凝膠劑種類對凝膠油物性及結(jié)晶形態(tài)的影響

朱小勇 孟 宗 李進(jìn)偉 蔣 將 劉元法

（江南大學(xué)食品學(xué)院，無錫 214122）

隨著食品專用油脂消費(fèi)向著多品種、多檔次、復(fù)合型方向發(fā)展，為滿足食品工業(yè)中低反式脂肪酸和低飽和脂肪酸的健康需求，液態(tài)油脂的有機(jī)凝膠固態(tài)化構(gòu)造成為近年來研究的熱點(diǎn)之一［1－2］。目前國內(nèi)市場上在售的涂抹脂產(chǎn)品的反式脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%左右［3］。本試驗(yàn)通過添加米糠蠟、巴西棕櫚蠟、蜂蠟以及谷維素和谷甾醇混合物等食品級的大分子物質(zhì)到低芥酸菜籽油中，通過一定的加工條件可以使其形成類似凝膠狀的塑性油脂，依據(jù)形成機(jī)理的不同，可以劃分為兩種模式:結(jié)晶模式和分子自組裝模式［4］。米糠蠟、巴西棕櫚蠟、蜂蠟組凝膠油屬于結(jié)晶模式凝膠油，谷維素和谷甾醇混合物組凝膠油屬于分子自組裝模式凝膠油。相比于其他固態(tài)油脂，凝膠油綜合了低芥酸菜籽油低飽和脂肪酸的同時，還具有低反式脂肪酸、半固態(tài)油脂黏彈性等眾多突出優(yōu)點(diǎn)［5］。此類凝膠化油脂可以廣泛應(yīng)用到食品、藥品、化妝品、化工等行業(yè)［4，6－7］。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

精煉低芥酸菜籽油:上海益海嘉里公司；米糠蠟、蜂蠟、巴西棕櫚蠟、谷維素、谷甾醇:均為食品級，市售。

1.1.2 儀器

RT10型多點(diǎn)磁力攪拌儀:德國IKA公司；GC－14B型氣相色譜儀:日本島津公司；MQC－23脈沖式核磁共振儀:英國Oxford公司；Pyris 1型差式量熱掃描儀:美國PerkinElmer公司；Physica MCR301型流變儀:奧地利安東帕公司；TA.XTPlus型質(zhì)構(gòu)儀:英國SMS公司；馬爾文納米粒度及ZETA電位儀:英國馬爾文公司；Bruker D8－Advance粉末X－射線衍射儀:德國Bruker公司；配置LINKAM T95－PE型冷熱臺的E600型偏振光顯微鏡:日本尼康公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

分別稱取:a 2.50 g（精確到0.01 g，下同）蜂蠟，b 1.50 g谷維素和1.00 g谷甾醇混合，c 2.50 g米糠蠟和d 2.50 g巴西棕櫚蠟蠟，各自放入50 mL燒杯中，分別添加25.00 g精煉低芥酸菜籽油，在80℃下，以480 r/min的速率攪拌樣品0.5 h，然后轉(zhuǎn)入5℃的冰箱中保存24 h，分別制得樣品a～樣品d；對蜂蠟組再使用 e 720 r/min、f 960 r/min的攪拌速率，其他條件一致，得到樣品e、樣品f。

1.2.2 脂肪酸組成

脂肪酸組成的測定采用氣相色譜法，樣品采用三氟化硼甲酯化方法處理。色譜條件:CP－Si188毛細(xì)管柱，100 m×0.25 mm×0.2μm；程序升溫，F(xiàn)ID檢測器，檢測器溫度250℃；進(jìn)樣溫度250℃；載氣N2，壓力 200 kPa；H2壓力 60 kPa；空氣壓力 50 kPa。根據(jù)標(biāo)樣保留時間定性，面積歸一化法定量。

1.2.3 固體脂肪含量（SFC）

將樣品放入低場脈沖式核磁共振儀專用玻璃管，在100℃下熔化15 min以消除結(jié)晶記憶，轉(zhuǎn)移至恒溫器中于0℃下保留90 min后測其SFC，然后再升溫至 5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80℃，各保留30 min，測得各個溫度下的SFC。

1.2.4 流變性

使用physica MCR301型流變儀測定剪切速率對凝膠油黏度和屈服應(yīng)力的影響，剪切速率0～400 s－1。不同凝膠劑種類凝膠油流變性測試:分別取適量樣品a～樣品d，于10℃下測定其流變性；不同溫度下凝膠油流變性的測定:取適量d組凝膠油樣品，分別在10、20、30、40、50℃溫度下測定其流變性。

1.2.5 硬度

取適量樣品a～樣品d于50 mL小燒杯中，保持體系的均勻性及測試表面的平整度，于20℃溫度下放置48 h之后進(jìn)行測定。質(zhì)構(gòu)儀硬度測定條件:探針 P5，測前速度2 mm/s，測試中的速度1 mm/s，測后速度2 mm/s，下壓深度10 mm。各組樣品均在20℃下測定3次，取平均值。

1.2.6 粒徑

樣品平均粒徑測定條件:分別取適量樣品a～樣品f，按1∶25 000的體積比溶解于異丁醇中，超聲處理30 min使樣品顆粒完全分散至異丁醇中，在25℃下取適量樣品于儀器專用的G6比色皿中，轉(zhuǎn)入馬爾文納米粒度及ZETA電位儀中測定平均粒徑，每組平行測定2次，使用儀器自帶的Zatasizes軟件處理結(jié)果得到各樣品的分散系數(shù)。

1.2.7 晶型分析

晶型分析采用X－射線衍射法，取適量樣品a～樣品d平鋪于檢測片上的圓孔內(nèi)，于25℃下用D8Advance型X－射線衍射儀器測定。條件為Cu靶，工作電壓40 kV，電流40 mA，發(fā)射及防反射狹縫為1.0 mm、接受狹縫0.1 mm，室溫25℃條件下，掃描范圍2θ從3.0°到40°，掃描速率4°/min。使用JADE5.0軟件對掃描譜圖進(jìn)行分析。

1.2.8 結(jié)晶形態(tài)

用點(diǎn)樣毛細(xì)管取適量樣品a～樣品d于載玻片上，蓋上蓋玻片，使用木塞壓平至樣品均一。采用連接LINKAM T95－PE型冷熱臺的尼康E600型偏振光顯微鏡于20℃下觀察樣品的微觀晶體形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 基料油及凝膠油的脂肪酸組成

基料油及4種凝膠劑下凝膠油的脂肪酸組成如表1所示。

表1 基料油及凝膠油脂肪酸組成/%

由表1可見，4種凝膠油和精煉低芥酸菜籽油的脂肪酸組成相差不大，均為油酸（C18∶1）含量最高，其次是亞油酸（C18∶2）。基料油及4種凝膠油脂肪酸種類相似，只是各脂肪酸的含量略有差異，飽和脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8%，反式脂肪酸的低于0.4%，芥酸（C22∶1）的低于0.5%。凝膠油的脂肪酸組成滿足制備低反式低飽和脂肪酸食品專用油脂的要求。

2.2 凝膠油的熔化特性

SFC曲線能反應(yīng)產(chǎn)品固體脂肪含量隨溫度變化的情況，是評價食品專用油產(chǎn)品功能特性的重要指標(biāo)之一，DSC曲線能評價樣品的熔化結(jié)晶特性。為此對不同種類的凝膠油的SFC及DSC曲線進(jìn)行了測定，結(jié)果見圖1。

圖1 不同凝膠劑制備的凝膠油的SFC及DSC曲線

由圖1可以看出，蜂蠟?zāi)z油的熔點(diǎn)較低且熔程較寬，4種凝膠油的平衡固體脂肪含量都較低，這都可以賦予食品良好的口感。從DSC曲線可以看出，熔化曲線熔化峰溫 Tp值分別為50.62、64.25、65.53、74.80℃，與SFC熔融曲線一致。a樣品在較低溫度下全部很快熔融，b、c、d熔化溫度較高，各類凝膠油的熔化溫度可以通過降低凝膠劑濃度來降低（數(shù)據(jù)另文指出），Sawalha等［8］關(guān)于谷維素和谷甾醇混合物凝膠油溫度和濃度對自組裝凝膠油微觀結(jié)構(gòu)的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.3 硬度和粒徑

圖2為不同的凝膠劑種類下凝膠油的硬度及平均粒徑測定結(jié)果。可以看出，不同凝膠劑制備的凝膠油硬度相差較大，谷維素和谷甾醇混合物（3∶2）凝膠油硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于米糠蠟、棕櫚蠟、蜂蠟等結(jié)晶模式凝膠油的硬度。比較米糠蠟、棕櫚蠟、蜂蠟基凝膠油，其中蜂蠟結(jié)晶模式凝膠油硬度最大，這可能與凝膠油微觀結(jié)構(gòu)及其分子間作用力有關(guān)。而平均粒徑結(jié)果顯示，結(jié)晶模式凝膠油（米糠蠟、巴西棕櫚蠟、蜂蠟組凝膠油）平均粒徑和硬度變化趨勢一致，均遠(yuǎn)大于分子自組裝模式凝膠油（谷維素和谷甾醇混合組凝膠油）平均粒徑，這可能同凝膠油結(jié)晶機(jī)理及凝膠油的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖2 不同凝膠劑下凝膠油硬度（柱狀）及平均粒徑（散點(diǎn)）

選擇各項(xiàng)性質(zhì)較佳的添加10%蜂蠟為凝膠劑的a、e、f組樣品結(jié)晶模式凝膠油進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果如圖3所示，隨著加工過程中攪拌速率的增大，a、e、f樣品的平均粒徑有減小的趨勢，對粒徑結(jié)果采用儀器自帶的Zatasizes軟件處理得到3種加工條件下a、e、f樣品在異丁醇中的分散系數(shù)分別為 0.766、0.706、0.773，分散情況一致。出現(xiàn)這種情況可能是在制備過程中高溫下攪拌時攪拌速率的增大使得蜂蠟分子的布朗運(yùn)動增強(qiáng)，在油相中分布的越均一，由于成核過程通常在10 s之內(nèi)完成，而在其后的快速冷卻過程中，所形成的大量晶核也很快穩(wěn)定下來，晶核分布較為密集，體系黏度較大，抑制了晶體生長。

圖3 不同攪拌速率下蜂蠟?zāi)z油平均粒徑比較

2.4 流變性質(zhì)

2.4.1 凝膠劑種類對黏度的影響

2種模式凝膠油的結(jié)構(gòu)不同，體系表現(xiàn)的流變性質(zhì)也不同，其影響產(chǎn)品的的物理化學(xué)性能，自組裝模式能顯著的影響產(chǎn)品的黏稠度［9－10］。本試驗(yàn)通過測定不同種類凝膠劑下凝膠油的表觀黏度，得到圖4凝膠油的流變曲線。

從圖4可以看出，凝膠油的黏度隨著剪切速率的增加逐漸降低，表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性。一般假塑性體表觀黏度與剪切速率的關(guān)系符合冪律方程［11］。其方程為:

式中:η、γ、K、n分別為表觀黏度、剪切速率、稠度系數(shù)和冪律指數(shù)。冪律方程中稠度系數(shù)K是與流動指數(shù)是與液體性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。K是液體黏稠度的量度，K越大，液體越黏稠。n值是假塑性程度的量度，n值小于1，為剪切變稀的假塑性流體，n值偏離1越大，則意味著剪切越易變稀，即假塑性程度越大。

考慮到擬合方便性和觀察直觀性，對式（1）兩邊取以2為底的對數(shù)，得到式（2）:

選擇式（2）通過Origin 8軟件對不同種類凝膠劑下凝膠油表觀黏度－剪切速率曲線0～100 s－1范圍內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖5。圖5中擬合的曲線（直線）與試驗(yàn)數(shù)據(jù)（散點(diǎn)）較為吻合。通過計算直線斜率n－1，截距l(xiāng)og2K，即可得出稠度系數(shù)K和冪律指數(shù)n。擬合得到凝膠油黏度的稠度系數(shù)和冪律指數(shù)數(shù)據(jù)見表2，擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)平方值（R2）在0.987～0.997之間，說明表觀黏度和剪切速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系符合冪律方程關(guān)系式。

圖4 不同凝膠劑下凝膠油表觀黏度－剪切速率曲線

圖5 不同凝膠劑下凝膠油的log2η與log2γ關(guān)系圖

由圖4和圖5可以看出，隨著剪切速率的升高，各類凝膠油的黏度值均表現(xiàn)為減小，屬于非牛頓流體中的假塑性流體，即剪切變稀型流體。有別于黏度為常數(shù)的牛頓流體，非牛頓流體的黏度被稱為表觀黏度，它是剪切速率的函數(shù)。流體在剪切速率變化時表現(xiàn)出不同黏度變化規(guī)律可以反映其自身結(jié)構(gòu)。當(dāng)剪切速率增大時，蠟質(zhì)顆粒的解聚及沿流動方向定向排列以及谷維素和谷甾醇等大分子構(gòu)型的伸長可能是造成凝膠油剪切變稀的原因。

表2 添加10%不同種類凝膠劑下凝膠油表觀黏度的稠度系數(shù)和冪律指數(shù)

2.4.2 溫度對凝膠油黏度的影響

溫度對凝膠油的黏度影響很大。從圖6可以看出，隨著溫度的升高，蜂蠟?zāi)z油的黏度逐漸降低，當(dāng)溫度超過40℃以上時，凝膠油流變性由曲線變?yōu)榻咏粭l直線，假塑性流體傾向變小，牛頓性流體傾向變大。當(dāng)溫度升高，蜂蠟和低芥酸菜籽油分子的布朗運(yùn)動加劇，分子流動阻力降低，因而黏度下降，當(dāng)溫度超過40℃時，分子之間的布朗運(yùn)動變得非常快，足以擺脫自結(jié)膠束之間的作用力形成無序膠束，因此凝膠油表觀黏度－剪切速率關(guān)系由曲線變?yōu)榻埔粭l直線。

圖6 不同溫度下凝膠油表觀黏度－剪切速率曲線

圖7 不同溫度下蜂蠟?zāi)z油的log2η與log2γ關(guān)系圖

同理，采用式（2）對圖6中0～100 s－1范圍內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到線性相關(guān)性較好的擬合曲線，如圖7所示。擬合得到凝膠油表觀黏度的稠度系數(shù)和冪律指數(shù)數(shù)據(jù)見表3。n值在0.22～0.45之間，說明其屬于非牛頓流體中的典型的假塑性流體。

表3 不同溫度下蜂蠟?zāi)z油表觀黏度的稠度系數(shù)和冪律指數(shù)

2.5 晶型測定

分別在25℃下對a、b、c和d組樣品進(jìn)行X－衍射分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同種類凝膠劑下凝膠油的XRD圖

X－射線衍射分析被廣泛應(yīng)用于研究脂肪的同質(zhì)多晶現(xiàn)象，短間距在0.42 nm為α型晶體的特征峰，0.38 nm和0.42 nm附近強(qiáng)衍射峰為β′型晶體的特征峰，0.46 nm附近強(qiáng)衍射峰為 β型晶體特征峰［12］。從圖 8中可以看出，a、c、d 3種凝膠油中均含有α、β、β′晶型3種晶體，而b組凝膠油主要以β型晶體為主，試驗(yàn)結(jié)果與Dassanayake等［13］關(guān)于蠟質(zhì)結(jié)晶模式凝膠油的結(jié)果基本一致。這與產(chǎn)品的結(jié)晶形成機(jī)理相關(guān)，結(jié)晶形成機(jī)理的不同導(dǎo)致樣品晶型存在較大差異。對于含不同晶型的凝膠油，可以滿足制備不同食品專用油脂的需求。

2.6 凝膠油晶體微觀形態(tài)

脂肪所形成的晶體網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)對終產(chǎn)品的性質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。晶體微觀結(jié)構(gòu)包括晶體的空間分布、粒子尺寸、粒子形狀和粒子間的交互作用力，可采用偏振光顯微鏡進(jìn)行觀察，應(yīng)用盒維數(shù)法對晶體網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)定量分析。

添加不同種類的凝膠劑下制備的樣品a～樣品d在20℃下的結(jié)晶形態(tài)如圖9所示。可以看出，添加不同種類的凝膠劑所形成的凝膠油微觀結(jié)構(gòu)有很大的差別，其中添加蜂蠟的樣品a所形成的結(jié)構(gòu)最為細(xì)小散亂，呈細(xì)小的針狀結(jié)構(gòu)，較之添加米糠蠟的樣品c和巴西棕櫚蠟的樣品d結(jié)構(gòu)差別比較清晰，可能凝膠油的這種結(jié)構(gòu)是造成其在結(jié)晶模式樣品中具有較大硬度的一個重要因素。添加米糠蠟和巴西棕櫚蠟的體系中出現(xiàn)大量的絮狀結(jié)晶。而添加谷維素和谷甾醇混合物得到的分子自組裝模式凝膠油b的結(jié)晶形態(tài)與其余3種結(jié)晶模式凝膠油的結(jié)晶形態(tài)有很大區(qū)別，呈片狀結(jié)晶，結(jié)晶碎片堆積形成大顆粒。另外，可以看出，4種不同凝膠劑所形成的凝膠油體系微觀晶體結(jié)構(gòu)尺寸也有區(qū)別。在分布上，c、d組結(jié)晶模式凝膠油表現(xiàn)得更為規(guī)則。

圖9 凝膠劑種類對凝膠油微觀晶體形態(tài)的影響

對其三維結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用盒維數(shù)法定量分析所得的不規(guī)則碎片維數(shù)Db值如表4所示。

表4 凝膠劑種類對凝膠油晶體不規(guī)則碎片維數(shù)Db的影響

微觀結(jié)構(gòu)各因素中對Db有顯著影響的主要有晶體的尺寸大小、微觀形態(tài)以及結(jié)晶面積等，通常Db值越高就意味著網(wǎng)絡(luò)被填充的越多，c樣品Db值最大，b、d樣的Db值相差不大，都大于a樣品，這和偏振光顯微鏡直觀觀察結(jié)果相符。Tang等［14］研究結(jié)果表明，SFC值較高時結(jié)晶面積的增大會引起Db值的增大，而細(xì)小晶體的數(shù)目增大對Db值的影響較小；在低SFC值時，晶體尺寸及結(jié)晶面積的增大會引起Db值的增大，而與晶體數(shù)目無關(guān)。可以看出，凝膠劑種類對Db值影響較大。

3 結(jié)論

制備得到的凝膠油樣品反式脂肪酸含量低于0.4%，飽和脂肪酸含量低于8%。SFC曲線顯示蜂蠟為凝膠劑時得到的產(chǎn)品具有較寬熔程，與DSC曲線顯示低熔點(diǎn)相符。結(jié)晶模式凝膠油的硬度和平均粒徑均以蜂蠟組最大，巴西棕櫚蠟居中，米糠蠟組最低，而自組裝模式凝膠油硬度遠(yuǎn)大于結(jié)晶模式凝膠油，粒徑卻遠(yuǎn)小于結(jié)晶模式凝膠油；隨攪拌速率的增大，凝膠油平均粒徑減小。添加蜂蠟的結(jié)晶模式凝膠油隨著溫度升高，假塑性和黏稠度都變低；凝膠劑種類對凝膠油晶體微觀形態(tài)有較大影響；X衍射分析表明結(jié)晶模式凝膠油中均含有α、β、β′3種類型晶體，而自組裝模式凝膠油中僅存在β型晶體，且其形成的微觀晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也存在較大差異。

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