微纳米气泡及其在食品工业中的研究应用

微纳米气泡（Micro-Nano Gas Bubbles，MNBs）是将气体分散在溶液中，形成的直径在几十纳米到几十微米之间的微小气泡颗粒。

相比于普通气泡，由于微纳米气泡尺寸小易受到溶液分子布朗运动影响，具有稳定性强、溶液中存在时间长、气-液界面富含负电荷、气泡崩塌过程中能形成自由基等理化特性被广泛应用于环境污染治理、农业种植、材料科学以及医学等领域。近年来，随着对微纳米气泡的深入了解，其在食品工业中的研究与应用也逐渐增多。

微纳米气泡制备方法

微纳米气泡制备方法主要包括两类，一类是通过机械剪切、压力差等方式将外源气体分散到溶液中而达到过饱和后，进而气体被机械力分散成为微小的气泡。另一类是未有外加气体加入，通过超声、电化学以及溶剂互溶等方式导致溶液中气体达到过饱和而形成。具体包括以下几种：

① 气体分散法。利用高速的机械搅拌或者涡旋将溶液与环境中气体进行机械混合，从而导致溶液中气体迅速达到过饱和，进而通过微孔喷头、微孔膜组件等附属元件将含气泡溶液分散成为微纳米尺度。

② 加压溶气释放法。在加压的情况下，将气体溶解于溶液中形成气体的过饱和状态，然后压力突然降低导致气体以微小气泡形式释放于溶液中形成了微纳米气泡。

③ 电化学法。采用电解水的方法形成微纳米气泡。将正负电极插入到溶液中，通过向电极施加一定的电压而导致正电极表面形成氧纳米气泡，而负电极表面形成氢纳米气泡。

④ 超声法。当超声功率足够大时，超声波在液体介质传输过程中会导致液体介质受到空化压力，引起溶液中存在的气体因空化压力而达到过饱和状态形成尺寸在微纳米级的空化气泡。

⑤ 溶剂交换法。当气体溶解度高的溶液中混合气体溶解度低的溶剂时，导致两种溶液界面处气体达到过饱和状态，由于溶解气体来不及逸散而以微纳米气泡的形式析出。

食品工业中的应用

微纳米气泡独特的理化性质和简单的制备方法，使其在食品工业中具有多种应用。

①    降低黏度改善食品加工性能

微纳米气泡可以减少摩擦并影响液体的物理性质，从而增加其分子的流动性。因此，微纳米气泡的存在能够降低液体的体积粘度。如在通过蒸发、膜过滤和喷雾干燥等食品加工系统之前，将平均直径在 100~5000 nm 范围内的微纳米气泡注入液体乳制品中，可以实现降低液体通量粘度的益处。

当微纳米尺度的微小气泡被引入水溶液中时，尤其是含有乳蛋白等带电粒子的液态乳制品，它们会与悬浮蛋白质的带电表面结合，这种相互作用有助于降低液体粘度。这些超细气泡在牛奶蛋白质颗粒之间起到缓冲作用，导致其分离，并防止蛋白质聚集。

②    促进食品浸渍效率

使用平均直径从几百纳米到小于10 μm 的空气微纳米气泡具有比表面积大、提高气体在液体中的溶解度和高传质能力等独特特性，可以提高液体调味品在食品中的渗透性。与通常需要数小时才能完成的腌制食品的传统方法相比，通过在调味液中加入微纳米气泡，可以在更短的加工时间内实现均匀浸渍。

③    提升食物感官特性

在食品中加入足量的空气，即食品通气，可以提供许多积极影响，如质地变化、风味改变、消化率改善和食品感官属性强化等。如在含气饮料碳酸饮料和香槟中添加小气泡能够增强含气饮料中二氧化碳等气体的质量传输，接触舌头的小气泡能够增加饮料的“刺痛”感觉，这种感觉是二氧化碳在碳酸酐酶存在下转化为碳酸形成的，从而提升产品的感官品质。此外由于微纳米气泡在溶液中稳定性高，能够延长碳酸饮料开瓶后的产品品质。

④    增强食品的功能特性

对于微纳米气泡的健康相关应用，近年来，氢气的显著医学特性，如抗氧化、抗凋亡和抗炎能力等引起了人们的广泛关注。由于氢气作为一种具有还原性的小分子气体，能够与机体内的氧化性物质发生反应成为治疗疾病的化学基础。氢气饮品、医用含氢溶液等产品已经成为了氢气医学的热点。

然而，氢气在水中的溶解度并不高。微纳米气泡可以提高气体在水溶液中的溶解度，因此，微纳米氢气在水中的存在量可能比正常情况下要大，在饱和汽水中形成氢-微纳米气泡的可能性很高。

⑤ 增强食品冷冻效率

空化气泡的崩溃会产生瞬间高压和微湍流，通过产生大量的核来促进一次和二次成核。在食品相关系统中，已经证明空化的存在可以有效地提高冷冻速率。在蔗糖和麦芽糊精溶液中分散微纳米气泡会显著降低过冷度和冷冻时间。在冷冻过程中引入适当的二氧化碳微纳米气泡，可缩短相变时间和总冷冻时间。二氧化碳气体可溶于乳脂等疏水性食品系统，也有助于减少无水乳脂的晶体尺寸、增加脂肪晶体数量和硬度。

⑥ 提升蛋白质的分离

蛋白质作为一种结构灵活的生物大分子在食品成型剂、胶囊剂和制药工业中有着广泛的应用前景。蛋白质分离纯化过程中可以通过改变溶液的 pH 值、离子强度、温度等促进蛋白质疏水结构外露，促进蛋白质分子之间的疏水作用力而凝聚而得到分离。

研究表明在蛋白质提纯过程中向非极性系统被注入直径约为100 nm的二氧化碳微纳米气泡，获得的疏水蛋白在液体表面的纯度能显著提高，疏水蛋白会与二氧化碳分子相互作用，在纳米尺度上产生稳定的超细气泡，气泡被疏水蛋白壳包围，由于密度低，微纳米气泡会迁移到界面，导致疏水蛋白转移到液体系统的上层，从而提高了蛋白质的纯度。因此，疏水蛋白会在含有大多数微纳米气泡的表面上相富集。

⑦ 杀菌消毒、果蔬清洗

杀菌消毒、果蔬清洗是微纳米气泡在食品工业中的重要应用。微纳米气泡有很大的表面积，气液界面有较高负Zeta 电位，并且会因破裂而形成自由基。由于这些特性，微纳米气泡可以通过吸附水中的微生物、重金属离子（阳离子）以及氧化降解有机化合物（如农药和真菌毒素）来应用于饮用水消毒和果蔬清洗等食品加工等过程中。

果蔬表面的农药残留一般为农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质等，臭氧虽无法将有机物彻底分解，但以臭氧为基底的微纳米气泡在破裂的瞬间可激发产生大量的羟基自由基，增强臭氧对污染物的分解效果。同时，微纳米气泡在水中缓慢上升保证了其与农作物的接触时间，微纳米气泡产生的量大且比表面大，使其在微生物分解有机物方面有积极的促进作用，可有效降解残留的农药。

因此臭氧作为一种强氧化剂，当微纳米气泡在水中消失时，产生大量的羟基自由基，臭氧在羟基自由基的作用下，其氧化性加强，在果蔬清洗农残过程中有更加明显的效果，利用微纳米气泡技术对果蔬进行清洗可以在很大程度上减少农残的残余量。

此外，微纳米气泡技术在果蔬采后方面也具有广阔研究前景。一方面，微纳米气泡作为一种非化学清洗方法避免了洗涤剂的使用和对人体的损害，降低了果蔬清洗受到的机械损伤；另一方面，微纳米气泡与一些气体联用具有杀菌、抑制乙烯释放作用，所以微纳米气泡技术可应用于鲜切果蔬和贮藏果蔬的洗涤与保鲜。所以，该技术在提高采后果蔬食用安全性方面，尤其是净菜加工以及果蔬清洗加工后污水处理方面表现出巨大的潜力。

参考资料：

[1]张智宏,张凌志,高献礼,王博,王满生,马海乐.微纳米气泡在食品工业中的应用与前景[J].现代食品科技,2023,39(02):325-331.

[2]王雪青,左进华,闫志成,史君彦,王清,关文强.微纳米气泡技术的研究进展及其在果蔬采后的应用[J].中国蔬菜,2020(09):19-24.

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作者简介：

小泥沙，食品科技工作者，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究。