單硬脂酸甘油酯對棕櫚硬脂固體脂肪含量及硬度的影響

劉麗艷 李 琳 李 冰 萬力婷 張 霞*

(1 華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 廣東省天然產(chǎn)物綠色加工與產(chǎn)品安全重點實驗室 廣州 510640 2 東莞理工學(xué)院 廣東東莞 523000）

隨著我國經(jīng)濟及食品產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人均消費水平逐漸提升，人們對塑性脂肪的需求越來越大，對塑性脂肪產(chǎn)品的質(zhì)量要求不斷提高。由于棕櫚油基塑性脂肪具有很好的穩(wěn)定性和可塑性，易于形成β' 型晶體，且因其易被人體消化、吸收等特點[1]，而深得食品產(chǎn)業(yè)的厚愛，在我國塑性脂肪產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了相當(dāng)大的市場份額。棕櫚油是塑性脂肪常用基料油之一，然而，由于其結(jié)晶較慢，所以貯藏運輸過程中，溫度的波動使產(chǎn)品品質(zhì)劣變[2]。在冷鏈運輸無法精確控制溫度恒定的情況下，工業(yè)上主要使用乳化劑來改善塑性脂肪這一品質(zhì)問題。

乳化劑是一類兩親性物質(zhì)，具有不對稱的結(jié)構(gòu)，在分子的兩端分別具有極性的親水基團和非極性的疏水基團[3]。乳化劑通過改變脂肪的結(jié)晶特性，改善其物理機械性能，目前工業(yè)上常用的乳化劑有單甘酯、丙二醇酯、蔗糖酯、聚甘油酯等[4]。不同種類及用量的乳化劑對脂肪結(jié)晶過程影響不同，可能在成核階段、結(jié)晶生長階段或者晶型轉(zhuǎn)變階段，甚至?xí)绊懹椭|(zhì)多晶的晶型比例，起到抑制或者加速某種晶型形成的效果[4]。然而，關(guān)于乳化劑的使用尚處于經(jīng)驗階段，乳化劑的作用機制尚不明確。

油脂樣品的分子組成和結(jié)晶行為是影響其物理性質(zhì)的重要因素，同時也影響其加工性能。甘油三酯混合時會發(fā)生團聚，從而影響塑性脂肪產(chǎn)品的加工特性[5]。研究表明，油脂體系的結(jié)晶速率常數(shù)與晶體微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而晶體的微觀結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的機械性能密切相關(guān)[6]。了解乳化劑分子對塑性脂肪基料油結(jié)晶行為的影響，對研究塑性脂肪的物理機械性能具有十分重要的意義。

鑒于此，本文選擇工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的乳化劑——單硬脂酸甘油酯（Glyceryl monostearate，GMS），以棕櫚硬脂為基料油，采用氣相色譜儀、液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用儀、脈沖核磁共振儀、物性測試儀等對棕櫚硬脂分子組成，乳化劑對結(jié)晶性質(zhì)及物理機械性能的影響進行研究，為棕櫚油基塑性脂肪的品質(zhì)改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

棕櫚硬脂，深圳精益油脂有限公司；GMS＞99%，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

37 種脂肪酸甲酯（FAME）混標(biāo)（色譜純級），Sigma-Aldrich（上海）公司；乙腈、甲醇、正己烷、乙醇、異丙醇均為色譜純級，瑞典Oceanpak 試劑公司；其它化學(xué)試劑均為分析純級。

1.2 儀器與設(shè)備

6890N 氣相色譜儀，美國安捷倫公司；LC-20AD 高效液相色譜，日本島津公司；Minispec l20脈沖核磁共振儀，德國布魯克公司；Qtrap-4000 質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國SCIEX 公司；TA.XT-Plus 物性測試儀，英國Stable Micro System 公司；DC-3006 低溫恒溫水浴循環(huán)器，中國寧波新芝儀器制造廠；BS224S 電子分析天平，德國賽多利斯公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備 試驗樣品以棕櫚硬脂作為基料油，分別加入1%，2%，4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的單硬脂酸甘油酯，保持80 ℃攪拌加熱30 min，使棕櫚硬脂基料油與乳化劑完全熔解并混合均勻，待用。

1.3.2 脂肪酸組成 參考張霞[7]的方法，利用氣相色譜法測定棕櫚硬脂基料油的脂肪酸組成。結(jié)果表明，棕櫚硬脂樣品中飽和脂肪酸含量占57.91%，包括棕櫚酸（49.61%）和硬脂酸（6.41%），不飽和脂肪酸的含量占41.3%，包括油酸（34.15%）和亞油酸（7.15%）。

1.3.3 甘油三酯組成 利用高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用的方法分離檢測棕櫚硬脂基料油的甘油三酯組成[8]。

前處理：稱取約100 mg 油樣，用6 mL 正己烷溶解，渦旋，取10 μL 至離心管中，加入10 μL 0.1 mg/mL 氘代內(nèi)標(biāo)，加氯仿450 μL，甲醇440 μL，過濾膜，加入100 μL 氨水（HPLC 級，10%）上機。

液相色譜條件：色譜柱：Zorbax Eclipse Plus phenyl-hexyl 4.6×250 i.d，5 μm；流動相A：乙腈；流動相B：0.5%氨水-異丙醇；梯度洗脫流速1 mL/min；進樣量10 μL；0～20 min，30%～70%流動相B，保持3 min；23.1 min，30%B，保持5 min。

質(zhì)譜條件：APCI 源，EMS（MRM）-IDA-EPI 正離子模式；EMS（MRM）掃描范圍：甘油三酯：m/z 700～1 000；甘油二酯：450～750，單甘酯：200～500 u；EPI 掃描范圍：m/z 100～1 000；掃描速度：1 000 u/s；去簇電壓（DP）：84 V；碰撞電壓（CE）：35 V。溫度：450 ℃。

棕櫚硬脂液相色譜及質(zhì)譜圖見圖1 及圖2。結(jié)果表明，棕櫚硬脂中，主要甘油三酯為1-棕櫚酸-2，3-二油酸（29.21%）、1，3-棕櫚酸-2-油酸甘油酯（25.81%）、1-棕櫚酸-2-油酸-3-硬脂酸甘油酯（11.44%）及三油酸甘油酯（6.98%）。

圖1 棕櫚硬脂基料油的HPLC 圖Fig.1 HPLC chromatograms of palm stearin

圖2 POO（a）、POP（b）、POS（c）、OOO（d）的HPLC/APCI-MS 圖Fig.2 HPLC/APCI-MS mass spectra of POO（a），POP（b），POS（c），OOO（d）

1.3.4 固體脂肪含量（Solid fat content，SFC）測定參照張霞[7]的方法，利用脈沖核磁共振儀測定GMS 含量在1%，2%，4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的棕櫚硬脂樣品的固體脂肪含量。

1.3.5 硬度的測定 采用質(zhì)構(gòu)儀測定油脂樣品的硬度。取15 g 樣品裝入25 mL 的小燒杯分別置于15，20，25，30 ℃下30 min 以確保油脂樣品充分結(jié)晶，采用穿刺法測定硬度。物性測試儀條件：選用P2 探針，以2 mm/s 的速度下壓，下壓深度為10 mm，每個油脂樣品重復(fù)測定5 次，分別取平均值。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)的觀察 利用偏光顯微鏡觀察晶體微觀結(jié)構(gòu)。取完全溶解且混合均勻的油脂樣品5 g 裝入15 mL 的樣品管中，分別放置在15，20，25，30 ℃的恒溫水浴中，保持30 min，以確保油脂樣品充分結(jié)晶，取少量油脂樣品置于載玻片上，蓋上蓋玻片，壓制成透明薄片狀，使用偏光顯微鏡連接的Canon 數(shù)碼相機拍攝油脂樣品的結(jié)晶形態(tài)照片。

1.3.7 統(tǒng)計分析 采用IBM SPSS Statistics 25軟件對所得數(shù)據(jù)進行方差分析，當(dāng)P＜0.05 時，表明存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 GMS 對棕櫚硬脂固體脂肪含量（SFC）的影響

對于油脂而言，SFC 具有重要意義，SFC 隨溫度的變化曲線可以衡量油脂的塑性范圍，并進一步判斷此基料油生產(chǎn)的塑性脂肪的應(yīng)用領(lǐng)域，如起酥油、人造奶油、代可可脂等。SFC 反映的是一定溫度下油脂樣品中存在的結(jié)晶脂肪含量，受油脂分子組成及結(jié)晶速率影響[9]。乳化劑的添加會影響脂肪分子的結(jié)晶行為，GMS 的添加量對棕櫚硬脂SFC 的作用效果如圖3 所示。

圖3 GMS 與棕櫚硬脂混合油在不同溫度下的SFCFig.3 SFC of PS and the mixture of PS with GMS at different temperatures

如圖3 所示，棕櫚硬脂及其與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，4%的GMS 混合物的SFC 隨著溫度的升高而降低，GMS 的添加量對棕櫚硬脂SFC 的影響在較高的溫度下更顯著。當(dāng)溫度為0 ℃時，各樣品間SFC 無差異，說明與GMS 相比，此時過冷度對SFC 起主導(dǎo)作用，GMS 的添加對棕櫚硬脂中結(jié)晶脂肪含量影響不明顯。當(dāng)溫度在21.1～33.3 ℃時，GMS 的添加量對棕櫚硬脂的SFC 影響顯著（P＜0.05）。在21.1 ℃和26.7 ℃時，當(dāng)GMS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1%時，棕櫚硬脂的SFC 值隨GMS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加（P＜0.05）；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%時，GMS 的添加對棕櫚硬脂的SFC 無顯著影響（P＞0.05）。表明在21.1～26.7 ℃溫度下，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0～1%）的GMS 對棕櫚硬脂的結(jié)晶脂肪含量沒有顯著性改變，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（＞1%）GMS 添加下的棕櫚硬脂具有更高含量的結(jié)晶脂肪。當(dāng)溫度達(dá)到33.3 ℃時，棕櫚硬脂的SFC 隨著GMS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大（P＜0.05），表明在此溫度下，添加GMS均減少了棕櫚硬脂的熔化程度，使結(jié)晶脂肪含量提高，這與Maruyama 等[10]的研究結(jié)果一致，其在研究單甘脂添加對可可脂的熔化行為時發(fā)現(xiàn)，在加熱時相同溫度下含有單甘脂的可可脂需要更多的能量。這是因為飽和單甘脂的添加會引起更多晶體的形成，從而更耐受溫度的作用[11]。當(dāng)溫度超過33.3 ℃時，棕櫚硬脂快速熔化，SFC 小于12%，GMS 的添加對SFC 影響不明顯。

2.2 GMS 對棕櫚硬脂硬度的影響

油脂硬度指其抗大形變的能力，是體現(xiàn)油脂產(chǎn)品起酥性、打發(fā)性及成型能力的重要指標(biāo)，油脂硬度一般采用穿刺法測量[12]。在脂肪產(chǎn)品中，影響其硬度的因素主要有SFC、結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)形態(tài)等[13-14]。因已有研究發(fā)現(xiàn)各油脂樣品在等溫結(jié)晶30 min時基本接近SFC 終點，所以本研究在等溫結(jié)晶條件下，考察添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，4%的GMS 對棕櫚硬脂硬度的影響，選擇在15，20，25，30 ℃條件下等溫結(jié)晶30 min 測定棕櫚硬脂的硬度，結(jié)果見圖4。

圖4 添加1%，2%，4% GMS 的棕櫚硬脂等溫結(jié)晶30 min 的硬度Fig.4 Hardness of palm stearin with 1%，2%，4% GMS after iothermal crystallization for 30 minutes

由圖4 可知，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，4%GMS的棕櫚硬脂等溫結(jié)晶30 min 后的硬度隨著結(jié)晶溫度的升高而顯著降低（P＜0.05），這是由于油脂的硬度由體系內(nèi)晶體骨架提供，而在較高溫度下，只有少部分熔點更高的甘油三酯分子結(jié)晶，構(gòu)成的晶體骨架結(jié)構(gòu)較為松散，從而導(dǎo)致硬度降低。

如圖4a、4b 所示，當(dāng)?shù)葴亟Y(jié)晶溫度為15，20℃時，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%GMS 的棕櫚硬脂硬度與空白樣品的硬度無顯著差別（P＞0.05），然而，當(dāng)GMS 的添加量達(dá)到4%時，樣品的硬度顯著大于空白樣品（P＜0.05）。圖4c 所示，等溫結(jié)晶溫度為25 ℃時，隨著GMS 添加量的增加，棕櫚硬脂樣品硬度增大（P＜0.05），而加入1%的GMS 與空白棕櫚硬脂的硬度之間無顯著差異（P＞0.05）。圖4d 所示，當(dāng)?shù)葴亟Y(jié)晶溫度為30 ℃時，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%GMS 的棕櫚硬脂的硬度顯著低于加入4%GMS 的樣品（P＜0.05）。結(jié)合前文溫度-SFC 的研究，發(fā)現(xiàn)棕櫚硬脂硬度與其SFC 之間并非成正向?qū)?yīng)關(guān)系，尤其在30 ℃附近，SFC 隨著GMS 添加量的增加顯著增大（P＜0.05），而添加0%，1%，2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）GMS 棕櫚硬脂的硬度之間無顯著性差異（P＞0.05）。

通常認(rèn)為，油脂的硬度與其SFC 有一定關(guān)系，即SFC 值在一定程度上可以反映油脂的硬度，這與油脂組成中的晶體特性有關(guān)[15]。研究表明，硬度的大小也與其晶型及微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)[16]。因此，推測加入GMS 的棕櫚硬脂硬度的增大與其結(jié)晶結(jié)構(gòu)相關(guān)，添加GMS 使得棕櫚硬脂形成了更加致密的晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這有待進一步用偏光顯微鏡驗證。

2.3 GMS 對棕櫚硬脂微觀結(jié)構(gòu)的影響

脂肪晶體的成核及生長方式直接關(guān)系到其結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括脂肪微粒的尺寸、形狀、空間分布和粒子間的交互作用力[17-18]。為進一步了解GMS對棕櫚硬脂結(jié)晶形態(tài)的影響，使用偏光顯微鏡觀察棕櫚硬脂樣品的晶體形態(tài)，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)GMS 的棕櫚硬脂在15，20，25，30 ℃下等溫結(jié)晶后的偏光顯微鏡圖如圖5 所示。

圖5 添加1%，2%，4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）GMS 的棕櫚硬脂分別在15，20，25，30 ℃下等溫結(jié)晶30 min 的偏光顯微鏡圖Fig.5 Polarized light microscopy images of palm stearin with 1%，2%，4%（mass fraction）GMS after isothermal crystallization at 15，20，25 ℃and 30 ℃respectively for 30 minutes

如圖5 所示，在15，20 ℃及25 ℃等溫結(jié)晶時，空白棕櫚硬脂結(jié)晶均呈雪花狀，晶體尺寸最大，隨著GMS 添加量的增加，棕櫚硬脂中晶體更多，且晶體尺寸逐漸減小，這與Maruyama 及Basso 等[10-11]獲得的單甘脂的添加導(dǎo)致形成更多細(xì)小的晶體的研究結(jié)果一致。當(dāng)添加量達(dá)到4%時，晶體形態(tài)呈尺寸細(xì)小的針狀，結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為致密。這與上文SFC 及硬度結(jié)果對應(yīng)，致密的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予產(chǎn)品更高的硬度。

在30 ℃等溫結(jié)晶時，添加1%，2%GMS 的棕櫚硬脂與空白棕櫚硬脂結(jié)晶形態(tài)相似，都為大尺寸的球晶，這是由于低過冷度導(dǎo)致油脂體系零星成核，晶體有足夠的時間和空間在已形成的少量晶核上線性增長，最終形成大的有序晶體[19]。而加入4%GMS 的棕櫚硬脂形成細(xì)小針狀晶體，這是由于在低過冷度使得棕櫚硬脂自身成核困難，添加GMS 可率先成核，甘油三酯分子在其周圍迅速生長，使得結(jié)晶細(xì)小。所以，硬度大于其它油脂樣品，這與結(jié)晶機制保持一致，表明GMS 通過改變油脂結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響其硬度。

3 結(jié)論

通過考察添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，4%的GMS對棕櫚硬脂在不同溫度下的SFC、硬度及微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)棕櫚硬脂的SFC 隨著溫度的升高而降低，GMS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棕櫚硬脂SFC 的影響在較高的溫度下更顯著。在21.1～33.3 ℃之間，當(dāng)GMS 添加量高于1%時，棕櫚硬脂的SFC 隨GMS 添加量的增加而增加。棕櫚硬脂硬度與其SFC 值之間并非成正向?qū)?yīng)關(guān)系，尤其在30 ℃附近，SFC 隨著GMS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加顯著增大，而添加1%，2%GMS 的棕櫚硬脂樣品的硬度與空白油脂的硬度之間無顯著性差異，偏光顯微鏡圖表明，GMS 通過改變油脂結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而影響其硬度。