粒径。
4.4 精油纳米乳液：配方依赖的抗微生物性能
超声辅助精油（essential oil, EO）纳米乳液可改善精油在水相中的分散性、稳定性和抗微生物活性。肉桂精油纳米乳对Penicillium pinophilum有强抗真菌活性；牛至精油纳米乳表现出菌种依赖的抗菌和抗真菌效果；橙皮精油纳米乳的抗菌活性随精油浓度增加而增强。在真实食品体系中，含牛至、百里香和柠檬草精油的优化纳米乳液粒径<100 nm，在冷藏鳟鱼片中抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和肠炎沙门氏菌并延长货架期。超声辅助牛至精油纳米乳与超声处理联用，对蓝莓贮藏中的单核细胞增生李斯特菌具有协同杀菌作用，且不降低感官品质。在活性包装方面，牛至精油纳米乳加入羟丙基甲基纤维素薄膜后，粒径从1420.47 nm降至221.3 nm，增强了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。但抗微生物效果高度依赖精油组成、乳化剂、界面性质、目标菌和食品基质，研究间比较困难。
4.5 界面悖论：平衡氧化稳定性与消化性能
增大的油水界面虽然有利于消化和胶束化，但也使多不饱和脂质更容易接触氧气、过渡金属等促氧化剂，从而加剧氧化。超声空化还可能促进氧转移和自由基形成。氧化稳定性不仅取决于粒径，还取决于界面层的组成和保护能力。有研究表明，超声辅助纳米乳液的氧化稳定性主要取决于声学加工条件、油组成和界面结构之间的相互作用，蛋白质界面层比弱保护性乳化剂体系提供更强保护。控制实验也显示，较小液滴可增加氧暴露和脂质氢过氧化物形成。界面工程可缓解稳定性-消化性权衡，例如鱼油/α-生育酚纳米结构脂质载体在获得约119 nm粒子的同时显著降低过氧化值。乳化剂选择同时影响氧化稳定性和消化行为，如不同乳化剂制备的长链ω-3藻油纳米乳液在粒径相似时呈现不同胶体稳定性和消化特征。
5. 产业转化的挑战与未来展望
5.1 超声辅助纳米乳化与其他高能技术的比较
超声辅助纳米乳化与高压均质（high-pressure homogenization, HPH）、微流化（microfluidization, MF）和超高压均质（ultra-high-pressure homogenization, UHPH）均属高能乳化方法。超声通过空化产生局部剪切、微射流和界面更新，设备相对简单、处理时间短，适合热敏成分和小规模配方筛选。HPH和MF通过高压阀或微通道产生均匀液滴，工业可扩展性强，但资本和运行成本较高。有比较研究显示，超声制备的γ-谷维素纳米乳液粒径约30 nm，小于HPH的约107 nm，同时保持良好储存稳定性。但结果不能一概而论，技术选择应基于配方特性、生产规模、能耗、产品要求和最终应用。超声应视为互补技术，而非替代方法。
5.2 工业放大与工艺优化
实验室优化不能直接放大至工业规模，因为空化高度依赖反应器几何、声场分布、停留时间、流动行为和温度控制。连续流超声系统提供更可控的停留时间、温度和空化场暴露，是放大可行路径。策略包括连续操作、扩大辐射面以及反应器编号放大。已有跨实验室、中试和工业规模的连续流超声制备MF59?类似纳米乳液的先例，表明在仔细控制声学条件时可保持粒径特性。能耗和过程经济性对商业采用同样关键，需采用比能量输入、声能密度、粒径分布和处理量等标准化指标。此外，真实食品基质含蛋白质、多糖、糖类、矿物质等，会改变粘度和声衰减，因此需在中试阶段引入代表性食品基质。
5.3 安全性、法规方面与未来研究重点
使用批准的食品级成分和适当加工条件时，超声处理不固有地损害安全性。但过度空化产生的局部高温、高压和活性物种可能加速脂质氧化或降解敏感生物活性物。法规方面，安全性主要由最终产品组成决定，所用油、乳化剂、抗氧化剂和包封生物活性物必须符合食品法规，制造过程需保证可重复性和质量一致性。关键表征参数包括粒径分布、包封效率、氧化稳定性、储存稳定性及标准化体外生物可及性。当前研究仍多局限于实验室规模模型体系，声学参数报告不一致，长期储存、感官质量、消费者接受度、体内生物利用度和技术经济可行性数据不足。未来研究应强调标准化报告、代表性食品基质、中试验证以及与成熟技术的直接比较，并关注界面工程、抗氧化剂定位、食品基质相互作用及皮克林乳液、多层界面、蛋白-多糖复合物和活性包装等新兴策略。
6. 结论与未来展望
超声辅助纳米乳化是一种有前景的非热技术，主要通过声空化的机械效应产生精细乳液。然而，成功的纳米乳液形成不仅取决于超声强度，还取决于配方组成、乳化剂类型、油相、处理时间、能量输入和反应器设计。过度超声仅带来有限的粒径减小，反而可能增加加热、脂质氧化或敏感生物活性物降解。当前证据表明，超声辅助纳米乳液可改善姜黄素、维生素D、岩藻黄质和精油等亲脂性化合物的包封、分散、稳定性和体外生物可及性，但改善的生物可及性不应视为全身生物利用度提高的直接证据。液滴大小是重要的结构参数，但不是胃肠道性能的独立预测因子。界面悖论要求通过合理界面工程平衡消化可及性与氧化保护。产业转化需发展连续流加工、反应器编号放大、更好的声学表征以及在真实食品基质中的中试验证。未来优先方向包括声学参数标准化报告、组成控制下超声与非超声配方的对比研究、药代动力学验证、技术经济分析和环境影响评估，以推动该技术从实验室走向食品与营养保健品的实际应用。
