空气辅助微流控系统实现核-壳海藻酸盐微球可拓展制备-北京永康乐业科技发展有限公司

微胶囊在食品工程中是活性物质保护、异味掩蔽、靶向释放的核心技术，粒径和壳层均一性直接决定传质速率、机械强度和释放动力学，需精准调控。

海藻酸钠是食品级微胶囊壁材的优选，具备低成本、生物相容、与二价阳离子温和离子交联成凝胶的特性，还拥有pH响应和热稳定性，可包封益生菌、疏水性油脂等易失活物质。

传统微胶囊制备方法（批量乳化、重力滴注、辅助挤出）存在粒径分布宽、壳层均一性差的问题，粒径多为毫米级；现有微流控技术虽能实现单分散性，但多依赖油相为连续相，需额外洗涤和相分离步骤，食品合规性差。

鉴于此，意大利那不勒斯费德里科二世大学团队开发了一款可规模化的空气辅助微流控系统，用于制备核-壳结构海藻酸盐微球，解决了传统微胶囊制备技术依赖油相、尺寸均一性差和工业规模化难的问题。相关研究以“Scalable Air-Assisted Microfluidic System for Core–Shell Alginate Beads: Design, Experimental Characterization, and Industrial Validation”为题目，发表于期刊《Journal of Food Engineering》。

本文要点：

1、该研究提出了一种创新的可规模化微流控技术，借助同轴空气辅助液滴生成系统制备核-壳结构海藻酸盐微胶囊。该装置专为工业化应用设计，采用三根同心毛细管实现葵花籽油（核相）、海藻酸钠溶液（壳相）与加压空气（连续相）的共流，可通过瑞利-普拉托不稳定性实现液滴破碎的精准调控。

2、通过单喷嘴与多喷嘴两种构型，探究了空气流速（1~16标准升/分钟）对微球粒径及均一性的影响。结果表明，提高空气流速会减小液滴的平均粒径，其中位粒径（D50）从334.7微米降至64.6微米，同时也会改变微球的多分散性，其跨度值从0.65升至2.42。

3、四喷嘴并行化系统经量产验证，可在保持高包封均一性的同时实现微球规模化制备，所制微球中位粒径约122微米、跨度值约1.59，且各喷嘴间无显著性能差异。该系统的包封效率可达64%左右，其上限受核相最大流速与射流不稳定性制约。流变特性表征证实，海藻酸钠溶液具有剪切稀化行为，添加表面活性剂可降低其黏度。

4、与传统的批量乳化法或非混溶相法相比，该研究提出的方法以空气为连续相，为制备核-壳微胶囊提供了一种清洁、低成本的无油相途径，所制微胶囊兼具高单分散性与可规模化的优势。该技术的潜在应用领域涵盖食品、制药与生物技术行业，尤其适用于对易失活或疏水性活性物质进行高通量包封的场景。

图1. 海藻酸盐核-壳微球气液聚焦装置。(a) 三同心通道喷嘴：聚酰亚胺涂层毛细管（PCC，用于核相输送）、聚氨酯毛细管（PCT，用于壳相输送）、移液器吸头（PT）出口；空气室（AC）提供加压空气，喷嘴端部存在H₁、H₂高度差；(b) 空气室几何结构（单位：毫米）

该空气辅助微流控系统的核心结构与工作原理是什么？

其核心结构为三同心毛细管单喷嘴模块+可扩展的1-2/1-4流量分流器，单喷嘴由内芯熔融石英毛细管（核相，葵花籽油）、中层聚氨酯毛细管（壳相，海藻酸钠）、外层移液器吸头（连续相，加压空气）和3D打印气室组成，毛细管尖端有精准偏移量（H₁=100μm、H₂=400μm）；

工作原理为利用三同心毛细管实现三相共流，依托瑞利-普拉托不稳定性实现液滴的精准破碎，加压空气作为连续相提供剪切力调控液滴大小，液滴挤出后在24cm外的0.2M CaCl₂凝胶浴中完成离子交联，形成稳定的核-壳藻酸盐微球；并行化模块通过最优形状设计的流量分流器平衡各支路水力阻力，实现单源流体均分至多个喷嘴，保证规模化生产的一致性。