《食品科學》：中國農業大學趙靚教授等：微流控技術在食品研究中的應用

進入21世紀后，微流控技術在食品科學與加工領域快速發展，開始應用于食品安全檢測、成分鑒定、食品智能包裝、乳液制備、微生物與酶的得選以及活性成分的包封遞送等方面。微流控技術是一門新興的交叉學科技術，通過處理微小流體（μL～fL水平），實現高通量、快速檢測和制樣。而根據流體特性和功能要求，微流控技術可分為3 類：連續流微流控（CMF）技術、DMF技術和紡絲微流控（SMF）技術（圖1）。

中國農業大學食品科學與營養工程學院的謝嘉俊、楊東、趙靚*等綜述CMF和DMF在食品研究中的應用及優缺點，系統梳理CMF在食品安全檢測、成分鑒定、智能包裝等方向的實際案例，以及DMF在酶與菌株定向得選、乳液制備、包封遞送等領域的技術進展。同時，展望微流控技術在食品工業中的應用前景，旨在為科研人員和生產者提供新的思路。

01

CMF在食品中的應用

1.1 食源性病原體檢測

食源性病原體是通過攝食進入人體，引發感染或中毒的微生物，常見癥狀包括惡心、嘔吐、腹瀉等。常見病原體包括大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌等細菌，以及甲型、戊型肝炎病毒、輪狀病毒等病毒。傳統檢測方法細菌分離鑒定需48～96 h，而PCR檢測雖靈敏但步驟繁瑣、成本高，易延誤診斷。因此，亟需高效、快速、低成本的檢測技術。

基于CMF平臺的實時檢測技術，憑借其快速、靈敏、便捷的特點，展現出克服現有檢測局限的巨大潛力。CMF結合多種檢測原理，可在不同應用場景下實現高效的病原體檢測：1）基于比色法的CMF檢測技術，利用CMF結合等溫核酸擴增原理，通過噴蠟打印制備紙基層芯片，包括DNA提取區、重組酶聚合酶擴增（RPA）區和側流檢測試紙條（LFD）檢測區，可以快速檢測目標菌株。該芯片利用紙棒從樣品中提取DNA，微流體在紙纖維上流動，并通過特異性引物進行RPA，LFD技術檢測目標核酸片段，簡化了傳統的離心和移液操作，使檢測時間從15 h縮短至30 min（圖2A）。2）基于熒光的CMF檢測技術，微流控芯片采用“前真空儲液室”設計，預先封裝免疫磁珠（IMBs）和熒光量子點微球（QDMs）于真空負壓環境中。檢測時，用戶通過注入預處理樣品，同時用金屬針刺破芯片下層聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，利用負壓驅動釋放儲液室內的試劑，使微流體通過蛇形通道進入孵育室。利用特異性修飾IMBs捕獲抗體，與大腸桿菌O157:H7和鼠傷寒沙門氏菌結合，形成抗原-抗體復合物。同時，熒光量子點（CdSe/ZnS QDMs）修飾的檢測抗體與抗原結合，形成雙抗夾心復合物（IMBs-抗原-QDMs）。通過音頻振動提高抗原-抗體結合效率，再由外部磁場捕獲磁珠，使IMBs-抗原-QDMs被固定，未結合物質經清洗通道排出，實現病原菌的富集和分離，在紫外光照射下發出強紅色熒光并利用熒光信號強度進行定量分析（圖2B）。3）基于電信號的CMF檢測技術，通過將特異性探針固定于還原氧化石墨烯（rGO）上，微流體溶液中的目標DNA片段與捕獲探針結合形成穩定的雙鏈DNA，導致rGO晶體表面電荷分布變化，進而改變電導性。通過場效應晶體管（FET）實時監測信號變化，實現靈敏的特異性檢測（圖2C）。

表1總結了多種微流控技術在食源性致病菌檢測方面的應用，如用特異性標記的方法熒光檢測牛奶中的沙門氏菌，檢測限為50 CFU/mL，檢測時間為4 h；用電化學方法記錄峰電流變化量，定量檢測金黃色葡萄球菌的濃度，檢測限為13 CFU/mL，且無需長時間檢測。與傳統技術相比，微流控技術極大地縮短了檢測時間以及降低了檢測限，適合高通量快速檢測。

1.2 金屬離子污染物和真菌毒素檢測

根據國際食品法典委員會制定的《食品和飼料中污染物和毒素通用標準》，污染物包括霉菌毒素、金屬污染物、放射性核素和其他化學污染物，其中毒素和重金屬污染是食品安全和環境監測的關鍵問題。這些污染物通過食物鏈和水體傳播，威脅人類健康和生態系統。傳統檢測方法（如高效液相色譜、電感耦合等離子體-質譜（ICPMS）法、酶聯免疫吸附試驗等）雖然靈敏，但操作復雜、耗時且設備昂貴。微流控技術作為高效、快速、簡便的替代方案，具備高靈敏度、快速檢測、低試劑消耗、低成本和高通量等優勢。

霉菌毒素由曲霉等真菌產生，污染谷物及食品，毒性強且難去除，可致癌、損傷肝腎、引發基因突變。常見種類如黃曲霉毒素（AF）、伏馬菌素（FB），多存在于玉米、小麥等作物中。霉菌毒素存在痕量污染、難以檢測的問題，微流控技術能夠通過集成多種技術的方法實現其快速檢測：1）基于比色法的CMF檢測技術，利用AuNPs和36-mer適配體檢測赭曲霉毒素A（OTA）。當OTA存在時，適配體與其結合，導致AuNPs聚集，表面等離子體共振（SPR）峰紅移，溶液顏色由紅色變為藍紫色。通過吸光度比值可反映OTA濃度，無需提取或凈化，可檢測水、玉米和花生中的OTA，檢測限分別為0.242、0.546、0.096 μg/mL，且在低濃度下只需反應5 min即可得到檢測結果，展現出高靈敏性；2）基于電信號的CMF快速檢測AFB1技術已被開發。一種微流控印制電路板適配體傳感器可利用交流電熱效應富集AFB1并測量電容變化，檢測限為0.62 fmol/L，在1 fmol/L～10 pmol/L范圍內線性良好，20 s內完成檢測，可精準檢測全麥面粉、玉米粉和糙米粉等樣品中的AFB1殘留，成本低于1 美元（圖3A）。另一種便攜式雙模式紙質芯片采用側向流動式微流控系統進行設計，基于側向層析原理，通過毛細作用驅動流體在芯片內自動流動，無需依賴外部泵輔助，具備高度集成與便攜化特性。其核心結構包含電化學發光（ECL）檢測區、毛細驅動通道和顯色分析區，流體從樣品入口出發，依次流經ECL區和顯色區完成檢測。該芯片通過適配體門控的MOFs納米開關控制信號釋放，多孔UiO-66-NH2 MOFs封裝顯色劑TMB，表面修飾的CdS量子點-適配體復合物作為分子門控。當AFB1存在時，適配體特異性識別靶標并解離門控結構，釋放TMB與適配體修飾的CdS量子點復合物至流體中。流體在毛細作用下沿紙質通道自動流動，首先通過ECL區觸發CdS量子點與電極反應生成電化學信號，隨后攜帶TMB進入顯色區產生顏色變化。這種雙模式檢測機制通過流體自主驅動與定向遷移，同步輸出電信號和比色信號，其檢測限分別為7.8 fg/mL（ECL）和9.5 pg/mL（比色），在0.05 pg/mL～50 ng/mL范圍內線性良好，成功應用于玉米檢測，回收率分別為90%～101%，與高效液相色譜結果一致。兩種方法均具備高靈敏度、低成本和快速檢測的優勢（圖3B）。

重金屬離子是食品中的主要污染物之一，來源包括天然環境和人為活動，具有難降解、高毒性和生物富集性的特點，長期積累即使在低濃度下也可嚴重威脅健康，如鉛損害神經發育、鎳引發器官損傷、銅過量致中毒。基于CMF的金屬離子檢測方法主要包括質譜法、電化學、熒光等。Mavrakis等通過時間分辨信號檢測技術，將CMF與ICP-MS聯用，構建了標準稀釋分析系統。該系統可優化氣動壓力泵和低流速參數，實現樣品與校準溶液的自動混合，并利用ICP-MS采集時間分辨信號計算離子濃度。該系統檢測限分別低至0.14 ng/L（Cd）、0.24 ng/L（Co）、1 μg/L（Cr和Ni），線性范圍為5～10 μg/L，回收率達97.4%～100.1%，展現了高靈敏、快速檢測的優勢（圖3C）。Wang Liyan等通過CMF的熒光檢測技術，結合離子印跡聚合物的選擇性識別能力，成功開發旋轉式布/紙混合微流控裝置，通過熒光猝滅效應檢測Hg2＋和Pb2＋，檢測限分別為0.18 μg/L和0.07 μg/L，線性檢測范圍為0.5～20 μg/L，回收率在96.2%～114.1%，成功應用于河水和海水樣品檢測。這些方法與傳統檢測結果一致，具有低樣品消耗、高靈敏度和自動化操作的優勢，而微流控技術結合不同技術，可實現真菌毒素和金屬離子的快速檢測（表2）。

1.3 食品添加劑及農獸藥殘留檢測

根據聯合國糧農組織和世界衛生組織的《食品中化學物風險評估原則和方法》，食品化學物可分為添加劑、污染物、農獸藥殘留和天然毒素，其中添加劑和農獸藥為人為添加，其含量超標危害人體健康，快速檢測這兩類物質至關重要。

食品添加劑如姜黃素、焦糖色素和番茄紅素等，廣泛用于改善食品感官、延長保質期和防止氧化腐敗。然而，濫用或非法添加食品添加劑可能引發食品安全問題。為了有效檢測食品中的添加劑和抗氧化劑，近年來基于CMF開發了多種快速檢測方法：1）基于發光強度檢測，構建的CMF多色發光微流控紙芯片，可檢測食品抗氧化劑。通過修飾魯米諾-Co2＋、魯米諾-熒光素-Co2＋和魯米諾-羅丹明B-Co2＋，在H2O2作用下分別產生藍、綠、紫色光，強度與抗氧化劑種類呈現特異性響應。結合三原色光模式（RGB）、主成分分析（PCA）和層次聚類分析（HCA）成功區分多種抗氧化劑。該方法檢測限為0.5 mmol/L，線性范圍為0.5～10 mmol/L（圖4A）。2）基于比色法CMF檢測技術開發的光遮蔽反應微流控PMMA/紙基檢測系統可用于食品中甜蜜素濃度檢測，通過重氮化反應生成紫紅色偶氮化合物，使用CMOS相機捕捉顯色圖像并定量，線性范圍為50～1 000 μg/mL，檢測限為20 μg/mL，應用于話梅、芒果干和蔓越莓檢測，結果與液相色譜-串聯質譜偏差小于4.8%。3）基于熒光CMF檢測技術構建的微流控色譜檢測系統可快速檢測糖精鈉和安賽蜜鉀。目標物在芯片色譜通道分離后，在254 nm紫外光波長激發下產生熒光，通過CMOS成像和標準曲線定量，檢測范圍為50～2 000 μg/mL，檢測限為50 μg/mL與高效液相色譜結果偏差小于6.3%，成功檢測16 種商業食品（圖4B）。這3 種方法都無需復雜儀器和復雜樣品前處理，且具有快速、便攜、高靈敏度優勢。

農藥和獸藥的廣泛使用導致其在食品和環境中的殘留問題直接威脅消費者健康，農藥殘留主要源于作物害蟲防治，可能引發急慢性疾病；獸藥（特別是抗生素）濫用導致動物食品中藥物殘留，引發過敏反應和抗藥性微生物的產生，危害公共健康。因此，開發高效的殘留檢測方法是保障食品安全的關鍵。近年來，CMF為快速檢測農藥和獸藥殘留提供了新解決方案：1）基于比色檢測構建的三金屬MOF納米酶紙基CMF平臺，可用智能手機實現草甘膦（GLY）的現場快速檢測。該平臺通過三元金屬有機框架（ZnCo-ZIFs@MIL-101(Fe)）納米酶催化H2O2與TMB反應生成藍色氧化態TMB，GLY抑制酶活性降低顯色強度，其在652 nm波長處的吸光度與濃度呈線性關系（圖4C）。該方法檢測限為1 ng/mL，線性范圍為0.02～40 μg/mL，成功應用于卷心菜、橙子和黃芪樣品。2）基于熒光檢測構建的微流控生物傳感芯片，可通過智能手機平臺同步定量多種氟喹諾酮類抗生素。該平臺利用上轉換納米材料-氧化石墨烯適配體（UCNPs-GO-Apt）熒光探針實現便攜式現場檢測，檢測限分別為1.84 ng/mL（恩諾沙星）和2.22 ng/mL（環丙沙星），線性范圍為1.0×101～1.0×105 ng/mL。3）基于化學發光檢測構建的便攜式微流控芯片系統（PACS）有3 層結構，頂層和底層由PDMS材料構成儲液池與基板，中間層為硅膜反應層，其表面固定β-激動劑-牛血清白蛋白（Ag-BSA）結合物，通過增強抗原吸附能力顯著提升檢測靈敏度。系統通過集成微波閥與蠕動泵，結合線性驅動器精準調控微米級通道內流體的順序流動，在負壓驅動與微波閥垂直運動的協同作用下實現多步驟反應的全流程自動化，包括樣品混合、免疫反應、洗滌及信號檢測。系統采用間接競爭免疫分析法，樣品中的β-激動劑與硅膜表面固定的Ag-BSA結合物競爭結合抗體，未結合的抗體經洗脫后，通過HRP標記的二抗催化化學發光底物生成信號，其強度與目標物濃度呈反比，而芯片設計的3 條平行反應帶可同步檢測克倫特羅（CLB）、萊克多巴胺（RAC）、沙丁胺醇（SAL），檢測限分別為54、59 pg/mL和93 pg/mL，檢測范圍為62.5～2 000 pg/mL（圖4D）。微流控技術為食品添加劑和農獸藥殘留快速檢測提供了全新的解決方案（表3）。隨著技術發展，微流控平臺將推動食品安全檢測進入新階段，為應對復雜食品安全挑戰提供有力支持。

1.4 食品成分鑒定

傳統的過敏原和成分摻假檢測方法雖然可靠，但通常需要較大樣本量、較長檢測時間，并依賴復雜儀器。CMF因其高效、便捷和精準的特點，在食品過敏原和成分摻假檢測中展現了巨大潛力。

在過敏原檢測中，CMF可以快速、靈敏地識別食品中的過敏原成分，減少食物過敏風險。1）基于電信號檢測，CMF可快速檢測過敏原。Baldo等通過構建一次性電化學微流控設備，利用磁性微珠與卵清蛋白（OVA）抗體和HRP結合，在H2O2與對苯二酚催化下生成電化學信號，從而檢測OVA過敏原；此外，紙基微流控納米適配體傳感器可識別花生過敏原Arah1，并借助黑磷納米片增強信號。2）利用CMF結合熒光檢測，可通過qPCR檢測小麥、芝麻、大豆和榛子等過敏原DNA，利用不同熒光波長定時定量分析，確保準確性并避免假陽性/假陰性；相比之下，利用DMF集成平臺，可減少流體蒸發和氣泡生成，結合SYBR Green試劑進行PCR，不僅可檢測花生DNA，還能擴增芝麻、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌的DNA，展現了其在食品過敏檢測中的潛力。3）結合比色法檢測的CMF技術，可利用LAMP原理在恒溫下擴增花生、芝麻和大豆等過敏原DNA，生成H＋使反應液酸化，利用NeuRed染料實現pH值可視化檢測（淺棕色變為粉紅色），無需昂貴設備；也可利用免疫反應原理，通過固定Ab1抗體捕捉過敏原，使其與雙功能核殼結構金-普魯士藍納米顆粒納米酶結合催化H2O2與2,2’-聯氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）陽離子自由基反應生成綠色氧化物，基于微流控免疫傳感器實現比色法定量檢測。4）CMF聯用其他儀器也可準確分析食物過敏原。Zhou Jinru等則在金電極生物微流控芯片上利用SPR檢測螯肌蛋白與抗體結合引起的折射率變化，實現快速、高靈敏度的無標記過敏原檢測。

對于成分摻假鑒定，CMF亦可結合擴增技術和各類檢測技術精確檢測食品中的成分或摻假成分，保障食品的真實性。1）CMF可集成qPCR技術，Wang Hanling等通過側向流試紙條實現產物可視化檢測，利用特異性測試線區分不同肉類成分，靈敏度達0.01%；Kim等則開發了一種便攜式微流控芯片qPCR系統，用于快速鑒定商業紫菜中6 種易混淆物種，以應對供應鏈中的食品欺詐問題。其微流控核心技術是基于平板式熱塊設計，通過直接接觸芯片表面實現8～11 ℃/s的快速熱傳遞，將qPCR擴增時間縮短至20 min，同時微型流體通道與程序化微波閥協同工作，利用蠕動泵驅動的負壓精確操控10 μL反應體系，實現從試劑加載到信號檢測的全流程自動化控制。系統結合特異性引物靶向紫菜葉綠體基因rbcL和rbcS，采用EvaGreen染料實時監測擴增曲線，無需后續凝膠電泳驗證，并整合快速DNA提取技術，靈敏度達1×10-4 ng，能夠有效解決海藻摻假問題。2）CMF可耦合LAMP反應，在常溫下完成DNA擴增，同步檢測豬、牛、羊及和鴨肉；結合微針技術可直接從肉類中提取DNA并進行芯片級LAMP，通過顯色判斷結果，無需預處理。該技術已拓展至乳品領域，Wang Nan和Yu Wenjie等分別建立了牛奶、駱駝奶、馬奶、山羊奶和牦牛奶的摻假檢測體系。3）CMF結合電化學檢測，Radovanovi?等開發紙質微流控平臺，通過多壁碳納米管沉積提升電導性，基于橄欖油與其他油的介電差異，利用電阻變化定量分析摻混比例。

1.5 食品智能包裝

CMF在食品包裝領域展現出顯著優勢，逐步替代傳統方法，推動包裝技術革新。通過集成時間-溫度指示器、臨界溫度指示器、微生物傳感器和活性包裝等設備，實現了食品供應鏈的全程實時監控。

在技術應用方面，SMF技術主導食品包裝領域，而連續流和DMF技術則更多應用于食品質量評估。其中，CMF在時間溫度指示器中發揮關鍵作用，其通過溫度變化引起微流體的物理性質變化從而實現監控。例如：利用花生油與椰子油比例不同的微流體設定溫度閾值，液體融化后改變介電常數，實現無線溫度檢測；使用山梨醇和木糖醇作為溫度敏感微流體，其流動距離與溫度和時間呈正比，并通過電容變化反映溫度變化過程；采用7 層結構和扇形通道設計監測脂肪酸的流動速率，速率與溫度變化相關；或固體染料熔化后，其遷移距離與系統電阻的協同變化可精確表征溫度狀態。這些方法適用于奶制品、雞蛋及新鮮水果等各種冷鏈的溫度監控，可延長保質期并確保食品安全與質量。

在營養成分分析方面，CMF同樣表現突出。例如，Fan Yiqiang等將紙基微流控設備嵌入牛奶包裝，通過蠟打印通道和通道顯色反應，定性檢測尿素和亞硝酸鹽并分析蛋白質含量，結果可通過手機應用程序獲取，快速、低成本且操作簡單，具有實際應用價值（圖5）。

CMF在食品安全和質量檢測領域潛力巨大，尤其在過敏原檢測、成分鑒定和智能包裝等方面，為傳統方法提供了高效、靈敏且便攜的替代方案。

02

DMF在食品中的應用

2.1 微生物與酶的得選

在食品科學中，得選有益的微生物是必不可少的一環。一些環境微生物可用于開發菌劑治療疾病，如從酸菜湯中分離出的植物乳桿菌提高了E. coli對阿奇霉素的敏感性，從嬰兒腸道微生物群中分離的耐鉛植物乳桿菌能降低人體內鉛水平，減輕鉛中毒對肝腎的損傷。而一些功能性益生菌和工業發酵菌株的得選同樣重要，益生菌既能產生特定代謝物，也可作為載體導入遺傳物質以獲取目標代謝物。如一些益生菌可通過代謝膳食纖維產生短鏈脂肪酸，調節炎癥和免疫反應，從而干預食物過敏，或產生代謝物降低高血壓。此外，Yuan Huiling等則用畢赤酵母作為載體，通過大氣和室溫等離子體（ARTP）誘變與DMF技術高通量得選出高產纖維素酶的突變體。

傳統微生物得選技術因依賴人工涂布、挑菌等操作存在顯著局限性：實驗通量受制于手動流程，單周期得選耗時長達數月；環境因素如培養基成分差異、溫濕度波動易干擾表型表達，導致假陰性率升高，增加優質菌株或罕見微生物漏得風險。傳統劃平板法分離特定功能菌株不僅成本高昂，且效率低下，而DMF技術通過微流控芯片實現高通量得選突破，其單芯片每秒可生成103～106 個微液滴，顯著提升得選效率。例如法國Elveflow公司的Fluidic 947系統通量達1 270 Hz，中國天木生物公司Drem Cell系統通量達10 kHz，英國Dolomite公司Telos系統通過多模塊并行實現70 個液滴單元的同步運行，整體通量可達500 kHz，較傳統方法提升超50 000 倍，為大規模菌株并行得選奠定了硬件基礎。

對于低豐度微生物得選，DMF技術展現出傳統方法難以企及的富集能力。液滴封裝形成的獨立微環境可有效分離在傳統培養中難以被發現的罕見微生物（Apilactobacillus kunkeei、Lactobacillus helsingborgensis、Gilliamella apicola）（相對豐度＜0.01%）。Villa等發現液滴培養的腸道微生物中，有204 種能分解某些多糖，其中94 種是液滴培養中所獨有的。此外，利用DMF平臺封裝糞便微生物，結果發現微生物種群豐富度顯著提高，并得選出耐抗生素的微生物，為治療腸道微生物感染提供了新方法。

DMF系統以其單細胞分辨率的精準操控能力，在微生物組研究和工業生物技術領域實現了雙重突破。在單細胞基因組解析方面，Microbe-Seq技術通過微流控液滴封裝單細胞，結合高通量條形碼標記與全基因組擴增，不僅成功重建了76 種腸道菌的完整基因組，突破了傳統宏基因組分析的物種混雜難題，更首次在單細胞層面揭示了同類細菌間高頻水平基因轉移的動態網絡，為微生物群落的功能互作研究提供了全新視角。而在工業應用領域，該技術通過“精準封裝-高通量得選”的技術范式革新了功能菌株與酶分子的得選體系，針對工業菌株選育，研究人員將甲基磺酸乙酯（EMS）誘變與液滴封裝技術結合，從海量突變體中得選出核黃素產量激增2 000 倍的乳酸菌突變株，并創新性地集成SERS和光鑷技術，實現微液滴內代謝產物的原位檢測與目標菌株實時分選，使得選效率提升成本降低；在酶分子定向進化方向，Agresti等構建的“誘變-封裝-得選”閉環系統通過錯誤傾向PCR（epPCR）誘變酵母文庫，利用液滴微反應器的并行化優勢，從數百萬變異體中高效得選出催化速率提升10 倍的HRP突變體。這種單細胞精度與高通量得選的深度融合，既推動了微生物基因轉移機制的深度解析，又為工業菌株智能化選育和酶分子人工進化構筑了高效技術平臺，彰顯了其在基礎研究與產業應用中的雙重價值（表4）。

正是因為DMF技術可結合多種技術，對特定產物進行檢測，其得選效能突破了限制，可實現液滴動態監測和多維分析得選。傳統平板培養需肉眼觀察菌落形態，僅能獲取顏色、大小等單一表型信息，而液滴系統可實時追蹤微生物生長曲線，同步檢測代謝活性、基因表達等深層指標，將得選周期從數周壓縮至數天。如可以利用DMF技術集成阻抗譜檢測和發光檢測兩種檢測技術，構建了一個低成本、高靈敏度、實時雙模態的檢測系統，能夠準確檢測納升級的生物發光液滴，并同時提供阻抗信息，用于液滴大小與細胞密度的評估，從而實現對生物傳感器性能的更全面分析和優化。DMF技術憑借其高通量、單細胞精度及多參數分析能力，成功突破了傳統菌株得選方法的技術瓶頸。該技術不僅顯著提升了功能性菌株的挖掘效率，還能有效優化食品工業生產流程，尤其在益生菌定向得選、產酶菌株高效挖掘、以及合成生物學菌株構建（如食品添加劑生產或目標蛋白表達）等關鍵領域，展現出重要的應用價值。

2.2 乳液與包封遞送

乳液在食品工業中具有重要作用，包括水包油（O/W）乳液、油包水（W/O）乳液、雙重乳液和無乳化劑乳液。它們能夠提高食品穩定性、延長保質期；改善質地、口感、外觀和色澤；增強脂溶性營養成分（如VA、VD、VE、VK）的生物利用度。此外，乳液還能作為載體運輸親水性、兩親性和脂溶性生物活性成分。

傳統乳液制備方法（如高壓均質、膠體磨、超聲處理）存在粒徑分布不均、能效低（僅5%能量用于乳液生成）及可能破壞活性成分等局限。相比之下，微流控技術通過精確控制微通道流體行為，可高效制備分散乳液，精確調節粒徑和穩定性，同時具有節能和保護活性成分的優勢，已成功用于構建固體脂質顆粒、微凝膠、脂質體等均一遞送系統，在營養包埋、靶向遞送及控制領域表現突出。微流控芯片還可精確控制釋放速率，滿足藥物及功能食品的精確遞送需求，為食品和生物醫學領域提供革新性解決方案。

許多研究利用微流控系統合成食品級乳液。1）DMF制備單重乳液：有研究利用由豆渣油和聚丙烯酸-普朗尼克共聚物組成的油包水（W/O）乳液包埋乳酸菌，或利用由紅花油、橄欖油和大豆蛋白分離物溶液組成的水包油（O/W）乳液封裝葉黃素等分子活性物質，通過精確控制乳液滴的大小和組成，提高這些活性物質在消化道中的穩定性和生物利用度。2）DMF制備多重乳液：通過溫控三相玻璃毛細管微流控調整三相流速比，成功減少油脂含量并提高乳液穩定性，同時保持與單重乳液相似的口感。3）DMF構建多種遞送系統：通過調整流速、流量及材料比，可合成不同固體脂質納米粒用于包埋親水性胰蛋白酶和親脂性睪酮，或制備藻酸鹽和κ-卡拉膠共聚物微凝膠以提高蛋白質封裝效率、控制性能及機械強度。4）DMF構建囊泡與脂質體：丁香寧的非離子表面活性劑囊泡和丁香酚脂質體的微流控制備技術相比傳統水膜法，展現出更優的包封效率、穩定性及生物利用度。

乳液在食品工業中可用于提高活性成分的穩定性、延長保質期，并改善溶液的口感和營養。傳統制備乳液的方法在粒徑控制和能效上有限，而微流控技術通過精確流體控制，能夠顯著提升乳液的制備效率、粒徑調節和穩定性，同時保護生物活性成分。該技術廣泛應用于食品、藥物遞送和生物醫學領域，為保護、靶向遞送和受控釋放生物活性成分提供了創新解決方案（表5）。

03

結 語

CMF和DMF兩大技術體系為食品檢測、質量控制及營養強化提供精準、高效、經濟的解決方案。CMF通過層流調控實現快速檢測與反應控制，已成功結合電化學、化學發光、免疫分析等技術應用于食品安全檢測、食品成分鑒定及智能包裝傳感器開發，并逐步從實驗室向產業化過渡，形成局部商業化產品。DMF則依托液滴操控，結合PCR、熒光、SERS等技術，推動益生菌得選、乳液、包封遞送系統的初步產業化突破，但其大規模生產仍受限。未來需重點突破CMF與DMF在檢測與信號處理技術、芯片材料與制造工藝、標準化與規模化生產以及自動化檢測、定向進化與集成便攜化應用的平臺構建等方面的技術瓶頸，通過跨學科融合推動深度革新，同時展望CMF技術和DMF技術在未來跨學科多元化以及協同創新方面的應用。

1）檢測與信號處理技術提升：在多重檢測與靈敏度優化方面，通過融合成簇規律間隔短回文重復序列及其相關蛋白基因系統、分子印跡聚合物及適配體探針，突破多污染物同步檢測與痕量分析（如單細胞級病原體識別）的技術瓶頸，有效抑制食品基質熒光背景干擾，提升特異性并降低誤判率；同時，開發多模態傳感芯片（如集成磁阻抗傳感器的DMF系統），實現液滴內pH值、氧含量等參數微米級分辨率監測，結合聲/光/電多物理場耦合技術，構建非標記實時檢測體系，解決多傳感器信號串擾問題；此外，依托區塊鏈與物聯網技術建立加密數據鏈，攻克微型無線模塊近場通信（集成與隱私合規性挑戰，形成“農田-餐桌”全鏈可追溯的智能監控閉環，為食品安全提供高靈敏、高可靠、全周期保障。

2）芯片材料與制造工藝突破：微流控芯片技術正迎來材料與制造工藝的重大突破，其中環保型可降解材料如紙基和聚合物成為研發重點，這些材料不僅提升了芯片的機械強度和穩定性，還能有效解決傳統PDMS材料成本高和形變、污染等問題。針對CMF技術的紙基芯片，需提升其防水性和靈敏度，而DMF芯片則需開發耐受121 ℃高溫滅菌和強酸堿環境的高性能材料，確保生物實驗室的無污染操作，同時開發動態共價聚合物自修復芯片以進一步延長芯片使用壽命。在制造工藝方面，卷對卷加工柔性基材技術的開發顯著降低了生產成本；飛秒激光3D打印技術的應用則進一步實現fL級液滴的精準操作，提高通量實驗；而微納3D打印技術則推動了一體化芯片的直接制造。為適應田間和倉儲等復雜環境，新型芯片需整合三防封裝、抗沖擊設計和太陽能自供能模塊，構建出可靠的被動檢測系統。量產環節則需通過自動化質控將良品率提升至95%以上，重點解決了微通道堵塞和電極失效等問題。在此基礎上，開放式模塊化架構的微流控芯片設計賦予用戶靈活組合微流道結構和功能模塊的能力，實現實驗需求的高度適配。

3）標準化與規模化生產：未來要建立統一的芯片設計-制造-檢測標準體系，解決不同實驗室/廠商芯片性能差異與良品率難題，開發自動化質控系統實現產業化躍升。

4）自動化檢測、定向進化與集成便攜化應用的平臺構建：未來微流控技術將圍繞自動化檢測、定向進化與集成便攜化平臺構建展開。智能化檢測平臺利用人工智能算法動態優化流體參數及檢測流程，開發全自動樣品進-結果出系統，并集成芯片實現數據實時分析與邊緣計算以降低云端依賴。自適應生物進化平臺通過液滴內原位誘變與表型檢測聯動技術，自主完成微生物培養、選擇壓力施加及代謝監測，實現菌株得選與酶分子定向進化全流程無人化操作。合成生物學仿生微環境平臺則可利用DMF技術構建人工細胞膜包裹的合成細胞器，實現功能模塊區室化組裝，結合CMF技術與3D打印制備分辨率達10 μm的仿生血管網絡以模擬組織工程的物質梯度供給環境。針對多模塊集成中的信號干擾與設備便攜性限制，通過優化接口設計、抗干擾算法及毛細作用等無泵化實現被動流控，在提升系統兼容性的同時推動設備小型化與低功耗化。

5）微流控技術未來跨學科多元化應用：未來微流控技術將跨學科拓展至食品工業、生物醫學及航天工程領域。在食品工業中，CMF芯片可集成于加工管線實現原位動態監測，例如實時追蹤發酵過程中酵母代謝產物并精準調控參數以提升風味控制精度，或嵌入灌裝設備同步檢測乳制品毒素殘留并上傳云端質控中心，同時結合智能包裝技術通過感知肉類腐敗物質實現安全預警。生物醫學領域重點開發可穿戴傳感貼片與便攜檢測設備，前者通過微流控技術采集汗液與多模態分析實時預警脫水風險，后者支持指尖血樣本快速定量凝血參數。面向航天工程，嵌入式微流控系統可集成于艙外航天服，實時監測多維生理指標并構建深空極端環境下的閉環生命保障體系。

6）CMF與DMF的協同創新應用：未來CMF與DMF的協同創新將推動智能質控與閉環營養工程發展。在智能質控領域，CMF負責前端快速得查原料污染物，DMF負責后端對陽性樣本進行單細胞級病原體分型，建立分級預警機制。閉環營養工程中，CMF-DMF聯用芯片通過持續監測人體汗液電解質流失數據，動態驅動DMF合成含特定微量元素的微膠囊，并利用胃腸道滯留型水凝膠實現12 h緩釋，形成監測-補充-評估的循環體系。

引文格式：

謝嘉俊, 楊東, 林建涵, 等. 微流控技術在食品研究中的應用[J]. 食品科學, 2025, 46(18): 317-332. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250310-072.

XIE Jiajun, YANG Dong, LIN Jianhan, et al. Recent advances in the application of microfluidic technology in food science[J].Food Science, 2025, 46(18): 317-332. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250310-072.

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

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