L-抗壞血酸棕櫚酸酯對椰子油結(jié)晶行為的影響

孟校宇，劉春環(huán)，曹 晨，鄭召君，劉元法

(江南大學 食品學院，食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫214122)

在工業(yè)上，脂類食品如巧克力、人造黃油、糖果、乳制品等的加工過程直接受脂肪結(jié)晶行為的影響[1]。脂肪結(jié)晶特性對產(chǎn)品的質(zhì)地、風味、口腔融化感、儲存穩(wěn)定性以及外觀等具有重要的作用[2]。例如，人造黃油中粗大的晶體顆粒會產(chǎn)生明顯的沙粒感[3]。為了獲得更好品質(zhì)的脂肪產(chǎn)品，工業(yè)上往往使用一些脂肪結(jié)晶改良劑來調(diào)控脂肪的結(jié)晶過程。

乳化劑是食品工業(yè)中使用最多的油脂結(jié)晶改良劑。研究發(fā)現(xiàn)，乳化劑的作用機制是通過?；c?；g的相互作用進而調(diào)節(jié)脂肪的結(jié)晶過程[4]。除此之外，親水基團的大小也對晶體分子堆積起到重要作用。乳化劑根據(jù)其作用機制可以分為兩類，一類是“結(jié)晶抑制劑”，另一類是“結(jié)晶促進劑”。前者的作用機制是乳化劑與其化學結(jié)構(gòu)相似的甘油三酯同時結(jié)晶，發(fā)揮“共結(jié)晶作用”。后者的作用機制在于，乳化劑在甘油三酯之前結(jié)晶，作為晶核誘導(dǎo)甘油三酯的結(jié)晶。同時，乳化劑會吸附在晶體表面，調(diào)節(jié)晶型和晶體的微觀結(jié)構(gòu)[5]。許多國內(nèi)外學者對椰子油結(jié)晶調(diào)控進行了深入的研究。Maruyama等[5]研究發(fā)現(xiàn)，單甘酯乳化劑可以提高椰子油結(jié)晶速率，其濃度對椰子油晶體形態(tài)、晶體大小有顯著影響。Sonwai等[6]研究表明，脫水山梨糖醇單月桂酸酯對椰子油結(jié)晶性質(zhì)的影響與結(jié)晶溫度有關(guān)，在低于其熔點的結(jié)晶溫度下，僅影響椰子油中高熔點組分的結(jié)晶行為，在高于其熔點的結(jié)晶溫度下，椰子油中兩種餾分的結(jié)晶速率均大幅度降低。

L-抗壞血酸棕櫚酸酯(L-AP)是L-抗壞血酸和棕櫚酸通過酯鍵結(jié)合而成的具有雙親性的化合物?；诖耍覀兺茰yL-AP 的非極性尾部、極性頭部與甘油三酯之間可能存在強烈的相互作用，進而影響甘油三酯的結(jié)晶行為。然而幾乎沒有關(guān)于L-AP 對油脂結(jié)晶影響的研究。同時，L-AP是一種脂溶性維生素C，其不僅保留了維生素C全部的生理活性，而且克服了維生素C怕光、怕潮、怕熱的缺點。并且，L-AP被世界衛(wèi)生組織認定為營養(yǎng)、無毒、高效和安全的食品添加劑。

椰子油是一種中碳鏈油脂，其脂肪酸組成主要為月桂酸和肉豆蔻酸，飽和脂肪酸含量約為90%[7]，適合作為結(jié)晶動力學的研究模型。研究表明，椰子油對人類營養(yǎng)健康有重要的影響。雖然椰子油飽和度較高，但其相對分子質(zhì)量較低，更容易被人體吸收，具有促進新陳代謝、降低患動脈粥樣硬化或心臟病風險的功效[8]。在工業(yè)生產(chǎn)中，椰子油也被應(yīng)用到人造黃油和巧克力醬等產(chǎn)品中[5]。然而椰子油與氫化油相比，仍然具有許多結(jié)晶方面的缺陷。

本文的目的在于通過脈沖核磁共振(p-NMR)、X-射線衍射(XRD)、差示掃描量熱法(DSC)和偏振光顯微鏡(PLM)等研究手段探究L-AP對椰子油結(jié)晶行為的影響，進而證明L-AP作為一種潛在的結(jié)晶改良劑可改善椰子油的結(jié)晶特性，擴大椰子油在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍，為食品領(lǐng)域中油脂改性提供新思路。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

椰子油，益海嘉里研究中心；L-抗壞血酸棕櫚酸酯(L-AP)，上海阿拉丁有限公司；其他分析純或者色譜純的化學試劑均購于國藥試劑公司。

GC-2010 PLUS氣相色譜儀，日本Shimadzu公司；Agilent 1200高效液相色譜儀，美國Agilent公司；低場脈沖式核磁共振儀，英國Oxford公司；D8-Advance X-射線衍射儀，德國Bruke公司；功率補償型差示掃描量熱儀，瑞士METTLER-DSC3公司；TA.XTPlus質(zhì)構(gòu)分析儀，美國TA公司；偏振光顯微鏡，德國Leica公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備

將L-AP與椰子油均勻混合，于120℃下加熱30 min至完全熔化，然后在20℃下儲存過夜以備分析。分別將L-AP添加量(以椰子油質(zhì)量計)為0%、1%、3%、5%的椰子油樣品記為0% (L-AP)、1% (L-AP)、3% (L-AP)、5% (L-AP)。

1.2.2 脂肪酸和甘油三酯組成的測定

脂肪酸組成使用配備有火焰離子化檢測器的氣相色譜儀測定。測定條件：TR-FAME毛細管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；初始柱溫130℃并保持3 min，然后以5℃/min的速率到175℃，保持10 min，然后以2℃/min的速率升至220℃，保持3 min；N2流速 2.0 mL/min；進樣量1 μL。樣品根據(jù)標樣的保留時間定性，采用面積歸一化法定量。

甘油三酯組成使用配備有蒸發(fā)光散射檢測器的Agilent 1200高效液相色譜儀測定。測定條件： Nova-pak RP-C18色譜柱(150 mm×4.6 mm，4 μm)；流動相流速1.0 mL/min；進樣量10 μL；流動相A為乙腈，流動相B為異丙醇-正己烷(體積比1∶1)，在最初的10 min內(nèi)以流動相比例為60%溶劑A和40%溶劑B的線性梯度洗脫，然后以56%A、44%B洗脫40 min，再以60%A、40%B洗脫10 min，最后以60%A、40%B洗脫10 min。 根據(jù)Liu等[9]的方法鑒定甘油三酯。

1.2.3 結(jié)晶動力學的測定

使用低場脈沖式核磁共振儀測定結(jié)晶動力學。將約3 mL完全熔化的樣品置于核磁管中并在120℃下儲存20 min以消除結(jié)晶歷史。以適當?shù)臅r間間隔測量固體脂肪含量(SFC)直到達到平衡。然后將得到的數(shù)據(jù)通過非線性回歸擬合Avrami方程(1)得到相關(guān)參數(shù)。

(1)

式中：C(t)為結(jié)晶時間t的固體脂肪含量；C(∞) 為平衡時的固體脂肪含量；K為結(jié)晶速率；n為Avrami指數(shù)。

結(jié)晶誘導(dǎo)時間(τSFC)定義為SFC曲線的線性生長區(qū)段的起始時間。結(jié)晶半數(shù)時間(t1/2)根據(jù)方程(2)計算。

(2)

1.2.4 晶體多態(tài)性和晶體域大小

采用X-射線衍射儀進行晶型分析。測定條件：銅靶Cu-Kα(λ=0.154 06 nm)，功率1 600 W，采用NaI晶體閃爍計數(shù)器測量X射線的強度，樣品以0.01(°)/min的速度從0°～35°(2θ)掃描，總分析程序持續(xù)時間566 s。實驗結(jié)果通過MDI Jade 6.0軟件(Materials Data，Inc.，USA)分析。

晶體的厚度(ξ)根據(jù)Scherrer方程(3)計算。

(3)

式中:k為形狀因子(無量綱)，提供關(guān)于顆?！皥A度”的信息，球形顆粒的形狀因子為1，而其他顆粒小于1，通常計算晶體厚度時取值為0.9；λ為X射線的波長；H為以弧度表示的半峰寬；θ為衍射角。

1.2.5 熱分析

采用差示掃描量熱儀進行熱分析。將5～10 mg完全熔化的樣品稱入鋁盤中，并將空盤作為空白對照。DSC程序：首先130℃下保持5 min以確保樣品完全熔化并清除所有晶體記憶，然后以5℃/min 的速率冷卻至-20℃，在-20℃下平衡10 min，接著以5℃/min的速率線性升溫至130℃。所有分析重復(fù)3次平行。

1.2.6 晶體形態(tài)

所有樣品于120℃加熱20 min，然后將完全熔化的樣品(約15 μL)滴在預(yù)熱的載玻片上。使用毛細管小心地在樣品上覆蓋預(yù)熱的蓋玻片，防止氣泡進入。將玻片分別于4℃和20℃的恒溫箱中儲藏24 h后采用偏振光顯微鏡進行晶體形態(tài)的觀察。獲得圖片使用Image J軟件中的盒維數(shù)計數(shù)算法獲得分形維數(shù)(Df)[3]。

2 結(jié)果與討論

2.1 椰子油的脂肪酸和甘油三酯組成

椰子油的脂肪酸和甘油三酯的組成如表1、表2所示。

表1 椰子油的脂肪酸組成和含量 %

由表1可見，椰子油含有大量飽和脂肪酸，如月桂酸(C12∶0，43.02%)、肉豆蔻酸(C14∶0，20.18%)和棕櫚酸(C16∶0，12.32%)。

表2 椰子油的甘油三酯組成和含量 %

由表2可見，椰子油中甘油三酯主要是中碳鏈甘油三酯，包括LLL(25.25%)、LLM (19.39%)、CLL(16.77%)、CCL(16.56%)、LMM(9.88%)。

2.2 椰子油及椰子油與L-AP混合物的結(jié)晶動力學

椰子油及椰子油與L-AP混合物的等溫結(jié)晶曲線并通過 Avrami曲線擬合，結(jié)果如表3所示。

由表3可見，椰子油的結(jié)晶速率(K)隨著溫度的升高而降低，而結(jié)晶誘導(dǎo)時間(τSFC)和半數(shù)結(jié)晶時間(t1/2)隨溫度的升高而升高。同時，隨著L-AP添加量的增大，τSFC和t1/2降低，K增大，這說明在椰子油中甘油三酯結(jié)晶之前，L-AP率先結(jié)晶并作為晶種誘導(dǎo)椰子油中甘油三酯的結(jié)晶，從而起到了促進結(jié)晶的作用，并且促進作用隨著L-AP添加量的增大而更加明顯。

成核生長維數(shù)可以用n表示，其反映了成核和生長的機理。其中：n為1代表了瞬時成核和線性生長；n為2表示存在瞬時或零星兩種成核方式，以及線性和盤狀生長方式；n為3表示瞬時或零星成核，晶核生長方式是盤狀和球晶狀生長；n為4表示零星的成核和球晶生長[10]。 由表3可見，隨著溫度的升高，n值呈上升趨勢。對于椰子油，在5℃時，瞬時成核和線性生長(n～1)占主導(dǎo)地位；當溫度升高到10℃時，瞬時和零星成核(n～2)同時存在，兩種生長模式為線性和盤狀生長；而溫度為15℃時，n值在2和3之間，表明主要晶體生長機制為盤狀和球形生長。這說明溫度對椰子油晶體的成核和生長方式有重要影響。同一溫度下，隨著L-AP添加量的增大，n值增大。如在5℃下，n值由1.23±0.05(0%)變?yōu)?.36±0.05(1%)、1.63±0.06(3%)、1.70±0.02(5%)，說明L-AP改變了椰子油的成核和生長方式。

表3 不同溫度下椰子油及椰子油與L-AP混合物的結(jié)晶速率(K)、Avrami指數(shù)(n)、結(jié)晶半數(shù)時間(t1/2)、結(jié)晶誘導(dǎo)時間(τSFC)

2.3 椰子油及椰子油與L-AP混合物的晶體多態(tài)性和晶體域大小

椰子油及椰子油與L-AP混合物的XRD圖譜如圖1所示。由圖1可見，在長間距掃描過程中，所有樣品均只有在4.6 ?附近有一個明顯的特征峰，這說明椰子油的晶型主要是β晶型。短間距掃描顯示在33 ?附近有一個特征峰，說明椰子油中甘油三酯為3倍長鏈堆積方式[11]。并且L-AP對椰子油的晶型以及堆積方式?jīng)]有顯著影響。

圖1 椰子油及椰子油與L-AP混合物的XRD圖譜

表4為椰子油及椰子油與L-AP混合物晶體的厚度。由表4可見，晶體的厚度隨著L-AP添加量的增加而增加，說明L-AP參與了椰子油結(jié)晶過程，增加了晶體厚度。

表4 椰子油及椰子油與L-AP混合物晶體的厚度

2.4 椰子油及椰子油與L-AP混合物的熱分析

圖2顯示了樣品的結(jié)晶和熔化曲線，表5為樣品對應(yīng)的結(jié)晶/熔化起始溫度(Toc/Tom)、結(jié)晶/熔化峰值溫度(Tpc/Tpm)以及對應(yīng)的結(jié)晶/熔化焓值(ΔHc/ΔHm)的變化。由圖2、表5可見，在結(jié)晶過程中，椰子油存在兩個吸收峰，一個是低熔點峰(0.21℃，ΔHc=119.01 J/g)，一個是高熔點峰(7.85℃，ΔHc=1.25 J/g)。隨著L-AP的加入，Toc略微向高溫區(qū)移動，如9.87℃(1%)、10.60℃(3%)和11.78℃(5%)。此外，加入L-AP后的椰子油只存在一個吸收峰，并且隨L-AP添加量增大Tpc升高，如6.82℃(1%)、7.34℃(3%)和7.69℃(5%)，ΔHc同樣增大，分別為124.07 J/g(1%)、130.08 J/g(3%)和137.70 J/g(5%)。在熔化過程中，隨著L-AP添加量的增加，Tom、Tpm以及ΔHm均隨之增大，這說明L-AP促進了椰子油的結(jié)晶過程[12]，這與之前的結(jié)晶動力學的測定結(jié)果是相照應(yīng)的。

表5 椰子油及椰子油與L-AP混合物的結(jié)晶/熔化起始溫度(Toc/Tom)、結(jié)晶/熔化峰值溫度(Tpc/Tpm)、結(jié)晶/熔化焓值(ΔHc/ΔHm)

圖2 椰子油及椰子油與L-AP混合物的DSC曲線

2.5 椰子油及椰子油與L-AP混合物的晶體形態(tài)及分形維數(shù)

椰子油及椰子油與L-AP混合物的晶體形態(tài)如圖3所示。由圖3可見，在4℃時，椰子油呈現(xiàn)的是細小的晶球結(jié)構(gòu)，并且隨著L-AP添加量的增大，晶體數(shù)量增多，展現(xiàn)出更加均勻和細小的形態(tài)結(jié)構(gòu)。而20℃的樣品呈現(xiàn)出明顯的針狀結(jié)構(gòu)，L-AP的加入使該結(jié)構(gòu)變得更密集。通常較高的分形維數(shù)(Df)對應(yīng)于更有序的晶體結(jié)構(gòu)，說明成核和生長過程同樣是更加有序的[2,13]。隨著L-AP添加量的增加，樣品的Df值增大，說明L-AP參與了椰子油的結(jié)晶過程，促使其通過更為有序的結(jié)晶過程形成更為致密的晶體結(jié)構(gòu)。

圖3 椰子油及椰子油與L-AP混合物的晶體形態(tài)

3 結(jié) 論

本文主要研究了L-AP對椰子油結(jié)晶行為的影響。L-AP的添加促進了椰子油的結(jié)晶，提高了其結(jié)晶速率。L-AP發(fā)揮作用的機制主要是通過 “晶種”的形式，L-AP率先結(jié)晶形成細小的晶體，作為“晶種”誘導(dǎo)椰子油中甘油三酯的結(jié)晶。在分子角度層面，L-AP對椰子油的晶型和晶體堆積方式?jīng)]有顯著影響；在納米層面，L-AP的加入增加了椰子油晶體納米片層的厚度。同時，偏振光顯微鏡圖片顯示出更高的分形維數(shù)，說明L-AP促使椰子油的結(jié)晶過程中形成更為有序致密的結(jié)構(gòu)。綜上所述，L-AP對椰子油結(jié)晶特性產(chǎn)生了顯著的影響。