微納米氣泡（Micro-Nano Gas Bubbles，MNBs）是將氣體分散在溶液中，形成的直徑在幾十納米到幾十微米之間的微小氣泡顆粒。

相比于普通氣泡，由于微納米氣泡尺寸小易受到溶液分子布朗運動影響，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、溶液中存在時間長、氣-液界面富含負(fù)電荷、氣泡崩塌過程中能形成自由基等理化特性被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染治理、農(nóng)業(yè)種植、材料科學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。近年來，隨著對微納米氣泡的深入了解，其在食品工業(yè)中的研究與應(yīng)用也逐漸增多。

微納米氣泡制備方法

微納米氣泡制備方法主要包括兩類，一類是通過機(jī)械剪切、壓力差等方式將外源氣體分散到溶液中而達(dá)到過飽和后，進(jìn)而氣體被機(jī)械力分散成為微小的氣泡。另一類是未有外加氣體加入，通過超聲、電化學(xué)以及溶劑互溶等方式導(dǎo)致溶液中氣體達(dá)到過飽和而形成。具體包括以下幾種：

① 氣體分散法。利用高速的機(jī)械攪拌或者渦旋將溶液與環(huán)境中氣體進(jìn)行機(jī)械混合，從而導(dǎo)致溶液中氣體迅速達(dá)到過飽和，進(jìn)而通過微孔噴頭、微孔膜組件等附屬元件將含氣泡溶液分散成為微納米尺度。

② 加壓溶氣釋放法。在加壓的情況下，將氣體溶解于溶液中形成氣體的過飽和狀態(tài)，然后壓力突然降低導(dǎo)致氣體以微小氣泡形式釋放于溶液中形成了微納米氣泡。

③ 電化學(xué)法。采用電解水的方法形成微納米氣泡。將正負(fù)電極插入到溶液中，通過向電極施加一定的電壓而導(dǎo)致正電極表面形成氧納米氣泡，而負(fù)電極表面形成氫納米氣泡。

④ 超聲法。當(dāng)超聲功率足夠大時，超聲波在液體介質(zhì)傳輸過程中會導(dǎo)致液體介質(zhì)受到空化壓力，引起溶液中存在的氣體因空化壓力而達(dá)到過飽和狀態(tài)形成尺寸在微納米級的空化氣泡。

⑤ 溶劑交換法。當(dāng)氣體溶解度高的溶液中混合氣體溶解度低的溶劑時，導(dǎo)致兩種溶液界面處氣體達(dá)到過飽和狀態(tài)，由于溶解氣體來不及逸散而以微納米氣泡的形式析出。

食品工業(yè)中的應(yīng)用

微納米氣泡獨特的理化性質(zhì)和簡單的制備方法，使其在食品工業(yè)中具有多種應(yīng)用。

①    降低黏度改善食品加工性能

微納米氣泡可以減少摩擦并影響液體的物理性質(zhì)，從而增加其分子的流動性。因此，微納米氣泡的存在能夠降低液體的體積粘度。如在通過蒸發(fā)、膜過濾和噴霧干燥等食品加工系統(tǒng)之前，將平均直徑在 100~5000 nm 范圍內(nèi)的微納米氣泡注入液體乳制品中，可以實現(xiàn)降低液體通量粘度的益處。

當(dāng)微納米尺度的微小氣泡被引入水溶液中時，尤其是含有乳蛋白等帶電粒子的液態(tài)乳制品，它們會與懸浮蛋白質(zhì)的帶電表面結(jié)合，這種相互作用有助于降低液體粘度。這些超細(xì)氣泡在牛奶蛋白質(zhì)顆粒之間起到緩沖作用，導(dǎo)致其分離，并防止蛋白質(zhì)聚集。

②    促進(jìn)食品浸漬效率

使用平均直徑從幾百納米到小于10 μm 的空氣微納米氣泡具有比表面積大、提高氣體在液體中的溶解度和高傳質(zhì)能力等獨特特性，可以提高液體調(diào)味品在食品中的滲透性。與通常需要數(shù)小時才能完成的腌制食品的傳統(tǒng)方法相比，通過在調(diào)味液中加入微納米氣泡，可以在更短的加工時間內(nèi)實現(xiàn)均勻浸漬。

③    提升食物感官特性

在食品中加入足量的空氣，即食品通氣，可以提供許多積極影響，如質(zhì)地變化、風(fēng)味改變、消化率改善和食品感官屬性強(qiáng)化等。如在含氣飲料碳酸飲料和香檳中添加小氣泡能夠增強(qiáng)含氣飲料中二氧化碳等氣體的質(zhì)量傳輸，接觸舌頭的小氣泡能夠增加飲料的“刺痛”感覺，這種感覺是二氧化碳在碳酸酐酶存在下轉(zhuǎn)化為碳酸形成的，從而提升產(chǎn)品的感官品質(zhì)。此外由于微納米氣泡在溶液中穩(wěn)定性高，能夠延長碳酸飲料開瓶后的產(chǎn)品品質(zhì)。

④    增強(qiáng)食品的功能特性

對于微納米氣泡的健康相關(guān)應(yīng)用，近年來，氫氣的顯著醫(yī)學(xué)特性，如抗氧化、抗凋亡和抗炎能力等引起了人們的廣泛關(guān)注。由于氫氣作為一種具有還原性的小分子氣體，能夠與機(jī)體內(nèi)的氧化性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)成為治療疾病的化學(xué)基礎(chǔ)。氫氣飲品、醫(yī)用含氫溶液等產(chǎn)品已經(jīng)成為了氫氣醫(yī)學(xué)的熱點。

然而，氫氣在水中的溶解度并不高。微納米氣泡可以提高氣體在水溶液中的溶解度，因此，微納米氫氣在水中的存在量可能比正常情況下要大，在飽和汽水中形成氫-微納米氣泡的可能性很高。

⑤ 增強(qiáng)食品冷凍效率

空化氣泡的崩潰會產(chǎn)生瞬間高壓和微湍流，通過產(chǎn)生大量的核來促進(jìn)一次和二次成核。在食品相關(guān)系統(tǒng)中，已經(jīng)證明空化的存在可以有效地提高冷凍速率。在蔗糖和麥芽糊精溶液中分散微納米氣泡會顯著降低過冷度和冷凍時間。在冷凍過程中引入適當(dāng)?shù)亩趸嘉⒓{米氣泡，可縮短相變時間和總冷凍時間。二氧化碳?xì)怏w可溶于乳脂等疏水性食品系統(tǒng)，也有助于減少無水乳脂的晶體尺寸、增加脂肪晶體數(shù)量和硬度。

⑥ 提升蛋白質(zhì)的分離

蛋白質(zhì)作為一種結(jié)構(gòu)靈活的生物大分子在食品成型劑、膠囊劑和制藥工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。蛋白質(zhì)分離純化過程中可以通過改變?nèi)芤旱?pH 值、離子強(qiáng)度、溫度等促進(jìn)蛋白質(zhì)疏水結(jié)構(gòu)外露，促進(jìn)蛋白質(zhì)分子之間的疏水作用力而凝聚而得到分離。

研究表明在蛋白質(zhì)提純過程中向非極性系統(tǒng)被注入直徑約為100 nm的二氧化碳微納米氣泡，獲得的疏水蛋白在液體表面的純度能顯著提高，疏水蛋白會與二氧化碳分子相互作用，在納米尺度上產(chǎn)生穩(wěn)定的超細(xì)氣泡，氣泡被疏水蛋白殼包圍，由于密度低，微納米氣泡會遷移到界面，導(dǎo)致疏水蛋白轉(zhuǎn)移到液體系統(tǒng)的上層，從而提高了蛋白質(zhì)的純度。因此，疏水蛋白會在含有大多數(shù)微納米氣泡的表面上相富集。

⑦ 殺菌消毒、果蔬清洗

殺菌消毒、果蔬清洗是微納米氣泡在食品工業(yè)中的重要應(yīng)用。微納米氣泡有很大的表面積，氣液界面有較高負(fù)Zeta 電位，并且會因破裂而形成自由基。由于這些特性，微納米氣泡可以通過吸附水中的微生物、重金屬離子（陽離子）以及氧化降解有機(jī)化合物（如農(nóng)藥和真菌毒素）來應(yīng)用于飲用水消毒和果蔬清洗等食品加工等過程中。

果蔬表面的農(nóng)藥殘留一般為農(nóng)藥原體、有毒代謝物、降解物和雜質(zhì)等，臭氧雖無法將有機(jī)物徹底分解，但以臭氧為基底的微納米氣泡在破裂的瞬間可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基，增強(qiáng)臭氧對污染物的分解效果。同時，微納米氣泡在水中緩慢上升保證了其與農(nóng)作物的接觸時間，微納米氣泡產(chǎn)生的量大且比表面大，使其在微生物分解有機(jī)物方面有積極的促進(jìn)作用，可有效降解殘留的農(nóng)藥。

因此臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，當(dāng)微納米氣泡在水中消失時，產(chǎn)生大量的羥基自由基，臭氧在羥基自由基的作用下，其氧化性加強(qiáng)，在果蔬清洗農(nóng)殘過程中有更加明顯的效果，利用微納米氣泡技術(shù)對果蔬進(jìn)行清洗可以在很大程度上減少農(nóng)殘的殘余量。

此外，微納米氣泡技術(shù)在果蔬采后方面也具有廣闊研究前景。一方面，微納米氣泡作為一種非化學(xué)清洗方法避免了洗滌劑的使用和對人體的損害，降低了果蔬清洗受到的機(jī)械損傷；另一方面，微納米氣泡與一些氣體聯(lián)用具有殺菌、抑制乙烯釋放作用，所以微納米氣泡技術(shù)可應(yīng)用于鮮切果蔬和貯藏果蔬的洗滌與保鮮。所以，該技術(shù)在提高采后果蔬食用安全性方面，尤其是凈菜加工以及果蔬清洗加工后污水處理方面表現(xiàn)出巨大的潛力。

參考資料：

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作者簡介：

小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品的開發(fā)與研究。