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(yùn)動(dòng)影響，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、溶液中存在時(shí)間長(zhǎng)、氣-液界面富含負(fù)電荷、氣泡崩塌過(guò)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(lái)，隨著對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)飽和，進(jìn)而通過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)，超聲波在液體介質(zhì)傳輸過(guò)程中會(huì)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(guò)飽和狀態(tài)形成尺寸在微納米級(jí)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(shí)，導(dǎo)致兩種溶液界面處氣體達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，由于溶解氣體來(lái)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(dú)特的理化性質(zhì)和簡(jiǎn)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(dòng)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(guò)蒸發(fā)、膜過(guò)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(shí)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(shí)，尤其是含有乳蛋白等帶電粒子的液態(tài)乳制品，它們會(huì)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(dú)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(shí)才能完成的腌制食品的傳統(tǒng)方法相比，通過(guò)在調(diào)味液中加入微納米氣泡，可以在更短的加工時(shí)間內(nèi)實(shí)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(jué)，這種感覺(jué)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(zhǎng)碳酸飲料開(kāi)瓶后的產(chǎn)品品質(zhì)。

④    增強(qiáng)食品的功能特性

對(duì)于微納米氣泡的健康相關(guān)應(yīng)用，近年來(lái)，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(diǎn)。

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(huì)產(chǎn)生瞬間高壓和微湍流，通過(guò)產(chǎn)生大量的核來(lái)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(huì)顯著降低過(guò)冷度和冷凍時(shí)間。在冷凍過(guò)程中引入適當(dāng)?shù)亩趸嘉⒓{米氣泡，可縮短相變時(shí)間和總冷凍時(shí)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(wú)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(guò)程中可以通過(guò)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(guò)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)因破裂而形成自由基。由于這些特性，微納米氣泡可以通過(guò)吸附水中的微生物、重金屬離子（陽(yáng)離子）以及氧化降解有機(jī)化合物（如農(nóng)藥和真菌毒素）來(lái)應(yīng)用于飲用水消毒和果蔬清洗等食品加工等過(guò)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(wú)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(duì)污染物的分解效果。同時(shí)，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(shí)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(shí)，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(guò)程中有更加明顯的效果，利用微納米氣泡技術(shù)對(duì)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(duì)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。

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作者簡(jiǎn)介：

小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國(guó)內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事?tīng)I(yíng)養(yǎng)食品的開(kāi)發(fā)與研究。