利用微奈微尺度PμSL 3D列印技術,製作微流控液滴生成芯片

微流控技術在食品乳液加工中的應用,與3D列印裝置開發

           液滴微流控技術為微尺度液滴生成提供了許多優勢,在食品乳液加工上具有巨大的應用潛力。為了採用新技術開發微流控晶片,透過投影微立體光刻技術透過微型 3D 列印製造了基於共流流態的新裝置,並應用於生產單乳液和雙乳液。結果表明,可以在同一裝置中生產單分散油包水(W/O)和水包油(O/W)單一乳液,且變異係數(CV)小於3%。平行微流控裝置有5個液滴產生器,可以產生不同類型的單一乳液,CV約為3%。此外,無需表面處理即可產生雙乳液液滴。微3D列印的發展為食品中微流控乳液形成提供了新的途徑,特別是雙乳液形成,具有無需表面處理的巨大優勢。這些裝置為液滴微流控的進一步商業應用提供了相當大的支援。

1. 微流控芯片的設計及3D列印製作的裝置

          許多食品(烘焙食品、乳劑、冷凍產品等)是含有多種成分的分散體系,其中乳液是最常見的。傳統的乳液製備通常需要高速均質、高壓均質等方法。這些常用方法製備的乳液其大小、形狀和分佈是不可控的,存在多分散液滴。然而,微流控技術可精確控制多相流,以形成具有所需直徑的單分散液滴。它在許多行業都有潛在的應用,包括食品、製藥、化妝品和生物材料等行業。但其液滴生成效率低,不能滿足工業化的要求。此外,傳統方法不能很好的實現多重乳液的製備,而微流控技術可以較好的實現多重乳液的生成,但實驗時需用有機試劑對微流控芯片(玻璃毛細管,PDMS)進行局部表面處理。
          近日,華南農業大學食品學院蔣卓副教授課題組,透過PμSL 3D列印技術(microArch® P140 微米級3D列印),利用光敏樹脂材料實現微流控芯片的製備。此工作利用一種新技術製造了單乳液和雙乳液的微流控生成芯片。這些芯片採用微納微尺度PμSL 3D列印技術製作,實現宏觀結構和微觀結構的有機結合,可以同時滿足不同乳液類型的製備和生成,清洗後可多次重複使用。同時實現了五個平行通道的單乳液生成,為高通量微流控技術的改進奠定了基礎。基於此,該微流控芯片成功實現了W/O/W(水/油/水)和O/W/O(油/水/油)雙重乳液的製備。此外,由於製備芯片所使用的樹脂材料對油和水都具有良好的潤濕性,因此不需要使用有機試劑對芯片進行局部改性。該工作以“Microfluidicdroplet formation in co-flow devices fabricated by micro 3D printing”為題發表在Journal of FoodEngineering上,第一作者是華南農業大學碩士生張佳。

基於Co-flow原理,通過3D列印技術,製備了單乳液生成芯片(圖1),五個平行流道的單乳液生成芯片以及雙重乳液生成芯片(圖2)

利用微奈微尺度PμSL 3D列印技術,製作微流控液滴生成芯片
圖1、單乳液生成裝置
利用微奈微尺度PμSL 3D列印技術,製作微流控液滴生成芯片
圖2、五個平行流道的單乳液生成裝置和雙重乳液生成裝置

2. 微流控芯片的評價

         為了驗證和評估該裝置的可用性,我們選取不同的乳液配方進行試驗。選取不同的油包水和水包油乳液,對乳液生成過程進行記錄,並對收集後的乳液進行分析(圖3)。收集到的油包水乳液單分散性較好,其CV為2.7%。同一裝置上實現了水包油乳液的生成,所得液滴的CV僅為2.2%。

         利用五個平行流道的單乳液生成裝置進行試驗,可以在同一裝置上實現油包水和水包油兩種不同類型乳液的生成(圖4),所得油包水液滴的CV為2.6%,水包油液滴的CV為3.1%。本研究使用的微流控芯片製作簡單,集成度高,可重複使用。但其生產效率和液滴直徑仍需進一步提高,這也是我們後續研究的重點。

利用微奈微尺度PμSL 3D列印技術,製作微流控液滴生成芯片
圖3、單乳液生成裝置用於油包水(a、b)和水包油(c、d)乳液的生成及其分散性
利用微奈微尺度PμSL 3D列印技術,製作微流控液滴生成芯片
圖4、五個平行流道的單乳液生成裝置用於油包水(b、c)和水包油(d、e)乳液的生成及其液滴的分散性

雙重乳液生成實驗與流量調節對乳液穩定性的影響

          基於上述實驗結果,我們進行了雙重乳液的生成。在實驗中,通過改變內相、中間相和外相的速度可以調節液滴的尺寸和核殼比例。圖5展示了不同流量下W/O/W雙乳狀液的形成過程和收集的液滴,可以看到明顯的核-殼層。對於O/W/O雙乳狀液的形成(圖6),實驗過程中可以清楚地看到乳狀液的形成過程,但收集後的乳液穩定性極差,不能觀察到均勻分散的雙乳狀液滴,嘗試了多種O/W/O乳液配方,暫未得到可靠的實驗結果。

利用微奈微尺度PμSL 3D列印技術,製作微流控液滴生成芯片
圖5、採用雙乳液生成裝置在不同流速下生成和收集W/O/W雙重乳液
利用微奈微尺度PμSL 3D列印技術,製作微流控液滴生成芯片
圖6、採用雙乳液生成裝置生成O/W/O雙重乳液

         目前,對於PμSL 3D列印微流控芯片的性能評價還處於實驗室階段,所使用的乳液配方是在現有參考文獻的基礎上進行修改的。為了進一步促進微流體在食品工業中商業化,需要進一步開發相關的乳液配方。此外,微流體的一些問題需要解決,如高通量,穩定性,生物相容性等。

參考文獻:Microfluidic droplet formation in co-flow devices fabricated by micro 3D printing
原文連結: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110212

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