微納米氣泡的特性及其在果蔬中的應用

劉玉德， 吳 剛， 張 浩， 王 碩， 宋貝貝

(北京工商大學 材料與機械工程學院, 北京 100048)

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微納米氣泡的特性及其在果蔬中的應用

劉玉德， 吳 剛， 張 浩， 王 碩， 宋貝貝

(北京工商大學 材料與機械工程學院, 北京 100048)

氣泡廣泛存在于自然界中，其在生產實際應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，詳細論述了微納米氣泡的特殊性質在果蔬食品方面的應用現狀及發展前景，并對其在其他領域的應用進行了展望，以期為微納米氣泡在更多領域中的應用提供參考。

微納米氣泡; 果蔬食品; 應用

液體及固液[1]接觸面之間普遍存在大小不同的氣泡，根據氣泡直徑級別[2]不同，可分為大氣泡(直徑大于數百微米)、微米氣泡(直徑介于數十到數百微米)、微納米氣泡(直徑小于數十微米)以及納米氣泡(直徑小于0.1 μm)。本文主要針對直徑小于數十微米級別的微納米氣泡的性質及其在食品加工以及果蔬類食品的清洗殺菌方面的應用進行研究。根據其特有的存在時間長、氣液傳質率高、表面電位高、氣浮效果好等性質[3]，微納米氣泡在食品加工、果蔬清洗、環保、水產、農業等多個領域均有重要應用前景[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，微納米氣泡在水中上升的同時，還受到水分子運動的影響而左右運動，呈現曲線上升狀態，其上升過程如圖1。根據斯托克斯法則，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為水中動態黏性系數，m2/s)，可得出氣泡理論上升速度與實際測量值之間的關系(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系Fig.2 Correlation between diameters and rising speed of micro -nano -bubbles

1.2 氣液傳質率高

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速率越大。同時，根據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，使其直徑進一步縮小，從而使氣泡內部壓力增大，當收縮過程達到某個極限值時，微納米氣泡內部氣壓將趨于無限大，最終導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到過飽和狀態，微納米氣泡在水中具有較大的比表面積，因此仍可實現氣液傳質，具有較高的傳質效率。

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構有關，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，通常陽離子比陰離子更容易離開氣液界面使界面帶有負電荷。已經帶上電荷的表面傾向于吸附介質中的反離子(特別是高價的反離子)，從而形成穩定的雙電層。微納米氣泡的表面電荷產生的電勢差常利用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。研究發現，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充分黏附，令其他相上浮到水面，實現固液或液液分離。影響微納米氣泡與液體中其他相黏附的因素體現在兩個方面，一方面是懸浮顆粒的大小，當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量和體積大小作為氣浮效果的一個衡量標準，即氣泡體積越小，密度越大，與懸浮顆粒的接觸機會就會增大，從而增加與顆粒的黏附概率，提高氣浮效果。

2 微納米氣泡的發生方法

目前，微納米氣泡發生裝置的生產已經在中美日韓等國相繼展開。我國生產微納米氣泡發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?？萍加邢薰镜?。其中云南夏之春環保公司的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氣泡發生裝置相比都有較大的優勢，其制備方法得到了多數學者的廣泛關注，當前研究微納米氣泡的發生方法有分散空氣法、電解法、醇水替換法、超聲空化法、化學反應法、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殘中的應用

隨著人們對食物需求的增加，如何在保證果蔬類食物質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，農作物質量也有所提升，這表明，微納米氣泡可以有效促進果蔬類作物的生長。

此外，在農業生產種植過程中，往往會多次使用大量農藥進行除蟲，而當前施用于農作物的農藥，大部分留在植物莖葉表面，另一部則分散落在土壤、大氣等環境中，農藥隨著雨水進入地下水。當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藥又會被植物吸收。農藥進入糧食、蔬菜、水果、魚、蝦、肉、蛋、奶中，造成食物污染，危害人的健康。長期食用農藥殘留超標的農副產品，雖然不會導致急性中毒，但可能在人體內積累，引起人和動物的慢性中毒，導致疾病的發生，甚至影響到下一代。因此，如何對農殘進行處理是重要的研究課題。根據微納米氣泡在水中存在時間長、傳質效率高等的特點，可用于去除農殘。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用

目前，由于水體的富營養化導致了江河湖以及地下水等水域的污染越來越嚴重，而水體富營養化是因為多種微生物在分解水中的有機物時消耗掉水中大量的氧氣，導致水體供氧不足，水質變差，最終對水體造成嚴重污染，生態系統遭到嚴重破壞[10-18]。其中地下水作為農作物灌溉的主要水源，保證地下水資源的清潔對于農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，傳統的污水處理方法很難起到作用，利用微納米氣泡技術可以大范圍高效率地處理受到污染的地下水，利用其較強的吸附性能可以吸附在微小雜質的表面，從而將水中微小的雜質除掉；同時通入以氧氣為基底的微納米氣泡，當其溶于水后，氣泡內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，湖區占地總面積為2.07 km2。前期調查顯示，由于采取了人工曝氣方式，利用微氣泡發生技術提高了水體的溶解氧含量。因此，將微納米氣泡增氧技術運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用

微納米氣泡在果蔬生長過程中的應用主要在于促進生物活性方面。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象，使果實更加飽滿結實；同時，微納米氣泡在促進根系的發育以及對養分的吸收等方面也有促進作用，能使植物莖葉繁茂，增加干物質的積累[20-24]。該研究主要應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微生物的活性使種子提前萌發，縮短植物葉菜的發芽周期。才碩[25]在微納米氣泡技術對雙季節水稻的需水量以及產量的研究發現，利用以氧氣為基底的微納米氣泡溶液培植雙季節水稻與通過普通方法培植的雙季節水稻相比，其有效麥穗數以及結實率有明顯的提高，對水稻的產量起到明顯的促進作用。Park等[26]研究結果也證明相同溶解氧條件下，微納米氣泡溶液培養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胞生理活動中發揮促進作用。

3.3 在果蔬清洗中的應用

果蔬表面的農藥殘留一般為農藥原體、有毒代謝物、降解物和雜質等，臭氧雖無法將有機物徹底分解[27]，但以臭氧為基底的微納米氣泡在破裂的瞬間可激發產生大量的羥基自由基，增強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作物的接觸時間，而微納米氣泡產生的量大且比表面大，使其在微生物分解有機物方面有積極的促進作用，可有效降解殘留的農藥[28-33]。因此臭氧作為一種強氧化劑，當微納米氣泡在水中消失時，產生大量的羥基自由基，臭氧在羥基自由基的作用下，其氧化性質會被加強，可在果蔬清洗農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行清洗，結果表明，普通水洗對農殘的去除率為44.7%，而利用以臭氧為基底的微納米氣泡對果蔬進行清洗后，農殘去除率為90.7%。因此，利用微納米氣泡技術對果蔬進行清洗可以在很大程度上減少農殘的殘余量。

4 展 望

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

在液體食品冷凍方面，超聲冷凍的目的是為了保證冷凍產品在解凍后最大限度地保證產品原來的口味[35]。其特點可以使冷凍產品的冰晶數目變多，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系。粒徑越小，解凍后保留原有的口味程度越好，當液體食品內部有微納米級氣泡時，可以在超聲波的作用下激發冰晶成核，縮短結晶時間，增加冰晶數量，最大限度地保持產品原有的形態和品質，達到迅速冷藏目的。

此外，還可以利用微納米氣泡技術提高供氧效率從而提高飼料的發酵效率；在醫學方面，利用氧氣微納米氣泡可以在給機體供氧的同時將藥物直接送達病變部位，從而實現對病變部位直接治療，減少手術的次數，使機體快速康復；微納米氣泡的快速增氧技術還可以應用于漁業，有助于實現工業化水產養殖。隨著科技的發展，微納米氣泡制備技術水平也將會越來越高，制備成本會隨之下降。

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(責任編輯：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

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2016 -10 -11

劉玉德，男，教授，博士，主要從事輕工、食品機械方面的研究。

TS201.6; X506

A