以粟米糠油為原料制備營養(yǎng)型人造奶油基料油的研究

孫塬，肖志剛，楊慶余，李芮芷，李佳楠，梁丹洋，段玉敏

（1.沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽 110034；2.沈陽師范大學(xué)學(xué)前與初等教育學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

粟米，又稱谷子，是一年生草本植物，屬于谷類。谷子是我國最古老的栽培作物之一，起源于黃河流域。粟米糠是谷子在脫殼過程中產(chǎn)生的米胚芽，糊粉層和種皮的混合物[1]。粟米糠油是從粟米糠中提取得到的油脂，是一種不需占用耕地，低成本的油類。粟米糠油的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成獨(dú)特，非常符合人類膳食脂肪酸推薦標(biāo)準(zhǔn)，粟米糠油中不飽和脂肪酸可達(dá)80%以上，且以亞油酸含量最高[2]。亞油酸能降低膽固醇在血管壁上過多的沉積，可預(yù)防動脈粥樣硬化，同時，粟米糠油中含有的維生素E、角鯊烯、活性脂肪酸酶、谷維素、植物甾醇等幾十種天然生理活性成分，對調(diào)節(jié)人體機(jī)能、改善代謝功能都有很大作用[3]。粟米糠油價格低廉，有效利用糧食加工副產(chǎn)品，符合現(xiàn)代社會“節(jié)約，高效”的理念，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

人造奶油是一種在精煉食物油中加水及乳化劑，經(jīng)乳化，急冷，捏合成的具有類似天然奶油特點(diǎn)的一類可塑性油脂制品。隨著人民經(jīng)濟(jì)消費(fèi)水平的提升，人造奶油已經(jīng)成為食品行業(yè)中不可缺少的重要產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于糕點(diǎn)，餅干，糖果，冷飲等食品的生產(chǎn)中。人造奶油最初是以動物油脂為基料油，但動物油脂作為基料油，有氧化穩(wěn)定性差、結(jié)晶顆粒大、儲存性能差、飽和脂肪酸含量過高和抗生素殘留等缺點(diǎn)，導(dǎo)致奶油口感不佳，入口有黏膩感，影響食欲，且飽和脂肪酸過高，容易增加人體禍患心血管疾病及動脈粥樣硬化的危險[4]，嚴(yán)重危害人們身體健康。本文以粟米糠油和氫化大豆油為原料，采用酶法酯交換法確定制備人造奶油基料油的工藝條件，并對人造奶油基料油的性質(zhì)進(jìn)行分析。使用粟米糠油替換原有的動物油脂作為基料油，生產(chǎn)出熔點(diǎn)低、口感好、營養(yǎng)全面的新型植物型人造奶油，滿足近年市場對營養(yǎng)健康型人造奶油的需求。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

粟米糠油：江西天然香料有限公司；極度氫化大豆油：豐益（上海）生物科技研發(fā)中心；Lipozyme TL IM 固定化脂肪酶（酶活250 IUN/g）：諾維信生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

微波反應(yīng)器（MCR-3）：格蘭仕微波爐有限公司；電子萬用爐（DL-1）：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；烘箱（XLRF）：柳州興柳電氣有限公司；恒溫磁力攪拌器（RCT）：艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司；制冰機(jī)（SNY-101）：上海聲陽電子有限公司；離心機(jī)（LD4-2）：上海市安亭科學(xué)儀器廠；電子分析天平（DF110 型）：中國輕工機(jī)械總公司常熟衡器工業(yè)公司；高效氣相色譜儀（GC-2014）：島津企業(yè)管理（中國）有限公司；射線衍射儀（MPDDY2094 X）：荷蘭帕納科公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 酶法酯交換反應(yīng)

溶解氫化大豆油，使其與粟米糠油充分混合，加入一定比例的Lipozyme TL IM 固定化脂肪酶。在恒溫磁力攪拌器中反應(yīng)一段時間后，用離心機(jī)除去脂肪酶，得到酯交換產(chǎn)物。反應(yīng)以熔點(diǎn)作為指標(biāo)、對底物質(zhì)量比、反應(yīng)時間、酶添加量、反應(yīng)溫度分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定工藝條件[5-6]。

表1 酶法酯交換反應(yīng)條件參數(shù)及水平Table 1 Conditions and parameters of enzymatic interesterified

1.3.2 熔點(diǎn)測定

采用毛細(xì)管法測量熔點(diǎn)。融化酯交換產(chǎn)物混合油脂，將毛細(xì)管插入油脂中，當(dāng)油脂在毛細(xì)管中高度達(dá)到1 cm 左右時取出，放入冰水中使其迅速凝固，轉(zhuǎn)移到4 ℃冰箱中冷藏15 h 后待測。

測量時將毛細(xì)管安裝在溫度計精確位置，控制加熱速度適宜，注意觀察并記錄油脂的熔化瞬間水的溫度，每個樣品進(jìn)行3 次平行測試，減小誤差。

1.3.3 熱性質(zhì)的測定

油樣融化結(jié)晶熱性質(zhì)分析采用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）。將保存在冰箱里的樣品取出，精確稱量油脂混合物6 mg～10 mg，記錄并放入專用鋁盒內(nèi)，壓緊密封，待測，檢測時以空盒做參比。開始測定前先將樣品升溫80 ℃，穩(wěn)定10 min，以消除歷史記憶。測定條件：以10 ℃/min 降溫至-20 ℃，穩(wěn)定 5 min，然后從-20 ℃以 5 ℃/min 升溫至 80 ℃[7]。

1.3.4 甘三酯組成分析

采用高溫氣相色譜法測定反應(yīng)前后油脂甘三酯組成變化[8]。氣相色譜條件：DB-1HT 毛細(xì)管柱（15 m×0.32 mm×0.1 μm），進(jìn)樣量 0.5 μL。進(jìn)樣器溫度 380 ℃，檢測器溫度400 ℃，初始溫度100 ℃，首先以50 ℃/min升溫至 220 ℃，其次以 30 ℃/min 升溫至 290 ℃，然后以20 ℃/min 升溫至 330 ℃，保持 2 min，最后以 30 ℃/min升溫至 380 ℃，保持 3 min[9]。

1.3.5 晶型的測定

采用X-射線衍射法進(jìn)行測定酯交換前后油脂晶型的變化。將保存在冰箱里的樣品取出，適量地平鋪于玻璃片上的圓孔內(nèi)，用X-射線衍射儀測定，工作電壓 40 kV，電流 40 mA，溫度 25 ℃左右，掃描角度：5°～50°，掃描速度為 5 °/min。

1.3.6 酯交換反應(yīng)率（interesterification rate，IR）

根據(jù)反應(yīng)前后氣相色譜圖，以酯交換反應(yīng)前后混合油脂中變化最大的兩種總碳數(shù)為指標(biāo)，對酯交換反應(yīng)率進(jìn)行研究。酯交換反應(yīng)率的計算公式如下[10]：

式中：A 為酯交換反應(yīng)后變化最大的兩種總碳數(shù)面積之和與反應(yīng)后總面積的商，B 為反應(yīng)前兩種總碳數(shù)面積之后與反應(yīng)前總面積的商。

2 結(jié)果與分析

2.1 酯交換反應(yīng)指標(biāo)的選擇

氣相色譜中可根據(jù)反應(yīng)前后氣相的出峰時間和出峰順序的變化來推測甘三酯的組成變化和總碳數(shù)組成，采用高溫氣相可對甘三酯進(jìn)行分離分析，并以C52 和C54 的變化為指標(biāo)，對酶法酯交換反應(yīng)前后甘三酯組成的變化進(jìn)行分析，計算酯交換反應(yīng)率[11]。

2.2 酯交換反應(yīng)

2.2.1 底物質(zhì)量比對酯交換反應(yīng)的影響

在其他條件不變的情況下，底物質(zhì)量比會從根本上影響反應(yīng)結(jié)果。酶與底物的結(jié)合有先后順序，因此只有在配比合適的情況下，酶才能最高效的催化反應(yīng)，分解一定的最終產(chǎn)物，達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。

底物質(zhì)量比對酯交換反應(yīng)的影響見圖1。

圖1 底物質(zhì)量比對酯交換反應(yīng)的影響Fig.1 Influence ofsubstrate ratio temperature on interesterification

由圖1可以看出，粟米糠油占底物質(zhì)量比例越高，混合油脂熔點(diǎn)越低，酯交換率越高。這是由于氫化大豆油中含有高熔點(diǎn)的甘油三酯。如果氫化大豆油比例過高，熔點(diǎn)過高，酯交換率低，則奶油入口不易化、黏度大且延展性差、包裹空氣能力不足；如果粟米糠油比例過高，則熔點(diǎn)過低、油脂密度小、塑性差[12]。當(dāng)?shù)孜镉椭壤m當(dāng)時，酯交換率也趨于穩(wěn)定，口感適宜。綜合考慮，選取粟米糠油∶氫化大豆油質(zhì)量比為7 ∶3。

2.2.2 反應(yīng)時間對酯交換反應(yīng)的影響

反應(yīng)時間一定程度上影響酶的活性，反應(yīng)初始時酶活性較高，隨著反應(yīng)時間的延長，酶逐漸失活，且開始發(fā)生副反應(yīng)，因此，反應(yīng)時間對酶催化反應(yīng)的影響十分重要。

隨著全面深化改革不斷走向深入，國家不再全額供養(yǎng)地方科研院所，大量單位轉(zhuǎn)制為國有科技型企業(yè)，這就不可避免的要直面市場競爭。難以融資、體制機(jī)制僵化、人才隊(duì)伍更迭嚴(yán)重等問題更是加劇了地方科研院所的困難。具體到改革過程中，需要進(jìn)行法人治理結(jié)構(gòu)的單位正面臨著理事會對單位的實(shí)際把控問題。行業(yè)性質(zhì)的研究單位隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和更新轉(zhuǎn)型壓力更大，有一定規(guī)模的科研單位因二級法人單位業(yè)務(wù)、財務(wù)獨(dú)立而難以有效集聚資源，完全按照政府部門的模式管理又導(dǎo)致科研單位體制機(jī)制僵化，致使盈收無法合法分配，這些問題有的是現(xiàn)實(shí)發(fā)展所致，有的是歷史遺留問題。

反應(yīng)時間對酯交換反應(yīng)的影響見圖2。

由圖2可知，混合油脂的熔點(diǎn)隨著反應(yīng)時間增加而降低，反應(yīng)時間越長，熔點(diǎn)越低，酯交換率越高。這是由于酯交換反應(yīng)使油脂的低熔點(diǎn)甘油三酯和高熔點(diǎn)甘油三酯的含量發(fā)生改變，反應(yīng)時間越長，酯交換率越高，酯交換反應(yīng)越完全，若反應(yīng)時間不足，酯交換反應(yīng)則不充分。反應(yīng)時間從2 h～5 h，反應(yīng)產(chǎn)物的酯交換率升高，熔點(diǎn)逐漸降低，當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到6 h 后，與反應(yīng)5 h 相比，產(chǎn)物熔點(diǎn)變化幅度不大，說明反應(yīng)5 h基本可以反應(yīng)完全。反應(yīng)時間過長會使副反應(yīng)產(chǎn)物增加，同時酰基轉(zhuǎn)移的概率增加，所以時間不宜過長，考慮到生產(chǎn)成本和節(jié)約時間，選擇反應(yīng)時間為5 h[13]。

2.2.3 酶添加量對酯交換反應(yīng)的影響

酶量添加低，不能高效催化反應(yīng)，但酶量過高，不僅不利于生產(chǎn)成本的控制，同時多余的酶量也會開始發(fā)生逆反應(yīng)[14]，使反應(yīng)不能高效有序的進(jìn)行，因此，控制好酶的用量非常重要。

酶添加量對酯交換反應(yīng)的影響見圖3。

圖2 反應(yīng)時間對酯交換反應(yīng)的影響Fig.2 Influence ofreaction time temperature on interesterification

圖3 酶添加量對酯交換反應(yīng)的影響Fig.3 Influence of lipase dosage temperature on interesterification

由圖3可知，在一定范圍內(nèi)，酶添加量越高，油脂熔點(diǎn)越低，酯交換率越高。這是因?yàn)殡S著酶添加量的增加，底物與酶的接觸面積逐漸增加，酯交換反應(yīng)速率提高，導(dǎo)致熔點(diǎn)逐漸下降。但酶添加量應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)范圍，不宜過多，因?yàn)槊傅姆磻?yīng)是可逆的，當(dāng)酶法酯交換反應(yīng)基本完全時，增加酶量意義不大，且酯交換率有所下降，加之考慮酶的價格和生產(chǎn)成本，選擇Lipozyme TL IM 固定化脂肪酶添加量為5%。

2.2.4 反應(yīng)溫度對酯交換反應(yīng)的影響

溫度對酯交換反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率影響較大，溫度低，轉(zhuǎn)化率低，同時酯交換速率低，反應(yīng)時間延長；溫度過高則易使酶失活，酯交換率降低。

反應(yīng)溫度對酯交換反應(yīng)的影響見圖4。

圖4 反應(yīng)溫度對酯交換反應(yīng)的影響Fig.4 Influence of reaction temperature on interesterification

2.3 熱性質(zhì)的測定

采用差示掃描量熱法通過測定油脂中的熱量變化來表明脂肪酸組成發(fā)生變化，可以通過對比反應(yīng)前后的圖像的變化，判定油樣熱性質(zhì)的變化。

酯交換反應(yīng)前后粟米糠油中脂肪酸的變化見圖5。

圖5 粟米糠油DSC 圖像Fig.5 DSC image of millet bran oil

圖5在-10 ℃出現(xiàn)一個吸熱峰，說明粟米糠油熔點(diǎn)很低，常溫下為液態(tài)，這是由于粟米糠油中含有大量不飽和脂肪酸造成的，圖像無放熱峰，基線平穩(wěn)，說明正常溫度下油脂不會凝結(jié)。峰型圓鈍，峰面積較大，說明其熱交換速率較低[16]。因此粟米糠油須混合部分硬性油脂來綜合熔點(diǎn)，使其在常溫下能保持基料油形態(tài)，豐富營養(yǎng)，改善口感。

酯交換反應(yīng)前后氫化大豆油中脂肪酸的變化見圖6。

圖6 氫化大豆油DSC 圖像Fig.6 DSC image of hydrogenated soybean oil

由圖6可以看出，氫化大豆油吸熱峰放熱峰均較為靠后，在60 ℃時樣品熱容增加，基線改變，說明氫化大豆油在溫度較高時才會發(fā)生熱反應(yīng)，其峰尖銳，峰面積較窄，說明其吸熱放熱能力很強(qiáng)。且大豆油種植范圍廣，原料普遍，產(chǎn)量高，成本低廉。故符合與粟米糠油混合的條件。

酯交換反應(yīng)前后混合油中脂肪酸的變化見圖7。

由圖7可以看出酯交換后峰型產(chǎn)生變化，混合油脂反應(yīng)后與反應(yīng)前相比，圖像由3 個峰變?yōu)? 個峰，這是由于脂肪酸在甘油三酯骨架上重排引起的；反應(yīng)后高溫處的溶解峰波動變小，表明混合油脂中的飽和甘三酯含量下降。0 ℃溶解峰的存在是由于底物中含有粟米糠油，粟米糠油中豐富的不飽和脂肪酸使圖像呈現(xiàn)低溫溶解峰。反應(yīng)后峰型趨于穩(wěn)定，峰面積變小，峰型變窄，表明酯交換后油脂功能特性有所提高，且口感更加清爽不厚重。

圖7 酶法酯交換反應(yīng)前后脂肪酸的變化Fig.7 Change of fatty acid before and after the enzymatic interesterified

2.4 甘三酯組成

甘三酯組成的改變對油脂的風(fēng)味和口感有重要意義，在酯交換反應(yīng)中，甘三酯在脂肪酶的作用下，生成甘油和脂肪酸。甘三酯的相對分子質(zhì)量較高，沸點(diǎn)較高，因此反應(yīng)所選色譜柱需要滿足耐高溫，柱長較短，柱內(nèi)徑細(xì)等條件[17]。

氣相色譜中可根據(jù)反應(yīng)前后氣相的出峰時間和出峰順序的變化來推測甘三酯的組成變化和總碳數(shù)組成。在該混合油脂中的氣相檢測主要表現(xiàn)為C52、C54 和C56 的變化。碳鏈越長，油脂熔點(diǎn)越高；碳鏈越短，油脂熔點(diǎn)越低。因此，C52 碳鏈長度最短，熔點(diǎn)最低；C56 碳鏈長度最長，熔點(diǎn)最高。

酯交換反應(yīng)前混合油中甘三酯的變化見圖8。酯交換反應(yīng)后混合油中甘三酯的變化見圖9。

圖8 酶法酯交換反應(yīng)前甘油三酯的變化Fig.8 Change of triglyceride before enzymatic interesterified

圖9 酶法酯交換反應(yīng)后甘油三酯的變化Fig.9 Change of triglyceride after enzymatic interesterified

圖9酯交換后混合物甘三酯排布與圖8反應(yīng)前混合物的氣相色譜圖對比，反應(yīng)后C56 含量變化不大，而C54 的含量減少，C52 含量顯著增加，這說明油脂發(fā)生了酯交換反應(yīng)且反應(yīng)向碳數(shù)變低方向進(jìn)行，總碳數(shù)發(fā)生改變，說明酯交換反應(yīng)使甘三酯分子側(cè)鏈上的脂肪酸發(fā)生重排，說明油脂甘三酯組成發(fā)生變化。長鏈甘三酯含量降低，短鏈甘三酯含量升高，表明油脂中的飽和脂肪酸已大部分轉(zhuǎn)化為更加健康的不飽和脂肪酸。低熔點(diǎn)甘三酯增加，高熔點(diǎn)甘三酯降低，其熔點(diǎn)變得更加接近人體口腔，能達(dá)到入口即化，不黏膩的效果，其口感更佳，即比反應(yīng)前更適合做人造奶油的基料油脂。

2.5 晶型分析

甘三酯的晶型會較大影響奶油的物理特性，如起泡性，潤滑程度，涂抹性等。X-射線衍射法廣泛應(yīng)用于研究甘油三酯的晶型結(jié)構(gòu)，脂肪結(jié)晶的晶型不同，則其短間距不同，可以通過短間距的差異判斷其脂肪的不同[18]。油脂一般存在 3 種晶型：α 型，β 型和 β'型。短間距在4.15? 的衍射峰代表α 型，α 型穩(wěn)定性差且熔點(diǎn)較低；短間距在 3.8、4.2、4.27、4.35、3.97? 屬于 β'型，β'晶型較穩(wěn)定，且能困住空氣作為發(fā)酵氣體，不僅口感好，也能起到增大體積的作用，因此β'型為一般情況下所需要的晶型；不符合α 型和β'型短間距的一般都可認(rèn)作β 型，β 型結(jié)構(gòu)為粗粒狀，其包裹液相氣相的能力都較差。

粟米糠油晶型結(jié)構(gòu)見圖10。

由圖10可以看出粟米糠油只有一個峰，短間距在4.6?，說明粟米糠油晶型組成單一，晶型為β 型。β 型油脂最為穩(wěn)定，但顆粒大，在 25 μm～30 μm 之間，口感粗糙，因此需要對粟米糠油進(jìn)行處理，將β 型轉(zhuǎn)化為口感好，質(zhì)量好的β'晶型，才能作為人造奶油的基料油。

圖10 粟米糠油晶型分析Fig.10 Crystal structure analysis of millet bran oil

氫化大豆油晶型結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 氫化大豆油晶型分析Fig.11 Crystal structure analysis of hydrogenated soybean oil

由圖11可以看出，氫化大豆油有4 個強(qiáng)吸收峰，分別為 4.6、4.3、4.15? 和 4.01?，其晶型組成為 α 型和β 型，且 β 型多于 α 型，但沒有所需要的 β'型，說明反應(yīng)前氫化大豆油和粟米糠油都不適合做人造奶油的基料油。

混合油脂晶型反應(yīng)前后變化見圖12。

圖12 混合油脂晶型分析Fig.12 Crystal structure analysis of mixed grease

由圖12可以看出，反應(yīng)前強(qiáng)吸收峰為4.6?，反應(yīng)后變?yōu)?.2? 和3.8? 處存在強(qiáng)吸收峰，說明酯交換反應(yīng)后的油脂晶型向β'晶型轉(zhuǎn)變。酯交換反應(yīng)前后，油脂的晶型發(fā)生改變，是因?yàn)橹久复呋ソ粨Q反應(yīng)進(jìn)行，改變了油脂的晶體結(jié)構(gòu)[19]，油脂的結(jié)構(gòu)，口感，性能均發(fā)生改變。對于人造奶油，若產(chǎn)品中具有大量的β晶型，會使產(chǎn)品出現(xiàn)砂粒感和晶體不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致人造奶油產(chǎn)品口感粗糙。β'晶型是一種可塑性好的細(xì)針狀，是人造奶油期望的晶型。酯交換反應(yīng)后油脂富含β'晶型，能夠使制備出的人造奶油綿密，結(jié)構(gòu)蓬松柔軟[20]，并具有良好的起泡性和塑性，能夠達(dá)到期望的人造奶油基料油的要求。

3 結(jié)論

1）油脂的熔點(diǎn)以接近人體口腔溫度為宜，約在37 ℃左右。而酯交換率越高，說明甘三酯的轉(zhuǎn)化越充分。則通過單因素試驗(yàn)法可得出酶法酯交換的最佳反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時間5 h，酶添加量為5%，底物中粟米糠油：氫化大豆油質(zhì)量比為7 ∶3 時，得到產(chǎn)物的熔點(diǎn)為36.5 ℃。

2）酶法酯交換后，原底物中存在的β 晶型甘三酯大量轉(zhuǎn)化為β'晶型，反應(yīng)后油脂中含有較多β'晶型，β'晶型有針狀結(jié)構(gòu)，其口感柔軟，組織綿密，起泡性和塑性更強(qiáng)，不僅改善口感，也能增加奶油體積，更適宜做人造奶油基料油。

3）與酯交換前相比，酯交換反應(yīng)后甘三酯的組成發(fā)生改變，甘油三酯骨架上的脂肪酸發(fā)生重排，導(dǎo)致甘三酯結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，低熔點(diǎn)甘三酯含量增加，高熔點(diǎn)甘三酯含量下降，飽和脂肪酸大部分轉(zhuǎn)化為不飽和脂肪酸，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)更加健康。酯交換反應(yīng)后的混合油脂，更適宜做人造奶油基料油。