《Journal of Food Engineering》：Mechanical incorporation and dispersion of water in a semi-solid fat matrix
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乳液是由不相混溶的流体混合形成的体系，广泛应用于食品中，如水包油型（如蛋黄酱）或油包水型（如脂肪涂抹酱）乳液。随着营养健康关注的增加，降低脂肪摄入和减少添加剂使用成为重要需求。通过提高油包水乳液中的水相比例可实现降脂目标，但传统低脂涂抹酱（脂肪含量可低至41
乳液是由不相混溶的流体混合形成的体系，广泛应用于食品中，如水包油型（如蛋黄酱）或油包水型（如脂肪涂抹酱）乳液。随着营养健康关注的增加，降低脂肪摄入和减少添加剂使用成为重要需求。通过提高油包水乳液中的水相比例可实现降脂目标，但传统低脂涂抹酱（脂肪含量可低至41 wt%甚至15 wt%）的制备通常需在高温液态下进行混合，并使用表面活性剂或胶体颗粒进行稳定，这日益被认为是不利的。研究人员提出了一种替代策略，即将水直接掺入部分结晶化脂肪基质中，利用固态脂肪提供的屈服应力稳定乳液。然而，此类乳液需满足食品安全与均匀性要求，通常需要液滴尺寸低于20 μm，最佳为1–5 μm，以有效抑制细菌生长。工业规模上，混合乳液（尤其非牛顿流体）是一大难题，脂肪涂抹酱具有塑性材料特性，其流变性质高度依赖温度，且屈服应力高达约100 kPa，远超出常规混合设备的设计范围。本研究旨在深入理解水在半固态脂肪基质中的掺入物理机制，评估所得乳液的均匀性，并分析液滴尺寸分布随混合条件的变化规律。研究人员首先通过手混实验（搅拌频率约2 s?1）进行初步定性研究，揭示了水通过剪切诱导犁沟中的机械俘获而掺入脂肪的确定性机制。研究发现，掺入速率由无量纲时间（角速度ω与时间t的乘积，即ωt）控制，并建立了线性和指数两种掺入动力学模型，指数模型在水含量高达约30 wt%时仍然有效。实验还发现，温度升高降低脂肪的屈服应力，从而加速掺入但形成稍大的液滴；而将脂肪浸没于水相中时，重力会促进水进入犁沟，使掺入时间缩短约2.5倍。基于这些认识，研究人员设计并构建了一种配备锚式搅拌器（anchor-type agitator）和垂直挡板的定制批次搅拌釜（容积约200 mL，内径6 cm），通过在旋转轴上安装扭矩传感器，实现了混合过程中扭矩（作为剪切应力的代理量）的实时记录。随后，研究人员利用X射线显微断层成像（X-ray micro-computed tomography, X-ray μCT）技术（先在IMFT的EasyTom XL设备上进行可行性测试，后在SOLEIL同步辐射装置的PSICHE光束线上进行正式测量，分辨率达0.3 μm）对乳液进行了非破坏性三维表征。通过在分散水相中添加碘化钾（KI）增强X射线吸收对比度，成功实现了水滴与脂肪基质的区分。研究系统考察了三个关键参数——温度（26–30 °C）、旋转速度（45–90 rpm）和混合时间（t_inc至4倍t_inc，其中t_inc为完全掺入时间），固定脂肪含量为60 wt%，共进行了40组实验。结果表明，液滴体积加权平均直径d?,?随无量纲时间（ωt）遵循?1/3次幂衰减规律，并满足经验关联式d?,? = 550·k?(ω)·Γ*^(?n)·(ωt)^(?1/3)，其中k?≈1，n≈1，Γ*为归一化扭矩。该关联式与液滴在高粘性基质中拉伸成圆柱形细丝并在Rayleigh-Plateau不稳定性作用下断裂的理论模型预测一致。液滴尺寸分布可用正态分布或近似对数正态分布描述，且分布宽度（以标准差与平均值之比σ?,?/d?,?表征）随混合时间增加而收窄，遵循指数为?0.46的幂律衰减。研究发现，最低温度（26 °C）和最高转速（90 rpm）的组合可获得最细的液滴尺寸；温度主要通过影响脂肪流变学（即扭矩值）来控制分散效率。研究人员还指出，尽管搅拌釜批次工艺可以较好地控制混合过程，但工业放大更应考虑采用连续管式过程（closed-conduit flow），通过串联静态混合器（static mixer）和涡轮搅拌器（turbine）实现高效掺入、破碎和均匀分散，并避免自由表面混合带来的空气夹带问题。总之，本研究从掺入动力学、液滴破碎机制、尺寸分布规律及其与操作参数间的定量关系等方面，系统揭示了在无表面活性剂条件下通过机械搅拌将水分散至部分结晶化脂肪基质的物理机制，为工业规模生产无添加剂的低脂水-脂肪乳液奠定了理论和技术基础。
论文解读
一、研究背景与科学问题
乳液在食品工业中应用广泛，如水包油型的蛋黄酱和油包水型的脂肪涂抹酱。随着公众健康意识的增强，降低脂肪摄入和减少食品添加剂使用成为食品工业的重要发展趋势。降低油包水乳液中油相比例的一个直接方法是提高水相含量。然而，目前商业低脂涂抹酱的脂肪含量可低至41 wt%甚至15 wt%，而传统连续黄油搅拌机仅能将水含量提高至28 wt%左右。实现更低油相分数通常需要在高温下对液态油水两相进行混合，并依赖表面活性剂或胶体颗粒稳定乳液，这与消费者对天然、少添加成分的诉求相悖。因此，研究者提出一种替代策略：将水直接掺入部分结晶化的脂肪基质中，利用固态脂肪自身的屈服应力稳定水滴，从而避免表面活性剂的使用。然而，此类体系面临三重挑战：第一，食品级乳液要求液滴细且均匀（通常需小于20 μm，理想为1–5 μm）以抑制微生物生长；第二，半固态脂肪（如黄油）的粘度极高（在30 °C和剪切率1 s?1下粘度约200 Pa·s）且高度依赖温度，属于典型的塑性材料，其屈服应力可达约100 kPa，远超常规混合设备的设计适用范围；第三，现有的混合理论主要针对牛顿流体或低屈服应力假塑性流体（如黄原胶溶液），对高粘塑性体系中的液滴掺入和破碎机制缺乏系统理解。
二、研究内容与总体结论
本研究以商业黄油（来自法国Candia公司Clermont-Ferrand工厂的同一生产批次，脂肪含量为82 wt%）为模型材料，系统研究了在20–30 °C半固态温度区间内，通过机械搅拌将水掺入部分结晶化脂肪基质的物理机制。研究人员首先通过手混实验建立了水掺入的动力学模型，随后设计定制批次搅拌釜，结合X射线显微断层成像技术，对液滴尺寸分布进行了定量三维表征。研究的主要结论是：水在半固态脂肪中的掺入遵循确定性动力学规律，由无量纲时间参数ωt（角速度×时间）控制；液滴破碎遵循细丝拉伸机制，平均液滴直径d?,?（体积加权平均直径）随ωt以?1/3次幂律衰减，并与实测扭矩呈幂律关联；液滴尺寸分布接近正态分布，且混合时间的延长可使分布显著收窄。该研究从掺入、破碎到空间分散三个层面揭示了水在半固态脂肪基质中的分散机制，为无表面活性剂低脂乳液的生产提供了理论依据和工艺设计准则。
三、主要技术方法
研究人员首先采用手混实验（金属刮刀为搅拌工具，50 mL玻璃烧杯为容器，搅拌频率约2 s?1）进行初步探索，通过对掺入过程的时间记录和双目显微镜观察，建立了掺入动力学模型。随后，研究人员设计并制造了一种定制批次搅拌釜：罐体为不锈钢双层夹套结构（内径6 cm，高7 cm，容积约200 mL），配备锚式搅拌器（anchor-type agitator）和两个固定于罐盖上的垂直挡板（baffle），锚式搅拌器通过变速电机驱动，转轴上安装扭矩传感器以实时记录混合过程中的扭矩信号，扭矩值作为剪切应力的代理量。乳液的微观结构表征采用X射线显微断层成像（X-ray micro-computed tomography, μCT），先在实验室级EasyTom XL设备上完成可行性验证（以碘化钾KI溶解于水相增强对比度，浓度为饱和浓度的40%），后续正式测量在SOLEIL同步辐射装置PSICHE光束线上完成，分辨率达到0.3 μm/voxel。液滴尺寸分布通过自编图像处理算法计算水滴体积获得。以上方法构成了从宏观掺入动力学到介观结构定量表征的完整技术链条。
四、研究结果
4.1 掺入动力学与机制
手混实验表明，水在黄油中的掺入是由刮刀移动在半固态脂肪表面形成犁沟（furrows）的机械俘获过程。掺入速率受ωt控制，掺入水量随时间呈指数增长趋势，对应脂肪含量按FC（wt%）从82 wt%随ωt指数的衰减变化。实验数据与模型对比显示，指数模型在水含量达27 wt%前均能有效描述掺入动力学；线性模型在更高水含量（可达45 wt%）时仍然近似有效，这可能与混合过程中同时掺入空气导致体积膨胀效应有关。单步掺入实验表明，当黄油浸没于水相中时，重力可显著促进水进入犁沟，使掺入时间比逐步添加缩短约2.5倍。温度升高（从23 °C升至27 °C）可加快掺入速率，但会导致最终液滴尺寸略微增大。在22 °C下，双目显微镜观察显示液滴呈球形或近球形，直径分布在2–3 μm至15 μm范围内，表明半固态脂肪的高粘度赋予其即使在低剪切速率下也具有高效破碎水滴的能力。
4.2 批次搅拌釜中的掺入与扭矩响应
在定制批次搅拌釜中，研究人员验证了水掺入过程同样遵循指数动力学模型，掺入速率随初始水层高度增加而增大。将水质量从11 g增加至22 g可使指数增长速率提高2.64倍，证实了重力对自由表面混合体系掺入效率的重要贡献。掺入完成后，亚甲蓝染色实验表明乳液在宏观尺度上颜色均匀，结合不透明介质中光的穿透深度（约10–20 μm）可推断水滴间距与滴径同量级（约5–10 μm）。扭矩测量方面，以相同体积的二甲基硅油（PDMS oil）作对比，黄油搅拌扭矩随转速的增幅远小于牛顿流体，呈现强剪切变稀并伴随屈服应力的特征，可用Herschel-Bulkley模型拟合（流动指数n≈0.1）。在水掺入过程中，扭矩随累积掺入水量增加而上升，与体系总体积的指数增长相符。在固定总质量100 g的系列实验中，扭矩值与水浓度在26–28 °C和转速120 rpm条件下几乎无关，表明乳液流变性质主要由脂肪基质流变控制。
4.3 X射线显微断层扫描参数研究
在35222 g水与55 g黄油混合（脂肪含量约59 wt%）的条件下，研究系统考察了温度T（26、28、30 °C）、转速ω（45、60、90 rpm）和混合时间（t_inc至4倍t_inc）共40组实验。掺入时间随转速增加而缩短、随温度降低而延长，且无量纲掺入时间ω·t_inc与归一化扭矩Γ*（实测扭矩与最小测量值0.01 Nm之比）呈?0.46次幂单调递减关联。X射线μCT三维扫描结果显示，超过掺入时间后水滴在脂肪基质中呈现均匀的空间分布，液滴呈球形，表明表面张力主导液滴形态。水滴尺寸随温度降低而明显减小（从30 °C至26 °C，同一混合时间下滴径显著下降），随混合时间延长而持续减小，且较大液滴优先消失。液滴尺寸的累积概率分布可用正态分布（或近似对数正态分布）精确描述；分布狭窄且随混合时间增加进一步收窄。体积加权平均直径d?,?（即第四阶矩与第三阶矩之比）随温度升高而增大，随转速增加而减小，随混合时间延长按幂律衰减。标准差与平均值之比σ?,?/d?,?也随混合时间呈幂律下降，证实尺寸分布随时间持续变窄。
4.4 液滴破碎机制与关联式
基于水滴在高度粘性基质中拉伸成圆柱形细丝并因Rayleigh-Plateau不稳定性而断裂的物理图像，研究人员建立了细丝厚度随时间的演化模型：2e = d?(1 + 9/8·γ?·t)^(?1/3)，其中γ?为剪切速率，d?为初始滴径，该模型预测细丝厚度（正比于最终液滴尺寸）在长时间极限下服从?1/3次幂衰减律。依据实验可测量参数，研究人员建立了关联式：d?,? = 550·k?(ω)·Γ*^(?n)·(ωt)^(?1/3)，其中k?和n均接近1（k?在45、60、90 rpm下分别为1.00、1.13、0.87；n分别为1.09、1.03、0.99），550 μm对应初始俘获液滴的特征尺寸。该关联式对所有混合条件的数据点具有良好的归一化效果，液滴尺寸RMS值也以?0.46次幂律收敛于同一函数形式，验证了细丝拉伸破碎机制的有效性。关联式的预因子k?(ω)·Γ*^(?n)随温度降低和转速升高而减小，物理上对应搅拌器在脂肪中产生犁沟宽度的减小，与机制预期一致。
五、讨论与结论
在讨论部分，研究人员指出水滴群的空间均匀性和窄尺寸分布表明水在半固态脂肪中的分散是一个确定性的过程，其控制因素是脂肪的流变性质。假塑性行为将剪切限制在搅拌工具、容器壁和挡板附近区域，形成厚度均匀的犁沟，使水的俘获和拉伸呈现均一性，从而产生窄的尺寸分布。液滴破碎通过细丝拉伸和Rayleigh-Plateau失稳实现，该机制与时间依赖的?1/3次幂律模型相一致。基于这些认识，研究人员认为工业放大应优先考虑封闭管道连续过程（closed-conduit flow），而非自由表面批次混合：批次操作需配备填充和排空装置，且自由表面不可避免夹带空气，需在真空下运行；而连续过程中可通过在管道中串联静态混合器和涡轮搅拌器，增加高剪切区域的密度，从而在较短停留时间内达到所需的ωt值，有效实现水的掺入、破碎和均匀分散。该放大路径的代价是扭矩（即能耗）的增加。
研究结论可概括为：在20–30 °C温度区间，通过温和机械搅拌即可将水有效分散至部分结晶化黄油基质中，形成不含表面活性剂的均匀水-脂肪乳液。掺入动力学由无量纲参数ωt控制，液滴尺寸分布遵循正态分布，体积加权平均直径d?,?按?1/3次幂律随混合时间衰减，且可通过扭矩关联式预测。该定量框架为工业规模连续化生产无添加剂低脂水-脂肪乳液或充气脂肪乳液奠定了基础，为工艺强化和过程控制提供了明确的技术路径。
