單月桂酸甘油酯強化羥丙基甲基纖維素油凝膠制備工藝條件優(yōu)化

張永涵，唐月梅，董世容，賈銀花，黃小清，楊希，鄒強*

(1.成都大學 食品與生物工程學院, 成都 610106；2.四川飯掃光食品集團股份有限公司,成都 611730)

油凝膠技術是通過油脂凝膠劑所形成三維網(wǎng)絡結(jié)構固定液體油的新技術[1]，可以使液體植物油具有類似固體動物油脂的特性，從而減少飽和脂肪酸攝入，實現(xiàn)健康飲食。現(xiàn)有研究中發(fā)現(xiàn)多種物質(zhì)能夠作為油脂凝膠劑、植物甾醇[2]、植物蠟[3]、乙基纖維素[4]、單甘酯[5]等，羥丙基甲基纖維素(HPMC)是一種水溶性纖維素衍生物，被廣泛用于藥品、化妝品和食品行業(yè)[6-7]。通過高速攪拌充氣產(chǎn)生泡沫，然后冷凍干燥脫水形成多孔材料用于構建油凝膠體系，無需熱相變，完整地保留植物油中的不飽和脂肪和熱敏性成分[8]。例如，Oh Imkyung等[9]制備菜籽油基的HPMC油凝膠代替肉餅中的牛脂，在改善了肉餅質(zhì)量的同時，還提高了其營養(yǎng)價值。Naeli等[10]開發(fā)了乙基纖維素和HPMC復配的油凝膠，可有效作為動物脂肪的替代品。Meng等[11]添加不同增稠劑研究對HPMC油凝膠凝膠性能的影響，并發(fā)現(xiàn)了多糖之間通過分子內(nèi)或分子間氫鍵相互作用形成聚合物油分子的機制,但形成單一HPMC油凝膠的持油性較差，凝膠強度較低。

單月桂酸甘油酯(GML)是一種親脂性非離子表面活性劑，兼具良好的乳化性和防腐性[12]，價格低廉，食用安全性較高，廣泛用于食品工業(yè)中。例如，Pan等[13]將GML作為凝膠劑制備山茶油凝膠及其乳劑，具有較好的抗氧化性。余立意[14]構建GML微乳體系調(diào)控微生物細胞的基因表達，達到抑制食品中細菌活性的目的。

本課題組通過前期預試驗發(fā)現(xiàn)在HPMC油凝膠中加入GML，能夠提高HPMC油凝膠的凝膠強度，可作為潛在的HPMC油凝膠強化劑。因此，本研究以葵花籽油為基料油，GML作為凝膠強化劑，HPMC作為凝膠劑，研究油凝膠制備過程中GML添加量、HPMC黏度、HPMC添加量對形成的油凝膠持油性和凝膠強度的影響，在單因素試驗的基礎上，選取持油性和凝膠強度為優(yōu)化目標，采用Box-Behnken響應面法對油凝膠制備進行優(yōu)化，以期獲得具有較好持油性和凝膠強度的固態(tài)植物油脂產(chǎn)品，能進一步應用于食品工業(yè)中。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

一級葵花籽油：益海嘉里食品營銷有限公司；羥丙基甲基纖維素(HPMC)：上海麥克林生化科技有限公司；單月桂酸甘油酯(GML，食品級)：河南奧尼斯特食品有限公司。

DZKW-4型電子恒溫水浴鍋 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；JA2003N型電子分析天平 上海佑科儀器儀表有限公司；A11 basic型分析研磨機 德國IKA公司；FJ200-SH型高速分散均質(zhì)機 上海標本模型廠；3k15型超速離心機 美國Sigma Aldrich公司；LGJ-10E型真空冷凍干燥機 北京四環(huán)科學儀器廠有限公司；TA-XT Plus型物性分析儀 英國SMS公司；RWD100型頂置式攪拌器 上海滬析實業(yè)有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 GML強化HPMC油凝膠(GEHO)的制備

參照Oh Imkyung等[15]、Schlievert等[16]的方法并稍作修改，將2%(W/W)HPMC溶于蒸餾水中放置12 h，然后將HPMC溶液在13000 r/min下均質(zhì)15 min，并進行冷凍干燥，放入冰箱中儲存?zhèn)溆?。取出制備好的HPMC泡沫，將其研磨后與GML混合加入葵花籽油中，使用頂置攪拌器以200 r/min剪切10 min，然后將其于4 ℃放置過夜。

1.2.2 持油性的測定

參照徐杰等[17]、Meng等的方法并稍作修改，取適量的HPMC油凝膠置于10 mL離心管中，稱其質(zhì)量記為m2，以9000 r/min高速離心10 min，將離心后的離心管倒置10 min，用濾紙吸干瀝出的植物油，稱量其質(zhì)量記為m3。持油性按下式計算:

式中：m1為離心管質(zhì)量，m2為未離心的管和油凝膠質(zhì)量，m3為已離心的管和油凝膠質(zhì)量，ω為油凝膠體系中凝膠劑的質(zhì)量分數(shù)。

1.2.3 凝膠強度的測定

參照張芷蕓等[18]的方法并稍作修改，采用TA-XT Plus物性分析儀測定凝膠強度。質(zhì)構儀測定條件：探頭P/0.5；測前速度為1.5 mm/s；測中速度為1 mm/s；測后速度為1 mm/s；探頭下壓距離為15 mm；采用自動觸發(fā)，觸發(fā)力為5 g。壓縮變形4 mm所需的最大應力為凝膠強度，單位為g。

1.2.4 單因素試驗設計

1.2.4.1 GML添加量對持油性和凝膠強度的影響

固定HPMC黏度4000 mPa·s，HPMC添加量4%(W/W)，GML添加量分別設定為0%、1%、3%、5%、7%、9%，在上述條件下制備GML強化的HPMC油凝膠(GEHO)，測其持油性和凝膠強度。

1.2.4.2 HPMC黏度添加量對持油性和凝膠強度的影響

固定GML添加量7%，HPMC添加量4%(W/W)，HPMC黏度分別設定為30，50，100，400，4000 mPa·s，在上述條件下制備GEHO，測其持油性和凝膠強度。

1.2.4.3 HPMC添加量對持油性和凝膠強度的影響

固定HPMC黏度4000 mPa·s，GML添加量7%，HPMC添加量分別設定為1%、2%、3%、4%、5%，在上述條件下制備GEHO，測其持油性和凝膠強度。

1.2.5 響應面試驗設計

表1 響應面試驗因素水平設計Table 1 The factors and levels of response surface test

1.3 數(shù)據(jù)分析

每組試驗做3次平行，結(jié)果用平均值±標準差表示。采用SPSS軟件對單因素試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，通過Tukey檢驗法比較平均值的顯著差異性(P<0.05)；采用OriginPro 2019b軟件處理單因素試驗所得數(shù)據(jù)及畫圖；采用Design-Expert 8.0軟件中擬合二階多項式方程，并形成響應曲面，分析試驗因素和水平交互作用對響應值的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 GML添加量對GEHO品質(zhì)的影響

由圖1可知，隨著GML添加量的增加，GEHO的凝膠強度持續(xù)增加，在GML添加量為7%時趨于平緩，而持油性呈先上升后下降的趨勢，在GML添加量為5%時達到最大值。隨著GML添加量的增加， GEHO網(wǎng)狀結(jié)構更緊密，凝膠強度增加。當GML添加量達到5%時，持油性為94.40%，再增加GML的添加量，持油性緩慢下降，可能是因為GEHO結(jié)合油的能力已達到最大，多余的GML發(fā)生了相分離。因此，綜合分析確定GEHO中GML最適添加量為7%。Zhao等[20]研究也發(fā)現(xiàn)，GML添加量的增加會在油相產(chǎn)生更致密的網(wǎng)狀結(jié)構。還有研究發(fā)現(xiàn)，GML能夠改性阿拉伯膠，達到提高其凝膠穩(wěn)定性的目的[21]。

圖1 GML添加量對GEHO持油性和凝膠強度的影響Fig.1 The effect of GML additive amount on oil holding capacity and gel strength of GEHO

2.1.2 HPMC黏度對GEHO品質(zhì)的影響

由圖2可知，隨著HPMC黏度的增大，持油性和凝膠強度總體呈上升趨勢，在HPMC為4000 mPa·s時，GEHO達到最佳的持油性(93.71%)和凝膠強度(91.33 g)。Patel等[22]也研究發(fā)現(xiàn)，較高黏度的HPMC能形成較穩(wěn)定的泡沫，增加其持油性。而通常食品生產(chǎn)研究中使用的HPMC黏度范圍≤4000 mPa·s(食品級)[23]，因此，結(jié)合后面的響應面試驗，選取400 mPa·s HPMC作為響應面試驗的中間值。

圖2 HPMC黏度對GEHO持油性和凝膠強度的影響Fig.2 The effect of HPMC viscosity on oil holding capacity and gel strength of GEHO

2.1.3 HPMC添加量對GEHO品質(zhì)的影響

由圖3可知，隨著HPMC添加量的增加，GEHO的凝膠強度持續(xù)增加，而持油性呈先上升后下降的趨勢。在HPMC添加量為1%～4%時，持油性逐漸提高，在HPMC添加量為4%時達到最大值，凝膠強度持續(xù)增加，在HPMC添加量為2%～4%時，凝膠強度顯著提升(P<0.05)。在HPMC添加量為5%時，持油性開始下降，凝膠強度小幅增加，但無顯著變化。綜合評定分析，確定HPMC的最適添加量為4%。

③徐俯《卜算子》(胸中千種愁)：雙調(diào)45字，上闋4句22字2仄韻，下闋4句23字3仄韻。句式：5575。55733。

圖3 HPMC添加量對GEHO持油性和凝膠強度的影響Fig.3 The effect of HPMC additive amount on oil holding capacity and gel strength of GEHO

2.2 響應面分析法優(yōu)化試驗結(jié)果

由表2可知，采用Design Expert軟件對持油性(Y1)和凝膠強度(Y2)進行擬合，得到二次多項回歸方程：Y1=91.85-12.85A+18.48B+17.61C-1.44AB-0.68AC-0.91BC+1.1A2+0.48B2-1.35C2，Y2=-217.32+52.65A-9.5B+36.61C+0.23AB+0.15AC+3.47BC-3.3A2+1.46B2-2.87C2。

表2 Box-Behnken試驗設計及結(jié)果Table 2 The design and results of Box-Behnken experiments

續(xù) 表

2.2.1 GEHO持油性響應面優(yōu)化試驗結(jié)果分析

2.2.1.1 GEHO持油性回歸方程的方差分析

由表3可知，F(xiàn)值為37.66，顯著性檢驗P<0.0001，表明模型擬合性極顯著；失擬項的P=0.2588>0.05，說明擬合的模型純誤差不顯著，可預測實際值；相關系數(shù)R2=0.9798，表明97.98%的數(shù)據(jù)可用此回歸方程解釋，該模型具有良好擬合度，可代替試驗真實點分析和預測制備條件對GEHO持油性的影響[24-25]。

表3 持油性回歸方程方差分析表Table 3 The variance analysis results of oil holding capacity regression equation

由F值可知，各因素對GEHO持油性影響的大小順序為B(HPMC黏度)>C(HPMC添加量)>A(GML添加量)?；貧w模型系數(shù)的顯著性分析表明，B、C對GEHO持油性的影響極顯著(P<0.01)，A2、C2和交互項AB對GEHO持油性的影響顯著(P<0.05)，其余項對持油性的影響不顯著。

2.2.1.2 因素交互作用對GEHO持油性的影響

響應曲面圖可直觀地反映各因素交互作用對持油性的影響，曲面越陡，交互作用影響越顯著。等高線越接近橢圓形，兩因素的交互作用越強[26]。由圖4中a可知，響應面的坡度較為陡峭，表明GEHO的持油性對HPMC黏度和GML添加量的變化較敏感。由圖4中b可知，HPMC添加量與GML添加量之間的交互作用較弱，HPMC添加量對持油性的影響略大于GML添加量。由圖4中c可知，持油性隨著HPMC黏度的增大呈上升趨勢，隨著HPMC添加量的增加先上升后保持不變。上述結(jié)果均與回歸分析結(jié)果相一致。

a

2.2.2 GEHO凝膠強度響應面優(yōu)化試驗結(jié)果分析

2.2.2.1 GEHO凝膠強度回歸方程的方差分析

由表4可知，F(xiàn)值為37.22，顯著性檢驗P<0.0001，表明模型擬合性極顯著；失擬項的P=0.1860>0.05，說明擬合模型純誤差不顯著，可預測實際值；相關系數(shù)R2=0.9795，表明97.95%的數(shù)據(jù)可用此回歸方程解釋，該回歸模型具有良好擬合度，可代替試驗真實點分析和預測制備條件對GEHO凝膠強度的影響。

表4 凝膠強度回歸方程方差分析表Table 4 The variance analysis results of gel strength regression equation

由F值可知，各因素對GEHO凝膠強度影響的大小順序為C(HPMC添加量)>B(HPMC黏度)>A(GML添加量)。回歸模型系數(shù)的顯著性分析表明，A、B、C對GEHO凝膠強度的影響極顯著(P<0.01),A2、C2和交互作用項BC對GEHO凝膠強度的影響顯著(P<0.05)，其余項對凝膠強度的影響不顯著。

2.2.2.2 因素交互作用對GEHO凝膠強度的影響

由圖5中a可知，HPMC黏度與GML添加量之間的交互作用較弱，HPMC黏度對凝膠強度的影響略大于GML添加量。由圖5中b可知，GEHO的凝膠強度隨著HPMC添加量和GML添加量的增加均呈現(xiàn)上升趨勢，但HPMC添加量對凝膠強度的影響較強于GML添加量。由圖5中c可知，響應面的坡度較為陡峭，表明GEHO的凝膠強度對HPMC添加量和HPMC黏度的變化較敏感。上述結(jié)果均與回歸分析結(jié)果相一致。

a

2.2.3 GEHO最佳制備條件的確定

采用Design-Expert 8.0軟件分析各因素對HPMC油凝膠持油性和凝膠強度的影響，確定GEHO制備的最佳條件為：GML添加量為6.46%，HPMC黏度為4000 mPa·s，HPMC添加量為5%，理論HPMC油凝膠的持油性為92.20%，凝膠強度為102.45 g?？紤]實際可操作性，調(diào)整最優(yōu)條件為：GML添加量為6.5%，HPMC黏度為4000 mPa·s，HPMC添加量為5%，此時GEHO的持油性為(91.42±1.21)%，凝膠強度為(100.47±2.36) g，與理論值基本一致。GEHO的持油性相比Meng等制備的HPMC油凝膠 (83%～88%)提高了約4%～8%，凝膠性能相比張翠平[27]制備的羥基類油凝膠(96.86, 98.96 g)略有提升(3.6%、1.6%)，說明優(yōu)化制備的GEHO持油性和凝膠性能較好，具有實際意義。

3 結(jié)論

通過GML強化HPMC油凝膠，采用響應面分析GML添加量、HPMC黏度和HPMC添加量對GEHO持油性和凝膠強度的影響，并優(yōu)化處理條件。單因素試驗結(jié)果表明，GML添加量、HPMC黏度和HPMC添加量對GEHO持油性和凝膠強度的影響均較為顯著。以此為基礎，建立Box-Behnken響應面試驗對GEHO持油性和凝膠強度進行條件優(yōu)化。最佳制備條件為：GML添加量為6.5%，HPMC黏度為4000 mPa·s，HPMC添加量為5%。在最佳工藝條件下，HPMC油凝膠實際持油性為(91.42±1.21)%，凝膠強度為(100.47±2.36) g，與預測值偏差較小，略優(yōu)于現(xiàn)有研究。本研究提升了原HPMC油凝膠的持油性和凝膠強度；擬合的方程模型能較好預測各因素與目標值的變化關系，為HPMC油凝膠能進一步應用于食品工業(yè)中提供了一定的理論參考。