通过微流体技术为肥胖者量身定制的食品级微凝胶胶囊

微流体已广泛用于研究气泡和液滴，并制造均匀的乳液和泡沫；好处是非常单分散的产品更稳定。

此外，当用于封装生产时，它们的大小共同决定了有效载荷，并允许对感兴趣的组分进行准确的计量。

在这篇综述中，特别强调了微流控技术生成微凝胶胶囊的方式，用于通过控制向小肠输送营养来激活肠道制动的抗肥胖策略。

文章展示了各种微凝胶胶囊结构及其释放特性，并讨论了人体试验的初步结果，总结了最近在扩大规模方面取得的进展，这是将该技术应用于食品领域的关键。

介绍

在最近的一篇综述中，总结了激活各种肠道制动机制以降低食欲的方法。

在胃中存在压力传感器，可防止人们暴饮暴食，并且在十二指肠中也起作用。但从十二指肠开始，营养物质的消化开始在控制食欲方面发挥重要作用。

肠腔中的营养感应导致影响食物摄入的复杂反馈机制。如果这种食物摄入的自然制动被摄入食物中的营养物质激活，那么它是非侵入性抗肥胖策略的一个有希望的目标。

在 Wilbrink 的评论中，明确指出所有常量营养素都会引起这些影响，并且当以等热量施用时，影响大小是相似的。

这篇综述讨论了插管，但如果这些效果是由通过胃肠道的食物产生的，那么这些成分需要在我们有效消化系统的早期阶段受到保护。

尽管经常有人建议加强例如覆盖乳液液滴的界面会影响消化，但实际上这通常不是可行的策略。一般来说，我们的胃肠系统条件非常苛刻，例如乳剂的界面结构很容易被胆汁盐取代，从而导致近端消化和吸收。

可消化的结构（如蛋白质和淀粉等可被人体消化道中的酶降解的物质）大多会被侵蚀消化，因此要远离外界。根据目标成分的化学稳定性，这甚至可能导致生物活性丧失。

一般来说，可以得出结论，除非得到适当的保护，否则小的食物结构会相对较快地被消化和吸收。这样做的一种选择是通过使用凝胶结构来减少消化成分与感兴趣的成分的接触。

为了控制成分的释放模式，食物结构的大小是一个重要参数。微流体是精确控制尺寸并使这些结构的尺寸达到可以很容易地结合到食品中而不会引起可能使食品不太可接受的感官效应的终极工具。

更具体地说，我们将考虑由蛋白质或多糖制成的微凝胶胶囊，也可能含有小油滴。这些胶囊可能会在消化过程中被腐蚀，或者仅在油被消化的情况下保持完整，或者表现出综合行为。

我们专注于那些我们认为与将成分传递到胃外相关的例子，理想情况下是在反馈回路最有效的远端小肠。

在当前的论文中，我们特别关注使用微流体制备高度定义的封装的观点，我们期望这些封装可用于抗肥胖策略。

我们将强调与更好理解的液滴/气泡系统的差异，同时考虑到微流体装置所需的特性。我们将总结用于生产封装的微/毫流体设备升级的最新进展，并对即将实现的应用进行展望。

微流体技术

微流体（和毫）流体装置由专门设计的通道组成，可用于广泛的用途，例如多相系统（乳液、泡沫）中的受控液体流动、化学品（反应系统）的受控供应，甚至分离组件的数量，例如，基于它们的大小等。

这些设备已应用于化学工程和医药/制药等多个领域，但由于与食品生产所需的产量相比，它们的吞吐量相对较低，因此它们在食品领域的使用仍然相当有限及其价格。

乳液和泡沫受益于均匀分布，这使得这些产品在奥斯特瓦尔德熟化（尤其是泡沫）、乳脂化、沉降等方面更稳定。

除此之外，胶囊还可以受益于“活性物质的有效载荷”这一事实。 ‘ 成分定义非常明确，可以实现非常精确的剂量，甚至更重要的是，可以防止过量。这听起来可能非常医学，但对于（功能性）食品来说，在胃肠道的特定位置提供准确数量的成分非常重要（例如 Dupont、Le Feunteun、Marze 和 Souchon，2018 年）。

尽管经常声称，但并不经常证明这确实发生了。此外，值得一提的是，微流控工具也被用作实时消化和生物可及性的分析工具，这是在产品开发早期研究有效性的有趣方式。

用微流体制成的微凝胶胶囊

芯片上微凝胶胶囊的生产将从将一种相分散到另一种相中制成蛋白质或多糖的微凝胶胶囊，其机械强度和形状可以调节。

此外，微凝胶胶囊也可能含有油滴。所使用的相可能都是水相，但主要由油相和水相组成，也适用于医疗应用。

我们在表 SI 中总结了最近的发展，其中包含由蛋白质、多糖制成的微凝胶的示例，并且在非常有限的情况下还含有油。可以在此表中找到可以考虑的广泛系统，但通常用于医疗领域而不是食品级。

为了增加对消化成分的抵抗力，封装在芯片上固化（凝胶化），或在稍后阶段。

用微流体系统制成的微凝胶在尺寸方面有很好的定义。蛋白质微凝胶可以通过酸化、热处理和自组装特性制备，而多糖微凝胶主要依赖于离子和多糖之间的交联，如 Ca ²⁺和带负电荷的海藻酸盐。

微流控微凝胶由可消化（蛋白质）和不可消化（多糖）的材料制成，另请参阅最后一节关于预期消化效果的部分。

在使用微流体装置制造过程中，可能会发生蛋白质和多糖的沉淀。为了避免这种情况并获得均匀的微凝胶，已经成功应用了超声波、过滤和其他预处理。

用于描述微流体中液滴/气泡形成的比例关系

微流体中液滴和气泡的形成也是制备微凝胶胶囊的基础，因为预期基本原理是相同的，并且基于例如力或扭矩平衡以类似方式缩放。

用于液滴和气泡的典型无量纲数总结在表1中。这些无量纲数要么围绕界面力、惯性力、粘性力或浮力，通过无量纲数（Re、Ca、We、Bo）或所使用的两种流体相的粘度或流速之比进行比较。

表 1。用于描述微流体液滴生成的无量纲参数

象征	姓名	定义	物理意义
回覆	雷诺数	Re=ρ∙你∙大号η	惯性力/粘性力
钙	毛细管数	C一种=η∙你γ	粘性力/界面张力
我们	韦伯数	We=ρ∙你2∙大号γ	惯性力/界面张力
博	债券编号	乙○=Δρ∙G∙大号2γ	浮力/界面张力
λ	粘度比	λ=ηdηd	分散相粘度/连续相粘度
φ	流量比	φ=问d问C	分散相流量/连续相流量

符号为：ρ密度、u速度、L系统典型尺寸、粘度η、界面张力γ和相间密度差 Δ ρ、g重力常数、Q流速，下标 d 和 c 表示分散和连续相，分别。

我们之前提到过一些近期的一般评论；对于食品领域，有关于基于剪切的和自发系统的使用以及微流体系统的升级的评论。

值得指出的是，尽管在这些方程中使用了界面张力，但实际上很难在微流体装置中出现的高界面膨胀率下测量它。大多数情况下，会发生动态界面张力效应，并且由于这会影响封装/液滴的大小，这也是一个关注点。

用于微凝胶生产的升级微流控系统：关键步骤

尽管文献中已经介绍了许多微流体工具，但用于制造大量产品的工具并不多。为此，需要考虑多个方面：设备的润湿性、液滴形成单元的平行化以提高生产率，以及液滴形成单元的设计以控制液滴尺寸（如前一节所述）。

需要非常小心地保护微流体系统的润湿性，这可以通过表面改性来防止表面活性成分的吸附，或者在某些情况下通过形成保证适当润湿性的原位层来完成（如蛋白质与所谓的 EDGE 乳化装置）[ 32、33 ].

理想情况下，微凝胶胶囊在微米范围内，以防止不希望的感官副作用。这意味着单个微流体通道的生产力将很低，并且许多微流体通道需要并行操作以提高整体生产力。

结构和预期交付情况

正如介绍中提到的，油、蛋白质或多糖的肠道输送可以引起饱腹感。已经提出了使用这些成分用微流体制成的各种微凝胶胶囊，但问题是它们是否能够抵抗消化条件足够长的时间以诱导来自远端小肠的最强反馈信号并适用于有效的抗-肥胖策略。

可消化材料的微凝胶预计会受到快速消化磨损，并且预计在胃肠道远端的受控输送是一个复杂的问题。

使用包含油滴的分层结构凝胶取得了一些有趣的结果，产生了可在半小时到四小时之间调整的受控增压。

尽管这些凝胶相当大（厘米）并且尚未使用微流体系统制备，但释放机制非常有趣。

难消化多糖微凝胶可用作保护基质，以包裹早期消化的可消化成分，如果它们随后允许在远端小肠中进行受控递送以减少食物摄入，则这是一个有趣的选择。

由于藻酸盐的 pH 依赖性溶胀行为与小肠远端部分的释放相适应，具有封装油的藻酸盐微凝胶确实显示出有效的释放曲线。

这些胶囊已用于人体试验，并已报道了减少食物摄入量的第一个适应症。

除其他外，还研究了胶囊尺寸的影响，以及它们的凝胶网眼尺寸，尽管很好地指出这些使用的胶囊仍然相对较大（~1 mm）。

为了使胶囊在食品中不显眼，胶囊的尺寸需要变得相当小。胶囊的网眼大小以及微凝胶胶囊中油滴的大小和数量原则上可用于调整释放，这是我们实验室正在进行的研究的一部分。

一个有趣的新发展是使用所谓的空气微流体从难消化的多糖制造核壳胶囊，这已被证明可以规避“经典”微流体的许多缺点（润湿性问题，难以放大）。

Conclusion

微流体领域的当前发展使我们希望为抗肥胖策略量身定制的食品级微凝胶胶囊将很快成为现实。

目前的情况是微凝胶胶囊可以以非常高的精度制造，既可以是完全消化的胶囊，也可以是由不可消化的水凝胶制成的胶囊，因此可以有效地给药。

尤其是含有可消化油的难消化微凝胶胶囊具有很大的前景，因为已经证明它们可以减少人类的食物摄入。

对于食品中的实际应用，仍然需要减小胶囊的尺寸，同时需要提高微流体系统的生产率。为了解决这两个方面，目前进行了大量的研究工作。

This review comes from a themed issue on Food Chemistry & Biochemistry Edited by Zhili Wan，https://doi.org/10.1016/j.cofs.2022.100815