科研进展 | 通过新型超声套管式反应器连续制备维生素 E 纳米乳剂：影响理化稳定性的关键因素
研究背景
维生素 E（主要为 α- 生育酚）作为重要的脂溶性维生素和生物抗氧化剂，凭借独特化学结构可有效清除脂质过氧化链式反应中的自由基，在食品、化妆品和医药领域应用广泛，例如延长富脂食品保质期、抵御皮肤光老化、发挥抗炎和细胞调节作用等，但它易受光、热、氧气和金属离子等外部因素影响而降解，这一化学不稳定性严重限制了其应用效果，不仅会降低食品的营养价值、导致饮料出现相分离和絮凝现象、削弱化妆品功效，还会因生物利用度低而增加医药领域的用药剂量，长期大量摄入可能引发不良反应。为克服维生素 E 在水溶性、生物利用度和化学稳定性方面的固有局限，纳米乳剂技术被认为是关键解决方案，其纳米级乳滴能为脂溶性维生素 E 提供物理和化学保护屏障，同时提升其在消化道的释放与吸收效率。超声乳化作为一种高效、可控且可规模化的纳米乳剂制备技术，依托声空化效应能将大液滴破碎为纳米级乳滴，但传统超声探头和超声浴存在能量梯度明显、能量传递效率低、驻波效应显著等缺陷，导致乳化不均匀，且空化泡崩溃产生的活性氧会引发维生素 E 不可逆氧化降解，因此开发新型超声反应器以实现维生素 E 纳米乳剂的连续稳定制备具有重要意义。
图 1：(A) 超声管中管反应器（USTIT）结构示意图；(B) 超声管中管反应器（USTIT）连续制备纳米乳剂的流程图
图 2：(A) 表面活性剂对纳米乳剂粒径（DS）和多分散指数（PDI）的影响；(B) 表面活性剂对纳米乳剂界面张力的影响；(C) 表面活性剂对纳米乳剂中维生素 E（VE）保留率的影响；(D) 无抗坏血酸棕榈酸酯（AP）保护时，维生素 E 纳米乳剂在 60℃保温期间的降解特性；(E) 表面活性剂对纳米乳剂 zeta 电位的影响；(F) 有抗坏血酸棕榈酸酯（AP）保护时，维生素 E 纳米乳剂在 60℃保温期间的降解特性（制备条件：5.4% 表面活性剂、Span-80/Tween-80（质量比 28/72，亲水亲油平衡值 12）、乳清蛋白（亲水亲油平衡值 > 10）、大豆分离蛋白（亲水亲油平衡值 > 10）、水油比（9/1，体积比）、超声频率 20 kHz、超声电功率 45 W、温度 50℃、流速 3 mL/min。不同字母表示差异显著）
图 3：(A) 水油比（A/O）对纳米乳剂粒径（DS）和多分散指数（PDI）的影响；(B) 水油比（A/O）对纳米乳剂中维生素 E（VE）保留率的影响；(C) 无抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，不同粒径的维生素 E 纳米乳剂在 25℃长期储存期间的一级降解动力学；(D) 有抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，不同粒径的维生素 E 纳米乳剂在 25℃长期储存期间的二级降解动力学（制备条件：5.4% 表面活性剂、Span-80/Tween-80（质量比 28/72，亲水亲油平衡值 12）、超声频率 20 kHz、超声电功率 52 W、温度 50℃、流速 3 mL/min；粒径 205 nm 由水油比 5/1 制得，粒径 62 nm 由水油比 15/1 制得。不同字母表示差异显著）
图 4：(A) 水相添加剂对纳米乳剂粒径（DS）和多分散指数（PDI）的影响；(B) 水相添加剂对纳米乳剂中维生素 E（VE）稳定性的影响；(C) 有维生素 C（VC）或抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，维生素 E 纳米乳剂在 25℃长期储存期间的二级降解动力学（制备条件：5.4% 表面活性剂、Span-80/Tween-80（质量比 28/72，亲水亲油平衡值 12）、水油比（9/1，体积比）、超声频率 20 kHz、超声电功率 52 W、温度 50℃、流速 3 mL/min。不同字母表示差异显著）
图 5：(A) 超声电功率对超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂粒径（DS）和多分散指数（PDI）的影响；(B) 超声电功率对超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂中维生素 E（VE）保留率的影响；(C) 无抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，维生素 E 纳米乳剂在 60℃保温期间的降解特性（条件：5.4% 表面活性剂、Span-80/Tween-80（质量比 28/72，亲水亲油平衡值 12）、水油比（9/1，体积比）、温度 50℃、流速 3 mL/min。不同字母表示差异显著）
图 6：(A) 温度对超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂粒径（DS）和多分散指数（PDI）的影响；(B) 温度对超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂中维生素 E（VE）保留率的影响；(C) 无抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，维生素 E 纳米乳剂在 60℃保温期间的降解特性（条件：5.4% 表面活性剂、Span-80/Tween-80（质量比 28/72，亲水亲油平衡值 12）、水油比（9/1，体积比）、超声频率 20 kHz、超声电功率 45 W、流速 3 mL/min。不同字母表示差异显著）
图 7：(A) 流速对超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂粒径（DS）和多分散指数（PDI）的影响；(B) 流速对超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂中维生素 E（VE）保留率的影响；(C) 无抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，维生素 E 纳米乳剂在 60℃保温期间的降解特性；(D) 无抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，不同流速下制备的维生素 E 纳米乳剂在 25℃的长期储存实验（条件：5.4% 表面活性剂、Span-80/Tween-80（质量比 28/72，亲水亲油平衡值 12）、水油比（9/1，体积比）、超声频率 20 kHz、超声电功率 52 W、温度 50℃。不同字母表示差异显著）
图 8：(A) 超声浴（USE (B)）制备的纳米乳剂表面图像；(B) 超声探头（USE (P)）制备的纳米乳剂表面图像；(C) 超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂表面图像；(D) 超声浴（USE (B)）制备的纳米乳剂光学显微镜图像；(E) 超声探头（USE (P)）制备的纳米乳剂光学显微镜图像；(F) 超声管中管反应器（USTIT）制备的纳米乳剂光学显微镜图像；(G) 制备方法对纳米乳剂粒径（DS）和多分散指数（PDI）的影响；(H) 制备方法对纳米乳剂中维生素 E（VE）保留率的影响；(I) 不同纳米乳剂中维生素 E（VE）在 60℃保温期间的降解特性（条件：5.4% 表面活性剂、Span-80/Tween-80（质量比 28/72，亲水亲油平衡值 12）、添加抗坏血酸棕榈酸酯（AP）、水油比（9/1，体积比）、超声频率 20 kHz、超声电功率 45 W、温度 50℃、流速 3 mL/min。不同字母表示差异显著）
本研究开发了一种新型超声管中管反应器（USTIT）工艺，用于连续制备高稳定性维生素 E（VE）纳米乳剂，并系统探究了配方和工艺参数对其物理稳定性和化学稳定性的影响。结果表明，Span-80/Tween-80 混合表面活性剂在减小粒径、降低界面张力以及提高抗坏血酸棕榈酸酯（AP）存在下的维生素 E 保留率方面，优于乳清蛋白或大豆分离蛋白；增大水油比（A/O）可减小粒径，且较小的粒径（62 nm）能显著减缓含抗坏血酸棕榈酸酯（AP）的维生素 E 纳米乳剂在长期储存过程中的降解；作为水相添加剂，抗坏血酸棕榈酸酯（AP）对纳米乳剂中维生素 E 的保护效果优于维生素 C（VC）。无抗坏血酸棕榈酸酯（AP）时，在 31-45 W 超声电功率范围内，纳米乳剂的粒径受影响较小，但较低的超声电功率更有利于维生素 E 的保留；将流速从 1 mL/min 提高至 5 mL/min 可减缓维生素 E 降解，但会使粒径增大；此外，将乳化温度从 40℃升高至 60℃有助于减小粒径并减缓维生素 E 降解。添加抗坏血酸棕榈酸酯（AP）后，超声管中管反应器（USTIT）工艺制备的纳米乳剂具有最小的粒径、最高的维生素 E 保留率和最慢的维生素 E 降解速率，性能优于超声浴（USE (B)）和超声探头（USE (P)）等其他超声工艺。含抗坏血酸棕榈酸酯（AP）的纳米乳剂中，维生素 E 的降解动力学研究表明，超声管中管反应器（USTIT）工艺显著延长了维生素 E 的半衰期，即在 60℃保温条件下超过 205 小时，在 25℃储存条件下达到 862 天，显示出显著的稳定化效果。
本研究为维生素 E 纳米乳剂的连续工业化生产提供了可行的技术方案和关键参数指导。未来，超声管中管反应器（USTIT）工艺可轻松拓展至其他热敏性、易氧化的脂溶性生物活性成分纳米乳剂的连续制备。后续研究可聚焦于超声管中管反应器（USTIT）连续工艺的放大，以实现稳定维生素 E 纳米乳剂的规模化生产；同时，可通过计算流体动力学模拟和声场分布建模，更精准地分析超声管中管反应器（USTIT）内部的空化现象和活性氧（ROS）生成机制，从而实现更精细的工艺控制。
武志林：汕头大学化学化工学院教授。主要研究兴趣：超声波化学；水力空化技术；高级氧化工艺；纳米材料制备；水相有机合成。
董正亚：汕头大学化学化工学院教授。主要研究兴趣：化工装备与过程强化；微反应器与流动化学；药物递送与纳米材料宏量制备。
本研究得到广东省化学与化工实验室科研启动基金（编号：2322004）的资助。此外，还获得汕头大学科研启动基金（编号：NTF23033）、广东省粤港联合有序结构材料制备与应用重点实验室（编号：2023B1212120011 和 2023CX10L037）以及汕头市提升区域创新能力和中小企业创新能力专项资金（编号：STK2024096）的支持。
https://doi.org/10.1016/j.ifset.2025.104432
