摘要：電流體動力學加工技術作為一種新型非熱加工技術，逐步應用于食品科學技術領域，助力未來食品工業(yè)發(fā)展。本文對電流體動力學加工技術的工作原理、分類及影響因素，用于食品加工的生物分子原料以及該技術在食品加工中的應用進行詳細闡述，同時總結并展望未來該技術在食品領域的發(fā)展。電流體動力學加工技術由靜電紡絲和靜電噴霧技術所組成，該技術可生產功能復雜的微米/納米級纖維體或微粒，用于食品功能成分的微膠囊包埋、固定化酶、生物傳感器與食品活性包裝開發(fā)、食品3D打印輔助技術等開發(fā)。未來研究可以圍繞提升纖維體/微粒產量，減少溶劑毒性殘留，該技術與食品3D打印融合等方面，助力未來食品工業(yè)發(fā)展。

　　關鍵詞：電流體動力學加工技術，非熱加工，微米/納米，3D 打印，未來食品近年來，

　　隨著新興領域多學科的發(fā)展，納米科技推動新型功能食品和包裝材料的開發(fā)，同時它也助推電流體動力學加工技術的發(fā)展。電流體動力學作為多相流體力學、電動力學以及微流動學等的交叉學，它離不開電場與帶電流體之間的相互作用，根據相互作用的差別，該技術還可再細分為靜電紡絲和靜電噴霧技術。靜電紡絲和靜電噴霧技術互為“姊妹”，通過電壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)高溫加熱，富集或包埋形成微米/納米級纖維或微粒體。同時兩種技術也存在差異，靜電紡絲技術對纖維組成、取向及結構進行定制化“雕刻”，富集并形成超微纖維。靜電噴霧技術則將聚集纖維的高分子聚合物溶液進一步干燥、包埋，構建微米/納米級微膠囊。

　　目前電流體動力學加工技術廣泛應用于組織工程、儲能轉換、食品包裝、藥物輸送及釋放，以及催化劑、傳感器、過濾材料等各個領域。在食品領域，該技術可成功應用于功能性食品活性成分包埋，圍繞包埋特性，可進一步應用于食品包裝、固定化酶、生物傳感器、3D打印輔助設備等研發(fā)。國內外對電流體動力學加工技術在食品中的應用已有初步闡述，目前在食品領域，靜電紡絲技術開發(fā)呈現(xiàn)多元化，而對于靜電噴霧技術的定制化開發(fā)仍具有提升空間。

　　目前，關于電流體動力學加工技術中靜電紡絲技術與靜電噴霧技術有哪些異同點、優(yōu)缺點，它如何應用于食品加工領域等仍然缺乏系統(tǒng)性的深入剖析和梳理，因此本文系統(tǒng)闡述電流體動力學加工技術及分類，并深入探討靜電紡絲技術與靜電噴霧技術的異同點及優(yōu)缺點，整理該技術在食品工業(yè)領域的研究動態(tài)，從而為電流體動力學加工技術適應現(xiàn)代食品工業(yè)提供理論參考。
 

　　1 電流體動力學加工技術
 

　　電流體動力學加工技術分為靜電紡絲和靜電噴霧技術，它能夠生產功能復雜的微米/納米級纖維體或微粒，所需成本較低。靜電紡絲技術采用高電壓使高分子聚合物液滴表面帶電荷，通過噴絲頭將帶電液滴噴出。靜電紡絲技術所采用的噴絲頭相對固定，通過對噴絲頭噴出的帶電流體牽拉伸長，使聚合物鏈纏結，從而生產納米/微米級纖維。靜電噴霧技術通過高電壓使帶電流體加速，從噴絲頭噴出后，瞬間將形成/未形成泰勒錐的帶電流體分解為微小液滴，由于微小液滴自重力作用，將在接收器表面進一步形成噴霧，達到納米/微米級包埋。
 

　　1.1 靜電紡絲技術

　　在20世紀30～40年代，靜電紡絲技術首次在美國以專利形式問世。該技術通過高電場電壓，可對高分子纖維進行有效“雕刻”，使纖維直徑達到微米/納米級別，可達傳統(tǒng)熔紡技術生產纖維直徑的10−4～10-2，多樣化纖維（不同尺寸和形狀）通過選擇并優(yōu)化高分子聚合物溶液、改進加工條件獲得，總之該技術通過“電紡”，可以將功能性纖維富集，同時還可根據需要，靈活、高效制備微米/納米級纖維，起到美化“編織物”，增強纖維功能與營養(yǎng)特性。

　　一般靜電紡絲設備由3個重要組成部分：噴絲頭（流量泵、注射器及針頭）、金屬收集器和高壓電源（1～30kV）（圖1）。由圖1所示，高分子聚合物溶液通過配有單一流量泵的噴絲頭噴出，高電壓電場使之帶電，當帶電高分子聚合物液滴的噴絲頭的靜電力超過表面張力時，帶電液滴呈現(xiàn)泰勒錐結構；當噴絲頭電壓繼續(xù)增加，帶電液滴會在原基礎上被接收器端低電位電壓吸引而變形并拉長錐型；當帶電液滴錐型與水平角度達到33.5°時，逐漸呈現(xiàn)牛頓力學流體特性，形成超細纖維形態(tài)；當帶電液滴電壓增加到臨界值，高分子聚合物溶液靜電斥力將超過表面張力等作用，進一步拉長錐型，最終促使它與噴絲頭分離；如果帶電液滴溶液濃度低、未形成泰勒錐，或分離泰勒錐后的帶電液滴只能隨之自由落體，后續(xù)可采用靜電噴霧法處理（圖2）。當噴絲頭設備通電，帶電高分子聚合物分子液滴形成“流動”狀態(tài)，通過剪切、蒸發(fā)、沉降作用富集纖維至接收器，靜電紡絲技術獲得纖維的尺寸受高分子聚合物溶液黏度、界面張力、分子質量、電導率、進料速率、噴絲頭與接收器距離、電壓、空氣濕度、氣流速率、溫度等條件影響，另外高分子聚合物溶液分子結構、帶電情況和流變學特征也顯著影響纖維結構。

　　如果需要實現(xiàn)富集纖維的多元化、定制化構型，需要對現(xiàn)有靜電紡絲設備進行“變體改良”。根據纖維組成，“變體型”靜電紡絲可分為混合靜電紡絲、同軸靜電紡絲、乳液靜電紡絲和邊緣型靜電紡絲；根據纖維取向，可細分為旋轉芯軸靜電紡絲、間隙靜電紡絲、磁靜電紡絲、移動噴絲頭型靜電紡絲；根據“被雕刻”纖維結構，還可以分為多噴絲頭靜電紡絲、圖案型靜電紡絲及3D型靜電紡絲（圖3）。

圖3 靜電紡絲技術變體流程圖
 

　　注：（a）在線混合型；（b）雙組分型；（c）同軸型；（d）乳液型；（e）邊緣型；（f）旋轉芯軸型；（g）間隙靜電紡絲；（h）磁靜電型；（i）移動噴絲頭型；（j）多噴絲頭型；（k）圖案型；（l）3D型靜電紡絲。

　　靜電紡絲技術優(yōu)缺點總結如下：優(yōu)點：該技術操作簡單、成本較低；富集纖維具有較高的比表面積、疏松多孔結構，它可對疏水性、親水性化合物直接包埋，且包埋效率較高；富集纖維機械性能較好；有助于提升生物活性物質的穩(wěn)定性，更好保留其功能特性；有助于纖維富集過程中的改性與緩釋釋放等。缺點：纖維生產量較低，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產；納米纖維從高聚物溶液富集仍然面臨技術、安全性挑戰(zhàn)。
 

　　1.2 靜電噴霧技術

　　靜電噴霧技術和靜電紡絲技術同樣是利用電場對液滴的作用而設計，可以進行“變體”改良。其工作效率也會受高分子聚合物溶液、儀器及環(huán)境等因素影響，早在1952年，Vonnegut等利用電場電壓，通過電霧化的形式獲取微粒，該技術利用高電壓作用使液滴霧化產生靜電力，通過溶劑蒸發(fā)，使液滴下降時的方向與接地電極相一致，當通入5～10kV的電源，高度電離化的液滴流（0.1mm內徑）被進一步濃縮、蒸發(fā)、包埋并而形成微米或納米級微粒。

　　靜電紡絲技術與靜電噴霧技術的差異點主要與高分子聚合物溶液濃度、溶液內部分子間纏結等有關，如果高分子聚合物溶液分子間交聯(lián)強、溶液濃度較高，可直接富集微米或納米級纖維，可直接采用靜電紡絲技術；然而，如果高分子聚合物溶液濃度較低、分子交聯(lián)弱，需要采用靜電噴霧技術將顆粒流溶液進一步揮干，形成有效包埋，獲得微米或納米級微膠囊。

　　靜電噴霧技術工作流程如圖4所示。它使注射器頂端的高分子聚合物溶液瞬間帶電，然后在高壓作用下，使該溶液有效霧化、迅速剪切、濃縮蒸發(fā)、包埋而獲得微米或納米級微粒，工作流程分為以下3步：a.高分子聚合物溶液在高壓電場作用下瞬間加速，液滴泰勒錐逐漸形成（或未形成）并與噴絲頭分離；b.高分子聚合物溶液液滴瞬間裂解為微型液滴；c.微型液滴在收集器表面采用噴霧形式獲得微米/納米級包埋體。靜電噴霧設備的“變體改良”形式主要有同軸靜電噴霧和乳液靜電噴霧等。

　　靜電噴霧技術優(yōu)缺點總結如下。優(yōu)點：有效利用帶電液滴自分散特點，避免液滴間聚合；能夠有效包埋、生產微米/納米級微膠囊顆粒；操作簡易、性價比高；溶劑使用量相對較少、避免使用更多表面活性劑、溶劑殘留量較少，能夠應用于農業(yè)食品領域。缺點主要是微米/納米顆粒獲得量較少，偶爾需要使用交聯(lián)試劑，會面臨食品安全挑戰(zhàn)。
 

　　1.3 影響電流體動力學加工技術效果的重要因素

　　通過電流體動力學加工技術富集纖維或包埋微粒效率很大程度上受高分子聚合物溶液特性、加工與環(huán)境條件的影響。高分子聚合物溶液特性包括高分子聚合物溶液種類、黏度、分子質量、表面張力、極性等；加工條件包括溶液電導率、流速、施加電壓、噴絲頭-接收器距離等，環(huán)境條件包括溫度和濕度。

　　高分子聚合物溶液的黏度受濃度、分子質量、結構、構象及溶液類型等因素影響。它顯著影響電流體動力學加工的纖維體/微膠囊直徑。如果黏度高，低表面張力有助于穩(wěn)定靜電紡絲纖維體的形成，增加“電紡”纖維直徑；而黏度低、高表面張力有助于靜電噴霧微膠囊的形成，通過調節(jié)溶液酸堿性、表面活性劑含量等，改變界面張力，從而有利于“電紡”和“電噴”有效切換。

　　如果高分子聚合物溶液不導電，就不能采用靜電紡絲和靜電噴霧技術處理。如果在高分子聚合物溶液體系適當加入極性溶液（如水、乙醇、甲酸、乙酸、異丙醇、二甲基亞砜、丙酮）或非極性溶液（氯仿、乙酸乙酯），溶液電導率會影響“電紡”和“電噴”產物的微觀結構變化，適當提升溶液電導率，有助于縮小電流體加工產品的直徑。

　　高分子聚合物流量泵流速對噴絲頭注射速率、高分子聚合物溶液泵出速率及有效含量等都會有一定影響。噴絲頭-接收器距離（一般為5～15cm），距離增加伴隨著電壓升高，適當增加距離有助于縮小電流體加工產物內徑，而距離不足可能導致溶劑部分蒸發(fā)，影響高分子聚合物的漂浮時間，對電流體加工產物有負面影響。

　　另外，環(huán)境條件中的溫度、濕度也會影響電流體動力學加工產品的加工效果，需要根據電流體動力學加工所得產物的特性，優(yōu)化溫濕度條件，在操作時維持恒溫、恒濕狀態(tài)。
 

　　2 用于食品加工的生物分子原料
 

　　電流體動力學加工技術所用食品加工的生物分子原料主要有3種類型：多糖、蛋白及其他類功能因子。

　　多糖由重復的單糖組成（糖苷鍵相連），多糖原料來源較為豐富、提純成本較低、并具有化學多樣性和生物活性，常用于食品電流體動力學加工。纖維提取、富集及包埋溶液對于多糖的選擇需要根據多糖分子質量、功能基團、帶電及改性難易程度而有所差異，當然為避免或延緩多糖溶液剪切變稀，還需要再添加助紡劑，如聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷、支鏈淀粉等。比較常見的多糖有黃原膠、海藻酸鈉、淀粉、環(huán)糊精、普魯蘭多糖、葡聚糖、改性纖維素、殼聚糖等。這些多糖應用于食品電流體動力學加工技術時需要酸度調節(jié)劑及其他“助紡因子”參與，如甲酸、乳酸、三氟乙酸、二甲亞砜、二甲基乙酰胺、甲酰胺、丙酮、戊二醛、二氯甲烷、甘油、乙醇、Na2CO3等。

　　蛋白由特定的氨基酸序列的多肽組成（肽鍵相連），其特殊的空間結構及生物學功能受外界因素的影響而發(fā)生變化，常用于食品電流體動力學加工技術所用的蛋白質有玉米朊（Zein）、面筋蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白、明膠等。蛋白質類原料可能由于自身表面張力較高，難以在“電紡”過程中形成穩(wěn)定泰勒錐，另外其分子質量較低，“電紡”過程會受到紡絲纏繞較為困難、溶液帶電能力有限等因素影響，因此也需要根據“電紡”與“電噴”需要，及時加入高分子聚合物溶液中有機溶劑（如三氟乙醇）、蛋白變性劑（如β-巰基乙醇和二硫蘇糖醇）、表面活性劑等其他“助紡劑”，通過調節(jié)pH、輔助加熱等對蛋白質進行改性，穩(wěn)定高聚物溶液特性。

　　其他類功能因子，如類黃酮、羥基肉桂酸、花色素和類胡蘿卜素等，具有抗氧化、抗炎癥、抗菌性和抗癌等功能，然而這類功能因子易于氧化、降解等，引起食品變色、產生不良風味。因此需要通過蛋白質、多糖混合的高分子聚合物溶液，并結合“電紡”“電噴”，實現(xiàn)最大限度地維系其功能特性。
 

　　3 電流體動力學加工技術在食品加工中的應用
 

　　靜電紡絲技術能夠將高聚物溶液通過高電壓電場，加強食品中多樣化纖維紡絲定向纏繞、混合，形成微米/納米級纖維體，它可根據需要對纖維體靈活“改造”；靜電噴霧技術則通過高電壓電場作用，濃縮、蒸發(fā)高分子聚合物溶液中溶劑，使壁材-芯材形成良好包埋，生產出微米/納米級微膠囊顆粒。由于電流體動力學加工技術的核心是生產微米或納米級纖維體或微膠囊顆粒，在食品中除了像傳統(tǒng)紡織一樣“修飾”食品，提升感官沖擊力度；還可以通過“電噴”方式構建食品微膠囊，它可有效保護食品中的功能因子特性，有效保障食品中的功能因子的緩釋釋放，生產出高品質食品。它主要應用于食品功能因子微膠囊包埋、固定化酶、生物傳感器與食品活性包裝開發(fā)、食品3D打印輔助技術，并適用于未來食品加工。
 

　　3.1 食品功能因子微膠囊包埋

　　微膠囊包埋技術對于活性功能因子的保護和運載發(fā)揮了重要功能。它將食品中活性成分（如抗氧化劑、必需氨基酸、維生素、益生菌等）包埋到壁材（如糖類、蛋白質、脂類）中，微膠囊包埋不僅提升了食品功能因子的穩(wěn)定性、生物可利用度、緩釋釋放的精準性，同時可避免該類物質氧化、降解，產生不良氣味。

　　通過噴霧干燥、冷凍干燥、乳化、凝聚法、納米沉淀法等可以實現(xiàn)食品功能因子的微膠囊包埋。當然上述方法工藝流程相對復雜，對被包埋物（芯材）有一定要求，生產出的食品微膠囊不能達到微米/納米級。而電流體動力學加工技術能夠在常溫操作，很好地實現(xiàn)微米/納米級微膠囊包埋。例如，采用靜電紡絲技術，可將高分子聚合物溶液（蛋清:聚環(huán)氧乙烷=1:0.3）制備為纖維體，通過靜電噴霧技術，可將40%乳清蛋白作為壁材，其他生物活性物質作為芯材進行微膠囊包埋，微米級微膠囊尺寸為1724±524nm，亞微米級為336.6±218.8nm，納米級（Nano）為83.1±11.5nm（圖5）。除了多糖作為電流體動力學加工的壁材，該技術還可以利用更多天然膠體（如大豆蛋白、膠原、明膠、谷朊粉、酪蛋白）溶液作為纖維富集液或壁材，富集功能性纖維或包埋食品功能活性物質（如益生菌、β-胡蘿卜素、槲皮素、阿魏酸、葉酸），劉凱龍等認為，通過電流體微膠囊包埋，在整體反應條件溫和的前提下，成功實現(xiàn)納米/微米級微膠囊包埋乳雙歧桿菌、嗜酸乳酸桿菌、植物乳桿菌、嬰兒雙歧桿菌等益生菌，為后續(xù)開發(fā)高活性、高活菌數量益生菌制劑提供一種可行的途徑。電流體動力學加工技術通過生物兼容、可降解、食品級高分子聚合物溶液，從而富集功能性纖維，并有效包埋、穩(wěn)定熱敏性食品功能因子。

　　注：a 中高分子聚合物溶液由蛋清:聚環(huán)氧乙烷=1:0.3組成；b 中高分子聚合物由蛋清:聚環(huán)氧乙烷=1:0.3組成。
 

　　3.2 固定化酶的開發(fā)

　　酶是具有高效、特異性的天然催化劑，然而單獨使用成本較高、難回收、對熱和pH敏感、酶活性容易失活，很難進行商業(yè)化應用。固定化酶技術應運而生。該技術將酶固定在特定位置，在增強其穩(wěn)定性的同時，高效發(fā)揮其催化能力?？傮w而言，靜電噴霧技術在酶的固定化方面開發(fā)得比較少，同軸靜電紡絲和多噴絲頭靜電紡絲技術更多用于酶的包埋，它能夠將酶物理/共價吸附、富集到納米纖維表面，并形成疏松多孔的超微結構，發(fā)揮固定化酶的催化能力。例如，Coelho等采用該技術結合聚乙烯醇/聚丙烯酸納米纖維能夠有效固定α-淀粉酶的酶活能達到90%。Jaworek采用該技術將Candida rugosa中的脂肪酶通過海藻酸鈉溶液固定，其中固定化酶效率達到98.2%～99.2%，酶活力最高可達752IU/g，達到非固定化酶活力的75%。
 

　　3.3 生物傳感器的開發(fā)

　　生物傳感器通過生物來源傳感元件（如酶、微生物、免疫系統(tǒng)、組織、器官、細胞）識別，選擇性定量或半定量特殊化學物質（如尿素、細菌、氣體、乙醇、葡萄糖、抗原），通過響應信號轉化實現(xiàn)快速、無損、低成本、批量檢測，廣泛應用于食品物理、化學及生物反應檢測，電流體動力學加工技術將特殊的生物傳感元件固定在納米纖維上，從而開發(fā)生物傳感器。例如，Neo等采用該技術將葡萄糖氧化酶固定到金電極表面，從而形成電流響應的酶傳感器，該電極能夠快速對0.5mmol/L葡萄糖響應，實時、在線監(jiān)測食品發(fā)酵情況。Marx等采用該技術將果糖脫氫酶與戊二醛交聯(lián)、固定于金納米纖維，形成酶傳感器，該傳感器響應靈敏、精確性較好。
 

　　3.4 食品活性包裝（涂膜）

　　食品活性包裝，是將活性成分與包裝材料融為一體的技術。該技術與傳統(tǒng)包裝相比，活性成分的釋放有助于進一步延長包裝食品貨架期、維持其品質與安全特性。近年來，天然高分子聚合物的活性食品包裝材料逐漸成為研發(fā)的重點。電流體動力學加工技術可通過改進原始包裝結構與功能，靜電噴霧技術可將生物活性成分富集至纖維體中，以天然高分子聚合物作為壁材（基材），活性物質作為芯材，通過微膠囊包埋，有機融合原始包裝材料，從而開發(fā)食品活性包裝（涂膜），靜電紡絲技術則富集生物活性功能纖維，可直接附著在食品表面形成活性涂膜（表1）。從表1可以看出，電流體動力學加工技術可有效富集高分子聚合物溶液纖維，有效對生物活性成分進行微膠囊包埋，通過與食品包裝融合，從而賦予食品包裝更多功能特性（如抗氧化、抗菌、護色、防水等）。

　　3.5　食品3D打印輔助技術

　　電流體動力學加工技術加工所用的原材料取材廣泛，能夠進一步用于融化物、乳液等高分子聚合物溶液加工，可與納米材料生產有機融合，生產納米/微米級纖維及微膠囊。如果將現(xiàn)有靜電紡絲噴絲頭與食品3D打印機“無縫鏈接”，有助于高效、定制化生產可復制、高品質3D打印食品，助力未來食品3D打印技術發(fā)展。

　　靜電紡絲技術可富集、生產出微米/納米級纖維，靈活“修飾”3D打印食品，改善食品外觀。靜電噴霧技術可實現(xiàn)食品功能性成分及不易進行3D打印的食品原料（如肌肉纖維、活細胞、益生菌）微米/納米級微膠囊包埋，如果該技術與食品3D打印融合，可另辟蹊徑打印部分“不可打印”3D食品原料，進一步改善3D打印食品原料營養(yǎng)單一，長期食用可引發(fā)慢病風險的情況。

　　電流體動力學加工技術生物制備所用的打印“墨汁”為聚己內酯、聚乳酸、聚環(huán)氧乙烷和絲素蛋白等。聚己內酯作為其中一種生物可降解、低熔點（59～64℃）、溶解性好、使用簡便的合成聚酯，能夠廣泛應用于熔融沉積成型和選擇性激光燒結型食品3D打印系統(tǒng)，將電流體動力學加工技術（靜電紡絲）與3D打印相結合，容易生產出3D打印所需的食用“墨汁”，起到“雕刻”3D打印食品的作用。例如，該技術生產出的聚己內酯/玉米朊食用“墨汁”具有較好的楊氏模量、應力、細胞生物兼容性和可降解性，目前國內外關于該技術與3D打印融合方面的研究在組織工程學已經有所涉及，而在食品領域的研究仍然比較少，后續(xù)研究可考慮靜電噴霧技術與食品3D打印融合方向，提升3D打印食品營養(yǎng)，拓展該技術在食品領域的應用。
 

　　4 結論與展望
 

　　靜電紡絲和靜電噴霧技術如“左膀右臂”，共同組成電流體動力學加工技術。該技術屬于非熱加工技術，可用于包埋食品功能因子（形成微膠囊）、固定化酶及生物傳感器、食品活性包裝、食品3D打印輔助技術等。未來需要進一步優(yōu)化電流體動力學加工技術，實現(xiàn)微米/納米級纖維/微粒工業(yè)化生產；需將更多新食品資源（如動/植物基蛋白、益生元、益生菌）納入該技術的研發(fā)領域，減輕供需壓力；需要研發(fā)與該技術匹配的天然、低毒、生物可降解、環(huán)境友好型高分子聚合物材料，部分或全部取代合成高分子聚合物溶劑，保證食品安全。該技術需要將多元化消費者需求、營養(yǎng)健康、大食物觀、食品安全等理念“內化于心、外化于行”，有機融合其他新技術（如大數據、智能制造、3D打印），將為推動未來食品發(fā)展注入新的動力，直面效率、定制化、綠色環(huán)保、可持續(xù)、食品安全、健康飲食等未來食品研發(fā)的痛點問題，助力全球化經濟發(fā)展。