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PNAS:廈大侯旭團(tuán)隊(duì)基于液體門控技術(shù)實(shí)現(xiàn)減阻界面調(diào)控揭示超高效乳化機(jī)制

來源:廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院      2022-07-14
導(dǎo)讀:廈門大學(xué)侯旭教授課題組在減阻液體門控界面乳化機(jī)制及其應(yīng)用研究方面取得重要突破。相關(guān)成果“Ultrahigh efficient emulsification with drag-reducing liquid gating interfacial behavior”于7月12日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)。

首次利用液體門控技術(shù)提出液-液界面減阻核心機(jī)理,通過液體門控技術(shù)獲得了光滑的液-液界面來替代固體界面解決上述問題,實(shí)現(xiàn)了在乳化過程中有效降低液體分散時(shí)的阻力,攻克了現(xiàn)有乳化技術(shù)中從能耗高、效率低、污染結(jié)垢到生物活性成分易失活等技術(shù)壁壘,為乳化行業(yè)提供了新的技術(shù)路線。侯旭教授團(tuán)隊(duì)一直致力于“液體門控技術(shù)”的研究,該技術(shù)由侯旭等人首次提出。2020年世界權(quán)威化學(xué)組織國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)將“液體門控技術(shù)”評為該年度全球“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”。

乳狀液廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、生物醫(yī)藥、材料制造和石油化工等領(lǐng)域。在2021年,全球乳狀液的市場規(guī)模已經(jīng)超過3000億美元。乳化技術(shù)可以分為非接觸法和接觸法。非接觸法中最常見的是超聲乳化法,它利用超聲波對液體的空化作用使液體形成乳狀液,但是該過程通常需要非常高能量輸入。并且在超聲過程中,大部分輸入能量容易消散為熱量,從而使乳狀液中的一些溫度敏感的生物成分(如蛋白質(zhì)、酶和細(xì)菌)因乳化過程中暴露于高溫而失活。接觸法包括均質(zhì)、渦旋混合、微流控、膜乳化等。在上述的乳化方法中,膜乳化方法操作條件較為溫和,易于放大生產(chǎn),并且消耗能量相對其它方法更少。無論乳化過程中有多少種不互溶的液體,采用膜乳化方法制備乳狀液時(shí),初始乳化過程總是發(fā)生在固-液界面,并且使液體分散成液滴的剪切應(yīng)力是由固體基質(zhì)提供,但由于固-液界面存在較大的阻力,因此該過程仍然需要較高的壓強(qiáng)。此外,固體基質(zhì)表面或內(nèi)部的污染或結(jié)垢是無法避免。

減阻液體門控界面乳化機(jī)制示意圖

該乳化研究工作利用毛細(xì)力穩(wěn)定的減阻液體門控結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的液-液界面,提供剪切應(yīng)力并降低阻力,使液體易于分散成液滴(圖)。理論模擬和實(shí)驗(yàn)分析表明了該方法高效的乳化性能。該方法能夠控制液滴的大小和均勻性,并且具有優(yōu)異的抗污染性能。此外,該方法為一些溫度敏感的生物成分(例如酶、蛋白質(zhì)和細(xì)菌)提供了一個(gè)適宜的環(huán)境,以避免它們在乳化過程中因暴露在高溫下而失活。該減阻液體門控界面乳化系統(tǒng)有望應(yīng)用于食品、日用化學(xué)品、生物醫(yī)藥、材料制備、石油化工等眾多領(lǐng)域,并有助于推動全球乳液市場的研究與發(fā)展。

該研究工作在侯旭教授的指導(dǎo)下,主要由博士生余詩潔(第一作者)完成,并得到福州大學(xué)孫浩課題組的支持。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金(52025132、21975209、21621091、22021001),國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFA0209500),高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(B16029、B17027)資助。

論文鏈接:https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2206462119
參考資料:https://chem.xmu.edu.cn/info/1274/15404.htm


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