《Journal of Food Engineering》：Towards Translation of Vortex Fluidic Device Mediated Functional Food and Nutraceutical Production from Lab to Industrial Scale
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藻油封装和鱼胶酶解的涡旋流体装置（VFD）规模化应用研究表明，VFD相比传统均质化技术可将藻油滴径从2.3μm降至255nm，稳定率提升至55.4%，同时缩短鱼胶酶解时间至20分钟，产率提高19.5%。通过1000-3000rpm的规模化VFD验证，其 tip速度与常规8000rpm设备相当（7.1m/s），滴径减小14%，凝胶孔隙率翻倍，且3D打印生物墨水保持优异流变特性。该技术展现出从实验室到工业化的可扩展性，符合可持续制造原则。
吴一晓|孙晓琪|何珊|苏雷什·特纳迪尔|王浩|大卫·J·杨|科林·拉斯顿|塔阿尔·M·D·阿尔哈比|阿姆贾德·阿洛塔伊比|李家琦
澳大利亚北领地卡苏阿里纳市查尔斯·达尔文大学科学技术学院
摘要
涡流流体装置（VFD）微流控平台为可持续食品和营养保健品加工提供了一种新颖的方法。本研究使用放大版的VFD评估了两种代表性应用的工艺放大效果：藻油封装和鱼明胶的酶解，用于3D食品打印。与传统均质化方法相比，VFD处理将平均液滴尺寸从约2.3微米减小到约255纳米，并将乳液稳定性从10.4 ± 1.3%提高到72小时储存后的55.4 ± 3.2%。在明胶水解过程中，标准VFD将反应时间从120分钟缩短至20分钟，同时将水解程度从55.0%提高到74.5%。使用放大版VFD（1000–3000转/分钟）进行的放大试验获得了与标准VFD（8000转/分钟）相当的性能，这得益于两者具有相同的尖端速度（例如，放大版VFD在3000转/分钟时的速度为7.1米·秒^-1，而标准VFD为7.0米·秒^-1）。在放大过程中，液滴尺寸略有减小，明胶水解产物的孔隙率增加了一倍多。此外，当使用含有40%鱼明胶水解物的3D打印墨水时，所有VFD系统均保持了高保真度和形状稳定性。这些结果证明了VFD技术的可扩展性、可靠性和工业潜力，相比传统方法，它提供了更好的稳定性、效率和产品质量。在食品和营养保健品生产中，这种可扩展性有助于减少能源投入，提高批次间的一致性，并提升产品质量（例如，均匀的液滴尺寸、更高的孔隙率和更好的水解效率）。
引言
涡流流体装置（VFD）（图1）是一种新型微流控加工平台，能够在快速旋转的管内壁形成的动态液膜中产生高剪切力和强烈的微混合效果。自2013年问世以来（Yasmin等人，2013年），VFD加工在多个领域引起了越来越多的关注，包括合成化学（J. Britton等人，2016年）、材料科学（Luo等人，2019年）、生物技术（Luo等人，2024年）和食品科学（Cao等人，2021年），因为它能够在连续流动条件下促进反应，同时提高效率、可持续性和精确控制（Alharbi等人，2021年；Jellicoe等人，2025年；Jellicoe等人，2022年）。与传统批次处理不同，VFD能够在常温和适中温度（通常为20–60°C）下实现封闭模式和连续流动操作，提供了一种节能且非热处理的替代方案，非常适合不同领域的应用。通过产生剪切应力、压力波和法拉第波（Yasmin等人，2013年），VFD增强了传质效果；加速了酶促和化学反应（Luo等人，2020年）；减小了颗粒尺寸（Luo等人，2018年）；并提高了乳液稳定性（Cao等人，2024年；Cao等人，2025年）。最近的进展表明，由法拉第波和科里奥利力产生的高剪切拓扑流体流动具有微米到亚微米尺度（Alharbi等人，2021年；Jellicoe等人，2022年）。VFD显著减少了加工时间和溶剂使用量，符合可持续制造和循环经济战略的原则（He等人，2020年；He等人，2024年）。
VFD在食品加工中的应用是一项最新创新。这里介绍了两个代表性示例来说明VFD在食品加工中的应用：（i）藻油封装，可改善液滴尺寸分布、乳液稳定性和氧化稳定性；（ii）鱼明胶的酶解，用于生产具有更高孔隙率、均匀性和流变特性的3D打印生物墨水。对于藻油，已经采用了多种技术来保护油免受环境降解并提高生物利用度。然而，传统的批次处理方法（如均质化）往往导致颗粒尺寸分布不均匀（He等人，2020年）、封装效率降低（Khoshnoudi-NiaZ和Jafari，2022年；Wang等人，2016年），以及对乳液稳定性、形态和均匀性的控制有限（Gallardo等人，2013年）。在我们之前的研究中，VFD处理显著提高了封装效率。通过一系列表征技术（乳液稳定性测试、扫描电子显微镜（SEM）、落射荧光显微镜、动态光散射、过氧化物值分析、共聚焦显微镜和SEM），He等人（2023年）证明，通过VFD处理的藻油液滴显著减小（约250纳米对比约2.3微米），并且乳液稳定性显著提高（从10.4 ± 1.3%提高到55.4 ± 3.2%）。
在第二个食品加工示例中，VFD还显著提高了从巴拉蒙迪鱼皮中提取的明胶的酶解效率。Xiaoqi等人（2025年）表明，水解时间从120分钟缩短至20分钟，水解程度从55.0%提高到74.5%。所得到的明胶水解产物与淀粉按不同比例混合，用于开发食品3D打印生物墨水。其中，含有60%淀粉和40%鱼明胶水解物的配方显示出明确的交联内部结构，具有优异的流变特性，包括高储存模量（G’）、损耗模量（G”）和粘附性（399 g·s），非常适合3D打印应用。
然而，这两种食品加工应用最初仅在实验室规模上使用直径为20毫米的VFD管进行了验证。为了评估工业规模实施的可行性，我们使用这两种模型系统评估了装有直径为50毫米VFD管的放大版VFD的性能。这里的结果展示了VFD的多功能性和可扩展性，突显了其在食品加工中更广泛应用的潜力。
材料
Tween、藻油、NaOH和Alcalase购自Sigma-Aldrich公司。鱼明胶来自中国山东富田制药公司。标准VFD（管径：外径20毫米，内径17毫米，长度185毫米，最大旋转速度为9000转/分钟，实际最高操作速度为8000转/分钟）和放大版VFD（管径：50毫米，内径45毫米，长度425毫米；最大旋转速度为4000转/分钟，实际最高操作速度为3000转/分钟）（图2）
藻油乳液的VFD放大试验
本研究的第一个目标是使用放大版VFD放大藻油封装工艺。我们之前的研究展示了通过传统均质化（H）和标准VFD处理（V）制备的乳液在生产后立即（a）以及室温下储存72小时后（b）的视觉稳定性对比（图3）（He等人，2023年）。在新鲜制备的样品中（图3a），两种方法都产生了无可见相分离的均匀乳液。然而，
结论
本研究展示了VFD在两种代表性应用中的成功放大效果——藻油封装和鱼明胶水解——突显了放大版VFD设计的可靠性和效率。与传统均质化方法相比，VFD封装将液滴尺寸从约2.3微米减小到约255纳米，并将乳液稳定性提高了五倍以上（从10.4 ± 1.3%提高到72小时后的55.4 ± 3.2%）。对于酶解过程，VFD处理缩短了反应时间
CRediT作者贡献声明
何珊：撰写 – 审稿与编辑，资源管理，方法学。苏雷什·特纳迪尔：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。吴一晓：撰写 – 初稿撰写，软件使用，数据管理。孙晓琪：撰写 – 审稿与编辑，监督，实验设计。李家琦：撰写 – 审稿与编辑，方法学。塔阿尔·M·D·阿尔哈比：撰写 – 审稿与编辑，方法学。阿姆贾德·阿洛塔伊比：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。大卫·J·杨：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。科林
未引用的参考文献
Britton等人，2016年；Khoshnoudi-Nia等人，2022年；Luo等人，2024年；Xiao等人，2025年。
利益冲突声明
所有作者声明在题为“将涡流流体装置介导的功能性食品和营养保健品生产从实验室规模转化为工业规模”的研究中没有利益冲突
