核桃油微乳制备及水、油渗滤阈值研究

满妍妍 张丽君 徐怀德 刘世芳

（西北农林科技大学食品科学与工程学院1，杨凌 712100）（西北农林科技大学机械与电子工程学院2，杨凌 712100）

核桃油微乳制备及水、油渗滤阈值研究

满妍妍1张丽君2徐怀德1刘世芳1

（西北农林科技大学食品科学与工程学院1，杨凌 712100）（西北农林科技大学机械与电子工程学院2，杨凌 712100）

研究了无水乙醇、丙三醇和1、2－丙二醇3种助表面活性剂的种类及含量对核桃油微乳制备的影响，并测定了核桃油微乳体系的水、油渗滤阈值。在此基础上，通过单因素设计对核桃油微乳体系的水、油渗滤阈值进行预测。结果表明：3种助表面活性剂形成微乳区域按由大到小依次为无水乙醇＞1、2－丙二醇＞丙三醇；随着无水乙醇含量的增加，所形成微乳区域逐渐增大，以核桃油∶无水乙醇＝1∶3时形成微乳区域最大，此时核桃油微乳水、油渗滤阈值分别为40%和70%，对应的剪切黏度和电导率值分别为7.52 Pa·s和270μS／cm；单因素设计预测的核桃油微乳水、油渗滤阈值分别为40.72%和69.53%，对应的剪切黏度和电导率值分别为7.51 Pa·s和271.40μS／cm，因而得出结论：单因素设计能精确地预测核桃油微乳体系的水、油渗滤阈值。

核桃油微乳 伪三元相图 水、油渗透阈值

核桃是世界重要的坚果和木本油料。其产量、面积最大的是中国和美国，中国核桃栽培面积超过150万hm，产量近128万t，国家已将核桃纳入木本油料发展规划。核桃油富含脂肪酸，其中油酸、亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸质量分数高达90%，此外核桃油还含有丰富的维生素E、微量元素及黄酮类化合物［1］，研究表明核桃油有抗氧化［2］、降血脂［3］、提高记忆力［4］等功效。

微乳是Hoar等［5］于1943年首次提出的，它是一种由油、水、表面活性剂及助表面活性剂自发形成的热力学稳定、外观透明、各项同性的分散体系。微乳有水包油型（O／W）、油包水型（W／O）和双连续型（B.C），因此它既可以作为油溶性物质的溶剂，也可作为水溶性物质的分散介质，将其应用于食品中能够提高食品中难溶性营养物质、风味物质以及风味增强剂等物质的溶解度，且能使不稳定成分抵抗外界环境，如氧、光、热、酸碱等的影响，防止食品在加工与保藏过程中质量变差［6］。程娟等［7］以棕榈油为油相制备微乳，提高了乳化剂在水中的溶解度，进而改善了速冻水饺的品质；Spernath等［8］以柠檬精油为油相制备的微乳提高了番茄红素的溶解度。将核桃油直接做为油相生产微乳既可充分利用核桃油的营养价值，又可提高微乳形成范围和减少辅料用量［9］，且微乳化技术生产简单，因而其在核桃油深加工方面具有较好的应用前景。

通过微乳的微观结构可以判断微乳的类型，目前研究微乳微观结构的物理方法主要有小角度X射线散射（SAXS）、小角度中子散射（SANS）、动态光散射（DLS），核磁共振 （NMR）、透射电子显微镜（TEM）、电导率测定、剪切黏度测定等技术，其中应用最为广泛的是电导率及剪切黏度测定。有研究表明，剪切黏度及电导率的变化与微乳体系中含水量密切相关［10－11］，可以反映体系的结构转变，结构转变点即水渗滤阈值和油渗滤阈值。Fanun［12］，Jeirani等［13］，Lv等［14］通过将电导率 －含水量曲线进行对数转换等处理对体系的渗滤阈值进行判定；Fanun［15］，Jeirani等［16］通过剪切黏度 －含水量曲线研究了剪切黏度曲线呈驼峰形（曲线有2个最大值）的微乳体系的水、油渗滤阈值，但是对于剪切黏度曲线呈钟形（曲线只有1个最大值）的微乳体系的水、油渗滤阈值的研究鲜有报道，因此本试验旨在结合电导率与剪切黏度，研究该类型微乳体系的水、油渗滤阈值，并通过响应面法中的单因素设计利用少量的数据建立并优化模型以预测微乳体系的水、油渗滤阈值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

核桃油（一级冷榨核桃油）：陕西海源生态农业有限公司。

Tween 80、丙三醇：天津博迪化工股份有限公司；无水乙醇、1、2－丙二醇：成都市科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

HJ－4A数显恒温多头磁力搅拌器：金坛市杰瑞尔电器有限公司；AR 1000旋转流变仪：美国TA公司；DDS－11D电导率仪：上海精科雷磁。

1.3 试验方法

1.3.1 核桃油微乳的制备

1.3.1.1 助表面活性剂种类对核桃油微乳区的影响

将核桃油分别与无水乙醇、丙三醇及1、2－丙二醇按质量比1∶1混合，然后将该混合物与Tween 80按质量比9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9和0∶10混合，磁力搅拌条件下逐滴加入去离子水，当体系由浑浊变澄清或由澄清变浑浊时，记录临界点加入水的质量，计算临界点各组分（Tween 80、油相、水相）的质量分数，以Tween 80、油＋助表面活性剂和水作为3个顶点，并根据质量分数来确定该临界点在相图中的位置，将各临界点用曲线连接起来，绘制出伪三元相图［17］。

1.3.1.2助表面活性剂含量对核桃油微乳区的影响

将核桃油分别与无水乙醇按质量比3∶1、2∶1、1∶1、1∶2及1∶3混合，然后将该混合物与Tween 80按质量比 9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9和0∶10混合，磁力搅拌条件下逐滴加入去离子水，当体系由浑浊变澄清或由澄清变浑浊时，记录临界点加入水的质量，计算临界点各组分（Tween 80、油相、水相）的质量分数，以Tween 80、油＋助表面活性剂和水作为3个顶点，并根据质量分数来确定该临界点在相图中的位置，将各临界点用曲线连接起来，绘制出伪三元相图［17］。

1.3.1.3 核桃油微乳样品的制备

固定核桃油∶无水乙醇＝1∶3，（核桃油＋无水乙醇）∶Tween 80＝1∶9，在磁力搅拌下，逐滴加入去离子水，使其在体系中的质量分数分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和 90%。当去离子水全部加入后，继续搅拌30min后装入干净的、密封性较好的容器中静置，用于剪切黏度及电导率的测定。

1.3.2 核桃油微乳剪切黏度测定

25℃条件下，固定剪切速率100 s－1，测定样品的剪切黏度。试验所用椎板直径40 mm，角度2°，样品与椎板的间隙为52μm。

1.3.3 核桃油微乳电导率测定

［18］。

1.3.4 核桃油微乳渗滤阈值的判定

分别绘制含水量－剪切黏度曲线，含水量－电导率曲线，曲线的峰值分别是体系的水渗滤阈值［19］和油渗滤阈值［11］。

1.3.5 单因素设计预测核桃油微乳的水渗滤阈值

以剪切黏度为响应值，建立其与含水量的回归方程。通过单因素设计，建立两者的函数模型，检验模型的精确度，将确定的模型优化以预测微乳体系的水渗滤阈值。

1.3.6 单因素设计预测核桃油微乳的油渗滤阈值

以电导率为响应值，方法同1.3.5。

2 结果与分析

2.1 核桃油微乳的制备

2.1.1 助表面活性剂种类对核桃油微乳形成区域的影响

考察了无水乙醇、1、2－丙二醇和丙三醇3种助表面活性剂对核桃油微乳形成区域的影响，见图1。

图1 助表面活性剂种类对核桃油微乳形成区域的影响

图2 不同无水乙醇含量对核桃油微乳形成区域的影响

图1可见，3种助表面活性剂形成微乳区域面积依次为无水乙醇＞1、2－丙二醇＞丙三醇。助表面活性剂能够与表面活性剂形成混合界面膜，降低界面张力及表面活性剂分子间的排斥力和电荷斥力，增加界面膜的柔顺性和流动性，减少形成微乳所需的界面弯曲能，促进微乳的形成，同时助表面活性剂可以降低形成微乳所需的表面活性剂的量。3种助表面活性剂中无水乙醇相对分子质量最小，更容易插入表面活性剂的单分子膜，有利于微乳的形成，而1、2－丙二醇和丙三醇黏度相对较大，易形成液晶或凝胶，因此微乳区面积相对较小。

2.1.2 助表面活性剂含量对核桃油微乳区域的影响

以无水乙醇为助表面活性剂，考察了核桃油∶无水乙醇 ＝3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和 1∶3共5种条件对核桃油微乳形成区域的影响，结果如图2所示。由图2可以看出，随着无水乙醇含量的增加，微乳区域面积逐渐增大，以无水乙醇∶核桃油＝1∶3时形成的微乳区域面积最大。这是因为随着助表面活性剂含量的增加，降低了形成微乳所需的表面活性剂含量。

2.2 核桃油微乳体系水渗滤阈值的判定

核桃油微乳体系的剪切黏度（η）随含水量（Φ）的变化如图3所示。由图3可以看出，随着含水量的增加，剪切黏度呈先增大后减小的趋势，当Φ＝40%时，η达到最大值，即水渗滤阈值，此时微乳由W／O型向BC型转变，随着Φ的继续增加，η逐渐减小，体系由BC型向O／W型转变。当Φ＜40%时，随着Φ的增加，微乳体系的η逐渐增大，这是因为随着Φ的增加，微乳液滴的浓度、体积增大，彼此的间距减小，液滴间相互吸引力增强，彼此发生剧烈的黏性碰撞并聚集成簇，因此 η逐渐增大［20］。当 Φ＞40%时，随着Φ的继续增加，η逐渐降低，这一方面是体系中黏度较大的Tween 80的含量降低，黏度较小的水成为连续相［21－22］，另一方面是微乳液滴的浓度降低，粒子间的相互作用减弱，黏性碰撞减弱，因此η减小。

图3 核桃油微乳体系剪切黏度随含水量的变化

2.3 核桃油微乳体系油渗滤阈值的判定

核桃油微乳体系的电导率（σ）随含水量（Φ）的变化如图4所示。

图4 核桃油微乳体系电导率随含水量的变化

图4可见，随着含水量的增加，电导率曲线分为3段，即急剧上升、平缓上升至最大值和下降，分别对应微乳的3种结构类型：W／O、BC和 O／W［7］。当 Φ较低时，σ缓慢增加，此时微乳液滴浓度较小，彼此分离且镶嵌于不导电的油连续相中，因此σ较低。当Φ＝20%（ΦC）时，σ迅速上升，ΦC为渗滤阈值，即随着Φ的增加，电导σ率开始迅速增大时体系的含水量，此时微乳液滴浓度和体积开始逐渐增大，相互作用增强并聚集成簇；当20%＜Φ＜50%（Φb）时，σ直线上升，Φb为水渗滤阈值，即电导率呈直线上升和缓慢上升的转折点，当Φ大于Φb时，电导率呈缓慢上升趋势；当50%＜Φ＜70%（Φm）时，σ呈缓慢增加趋势，体系的电导率达到最大值时所对应的含水量Φm为油渗滤阈值，此时微乳体系由W／O型向BC型转变，体系处于油和水都为局部连续的过渡态即双连续区，σ随Φ增加平缓达到最大值，表明体系由BC型向O／W型转变。含水量70%＜Φ＜90%时，σ逐渐下降，因为随着Φ的增加，微乳液滴浓度逐渐降低，液滴之间的相互作用减弱。

2.4 应用单因素设计对核桃油微乳体系水渗滤阈值进行预测

以剪切黏度（η）为响应值，建立其与含水量（Φ）的回归方程。7个设计点的Φ及相应的η见表1。

表1 单因素设计的7个设计点的含水量及相应的剪切黏度值

对剪切黏度关于含水量的函数进行回归分析，得到关于响应值η的三次方程式模型。为提高模型的精确度，对响应值进行平方根的倒数转换。最后得到的模型为：

对模型进行方差分析（ANOVA），见表2。由表2可以看出，模型的F值为62 685．14，P值小于0．000 1，表明模型显著。此外，模型的其他参数的P值小于0．000 1，表明模型的其他参数显著。模型的R2及调整R2值均为1，模型的标准差为0.035，表明模型的预测值与试验值非常接近。

表2 单因素设计的水渗滤阈值预测模型的方差分析结果

通过对预测模型进行绘图可以对模型的精确度进行进一步的评价。对预测模型进行绘图，见图5。

图5 单因素设计的水渗滤阈值预测模型所绘图形

由图5可以看出，预测模型得到的含水量（Φ）－剪切黏度（η）曲线的趋势与图3相似。因此，模型可以较好的预测微乳η与Φ的关系。最后通过对模型进行数值优化，得到η最大时所对应的Φ，即水渗滤阈值。通过Design expert优化得到当Φ为40.72%时η最大，为7.51 Pa·s。因此，微乳体系的水渗滤阈值为40.72%，与试验值40%相比，误差为1.8%，因此通过单因素设计能预测的体系的水渗滤阈值。

2.5 应用单因素设计对核桃油微乳体系油渗滤阈值进行预测

以电导率（σ）作为响应值，建立其与含水量（Φ）的回归方程。7个设计点的Φ及相应的σ见表3。对电导率关于含水量的函数进行回归分析，得到关于响应值σ的三次方程式模型。为提高模型的精确度，对响应值进行相应的自然对数转换。最后得到的模型见式（2）。

表3 单因素设计中7个设计点的含水量及相应的电导率值

对模型进行方差分析（ANOVA），见表4。可以看出，F值为25 844．85，P值 ＜0．000 1，表明模型显著。模型的一次项、二次项P值小于0．000 1，三次项P＝0．003 6，表明模型的其他参数显著。模型的R2及调整R2值分别1.000 0和 0.999，标准差为0.011，表明模型的预测值与试验值高度一致。

表4 单因素设计的油渗滤阈值预测模型的方差分析结果

对预测模型进行绘图可对模型的精确度进行进一步的评价。对预测模型进行绘图，见图6。可以看出，预测模型得到的含水量－电导率曲线的趋势与图4相似。因此，模型可以良好的预测微乳体系σ与Φ的关系。最后通过对模型进行数值优化，得到σ值最大时所对应的Φ，即油渗滤阈值。通过Design expert优化得到当Φ为69.53%时σ值最大，为271.40μS／cm。因此，微乳体系的油渗滤阈值为69.53%，与试验所得的相比，误差为0.67%，表明通过单因素设计能预测的体系的油渗滤阈值。

图6 单因素设计的油渗滤阈值预测模型所绘图形

3 结论

无水乙醇、丙三醇和1、2－丙二醇3种助表面活性剂形成微乳区域按由大到小依次为无水乙醇＞1、2－丙二醇＞丙三醇。以无水乙醇为助表面活性剂，随着其含量的增加，所形成微乳区域逐渐增大，在本试验选取参数范围内，以核桃油∶无水乙醇＝1∶3时形成微乳区域最大。

单因素设计所预测的水、油渗滤阈值分别为40.72%和69.53%，同试验值40%和70%相比，误差分别为1.8%和0.67%，对应的剪切黏度和电导率值分别为 7.51 Pa·s和 271.40μS／cm，与试验值7.52 Pa·s和270μS／cm相比，误差分别为－0.084%和0.15%；单因素设计能通过较少的数据，精确的预测微乳体系的水、油渗滤阈值。

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The Study on Preparation of Walnut Oil Microemulsion and Water／Oil Percolation Threshold

Man Yanyan1Zhang Lijun2Xu Huaide1Liu Shifang1

（College of food science and engineering1Northwest Agriculture and Forest University，Yangling 712100）（College of Mechanical and Electronic Engineering2Northwest Agriculture and Forest University，Yangling 712100）

In this paper，the effects of the kinds and contents of three kinds of cosurfactants－anhydrous ethano，glycerol and 1，2 propylene glycol on the preparation of walnut oil microemulsion were studied and the water／oil percolation threshold values of the walnut oil microemulsion were determined.On that basis，we also predicted the water／oil percolation threshold values of walnut oil microemulsion with single－factor design.The results showed that the microemulsion area of walnut oil microemulsion prepared with these three cosurfactants from big to small was anhydrous ethanol＞1，2 propylene glycol＞glycerol.With the increasement of anhydrous ethanol，the microemulsion area of the walnut oil microemulsion increased gradually.When walnut oil∶anhydrous ethanol＝1∶3，the microemulsion area of the walnut oil microemulsion was the largest，the corresponding water／oil percolation threshold values of walnut oil microemulsion were 40%and 70%respectively and the corresponding shear viscosity and conductivity values were 7.52 Pa·Sand 270μS／cm respectively.The prediction values of single－factor design for the water／oil percolation threshold values of walnut oil microemulsion were 40.72%and 69.53%respectively，the corresponding shear viscosity and conductivity values were 7.51 Pa·Sand 271.40μS／cm respectively.The single－factor design can accurately predict the water／oil percolation threshold values of walnut oil microemulsion system.

walnut oil microemulsion，pseudo ternary phase diagram，water／oil percolation threshold value

TS224.8

A

1003－0174（2015）04－0080－06

林业公益专项（201004027）

2013－12－31

满妍妍，女，1988年出生，硕士，果蔬贮藏与加工

徐怀德，男，1964年出生，教授，软饮料、果品蔬菜贮藏与加工、天然产物提取