《Journal of Food Engineering》：Vacuum-driven dual-phase solute transport in porous food matrices: effects of emulsion formulation and pore microarchitecture
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本研究开发了一种双染法追踪技术，用于可视化复杂孔隙网络中来自不同乳液相的溶质迁移。通过分析四种不同孔隙结构的食品基质（蘑菇、萝卜、茄子、苹果），发现溶质分布受乳液类型（O/W和W/O）、液滴尺寸及基质自由水含量的共同影响，而非仅孔隙结构。实验表明小液滴O/W乳液分布更均匀，而W/O乳液在酸性苹果组织中因界面 destabilization导致溶质聚集不均。该方法为食品和生物工程中的多相传输优化提供了新工具。
Jiale Liang|Shin-ichi Ishikawa
日本宫城县仙台市宫城大学工业科学学院食品科学与商业系，邮编982-0215
摘要：
真空浸渍（VI）技术被广泛用于将功能性溶质引入多孔食品中，但目前的方法无法揭示来自不同乳液相的溶质在复杂孔隙网络中的迁移路径。本研究开发了一种双染料乳液追踪方法，以可视化四种具有不同微观结构的多孔基质中的相特异性溶质重新分布情况。通过标准化的颜色分割和基于概率的映射技术，可以在横截面图像的像素级别量化VI处理后的溶质空间分布。
在不同多孔食品基质和乳液配方中观察到了不同的迁移行为。与已报道的油相溶质向几何中心积聚的趋势一致，水相溶质主要存在于双相共存区域。值得注意的是，小液滴水包油（O/W）乳液显示出更均匀的溶质分布，这一点通过概率映射结果得到了证实。而在非酸性基质中，水包油（W/O）乳液也表现出相对均匀的分布，但在苹果组织中却出现了明显的均匀性丧失，这可能与苹果组织低pH环境下的界面不稳定有关，同时伴随着油相溶质的局部聚集。总体而言，观察到的溶质传输行为似乎受到乳液类型、液滴大小和组织自由水含量等多种因素的相互作用影响，而不仅仅是由多孔基质结构决定的。
将这种可视化框架与定量概率映射相结合，为分析异质多孔系统中的双相溶质乳液传输提供了一个实用工具。这些观察结果为改进基于VI的输送设计提供了基础，并可能扩展乳液介导传输概念在食品、材料和生物工程领域的应用范围。
引言
真空浸渍（VI）是一种质量传递技术，它通过减压松弛现象（DRP）和流体动力学机制（HDM）的共同作用，驱动液体在多孔基质中的吸收和内部气体置换（Fito, 1994）。由于其能够快速将外部溶液引入微孔结构，VI技术在食品加工、材料工程和制药制造中得到了广泛应用（Faicán et al., 2022; Chen et al., 2020; Greti? et al., 2021）。在食品领域，VI主要用于营养强化、感官提升和延长保质期（Panayampadan et al., 2022）。随着加工技术的进步，VI越来越多地与高压、脉冲电场、超声波等技术结合使用（Gao et al., 2023; Singh et al., 2025; Trusinska et al., 2024），其功能已从简单的溶液吸收扩展到组织工程和孔隙结构调控（Saleena et al., 2024）。
乳液是由两种不相溶的液体组成的胶体分散体系，其中分散相以细小液滴的形式存在于连续相中（McClements, 2004）。由于乳液本身具有热力学不稳定性，在外部扰动下容易发生絮凝、聚集和相分离（Sj?blom, 2006）。稳定技术的快速发展，包括增稠剂、纳米乳液和Pickering乳液的应用，显著提高了乳液的稳定性（Dickinson, 2009; Mushtaq et al., 2023; de Carvalho-Guimar?es et al., 2022）。因此，乳液已成为食品配方中的重要成分，现在作为生物活性化合物和微量营养素的可靠载体（Loffredi & Alamprese, 2024）。
然而，当乳液用作浸渍介质时，其行为往往与静态 bulk 系统中的行为不同。VI过程中快速的压力波动会导致内部流速和剪切条件的突然变化，从而增加液滴碰撞频率，促进絮凝或聚集，最终削弱界面膜的稳定性（Tian et al., 2022; Panwar et al., 2023）。此外，多孔食品的微观结构特征（如孔径分布、孔隙率、水分含量和组织硬度）强烈影响乳液在基质中的传输路径（Vinod et al., 2024）。根据基质的不同，孔隙网络可能会加速液滴的渗透和聚集，限制液滴的移动性，引起界面变形或改变内部流动通道。因此，溶解在连续相或分散相中的溶质的传输行为可能不会与乳液液滴本身的运动轨迹相同。
尽管存在这些机制复杂性，大多数VI研究仍然通过批量测量（如总吸收量或浓度变化）来评估溶质行为（Tiwari et al., 2022; Ertek et al., 2023）。虽然这些方法提供了有用的信息，但它们无法揭示不同乳液相携带的溶质在多孔组织中的最终积累位置，也无法揭示食品微观结构和乳液结构如何相互作用以影响溶质迁移。因此，真空浸渍食品中乳液相特异性溶质的空间分布仍然是一个未探索的重要研究空白。
基于我们最近的工作，该工作发现了乳液基溶质在多孔基质中的非均匀分布行为，并使用蒙特卡洛模拟和概率映射建立了定性和定量框架（Liang & Ishikawa, 2025），本研究重点分析了乳液组成和类型对这些分布模式的具体影响。为此，选择了仅能溶解在水相或油相中的染料来模拟原本存在于不同乳液相中的溶质。这些染料并不是为了追踪油或水本身，而是作为相特异性的替代溶质，再现了这些化合物的传输和积累行为，同时不改变乳液的微观结构或流变性质。此外，为了排除相比例差异对分布结果的影响，所有乳液配方中的水油比严格控制在1:1（v/v）。
四种具有不同溶质类型、乳化剂组成和结构特性的乳液被应用于四种具有不同微观结构的多孔食品基质（王牡蛎蘑菇、白萝卜、茄子和苹果）。这种设计使得可以系统地比较乳液配方和基质结构如何共同影响溶质在组织中的最终空间分布。本研究的目的不是单独评估各个因素，而是从整体角度阐明动态压力驱动的乳液与多孔基质之间的相互作用如何控制来自连续相和分散相的溶质的迁移、积累和相依赖性分离。
总体而言，这些发现为理解孔隙几何形状、基质化学性质和乳液物理化学性质如何在真空驱动条件下共同影响多相传输提供了解释性见解。本研究还为未来结合定量质量传递建模、孔隙尺度流动模拟和先进3D成像技术奠定了基础，以开发优化食品系统和其他多孔材料中溶质输送的预测工具。
材料与方法
本研究采用的实验框架包括乳液制备、真空浸渍方案以及横截面溶质分布的定性和定量分析，均基于我们已建立的方法论（Liang & Ishikawa, 2025）。因此，以下部分简要概述了操作工作流程和重现性所需的关键参数，详细方法论内容请参阅原始研究。
四种乳液的基本表征与分析
乳液类型分析表明，L1、L2和MS是水包油（O/W）乳液，而CR被鉴定为油包水（W/O）乳液。
表1. 四种乳液的基本性质（液滴直径、粘度和pH值）
同一列中的不同字母表示显著差异（p < 0.001）。
如表1所示，L1和L2之间的液滴直径存在显著差异（p < 0.001），而L1与MS和CR之间没有显著差异。
结论与未来展望
基于我们最近的工作（Liang & Ishikawa, 2025）建立的方法论框架，本研究提供了新的见解，说明乳液配方和孔隙微观结构如何共同影响多孔基质中连续相和分散相溶质的重新分布。根据对不同液滴大小、乳液类型和基质酸度的乳液和基质的观察结果，目前的发现支持了这样的观点：溶质的重新分布并非...
CRediT作者贡献声明
Jiale Liang：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。
Shin-ichi Ishikawa：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金获取、概念构思
未引用参考文献
Baker and Wicker, 1996; Sakamoto Yakuhin Kogyo Co.Ltd.（日期不详）；Sakamoto Yakuhin Kogyo Co.
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
