微納米氣泡的特性及其在果蔬中的應(yīng)用

劉玉德， 吳 剛， 張 浩， 王 碩， 宋貝貝

(北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院, 北京 100048)

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微納米氣泡的特性及其在果蔬中的應(yīng)用

劉玉德， 吳 剛， 張 浩， 王 碩， 宋貝貝

(北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院, 北京 100048)

氣泡廣泛存在于自然界中，其在生產(chǎn)實際應(yīng)用中具有重要的作用。按照氣泡直徑不同可分為大氣泡、微米氣泡、微納米氣泡、納米氣泡。通過對微納米氣泡特性進(jìn)行深入分析研究，針對微納米氣泡具有粒徑小，在水中存在時間長等不同于普通氣泡的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了微納米氣泡的特殊性質(zhì)在果蔬食品方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景，并對其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期為微納米氣泡在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

微納米氣泡; 果蔬食品; 應(yīng)用

液體及固液[1]接觸面之間普遍存在大小不同的氣泡，根據(jù)氣泡直徑級別[2]不同，可分為大氣泡(直徑大于數(shù)百微米)、微米氣泡(直徑介于數(shù)十到數(shù)百微米)、微納米氣泡(直徑小于數(shù)十微米)以及納米氣泡(直徑小于0.1 μm)。本文主要針對直徑小于數(shù)十微米級別的微納米氣泡的性質(zhì)及其在食品加工以及果蔬類食品的清洗殺菌方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。根據(jù)其特有的存在時間長、氣液傳質(zhì)率高、表面電位高、氣浮效果好等性質(zhì)[3]，微納米氣泡在食品加工、果蔬清洗、環(huán)保、水產(chǎn)、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域均有重要應(yīng)用前景[4-7]。

1 微納米氣泡的特性

1.1 在水中存在時間長

根據(jù)浮力式(1)f浮=ρgv(ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；v為氣泡體積，m3)可知，在液體中，氣泡的體積越小，受到的浮力越??；直徑越大，浮力越大，在水中上升速度越快。由于微納米氣泡直徑僅為幾微米，體積較小，因此在液體中受到的浮力小上升速度緩慢。此外，水分子一直處于流動狀態(tài)，微納米氣泡在水中上升的同時，還受到水分子運(yùn)動的影響而左右運(yùn)動，呈現(xiàn)曲線上升狀態(tài)，其上升過程如圖1。根據(jù)斯托克斯法則，式(2)V=1/18×gd2/a(其中V為氣泡的上升速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；d為氣泡直徑，m；a為水中動態(tài)黏性系數(shù)，m2/s)，可得出氣泡理論上升速度與實際測量值之間的關(guān)系(以23 ℃蒸餾水為例，如圖2)。由圖2知微納米氣泡每秒鐘上升的垂直高度小于1 mm。因此，相對于大氣泡，微納米氣泡在水中存在時間更長。

圖1 微納米氣泡與普通氣泡在水中上升狀態(tài)Fig.1 Different rising states between micro -nano -bubbles and ordinary bubbles

圖2 微納米氣泡直徑與上升速度之間的關(guān)系Fig.2 Correlation between diameters and rising speed of micro -nano -bubbles

1.2 氣液傳質(zhì)率高

液體中氣體的體積及其直徑的大小決定了氣液的比表面積，以式(3)α=6H0/dB(其中H0為氣體在水中的存留率，dB為氣泡的直徑)表示。氣液的比表面積決定了氣體的傳質(zhì)速率，氣體在水中存留率H0越長，直徑越小，氣液比表面積值α越大，氣泡在液體中的傳質(zhì)速率越大。同時，根據(jù)氣液界面的表面張力理論，氣泡的直徑越小，表面張力對氣泡的影響越明顯。由于微納米氣泡直徑非常小，其表面受到表面張力的影響而不斷的收縮，使其直徑進(jìn)一步縮小，從而使氣泡內(nèi)部壓力增大，當(dāng)收縮過程達(dá)到某個極限值時，微納米氣泡內(nèi)部氣壓將趨于無限大，最終導(dǎo)致微納米氣泡溶于水或在水面破裂消失。在此過程中，即使水體中氣體溶解率達(dá)到過飽和狀態(tài)，微納米氣泡在水中具有較大的比表面積，因此仍可實現(xiàn)氣液傳質(zhì)，具有較高的傳質(zhì)效率。

1.3 氣泡表面電位高

微納米氣泡的帶電性與氣液界面水分子群的結(jié)構(gòu)有關(guān)，在氣液界面純水是由水分子以及電離生成的少量H+和OH-組成，微納米氣泡在水中形成的氣液界面具有容易接受H+和OH-的特點(diǎn)，通常陽離子比陰離子更容易離開氣液界面使界面帶有負(fù)電荷。已經(jīng)帶上電荷的表面傾向于吸附介質(zhì)中的反離子(特別是高價的反離子)，從而形成穩(wěn)定的雙電層。微納米氣泡的表面電荷產(chǎn)生的電勢差常利用ε電位來表征，ε電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當(dāng)微納米氣泡在水中收縮時，電荷離子在氣泡的界面上迅速濃縮富集，使ε電位顯著增加，到微納米氣泡破裂前在界面處形成非常高的ε電位值。研究發(fā)現(xiàn)，以氧氣為基底的微納米氣泡的ε電位一般在-45～-30 mV，而空氣微納米氣泡的ε電位在-20～-17 mV。

1.4 氣浮效果好

氣體的氣浮功能是指將氣泡通入混有其他相的液體中，利用氣泡具有的吸附性使其吸附在其他相表面，從而增大其他相在液體中的浮力，使其浮在液體表面，實現(xiàn)與液體分離的目的。因此氣泡的吸附性能越好，則氣浮效果越好，而氣泡的吸附性能取決于其直徑的大小。氣泡的直徑越小則其表面的電位越高，因此更容易吸附于液體中其他相的表面，使其與液體分離。當(dāng)向液體中通入直徑微小、密度大、均勻性好的微納米氣泡時，該種氣泡可與水中的其他相物質(zhì)充分黏附，令其他相上浮到水面，實現(xiàn)固液或液液分離。影響微納米氣泡與液體中其他相黏附的因素體現(xiàn)在兩個方面，一方面是懸浮顆粒的大小，當(dāng)顆粒的體積大但重量較輕時，氣泡容易與顆粒黏附，如果水中顆粒很細(xì)小，通常采用絮凝等方法，使其絮凝到一定程度后與微納米氣泡黏附；另一方面，氣浮效果體現(xiàn)在微納米氣泡的大小與氣泡在水中的密度方面，氣泡越小、個數(shù)越密集，黏附的絮粒也會越小，分離的效果越好。其中后者起決定性作用，因此通常將微納米氣泡的數(shù)量和體積大小作為氣浮效果的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)，即氣泡體積越小，密度越大，與懸浮顆粒的接觸機(jī)會就會增大，從而增加與顆粒的黏附概率，提高氣浮效果。

2 微納米氣泡的發(fā)生方法

目前，微納米氣泡發(fā)生裝置的生產(chǎn)已經(jīng)在中美日韓等國相繼展開。我國生產(chǎn)微納米氣泡發(fā)生裝置的公司主要有北京本洲科技有限公司、云南夏之春環(huán)?？萍加邢薰镜取Ｆ渲性颇舷闹涵h(huán)保公司的XZCP- K- 0.75型裝置原理是使水與氣體高度相溶混合，超聲波空化彌散釋放出高密度且均勻的超微米氣泡，形成云一樣“乳白色”的氣液混合體。

由于微納米氣泡發(fā)生裝置在形成氣泡的濃度、尺寸均勻性以及裝置能耗等方面與傳統(tǒng)氣泡發(fā)生裝置相比都有較大的優(yōu)勢，其制備方法得到了多數(shù)學(xué)者的廣泛關(guān)注，當(dāng)前研究微納米氣泡的發(fā)生方法有分散空氣法、電解法、醇水替換法、超聲空化法、化學(xué)反應(yīng)法、微管道法等[8-9]。

3 微納米氣泡在果蔬的生長過程及清理農(nóng)殘中的應(yīng)用

隨著人們對食物需求的增加，如何在保證果蔬類食物質(zhì)量前提下縮短其生長時間，成為科技人員研究的課題。在作物栽培領(lǐng)域研究表明，利用具有微納米氣泡的氣液混合液培植果蔬類作物，根莖葉的生長時間明顯縮短，農(nóng)作物質(zhì)量也有所提升，這表明，微納米氣泡可以有效促進(jìn)果蔬類作物的生長。

此外，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植過程中，往往會多次使用大量農(nóng)藥進(jìn)行除蟲，而當(dāng)前施用于農(nóng)作物的農(nóng)藥，大部分留在植物莖葉表面，另一部則分散落在土壤、大氣等環(huán)境中，農(nóng)藥隨著雨水進(jìn)入地下水。當(dāng)利用未被處理的地下水灌溉時，水中以及殘留在土壤中的少量農(nóng)藥又會被植物吸收。農(nóng)藥進(jìn)入糧食、蔬菜、水果、魚、蝦、肉、蛋、奶中，造成食物污染，危害人的健康。長期食用農(nóng)藥殘留超標(biāo)的農(nóng)副產(chǎn)品，雖然不會導(dǎo)致急性中毒，但可能在人體內(nèi)積累，引起人和動物的慢性中毒，導(dǎo)致疾病的發(fā)生，甚至影響到下一代。因此，如何對農(nóng)殘進(jìn)行處理是重要的研究課題。根據(jù)微納米氣泡在水中存在時間長、傳質(zhì)效率高等的特點(diǎn)，可用于去除農(nóng)殘。另外，微納米氣泡在水處理方面也有較好的作用。

3.1 在處理灌溉水源中的應(yīng)用

目前，由于水體的富營養(yǎng)化導(dǎo)致了江河湖以及地下水等水域的污染越來越嚴(yán)重，而水體富營養(yǎng)化是因為多種微生物在分解水中的有機(jī)物時消耗掉水中大量的氧氣，導(dǎo)致水體供氧不足，水質(zhì)變差，最終對水體造成嚴(yán)重污染，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞[10-18]。其中地下水作為農(nóng)作物灌溉的主要水源，保證地下水資源的清潔對于農(nóng)作物的生長具有重要意義。針對地下水污染的治理，由于條件的限制，傳統(tǒng)的污水處理方法很難起到作用，利用微納米氣泡技術(shù)可以大范圍高效率地處理受到污染的地下水，利用其較強(qiáng)的吸附性能可以吸附在微小雜質(zhì)的表面，從而將水中微小的雜質(zhì)除掉；同時通入以氧氣為基底的微納米氣泡，當(dāng)其溶于水后，氣泡內(nèi)的氧氣也會溶于水中，可以有效增加水體中的含氧量，改善受到污染的水體，保證灌溉水源的清潔。以龐志研等[19]研究的白云湖水利工程為例，該工程主要包括4.7 km的引水渠道和1.05 km2的湖面，湖區(qū)占地總面積為2.07 km2。前期調(diào)查顯示，由于采取了人工曝氣方式，利用微氣泡發(fā)生技術(shù)提高了水體的溶解氧含量。因此，將微納米氣泡增氧技術(shù)運(yùn)用于改善地下水的水況，效果顯著，亦能保證灌溉水源的清潔。

3.2 在果蔬生長過程中的應(yīng)用

微納米氣泡在果蔬生長過程中的應(yīng)用主要在于促進(jìn)生物活性方面。微納米氣泡在果蔬類植物生長過程中可提高葉片光合作用的能力，延緩植物根莖以及葉片的衰老現(xiàn)象，使果實更加飽滿結(jié)實；同時，微納米氣泡在促進(jìn)根系的發(fā)育以及對養(yǎng)分的吸收等方面也有促進(jìn)作用，能使植物莖葉繁茂，增加干物質(zhì)的積累[20-24]。該研究主要應(yīng)用于微納米氣泡增氧灌溉方面，在通入以氧氣為基底的微納米氣泡混合液情況下，可使土壤中的氧氣含量增加。微納米氣泡可以促進(jìn)微生物的活性使種子提前萌發(fā)，縮短植物葉菜的發(fā)芽周期。才碩[25]在微納米氣泡技術(shù)對雙季節(jié)水稻的需水量以及產(chǎn)量的研究發(fā)現(xiàn)，利用以氧氣為基底的微納米氣泡溶液培植雙季節(jié)水稻與通過普通方法培植的雙季節(jié)水稻相比，其有效麥穗數(shù)以及結(jié)實率有明顯的提高，對水稻的產(chǎn)量起到明顯的促進(jìn)作用。Park等[26]研究結(jié)果也證明相同溶解氧條件下，微納米氣泡溶液培養(yǎng)的蔬菜比不含微納米氣泡溶液的蔬菜生長速度快，所以微納米氣泡可在細(xì)胞生理活動中發(fā)揮促進(jìn)作用。

3.3 在果蔬清洗中的應(yīng)用

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[27]，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余農(nóng)作物的接觸時間，而微納米氣泡產(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[28-33]。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，其氧化性質(zhì)會被加強(qiáng)，可在果蔬清洗農(nóng)殘過程中有更加明顯的效果。繩以健等[34]通過單一變量法，分別用以臭氧為基底的微納米氣泡溶液和普通水對果蔬進(jìn)行清洗，結(jié)果表明，普通水洗對農(nóng)殘的去除率為44.7%，而利用以臭氧為基底的微納米氣泡對果蔬進(jìn)行清洗后，農(nóng)殘去除率為90.7%。因此，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。

4 展 望

當(dāng)前微納米氣泡在種植及食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，本課題中微納米氣泡對污染過的地下水的修復(fù)僅僅是其初步應(yīng)用，將來可以利用微納米氣泡增氧灌溉的方式種植水稻，相關(guān)研究已經(jīng)表明這樣有利于水稻的生長并提高水稻產(chǎn)量。隨著人們對微納米氣泡研究的深入，其應(yīng)用必將越來越廣泛。另外，由于微納米氣泡具有不同于普通氣泡的性質(zhì)，其應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣闊。

在液體食品冷凍方面，超聲冷凍的目的是為了保證冷凍產(chǎn)品在解凍后最大限度地保證產(chǎn)品原來的口味[35]。其特點(diǎn)可以使冷凍產(chǎn)品的冰晶數(shù)目變多，粒徑變小，并且分布更加均勻，而冰晶的密度及其粒徑的大小與食品解凍后的口味有密切關(guān)系。粒徑越小，解凍后保留原有的口味程度越好，當(dāng)液體食品內(nèi)部有微納米級氣泡時，可以在超聲波的作用下激發(fā)冰晶成核，縮短結(jié)晶時間，增加冰晶數(shù)量，最大限度地保持產(chǎn)品原有的形態(tài)和品質(zhì)，達(dá)到迅速冷藏目的。

此外，還可以利用微納米氣泡技術(shù)提高供氧效率從而提高飼料的發(fā)酵效率；在醫(yī)學(xué)方面，利用氧氣微納米氣泡可以在給機(jī)體供氧的同時將藥物直接送達(dá)病變部位，從而實現(xiàn)對病變部位直接治療，減少手術(shù)的次數(shù)，使機(jī)體快速康復(fù)；微納米氣泡的快速增氧技術(shù)還可以應(yīng)用于漁業(yè)，有助于實現(xiàn)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖。隨著科技的發(fā)展，微納米氣泡制備技術(shù)水平也將會越來越高，制備成本會隨之下降。

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(責(zé)任編輯：檀彩蓮)

Characteristics of Micro -Nano -Bubble and Its Application in Fruits and Vegetables

LIU Yude, WU Gang, ZHANG Hao, WANG Shuo, SONG Beibei

(SchoolofMaterialsScienceandMechanicalEngineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100048,China)

Bubbles are widely existed in nature with its irreplaceable roles in the practical application and a large number of experimental researches have been conducted. Depending on the different diameters of bubbles, bubbles were divided into large bubbles, micro -bubbles, micro -nano -bubbles, nano -bubbles. In this study, the properties of micro -nano -bubbles were introduced base on the characteristics of small volume and longer residence time in water. The application and development prospects of the micro -nano -bubbles in fruits and vegetables were discussed and their applications in other fields were also suggested.

micro -nano -bubbles； fruit and vegetable food； application

10.3969/j.issn.2095 -6002.2017.03.013

2095 -6002(2017)03 -0083 -06

劉玉德，吳剛，張浩， 等. 微納米氣泡的特性及其在果蔬中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2017,35(3):83-88.

LIU Yude, WU Gang, ZHANG Hao, et al. Characteristics of micro -nano -bubble and its application in fruits and vegetables[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(3):83-88.

2016 -10 -11

劉玉德，男，教授，博士，主要從事輕工、食品機(jī)械方面的研究。

TS201.6; X506

A