利用Sn-2位富含多不飽和脂肪酸的改性椰子油 制備低熱量型有機凝膠及其特性研究

姜澤放，白新鵬，高 巍，杜曉靜，張芳芳

(海南大學食品學院，海口 570228)

通過有機凝膠技術，流動的液態油脂可以變成具有結構特性的塑性脂肪，且營養價值沒有任何變化，這使得油脂凝膠既具有傳統塑性脂肪的結構特性，又具有低反式脂肪酸和低飽和脂肪酸的營養特性[1-2]。因此，有機凝膠技術是用來生產健康脂肪替代品的一種非常有前途的新技術[3-4]。油脂凝膠在食品行業中已得到應用，可作為新型起酥油應用于餅干等焙烤食品的制作降低產品漏出率；可替代動物油脂添加于法蘭克福香腸中，在保證其良好感官品質的同時，使產品更為健康；替代冰淇淋等冷凍食品制作過程中所添加的固體脂肪等[5-9]。凝膠劑作為油脂凝膠中關鍵組成部分，其結構的差異會對油脂凝膠的性能產生顯著影響。β-谷甾醇是植物油的一種次要成分[10]，γ-谷維素存在于米糠油中，二者通過分子間氫鍵的相互作用形成有機凝膠[11-12]。

富含月桂酸等中碳鏈脂肪酸的椰子油，能被人體快速消化和吸收，且不會儲存于身體組織中[13]。然而，中鏈甘油三酯(MCT)最主要的缺點是缺乏必需脂肪酸，大量攝入會引起體內酮體蓄積及消化系統的不良反應[14]。為改善天然椰子油的缺陷，將魚油中富含的長鏈型ω-3多不飽和脂肪酸結合到椰子油中的甘油三酯分子中，通過油脂改性合成EPA和DHA在Sn-2位的結構脂，這不僅在吸收MCT過程中避免不良反應，而且還能提高EPA和DHA等長碳鏈甘油三酯的吸收，且具有低熱量、易于消化吸收、快速供能，可降低血脂和體脂積累等特點[15-17]。

本實驗創新性地采用椰子油改性后的結構脂為基料油，谷維素和谷甾醇的混合物作為凝膠劑制備油脂凝膠，通過單因素實驗，確定了γ-谷維素和β-谷甾醇制備油脂凝膠的最佳工藝條件。深入分析了油脂凝膠質構性能、熱力學特性、流變特性和晶體微觀結構，不僅為油脂凝膠的表征和物化性質的改性提供理論依據，而且為未來新型起酥油的開發提供理論指導，豐富了功能性結構脂在特種油脂中的應用研究，對于拓寬椰子油應用空間也具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料與試劑

椰子油(實驗室自制)，魚油(?？诋數厥袌?，γ- 谷維素和β-谷甾醇(上海源葉生物科技有限公司)，Lipozyme RM IM酶(丹麥諾維信公司)，氨基(NH2)固相萃取柱(500 mg、6 mL，上海安譜實驗科技股份有限公司)。

1.1.2 儀器與設備

Agilent 7890A氣相色譜儀，全自動進樣器，FID檢測器；TA-XT Plus 質構儀，英國 Stable Micro Systems公司；MQC-23脈沖式核磁共振儀，英國Oxford公司；GL-20G離心機，上海安亭科學儀器廠；Pyris6 型差式量熱掃描儀，美國Perkin Elmer公司；E600偏振光顯微鏡，日本尼康公司；MCR301型流變儀，奧地利安東帕公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 結構脂(改性椰子油)的制備

將椰子油和魚油按照質量比1∶1放入100 mL的錐形瓶中，加入10%的Lipozyme RM IM酶，混合均勻后放入氣浴恒溫振蕩器，設定反應溫度為60℃，反應時間為8 h，待反應完成后離心除去脂肪酶，過濾得到結構脂的粗產物。向粗產物中加入適量的正己烷溶解至所需濃度，調配0.5 mol/L KOH溶液進行堿煉脫酸，最后進行干燥和旋轉蒸發去除溶劑，得到產物結構脂。

1.2.2 結構脂中Sn-2位脂肪酸分析

首先對結構脂進行酶解，具體步驟為：向試管中加入20 mg結構脂、20 mg豬胰脂酶和2 mL三羥甲基氨基甲烷緩沖液(1 mol/L)，混勻后再加入質量濃度為220 g/L的氯化鈣溶液0.2 mL和質量濃度為1 g/L的膽酸鈉溶液0.5 mL，再次混勻后立即放入40℃的水浴鍋中，保持手搖5 min，隨后取出并添加 1 mL乙醚和6 moL/L的鹽酸1 mL，離心后取上層溶液，用氮氣吹干。

參照文獻[18]采用NH2固相萃取柱法分離結構脂的酶解產物，參照文獻[19]采用氣相色譜測定脂肪酸組成。

1.2.3 油脂凝膠的制備

稱取改性椰子油25 g，分別添加一定量不同比例的γ-谷維素和β-谷甾醇復合凝膠劑，在不同溫度下加熱攪拌，然后把熱的混合溶液轉入不同溫度的冰箱中過夜后，置于25℃恒溫培養箱中儲藏7 d，制得油脂凝膠。

1.2.4 油脂凝膠特性分析

1.2.4.1 熔點測定

參照GB/T 24892—2010采用開口毛細管檢驗法。

1.2.4.2 機械穩定性(MS)測定

取5 g待測樣置于離心管中，在冰箱中保存1 d，然后在室溫下1 300 r/min離心15 min，稱量析出的液態油質量(m)。通過公式(1)計算機械穩定性，重復測定3次，結果取平均值。

(1)

1.2.4.3 硬度分析

使用質構儀對油脂凝膠進行硬度測定。質構儀設定參數：測前速率2 mm/s，測試中速率1 mm/s，測后速率2 mm/s，探頭感受到5.0 g力后下壓12.00 mm。每個樣品重復測定3次取平均值。

1.2.4.4 固體脂肪含量(SFC)分析

采用低場核磁共振儀測量。為了消除結晶記憶，制作標準化樣品，把含有樣品的NMR專用玻璃管放入80℃下保持30 min，隨后轉移到所預設的實驗溫度(25℃)，持續90 min后放入檢測器中進行測定。

1.2.4.5 流變學性質測定

使用流變儀(錐板直徑40 mm，角度1°)在室溫(25℃)下測定油脂凝膠的流變特性。對油脂凝膠的觸變性進行研究：保持流變儀的剪切應變固定不變，測定表觀黏度(η)隨著剪切速率(γ)在0.001～100 s-1范圍內的變化曲線。對油脂凝膠進行應變掃描：確定凝膠油的線性黏彈區(在應變變化的過程中，樣品的儲能模量G′和損耗模量G″保持不變的區域)，在掃描頻率為1 Hz的情況下，觀察應變在0.01%～10%掃描過程中，樣品G′和G″的變化規律。在應變范圍內對油脂凝膠進行頻率掃描：在確定的線性黏彈區內，觀察頻率在0.1～10 Hz的掃描過程中，樣品G′和G″的變化趨勢。

1.2.4.6 晶體形態學分析

用偏光顯微鏡觀察油脂凝膠在不同凝膠劑含量和組成條件下的晶體形態。把熱熔融狀態下的油脂凝膠滴于載玻片上，在5℃冰箱中儲存過夜，再置于25℃恒溫培養箱中儲存7 d,所得樣品用于光學分析，用放大倍數為200×的偏光顯微鏡觀察晶體形態并進行拍照。并做3次平行實驗。

1.2.5 數據處理

實驗所得數據利用Origin 8.5軟件進行基礎數據處理并繪制圖形，采用SPSS 20.0軟件計算平均值與標準差進行數據統計分析，比較數據顯著性，P<0.05被認為是顯著的。

2 結果與分析

2.1 物理混合油和改性椰子油的脂肪酸組成分析(見表1)

表1 物理混合油和改性椰子油的脂肪酸組成及相對含量%

脂肪酸物理混合油全位Sn-2Sn-1,3改性椰子油全位Sn-2Sn-1,3C10∶03.02±0.112.41±0.163.33±0.073.31±0.061.36±0.114.29±0.14C12∶029.37±0.8230.88±1.5228.62±0.9031.43±1.2018.69±0.7237.80±.94C14∶017.40±0.8515.86±0.6118.17±0.6318.24±0.467.73±0.5223.50±1.39C16∶010.56±0.597.41±0.3312.14±0.509.90±0.725.60±0.2412.05±0.49C18∶16.58±0.109.52±0.195.11±0.146.81±0.069.67±0.215.38±0.16C18∶22.80±0.064.71±0.011.85±0.112.61±0.016.80±0.150.52±0.02C20∶519.54±0.5019.36±0.7719.62±0.6118.33±0.5033.54±0.3410.73±0.28C22∶610.73±0.169.85±0.2311.16±0.309.37±0.3716.61±0.535.75±0.32SFA60.35±0.5356.56±0.3062.26±0.4962.88±0.8333.38±0.3177.62±0.45USFA39.65±0.2443.44±0.2237.74±0.3537.12±0.4666.62±0.8022.38±0.38

注：表中數據為“平均值±標準差”(n=3)，SFA為飽和脂肪酸，USFA為不飽和脂肪酸。

由表1可知，酯交換反應前后的總脂肪酸組成無顯著性差異，酯交換反應過程中，脂肪酸在甘油三酯分子內和分子間碳鏈骨架上發生轉移，因此總脂肪酸組成基本不發生變化[20]。但是脂肪酸在甘油三酯碳鏈骨架上的位置重新分布會造成物理混合和酯交換產物不同位置脂肪酸組成的顯著變化。酯交換反應后，結構脂中Sn-2位上SFA含量出現下降，而USFA含量則提高到66.62%，說明對椰子油的改性效果顯著。改性椰子油保持了其特有的MCFA，可以實現快速供能和降低體內脂肪積累的生理功能，同時Sn-2位上的不飽和脂肪酸能夠在體內快速地消化和吸收，改善了其營養價值，有益人體健康。因此，酯交換合成的結構脂，具有獨特的營養代謝優勢，在食用領域具有良好的應用前景，同時為塑性脂肪的制備提供了良好的原料。

2.2 制備條件對油脂凝膠結構穩定性的影響

本實驗通過對油脂凝膠機械穩定性和熔點兩個指標的考察，從力學角度和熱學角度評價不同制備條件下油脂凝膠結構的穩定性。

2.2.1 凝膠劑組成的影響

在凝膠劑含量8%、加熱溫度90℃、冷卻溫度5℃的條件下，研究凝膠劑組成對油脂凝膠機械穩定性和熔點的影響，結果見圖1。

圖1 凝膠劑組成對油脂凝膠機械穩定性和熔點的影響

由圖1可知，凝膠劑中γ-谷維素與β-谷甾醇質量比對油脂凝膠的機械穩定性和熔點都有較明顯的影響。隨著體系中谷甾醇含量的增加，油脂凝膠的熔點和機械穩定性有明顯的增加，在γ-谷維素與β-谷甾醇質量比為6∶4時機械穩定性從78.56%增加到97.69%，熔點也從28℃上升到35℃，說明凝膠體系的結構化程度增加，進而提高了其結構穩定性。β-谷甾醇含量繼續增加，熔點和機械穩定性下降，可以看出兩種凝膠劑對油脂凝膠的結構穩定性存在協同作用，γ-谷維素與β-谷甾醇質量比為6∶4(摩爾比為1∶1)時，凝膠體系的結構化最高。

2.2.2 凝膠劑含量的影響

在γ-谷維素與β-谷甾醇質量比6∶4、加熱溫度90℃、冷卻溫度5℃的條件下，研究凝膠劑含量對油脂凝膠機械穩定性和熔點的影響，結果見圖2。

在凝膠劑含量為4%時，混合體系不能形成凝膠狀，可以作為考察凝膠劑含量對凝膠體系形成的一個對照實驗組，不做深入討論。從圖2可以看出，凝膠劑含量由6%增加到12%的過程中，油脂凝膠的機械穩定性和熔點也隨之增加，機械穩定性和熔點分別達到了98.6%和49℃，這是由于凝膠劑含量的增加使得凝膠網絡形成過程中分子間作用力增強，導致三維網絡結構的緊密度相對增加，油脂凝膠的結構穩定性也隨之增大。但凝膠劑含量在10%到12%的過程中，兩個檢測指標的增加趨勢都明顯變緩，可能是因為此時γ-谷維素與β-谷甾醇復合凝膠劑的結晶達到相對飽和所致。因此，選用凝膠劑含量為8%制備油脂凝膠。

圖2 凝膠劑含量對油脂凝膠機械穩定性和熔點的影響

2.2.3 加熱溫度的影響

在γ-谷維素與β-谷甾醇質量比6∶4、凝膠劑含量8%、冷卻溫度5℃的條件下，研究加熱溫度對油脂凝膠機械穩定性和熔點的影響，結果見圖3。

圖3 加熱溫度對油脂凝膠機械穩定性及熔點的影響

加熱溫度是油脂凝膠形成的一個重要因素，適當的溫度有助于γ-谷維素與β-谷甾醇在油相中的溶解，利于凝膠體系的形成。從圖3可以看出，當加熱溫度從80℃上升到85℃時，油脂凝膠的機械穩定性和熔點也隨之增加，機械穩定性從90.90%上升到96.32%，熔點從29℃上升到35℃，上升趨勢顯著。在85℃到90℃的過程中，機械穩定性繼續增加到98.50%，熔點的趨勢就比較平緩。隨著加熱溫度的持續上升，熔點和機械穩定性出現了小幅度的下降，并且高溫也不利于油脂的品質，綜合考慮選擇加熱溫度90℃為宜。

2.2.4 冷卻溫度的影響

在γ-谷維素與β-谷甾醇質量比6∶4、凝膠劑含量8%、加熱溫度90℃的條件下，研究冷卻溫度對油脂凝膠機械穩定性和熔點的影響，結果見圖4。

圖4 冷卻溫度對油脂凝膠機械穩定性及熔點的影響

從圖4可以看出，冷卻溫度對于油脂凝膠的結構穩定性有顯著的影響。在0℃和5℃的冷卻條件下，油脂凝膠的熔點和機械穩定性都處于較高的水平，主要是因為低溫促進了γ-谷維素和β-谷甾醇結晶網絡的形成，此時形成的晶體網絡較為緊密。當冷卻溫度逐漸升高，機械穩定性和熔點都有顯著的下降。當溫度過高時，對液體油相的固定作用減弱，結晶晶體會發生析出現象，故選取5℃為最適冷卻溫度。

2.3 油脂凝膠質構分析

為更好地探究油脂凝膠的質構特性，選擇凝膠劑含量分別為8%、12%的γ-谷維素和β-谷甾醇復合凝膠劑，對最優條件下制得的油脂凝膠進行質構和熱力學實驗分析，結果見表2。

表2 不同凝膠劑含量的油脂凝膠質構參數

由表2可以看出，凝膠劑含量為8%的油脂凝膠的硬度為60.61 g，凝膠劑含量為12%的油脂凝膠的硬度則達到了422.45 g，這種現象與油脂凝膠微觀網絡結構及其分子間作用力相關，分子間作用力增強，硬度增加，機械穩定性的增加也佐證了這個觀點。在油脂凝膠體系中，SFC表示的是參與凝膠體系形成過程中凝膠劑固化的含量。隨著凝膠劑含量的增加，油脂凝膠的SFC也由1.33%增加到4.31%，能夠參與形成三維網絡的物質數量增多，結構化程度較高。據報道，商品起酥油在20℃下的SFC(由結晶的甘油三酯分子提供)就已經達到30%左右[21]。結合硬度和機械穩定性結果分析可知，盡管SFC較低，但油脂凝膠卻保持了很好的硬度和機械穩定性。這也從側面體現了超分子油脂凝膠固化機制途徑的特點。

2.4 油脂凝膠的流變特性分析

在γ-谷維素與β-谷甾醇質量比6∶4、凝膠劑含量8%、加熱溫度90℃、冷卻溫度5℃下，制得油脂凝膠，考察其流變學行為，結果見圖5。

圖5 油脂凝膠在剪切速率0.001～100 s-1 范圍內表觀黏度變化

由圖5可以看出，隨著剪切速率的增加，油脂凝膠表觀黏度呈現下降的趨勢。所制備的油脂凝膠具有較適宜的表觀黏度、較好的觸變性，表現出剪切變稀的現象。當剪切速率增大時，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型的伸長是造成凝膠油剪切變稀的原因[22]。該油脂凝膠具有假塑性流體的特征，冪律方程可以對假塑性體進行描述，方程為：

η=Kγn-1， 0<γ≤1

(2)

對式(2)進行處理，得式(3)：

log2η=log2K+(n-1)log2γ

(3)

式中：η為表觀黏度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1；K為稠度系數，Pa·s。稠度系數K可以表征液體的黏稠程度，n值可以量化假塑性流體的程度，n值小于1，為剪切變稀的假塑性流體[23]。對被測油脂凝膠的表觀黏度-剪切速率曲線進行擬合，通過擬合后的截距和斜率得出K和n值(見表3)，擬合函數的R2為0.994，說明具有較好的相關性。

表3 采用冪律方程擬合的油脂凝膠流動曲線參數

為了研究油脂凝膠樣品在線性黏彈區內，相關模量隨剪切頻率的變化情況，需要首先通過應變掃描確定樣品的線性黏彈區，如圖6所示。在確定的應變條件下，進行頻率掃描，研究G′和G″的變化規律，如圖7所示。

由圖6可以看出，油脂凝膠的線性黏彈區在0.1%～0.2%，線性黏彈區較寬，在實際應用過程中具有較好的涂抹性和可塑性。隨著應變的增加，在2%的應變出現交點，之后G″>G′，凝膠結構遭到破壞，主要表現液體特質。

由圖7可以看出，在掃描范圍內G′>G″，說明體系形成較為穩定的凝膠結構。此外，油脂凝膠體系的G′隨著掃描頻率的增加而略有增加，反映了油脂凝膠內部的網絡是由非共價物理交聯組成的，與蛋白質凝膠中出現的情況類似[24]。

圖6 油脂凝膠的應變掃描

圖7 油脂凝膠的頻率掃描

2.5 油脂凝膠微觀網絡結構分析

在γ-谷維素與β-谷甾醇質量比6∶4、凝膠劑含量8%、加熱溫度90℃、冷卻溫度5℃的條件下，制備油脂凝膠，對其進行晶體形態的觀察，結果如圖8所示。

圖8 油脂凝膠樣品的網絡微觀結構

由圖8可以看出，油脂凝膠形成緊密的凝膠網絡結構，呈現出玫瑰狀晶體，這種結構的晶體的微觀三維網絡結構構筑單元的表面積-體積之比較高，其表面張力較大，對液態油的限制作用也越強，油脂凝膠的網絡結構也更加穩定，從而最終表現出硬度和彈性也更大。

3 結 論

本實驗以Sn-2位富含長鏈多不飽和脂肪酸(EPA,DHA)的改性椰子油為基料油，采用γ-谷維素與β-谷甾醇復合凝膠劑制備的油脂凝膠，具有低熱量、高不飽和脂肪酸和零反式脂肪酸等優點。通過酶法酯交換對椰子油進行改性，使用氨基固相萃取法聯用氣相色譜測定改性椰子油中Sn-2位脂肪酸，結果表明Sn-2位的EPA含量為33.54%，DHA為16.61%。探究出制備油脂凝膠的適宜條件為：γ-谷維素與β-谷甾醇質量比6∶4，凝膠劑含量8%，加熱溫度90℃，冷卻溫度5℃。制備的油脂凝膠熔點35℃，機械穩定性達到95.3%，硬度為60.61 g，固體脂肪含量為1.33%，體現出了超分子油脂凝膠固化機制途徑具有一定的優勢。通過流變學分析，制備的油脂凝膠的表觀黏度-剪切速率的關系符合冪律方程關系，凝膠體系屬于假塑性流體范疇。油脂凝膠的G′明顯大于G″，形成了凝膠結構，具有較好的涂抹性和可塑性。微觀網絡結構分析結果表明，γ-谷維素和β-谷甾醇制備的油脂凝膠呈現玫瑰狀晶體，對液態油有較強的固定作用，形成了穩定的三維網絡結構。