核桃油微乳制備及水、油滲濾閾值研究

滿妍妍 張麗君 徐懷德 劉世芳

（西北農(nóng)林科技大學食品科學與工程學院1，楊凌 712100）（西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院2，楊凌 712100）

核桃油微乳制備及水、油滲濾閾值研究

滿妍妍1張麗君2徐懷德1劉世芳1

（西北農(nóng)林科技大學食品科學與工程學院1，楊凌 712100）（西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院2，楊凌 712100）

研究了無水乙醇、丙三醇和1、2－丙二醇3種助表面活性劑的種類及含量對核桃油微乳制備的影響，并測定了核桃油微乳體系的水、油滲濾閾值。在此基礎上，通過單因素設計對核桃油微乳體系的水、油滲濾閾值進行預測。結(jié)果表明：3種助表面活性劑形成微乳區(qū)域按由大到小依次為無水乙醇＞1、2－丙二醇＞丙三醇；隨著無水乙醇含量的增加，所形成微乳區(qū)域逐漸增大，以核桃油∶無水乙醇＝1∶3時形成微乳區(qū)域最大，此時核桃油微乳水、油滲濾閾值分別為40%和70%，對應的剪切黏度和電導率值分別為7.52 Pa·s和270μS／cm；單因素設計預測的核桃油微乳水、油滲濾閾值分別為40.72%和69.53%，對應的剪切黏度和電導率值分別為7.51 Pa·s和271.40μS／cm，因而得出結(jié)論：單因素設計能精確地預測核桃油微乳體系的水、油滲濾閾值。

核桃油微乳 偽三元相圖 水、油滲透閾值

核桃是世界重要的堅果和木本油料。其產(chǎn)量、面積最大的是中國和美國，中國核桃栽培面積超過150萬hm，產(chǎn)量近128萬t，國家已將核桃納入木本油料發(fā)展規(guī)劃。核桃油富含脂肪酸，其中油酸、亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸質(zhì)量分數(shù)高達90%，此外核桃油還含有豐富的維生素E、微量元素及黃酮類化合物［1］，研究表明核桃油有抗氧化［2］、降血脂［3］、提高記憶力［4］等功效。

微乳是Hoar等［5］于1943年首次提出的，它是一種由油、水、表面活性劑及助表面活性劑自發(fā)形成的熱力學穩(wěn)定、外觀透明、各項同性的分散體系。微乳有水包油型（O／W）、油包水型（W／O）和雙連續(xù)型（B.C），因此它既可以作為油溶性物質(zhì)的溶劑，也可作為水溶性物質(zhì)的分散介質(zhì)，將其應用于食品中能夠提高食品中難溶性營養(yǎng)物質(zhì)、風味物質(zhì)以及風味增強劑等物質(zhì)的溶解度，且能使不穩(wěn)定成分抵抗外界環(huán)境，如氧、光、熱、酸堿等的影響，防止食品在加工與保藏過程中質(zhì)量變差［6］。程娟等［7］以棕櫚油為油相制備微乳，提高了乳化劑在水中的溶解度，進而改善了速凍水餃的品質(zhì)；Spernath等［8］以檸檬精油為油相制備的微乳提高了番茄紅素的溶解度。將核桃油直接做為油相生產(chǎn)微乳既可充分利用核桃油的營養(yǎng)價值，又可提高微乳形成范圍和減少輔料用量［9］，且微乳化技術(shù)生產(chǎn)簡單，因而其在核桃油深加工方面具有較好的應用前景。

通過微乳的微觀結(jié)構(gòu)可以判斷微乳的類型，目前研究微乳微觀結(jié)構(gòu)的物理方法主要有小角度X射線散射（SAXS）、小角度中子散射（SANS）、動態(tài)光散射（DLS），核磁共振 （NMR）、透射電子顯微鏡（TEM）、電導率測定、剪切黏度測定等技術(shù)，其中應用最為廣泛的是電導率及剪切黏度測定。有研究表明，剪切黏度及電導率的變化與微乳體系中含水量密切相關(guān)［10－11］，可以反映體系的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變點即水滲濾閾值和油滲濾閾值。Fanun［12］，Jeirani等［13］，Lv等［14］通過將電導率 －含水量曲線進行對數(shù)轉(zhuǎn)換等處理對體系的滲濾閾值進行判定；Fanun［15］，Jeirani等［16］通過剪切黏度 －含水量曲線研究了剪切黏度曲線呈駝峰形（曲線有2個最大值）的微乳體系的水、油滲濾閾值，但是對于剪切黏度曲線呈鐘形（曲線只有1個最大值）的微乳體系的水、油滲濾閾值的研究鮮有報道，因此本試驗旨在結(jié)合電導率與剪切黏度，研究該類型微乳體系的水、油滲濾閾值，并通過響應面法中的單因素設計利用少量的數(shù)據(jù)建立并優(yōu)化模型以預測微乳體系的水、油滲濾閾值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

核桃油（一級冷榨核桃油）：陜西海源生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司。

Tween 80、丙三醇：天津博迪化工股份有限公司；無水乙醇、1、2－丙二醇：成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

HJ－4A數(shù)顯恒溫多頭磁力攪拌器：金壇市杰瑞爾電器有限公司；AR 1000旋轉(zhuǎn)流變儀：美國TA公司；DDS－11D電導率儀：上海精科雷磁。

1.3 試驗方法

1.3.1 核桃油微乳的制備

1.3.1.1 助表面活性劑種類對核桃油微乳區(qū)的影響

將核桃油分別與無水乙醇、丙三醇及1、2－丙二醇按質(zhì)量比1∶1混合，然后將該混合物與Tween 80按質(zhì)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，磁力攪拌條件下逐滴加入去離子水，當體系由渾濁變澄清或由澄清變渾濁時，記錄臨界點加入水的質(zhì)量，計算臨界點各組分（Tween 80、油相、水相）的質(zhì)量分數(shù)，以Tween 80、油＋助表面活性劑和水作為3個頂點，并根據(jù)質(zhì)量分數(shù)來確定該臨界點在相圖中的位置，將各臨界點用曲線連接起來，繪制出偽三元相圖［17］。

1.3.1.2助表面活性劑含量對核桃油微乳區(qū)的影響

將核桃油分別與無水乙醇按質(zhì)量比3∶1、2∶1、1∶1、1∶2及1∶3混合，然后將該混合物與Tween 80按質(zhì)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，磁力攪拌條件下逐滴加入去離子水，當體系由渾濁變澄清或由澄清變渾濁時，記錄臨界點加入水的質(zhì)量，計算臨界點各組分（Tween 80、油相、水相）的質(zhì)量分數(shù)，以Tween 80、油＋助表面活性劑和水作為3個頂點，并根據(jù)質(zhì)量分數(shù)來確定該臨界點在相圖中的位置，將各臨界點用曲線連接起來，繪制出偽三元相圖［17］。

1.3.1.3 核桃油微乳樣品的制備

固定核桃油∶無水乙醇＝1∶3，（核桃油＋無水乙醇）∶Tween 80＝1∶9，在磁力攪拌下，逐滴加入去離子水，使其在體系中的質(zhì)量分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和 90%。當去離子水全部加入后，繼續(xù)攪拌30min后裝入干凈的、密封性較好的容器中靜置，用于剪切黏度及電導率的測定。

1.3.2 核桃油微乳剪切黏度測定

25℃條件下，固定剪切速率100 s－1，測定樣品的剪切黏度。試驗所用椎板直徑40 mm，角度2°，樣品與椎板的間隙為52μm。

1.3.3 核桃油微乳電導率測定

［18］。

1.3.4 核桃油微乳滲濾閾值的判定

分別繪制含水量－剪切黏度曲線，含水量－電導率曲線，曲線的峰值分別是體系的水滲濾閾值［19］和油滲濾閾值［11］。

1.3.5 單因素設計預測核桃油微乳的水滲濾閾值

以剪切黏度為響應值，建立其與含水量的回歸方程。通過單因素設計，建立兩者的函數(shù)模型，檢驗模型的精確度，將確定的模型優(yōu)化以預測微乳體系的水滲濾閾值。

1.3.6 單因素設計預測核桃油微乳的油滲濾閾值

以電導率為響應值，方法同1.3.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃油微乳的制備

2.1.1 助表面活性劑種類對核桃油微乳形成區(qū)域的影響

考察了無水乙醇、1、2－丙二醇和丙三醇3種助表面活性劑對核桃油微乳形成區(qū)域的影響，見圖1。

圖1 助表面活性劑種類對核桃油微乳形成區(qū)域的影響

圖2 不同無水乙醇含量對核桃油微乳形成區(qū)域的影響

圖1可見，3種助表面活性劑形成微乳區(qū)域面積依次為無水乙醇＞1、2－丙二醇＞丙三醇。助表面活性劑能夠與表面活性劑形成混合界面膜，降低界面張力及表面活性劑分子間的排斥力和電荷斥力，增加界面膜的柔順性和流動性，減少形成微乳所需的界面彎曲能，促進微乳的形成，同時助表面活性劑可以降低形成微乳所需的表面活性劑的量。3種助表面活性劑中無水乙醇相對分子質(zhì)量最小，更容易插入表面活性劑的單分子膜，有利于微乳的形成，而1、2－丙二醇和丙三醇黏度相對較大，易形成液晶或凝膠，因此微乳區(qū)面積相對較小。

2.1.2 助表面活性劑含量對核桃油微乳區(qū)域的影響

以無水乙醇為助表面活性劑，考察了核桃油∶無水乙醇 ＝3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和 1∶3共5種條件對核桃油微乳形成區(qū)域的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著無水乙醇含量的增加，微乳區(qū)域面積逐漸增大，以無水乙醇∶核桃油＝1∶3時形成的微乳區(qū)域面積最大。這是因為隨著助表面活性劑含量的增加，降低了形成微乳所需的表面活性劑含量。

2.2 核桃油微乳體系水滲濾閾值的判定

核桃油微乳體系的剪切黏度（η）隨含水量（Φ）的變化如圖3所示。由圖3可以看出，隨著含水量的增加，剪切黏度呈先增大后減小的趨勢，當Φ＝40%時，η達到最大值，即水滲濾閾值，此時微乳由W／O型向BC型轉(zhuǎn)變，隨著Φ的繼續(xù)增加，η逐漸減小，體系由BC型向O／W型轉(zhuǎn)變。當Φ＜40%時，隨著Φ的增加，微乳體系的η逐漸增大，這是因為隨著Φ的增加，微乳液滴的濃度、體積增大，彼此的間距減小，液滴間相互吸引力增強，彼此發(fā)生劇烈的黏性碰撞并聚集成簇，因此 η逐漸增大［20］。當 Φ＞40%時，隨著Φ的繼續(xù)增加，η逐漸降低，這一方面是體系中黏度較大的Tween 80的含量降低，黏度較小的水成為連續(xù)相［21－22］，另一方面是微乳液滴的濃度降低，粒子間的相互作用減弱，黏性碰撞減弱，因此η減小。

圖3 核桃油微乳體系剪切黏度隨含水量的變化

2.3 核桃油微乳體系油滲濾閾值的判定

核桃油微乳體系的電導率（σ）隨含水量（Φ）的變化如圖4所示。

圖4 核桃油微乳體系電導率隨含水量的變化

圖4可見，隨著含水量的增加，電導率曲線分為3段，即急劇上升、平緩上升至最大值和下降，分別對應微乳的3種結(jié)構(gòu)類型：W／O、BC和 O／W［7］。當 Φ較低時，σ緩慢增加，此時微乳液滴濃度較小，彼此分離且鑲嵌于不導電的油連續(xù)相中，因此σ較低。當Φ＝20%（ΦC）時，σ迅速上升，ΦC為滲濾閾值，即隨著Φ的增加，電導σ率開始迅速增大時體系的含水量，此時微乳液滴濃度和體積開始逐漸增大，相互作用增強并聚集成簇；當20%＜Φ＜50%（Φb）時，σ直線上升，Φb為水滲濾閾值，即電導率呈直線上升和緩慢上升的轉(zhuǎn)折點，當Φ大于Φb時，電導率呈緩慢上升趨勢；當50%＜Φ＜70%（Φm）時，σ呈緩慢增加趨勢，體系的電導率達到最大值時所對應的含水量Φm為油滲濾閾值，此時微乳體系由W／O型向BC型轉(zhuǎn)變，體系處于油和水都為局部連續(xù)的過渡態(tài)即雙連續(xù)區(qū)，σ隨Φ增加平緩達到最大值，表明體系由BC型向O／W型轉(zhuǎn)變。含水量70%＜Φ＜90%時，σ逐漸下降，因為隨著Φ的增加，微乳液滴濃度逐漸降低，液滴之間的相互作用減弱。

2.4 應用單因素設計對核桃油微乳體系水滲濾閾值進行預測

以剪切黏度（η）為響應值，建立其與含水量（Φ）的回歸方程。7個設計點的Φ及相應的η見表1。

表1 單因素設計的7個設計點的含水量及相應的剪切黏度值

對剪切黏度關(guān)于含水量的函數(shù)進行回歸分析，得到關(guān)于響應值η的三次方程式模型。為提高模型的精確度，對響應值進行平方根的倒數(shù)轉(zhuǎn)換。最后得到的模型為：

對模型進行方差分析（ANOVA），見表2。由表2可以看出，模型的F值為62 685．14，P值小于0．000 1，表明模型顯著。此外，模型的其他參數(shù)的P值小于0．000 1，表明模型的其他參數(shù)顯著。模型的R2及調(diào)整R2值均為1，模型的標準差為0.035，表明模型的預測值與試驗值非常接近。

表2 單因素設計的水滲濾閾值預測模型的方差分析結(jié)果

通過對預測模型進行繪圖可以對模型的精確度進行進一步的評價。對預測模型進行繪圖，見圖5。

圖5 單因素設計的水滲濾閾值預測模型所繪圖形

由圖5可以看出，預測模型得到的含水量（Φ）－剪切黏度（η）曲線的趨勢與圖3相似。因此，模型可以較好的預測微乳η與Φ的關(guān)系。最后通過對模型進行數(shù)值優(yōu)化，得到η最大時所對應的Φ，即水滲濾閾值。通過Design expert優(yōu)化得到當Φ為40.72%時η最大，為7.51 Pa·s。因此，微乳體系的水滲濾閾值為40.72%，與試驗值40%相比，誤差為1.8%，因此通過單因素設計能預測的體系的水滲濾閾值。

2.5 應用單因素設計對核桃油微乳體系油滲濾閾值進行預測

以電導率（σ）作為響應值，建立其與含水量（Φ）的回歸方程。7個設計點的Φ及相應的σ見表3。對電導率關(guān)于含水量的函數(shù)進行回歸分析，得到關(guān)于響應值σ的三次方程式模型。為提高模型的精確度，對響應值進行相應的自然對數(shù)轉(zhuǎn)換。最后得到的模型見式（2）。

表3 單因素設計中7個設計點的含水量及相應的電導率值

對模型進行方差分析（ANOVA），見表4。可以看出，F(xiàn)值為25 844．85，P值 ＜0．000 1，表明模型顯著。模型的一次項、二次項P值小于0．000 1，三次項P＝0．003 6，表明模型的其他參數(shù)顯著。模型的R2及調(diào)整R2值分別1.000 0和 0.999，標準差為0.011，表明模型的預測值與試驗值高度一致。

表4 單因素設計的油滲濾閾值預測模型的方差分析結(jié)果

對預測模型進行繪圖可對模型的精確度進行進一步的評價。對預測模型進行繪圖，見圖6。可以看出，預測模型得到的含水量－電導率曲線的趨勢與圖4相似。因此，模型可以良好的預測微乳體系σ與Φ的關(guān)系。最后通過對模型進行數(shù)值優(yōu)化，得到σ值最大時所對應的Φ，即油滲濾閾值。通過Design expert優(yōu)化得到當Φ為69.53%時σ值最大，為271.40μS／cm。因此，微乳體系的油滲濾閾值為69.53%，與試驗所得的相比，誤差為0.67%，表明通過單因素設計能預測的體系的油滲濾閾值。

圖6 單因素設計的油滲濾閾值預測模型所繪圖形

3 結(jié)論

無水乙醇、丙三醇和1、2－丙二醇3種助表面活性劑形成微乳區(qū)域按由大到小依次為無水乙醇＞1、2－丙二醇＞丙三醇。以無水乙醇為助表面活性劑，隨著其含量的增加，所形成微乳區(qū)域逐漸增大，在本試驗選取參數(shù)范圍內(nèi)，以核桃油∶無水乙醇＝1∶3時形成微乳區(qū)域最大。

單因素設計所預測的水、油滲濾閾值分別為40.72%和69.53%，同試驗值40%和70%相比，誤差分別為1.8%和0.67%，對應的剪切黏度和電導率值分別為 7.51 Pa·s和 271.40μS／cm，與試驗值7.52 Pa·s和270μS／cm相比，誤差分別為－0.084%和0.15%；單因素設計能通過較少的數(shù)據(jù)，精確的預測微乳體系的水、油滲濾閾值。

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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

林業(yè)公益專項（201004027）

2013－12－31

滿妍妍，女，1988年出生，碩士，果蔬貯藏與加工

徐懷德，男，1964年出生，教授，軟飲料、果品蔬菜貯藏與加工、天然產(chǎn)物提取