γ-谷維素/β-谷甾醇與單硬脂酸甘油酯復合凝膠油的制備及性能研究

牟逸凡，田虹雨，于小晶，陳 琪，鄭樹林，張 旭，劉之廣

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院，資源與環(huán)境學院土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東 泰安 271018； 2.金正大生態(tài)工程集團股份有限公司 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室，山東 臨沭 276700)

固體脂肪是巧克力、人造奶油、冰淇淋等食品的主要成分，對于很多食品成形起到關(guān)鍵作用。油脂生產(chǎn)商使用的基于傳統(tǒng)高熔點甘三酯的液體油結(jié)構(gòu)化方法存在一些加工和營養(yǎng)缺陷，如結(jié)構(gòu)加工所需結(jié)固晶相的質(zhì)量分數(shù)高，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量飽和脂肪酸[1]。盡管飽和脂肪酸對健康是否會產(chǎn)生不利影響還存在爭議[2-3]，但我國和國際衛(wèi)生組織所制定的膳食指南還是建議應盡量減少飽和脂肪酸的攝入。因此，食品工業(yè)中需要一種加工過程不產(chǎn)生飽和脂肪酸，且能完全或部分取代傳統(tǒng)固體脂肪的食品成分，并能夠維持原有的被消費者所接受的感官特性且不影響儲存或運輸。棕櫚油含有約50%的飽和脂肪酸，僅含有1%能夠促使膽固醇提高的物質(zhì)，且棕櫚油中富含天然維生素E、類胡蘿卜素等物質(zhì)，對人體健康十分有益[4]。一些研究人員曾針對不同的人種(歐洲、美洲、亞洲)分別進行研究，結(jié)果表明棕櫚油是一種完全符合人體健康需要的食用植物油[5]。

一些小分子(<1 000 Da)物質(zhì)能通過氫鍵力或非氫鍵力使液體油結(jié)構(gòu)化形成無反式脂肪酸、低飽和脂肪酸的固體脂肪[6]。能夠結(jié)構(gòu)化植物油的有單硬脂酸甘油酯(單甘酯)、γ-谷維素/β-谷甾醇、蠟等[7-9]，其中單甘酯凝膠油成本低，但結(jié)構(gòu)性能差，結(jié)合油能力較弱[10-11]，γ-谷維素/β-谷甾醇凝膠油熱力學和流體力學性能佳，結(jié)構(gòu)好、耐儲存，但成本高昂[12]。γ-谷維素/β-谷甾醇與單甘酯復配制備凝膠油，理論上可優(yōu)勢互補，在提高產(chǎn)品性能的同時，顯著降低加工成本。李勝等[13]運用葵花籽油探索谷維素/谷甾醇與單甘酯合適的配比，但葵花籽油屬于低飽和脂肪酸油脂，其甘三酯分子排列沒有棕櫚油整齊有序，且葵花籽油固體脂肪含量(SFC)較易達到平衡[14]。棕櫚油甘三酯分子排列整齊有序，對凝膠分子的移動和結(jié)合形成阻礙，不利于凝膠網(wǎng)絡的形成，所以相對于葵花籽油凝膠油，棕櫚油凝膠油的形成更具難度。然而當前關(guān)于以高飽和油脂作基料油制備γ-谷維素/β-谷甾醇與單甘酯復合凝膠油及其性能研究鮮有報道。本試驗以棕櫚油為基料油，以不同含量的單甘酯和γ-谷維素/β-谷甾醇作為復合凝膠因子，以持油性為指標通過單因素試驗和響應面試驗確定以單甘酯和γ-谷維素/β-谷甾醇為凝膠因子的棕櫚油凝膠油最優(yōu)制備工藝，并對產(chǎn)品進行傅里葉變換紅外光譜、熱力學和流變性分析，探討改性對凝膠油三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及凝膠機制的影響，為低成本綠色凝膠油產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

食品級棕櫚油，安徽六安市東升油脂銷售有限公司；γ-谷維素(純度≥99%)，浙江綠洲生物技術(shù)有限公司；β-谷甾醇(純度≥99%)，武漢遠成化工有限公司；分子蒸餾單硬脂酸甘油酯(純度≥90%，食品級)，江蘇海安市佳力士添加劑公司。

DF-101Z集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；Nicolet IS10熱電紅外光譜儀，美國Thermo Fisher公司；AllegraX-15R離心機，美國Beckman Coulter公司；DSC-60差示掃描量熱儀，日本AS ONE公司；MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利Anton Paar公司；Axio Lab.A1 pol偏振光顯微鏡，德國Carl Zeiss公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 凝膠油樣品的制備

分別向100.00 g棕櫚油中加入一定量不同比例的γ-谷維素/β-谷甾醇(γ-谷維素與β-谷甾醇質(zhì)量比3∶2)和單甘酯，然后在磁力攪拌、140℃下加熱一定時間，置于5℃下冷卻12 h后室溫儲藏至少1 d備用。

1.2.2 持油性分析

取8.00 mL樣品于10.00 mL離心管中進行離心，轉(zhuǎn)速為9 000 r/min，時間為15 min，溫度為20℃[15]，結(jié)束后倒置約3 min，瀝干離心出來的油。按下式計算凝膠油持油性。

式中：a為離心管的質(zhì)量，g；b為離心管與凝膠油的質(zhì)量，g；c為離心后離心管與沉淀的質(zhì)量，g；x為復合凝膠劑占凝膠油的質(zhì)量分數(shù)。

1.2.3 差示掃描量熱分析

精確稱取樣品5～8 mg于差示掃描量熱儀專用鋁盒中，以30℃/min快速將其從室溫加熱至120℃，保持10 min以消除結(jié)晶記憶，再以10℃/min降至-20℃，保持20 min使其充分結(jié)晶，再以10℃/min升溫至120℃。氮氣流速為50 mL/min[16]。

1.2.4 傅里葉變換紅外光譜分析

取適量樣品均勻平鋪于衰減全反射附件表面，在20℃室溫掃描獲得紅外光譜圖。波數(shù)掃描范圍為550～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描信號累加次數(shù)為32次[17]。

1.2.5 流變性分析

取適量樣品放在樣品臺上，用直徑為35 mm、角度為1°的錐板，間隙設置為1 mm，在20℃恒定的低應變水平下(0.01%)，對凝膠油進行小變形頻率掃描，測定剪切速率與黏度的曲線、剪切速率與剪切應力的曲線，頻率范圍為0.1～100 Hz[13]。

1.2.6 微觀形態(tài)分析

取適量熔融樣品于載玻片上，蓋上蓋玻片，將樣品壓平使其均一分布，室溫下放置24 h，采用偏振光顯微鏡在室溫下對樣品的微觀晶體形態(tài)進行觀察。

1.2.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用3次重復試驗的平均值表示。使用SigmaPlot 12.5繪圖及擬合數(shù)據(jù)，利用Design-Expert.V8.0.6設計響應面試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 預試驗

首先進行預試驗，根據(jù)經(jīng)驗值分別采用單甘酯、單甘酯/β-谷甾醇(質(zhì)量比為3∶2)和γ-谷維素/β-谷甾醇(質(zhì)量比為3∶2)為凝膠劑，在凝膠劑添加量9%、加熱時間40 min條件下制備凝膠油。預試驗結(jié)果表明，單甘酯與γ-谷維素/β-谷甾醇為凝膠劑的凝膠油性能良好，且不具有流動性，說明兩種凝膠劑都可將液體油結(jié)構(gòu)化。而單甘酯/β-谷甾醇為凝膠劑無法成膠，這與Nguyen[9]的研究結(jié)果一致。

2.2 單因素試驗

基本條件為：復合凝膠劑添加量9%，復合凝膠劑中γ-谷維素/β-谷甾醇占比60%[18]，加熱時間40 min。單因素試驗時，改變其中一個條件，其他條件不變。單因素試驗結(jié)果見圖1。

圖1 單因素試驗結(jié)果

由圖1a可知，單甘酯可以與γ-谷維素/β-谷甾醇形成復合凝膠劑，且復合凝膠劑添加量越大凝膠油持油性越好，但在達到9%后持油性增長逐漸減慢。由圖1b可知，復合凝膠劑中γ-谷維素/β-谷甾醇占比越高凝膠油持油性越好，但在達到60%后增大γ-谷維素/β-谷甾醇占比對持油性的影響漸弱。由圖1c可知，制備復合凝膠油時加熱時間越長持油性越好，但達到40 min后延長加熱時間對持油性影響漸弱。當凝膠因子添加量足夠大時，凝膠因子間形成連續(xù)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，凝膠因子添加量繼續(xù)增加，連續(xù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的結(jié)合區(qū)數(shù)量增加[19]；隨著γ-谷維素/β-谷甾醇占比的減少，凝膠油持油性逐漸減少，原因是隨著單甘酯占比的增加，影響了γ-谷維素與β-谷甾醇的成膠方式，使γ-谷維素/β-谷甾醇形成的氫鍵力逐漸減弱，形成范德華力等弱的非氫鍵力[16]。

2.3 響應面試驗

為了進一步優(yōu)化凝膠油制備條件，在單因素試驗的基礎上，選擇復合凝膠劑添加量、加熱時間、復合凝膠劑中γ-谷維素/β-谷甾醇占比3個因素，以持油性為響應值設計響應面試驗，響應面試驗因素水平見表1，響應面試驗方案及結(jié)果見表2。

表1 響應面試驗因素水平

表2 響應面試驗方案及結(jié)果

利用Design-Expert 8.0軟件對表2中的試驗結(jié)果進行回歸分析，得到各因素與響應值(Y)之間的二次多元方程為Y=92.85+7.16A-0.24B+2.21C-1.51AB+0.51AC-0.86BC-5.74A2-3.72B2-1.43C2。對該回歸方程進行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，回歸模型P<0.01，說明該模型達到極顯著水平，模型的決定系數(shù)R2為0.835 4，即此方程可解釋83.54%的數(shù)據(jù)，證明該方案較為可靠。一次項中A、二次項中A2影響極顯著，二次項B2影響顯著，其他一次項、二次項及交互項影響不顯著，且3個因素對凝膠油持油性的影響程度大小為A>C>B，交互項影響程度大小為AB>BC>AC。

表3 回歸方程方差分析

根據(jù)響應面試驗模型推測出最優(yōu)方案為復合凝膠劑添加量9.89%、γ-谷維素/β-谷甾醇占比52.3%、加熱時間41.7 min，在此條件下復合凝膠油持油性預測值為94.6%。經(jīng)3次驗證試驗，3次試驗所得復合凝膠油持油性平均值為94.6%，與預測值相同，證明該數(shù)學模型可用于凝膠油制備工藝條件的預測。

2.4 凝膠油性能及微觀結(jié)構(gòu)分析

對響應面試驗所得最優(yōu)方案(下文簡寫為D+G 9.89%)、經(jīng)驗最優(yōu)方案(γ-谷維素/β-谷甾醇占比60%，復合凝膠劑添加量9%，加熱時間40 min，下文簡寫為D+G 9%)及僅添加9%單甘酯(D 9%)的凝膠油進行紅外光譜分析、熱力學性質(zhì)分析、流變分析，并對單甘酯含量不同的3種樣品進行偏振光顯微鏡分析。

2.4.1 紅外光譜分析(見圖2、圖3)

圖2 凝膠劑的紅外光譜圖

由圖2、圖3可知，γ-谷維素羥基峰為3 586 cm-1，β-谷甾醇中沒有羥基峰，單甘酯中存在甘油羥基峰為 3 195 cm-1，D+G 9%凝膠油中看不到明顯的羥基峰，僅在3 308 cm-1處有較微弱的羥基峰，而在D+G 9.89%和D 9%兩組凝膠油中均未發(fā)現(xiàn)羥基峰，2 922 cm-1峰對應為甲基的對稱伸縮振動峰，2 851 cm-1峰對應為亞甲基的對稱伸縮振動峰，3 008 cm-1峰為不飽和脂肪酸的順式碳碳雙鍵的弱強度伸縮振動峰[13]。紅外光譜結(jié)果說明隨單甘酯含量的增加，凝膠油中的氫鍵力逐漸減小[20]。

圖3 凝膠油的紅外光譜圖

2.4.2 熱力學性質(zhì)分析(見圖4、圖5)

圖4 凝膠油結(jié)晶曲線

圖5 凝膠油熔化曲線

由圖4、圖5可知，γ-谷維素/β-谷甾醇添加量對單甘酯凝膠油的熔化溫度影響不大，D 9%、D+G 9%和D+G 9.89%凝膠油的結(jié)晶起始溫度分別為55.6、44.5、46.8℃，峰值溫度分別為49.9、39.3、41.4℃，熔化起始溫度分別為49.5、42.2、39.5℃，峰值溫度分別為65.2、61.3、57.5℃。復合凝膠油樣品的熔點和結(jié)晶點都低于單一凝膠油，且吸放熱更少，這使復合凝膠油更易加工和處理。

2.4.3 流變分析(見圖6、圖7)

圖6 3種凝膠油剪切速率和黏度的曲線

圖7 3種凝膠油剪切速率和剪切應力的曲線

由圖6、圖7可知，隨著剪切速率的增加，3種凝膠油的黏度都逐漸減小，但復合凝膠油黏度降低的速度明顯比單一凝膠油的慢，證明復合凝膠劑提高了凝膠油的性能。在剪切速率增加過程中，3種凝膠油的剪切應力出現(xiàn)滯回曲線，表明凝膠油為觸變性流體。只添加單甘酯的凝膠油剪切應力和黏度相對較大，證明其較復合凝膠油剛性和黏性大，復合凝膠劑有效地提高了凝膠油的性能。

2.4.4 偏振光顯微鏡分析(見圖8)

注：a.9%單甘酯；b.9%復合凝膠劑；c.9%γ-谷維素/β-谷甾醇。

圖8 凝膠油的形態(tài)形貌(×10)

3 結(jié) 論

響應面得到的γ-谷維素/β-谷甾醇與單硬脂酸甘油酯復合凝膠油最佳制備條件為復合凝膠劑添加量9.89%、γ-谷維素/β-谷甾醇占比52.3%、加熱時間41.7 min，在此條件下復合凝膠油持油性為94.6%。在復合凝膠油中的氫鍵力隨著單甘酯含量的增加而減少，黏結(jié)強度逐漸減弱。偏光顯微鏡觀測形態(tài)發(fā)生從球晶到針狀結(jié)晶的轉(zhuǎn)變，說明單甘酯影響了γ-谷維素/β-谷甾醇成膠的方式，從而使凝膠油的宏觀性質(zhì)發(fā)生較大改變。復合凝膠油的熔點和結(jié)晶點低于單一凝膠油，黏性和剛性較小。γ-谷維素/β-谷甾醇能夠改良棕櫚油基單甘酯凝膠油結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，調(diào)整γ-谷維素/β-谷甾醇添加量可制備符合特定市場需求的固體脂肪，具有一定的實用價值。