利用初榨大豆毛油制備β-谷甾醇油脂凝膠

吳 非，吳 楠，李 丹，陳書曼，張 雪，王立琦，于殿宇,*，張理博*

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱商業大學計算機與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150028；3.九三集團哈爾濱惠康食品有限公司，黑龍江 哈爾濱 150069）

隨著人們生活水平的不斷提高和飲食習慣的改變，烘焙、涂抹、膨化食品占據越來越高的比例，這些食品中的反式脂肪酸嚴重超標[1-2]。大量研究表明：攝入過多的反式脂肪酸會嚴重影響人體的健康，如容易誘發心臟病、高血脂、加速動脈硬化、提高糖尿病、心血管疾病的風險[3-5]。這嚴重違背了消費者對食品安全和營養的要求，因此迫切需要尋找一種含低飽和脂肪酸或不含反式脂肪酸的食品油脂替代傳統的塑式脂肪[6]。

近年來，植物油的凝膠固態技術早已成為國內外的研究熱點。油脂的凝膠化即在食用植物油中添加一些凝膠劑并在一定的加工條件下使液態植物油利用凝膠因子之間的超分子網絡交連變成固態的塑性油脂[7]。目前，這種凝膠體系可以分為兩類：單一物質和混合物質。能夠固化食用油的單一物質有甘一酯、甘二酯、蠟酯、脂肪酸、山梨糖醇單硬脂酸酯、脂肪醇、蠟、神經酰胺[8-10]。混合物質有脂肪醇和脂肪酸、山梨醇三酯和卵磷脂、γ-谷維素和植物甾醇等[11-13]。研究發現，凝膠劑復合使用時形成的混合自組裝結構得到的油脂凝膠表現出來的物理性能要優于單一組分自組裝結構得到的油脂凝膠[14]。例如β-谷甾醇和γ-谷維素的復合凝膠劑，這些凝膠劑分子形成數百微米長的螺旋狀或扭曲的晶體帶，通過自組裝形成中空管狀結構，進而組成纖維狀有機凝膠網絡[15]。

β-谷甾醇作為一種植物活性成分，對人體無毒害，具有降低膽固醇和預防動脈硬化等生理功能和獨特的營養特性[16-17]。它單獨與油脂混合并不能形成油脂凝膠，但是與磷脂共同作為凝膠劑使用時可以通過改變谷甾醇在油脂中的堆積幾何形貌（自組裝體結構）使得凝膠化得以實現[18]。從形成氫鍵所需官能團的角度分析，β-谷甾醇分子中帶有一個羥基，磷脂分子中帶有電負性較強的羰基，因此可能會在凝膠劑分子之間或凝膠劑分子與水之間形成氫鍵，通過氫鍵作用形成凝膠纖維網絡結構，進而將液態油脂包裹在該網絡內[19]。初榨大豆毛油是指采用物理壓榨法將油脂從油料中分離出來，未經過任何的精煉加工過程，含有豐富的天然大豆磷脂和不飽和脂肪酸。大豆磷脂的組成成分復雜，主要含有卵磷脂、腦磷脂、肌醇磷脂等。所以只需在初榨大豆毛油中外加β-谷甾醇即可與天然磷脂結合形成油脂凝膠，與外加經過加工濃縮后的磷脂不同，具有天然磷脂特殊的功能特性以及良好的穩定性，有降低血清膽固醇和預防心腦血管疾病等功效[20-21]。因此，以β-谷甾醇和天然大豆磷脂為復合凝膠劑制備得到的油脂凝膠具有零反式脂肪酸和低飽和脂肪酸的特點，對人體的健康非常有利。

本實驗以初榨大豆毛油為基料油，研究通過添加β-谷甾醇形成油脂凝膠的特性，研究β-谷甾醇添加量對油脂凝膠硬度、熱力學性質、固體脂肪含量（solid fat content，SFC）、X-射線衍射以及微觀結構的影響，為開發生產富含天然磷脂的零反式脂肪酸的油脂凝膠提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

初榨大豆毛油 九三集團哈爾濱惠康食品有限公司；β-谷甾醇（純度98%） 西安全奧生物科技有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

JY系列多功能電子分析天平 上海衡平儀器儀表廠；DF-集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 河南省予華儀器有限公司；TA1型質構分析儀 英國Lloyd公司；MQC-23脈沖核磁共振儀 英國Fxford公司；X-射線衍射儀英國馬爾文公司；Discovery系列差式掃描量熱儀 美國TA儀器公司；Eclipse E200 POL偏光顯微鏡 日本尼康有限公司。

1.3 方法

1.3.1 油脂凝膠樣品制備

初榨大豆毛油中分別加入質量分數0%、4%、8%、12%、16%、20%的β-谷甾醇溶液，將樣品放入80 ℃的恒溫磁力水浴鍋中加熱攪拌15 min，直至完全溶解，從水浴鍋中拿出在5 ℃靜置結晶24 h后備用。

1.3.2 初榨大豆毛油理化指標的測定

磷脂含量測定：按照GB/T 5537—2008《糧油檢驗 磷脂含量的測定》；過氧化值測定：按照GB/T 5538—2005《動植物油脂過氧化值測定》；酸值測定：按照GB/T 5530—2005《動植物油脂酸值和酸度測定》；VE含量測定：按照NY/T 1598—2008《食用植物油中維生素E組分和含量的測定 高效液相色譜法》。

1.3.3 油脂凝膠相變

將已制備好的含不同β-谷甾醇添加量的油脂凝膠分別在5、10、15、20、25、30 ℃貯藏24 h后，將油脂凝膠試管倒置，對試管內油脂凝膠的形態變化進行描述，并用相變圖分析研究油脂凝膠相的變化與β-甾醇添加量和貯藏溫度之間的關系。

1.3.4 油脂凝膠硬度

參照周緒霞等[22]方法并做修改。取適量油脂凝膠樣品，分別放置在5 ℃和25 ℃保持24 h后用質構儀測定其硬度。質構儀設定參數：探頭為P5，測試前速率2 mm/s，測試中速率1 mm/s，測試后速率2 mm/s，當探頭感受到5.0 g力后，下壓10 mm，重復3 次，獲得平均值，研究β-谷甾醇添加量與溫度對油脂凝膠硬度的影響。

1.3.5 油脂凝膠熱力學性質

采用差示掃描量熱儀測定不同β-谷甾醇添加量油脂凝膠的熱力學性質。將約10 mg的油脂凝膠加入到鋁盤中，溫度以10 ℃/min速率從室溫上升到90 ℃，保持3 min，以消除結晶記憶，然后降至20 ℃，保持3 min，再次加熱到90 ℃，研究不同β-谷甾醇添加量的油脂凝膠在熔化結晶過程中的熱變化曲線及相關熱力學參數。

1.3.6 油脂凝膠中SFC

參照李勝等[23]方法并做修改。將一定量的油脂凝膠樣品添加到脈沖式核磁共振的玻璃管中，使樣品高度為（4±1）cm，在90 ℃保持20 min，以消除結晶記憶，隨后放在0 ℃保持90 min，再測定其SFC，然后從0 ℃升溫到70 ℃，每次升5 ℃，保留30 min，測定每一個溫度下的SFC，考察各個溫度下β-谷甾醇添加量對油脂凝膠SFC的影響。

1.3.7 油脂凝膠的晶型分析

參照趙月等[24]方法，用X-射線衍射儀對油脂凝膠進行晶型分析，并在檢測片的圓孔中加入適量的樣品。測定條件：室內溫度20 ℃，采用Cu靶，40 mA電流，40 kV工作電壓，狹縫距離為1.0 mm，接受狹縫0.1 mm，2θ掃描范圍5°～40°，速率2°/min。使用Jade 6.5軟件對X-射線衍射圖譜進行分析。

1.3.8 油脂凝膠的結晶形態分析

將熱熔油脂凝膠用毛細管吸取適量放在預熱的載玻片上，蓋上載玻片在5 ℃貯藏24 h，放大100 倍，采用偏光顯微鏡觀察研究油脂凝膠的微觀結構形態，并對油脂凝膠的結晶形態進行拍照。

1.4 數據處理

數據以3 次重復實驗的平均值表示，采用SPSS 16.0軟件進行方差分析以及多重比較分析，并利用Origin 9.0軟件處理實驗數據及畫圖。

2 結果與分析

2.1 初榨大豆毛油的主要理化指標測定結果

從表1可知，初榨大豆毛油中天然磷脂含量高達18.4 mg/g，且富含豐富的VE、甾醇、胡蘿卜素。VE可以防止胡蘿卜素、腎上腺素、性激素及VA、VD、VK的氧化破壞，又由于VE極易被氧化，在精煉過程中會損失大量的維生素和亞麻酸等有益成分，所以與精煉大豆油相比，初榨大豆毛油具有較高的營養價值。因此，選用初榨大豆毛油為基料油，添加一定質量分數的β-谷甾醇，觀察并研究是否能夠形成油脂凝膠。

表1 初榨大豆毛油的主要指標Table 1 Main indicators of virgin soybean oil

2.2 β-谷甾醇添加量對油脂凝膠相變的影響

圖1 β-谷甾醇不同添加量油脂凝膠的溫度相變圖Fig. 1 Temperature phase transition diagram of oleogels with different amounts of β-sitosterol added

由圖1可知，油脂凝膠的形成與β-谷甾醇添加量和貯藏溫度都有著一定的關系。當β-谷甾醇添加量小于8%時，在任何溫度下均未觀察到黏稠狀或凝膠化，處于液體狀態。當β-谷甾醇添加量大于8%，貯藏溫度低于5 ℃時，處于凝膠狀態；當β-谷甾醇添加量大于12%時，在20 ℃以下即可形成凝膠；當貯藏溫度高于20 ℃時，體系會轉變為黏稠液體狀態。實驗結果表明貯藏溫度為20 ℃時，β-谷甾醇添加量不小于12%時可較好地作為制備初榨大豆毛油油脂凝膠的凝膠劑，其中β-谷甾醇添加量為12%是制備初榨大豆毛油油脂凝膠的臨界值。該臨界值的數值較大，可能與β-谷甾醇化學組成成分有關，它可以通過β-谷甾醇（羥基）和天然磷脂（羰基）的分子間氫鍵作用力將液體油很好地固定到三維網絡中[25]，也可能因為大豆油的不飽和脂肪酸含量高，油的黏度較低，因而形成油脂凝膠所需β-谷甾醇添加量也較大。為了更好地研究初榨大豆毛油油脂凝膠，后續實驗中選擇β-谷甾醇添加量為12%（在20 ℃形成油脂凝膠的β-谷甾醇添加臨界值）、16%和20%（在20 ℃形成油脂凝膠的β-谷甾醇添加量）的油脂凝膠，進一步研究其相關的凝膠行為特性及和微觀結構。

2.3 β-谷甾醇添加量和貯藏溫度對油脂凝膠硬度的影響

由圖2可知，在相同的β-谷甾醇添加量中，在較低貯藏溫度下形成的油脂凝膠的硬度高于在較高溫度下的硬度，并且硬度顯著變化。貯藏溫度為5 ℃時，當β-谷甾醇添加量從12%增加到20%時，油脂凝膠的硬度由2.78 N增至4.77 N，硬度變化顯著。這可能與油脂凝膠的分子間作用力及微觀結構有關，由于β-谷甾醇添加量的增多，凝膠網絡形成中的分子間作用力增大，導致三維網絡結構的緊密度相對增加，因而油脂凝膠的硬度也就隨之增大[26]，并且較高的硬度通常是由三酰基甘油酯起重要作用的體系中較高的結晶度引起的[14]。

圖2 β-谷甾醇不同添加量油脂凝膠的硬度變化Fig. 2 Change in hardness of oleogels with different amounts of β-sitosterol added

2.4 β-谷甾醇添加量對油脂凝膠熱力學性質的影響

圖3 β-谷甾醇不同添加量油脂凝膠熔化（A）和結晶曲線（B）Fig. 3 Melting (A) and crystallization curves (B) of oleogels with different β-sitosterol contents

在加熱過程中，油脂凝膠會表現出相轉變，差示掃描量熱儀可以通過測量樣品相變過程中的熱變化，分析出相變發生的起始、峰值及終止溫度。在同一升溫、降溫速率下，β-谷甾醇添加量為12%、16%、20%的油脂凝膠其熔化與結晶曲線隨β-谷甾醇添加量的變化趨勢如圖3所示。圖3曲線顯示了明顯的不對稱峰值，且不同β-谷甾醇添加量的油脂凝膠的熔化峰與結晶峰均為單峰。由圖3可知，隨油脂凝膠中β-谷甾醇添加量的增加，結晶峰值溫度、熔化峰值溫度均增加，結晶過程產生的峰值溫度低于熔化過程中產生的，從而產生過冷現象，過冷度隨油脂凝膠中β-谷甾醇添加量增加而降低，這表明油脂凝膠中β-谷甾醇添加量的增加會相對增加油脂凝膠結晶化速率，同時油脂凝膠的結晶度也有所增加[27-28]。結果表明，β-谷甾醇添加量對油脂凝膠的熔化與結晶均有一定影響。

表2 β-谷甾醇不同添加量油脂凝膠的熱力學參數Table 2 Thermodynamic parameters of oleogels with different amounts of β-sitosterol added

焓變能近似反映油脂凝膠形成的自發性，焓變越大，形成油脂凝膠的自發性越強[29]。由表2可知，β-谷甾醇添加量對油脂凝膠的熔化結晶焓均具有一定影響，隨著β-谷甾醇添加量的增加，焓變呈增加趨勢，表明體系中凝膠劑分子結晶的排列更加整齊[30]且形成油脂凝膠的自發性增強。β-谷甾醇添加量為20%時，結晶焓變為6.55 J/g，表明該體系中結晶的凝膠劑分子排列的最為整齊。結果表明，β-谷甾醇添加量對油脂凝膠熱力學特性存在一定影響。

2.5 β-谷甾醇添加量對油脂凝膠SFC的影響

圖4 β-谷甾醇不同添加量油脂凝膠的SFC曲線Fig. 4 SFC curves of oleogels with different amounts of β-sitosterol added

SFC是評價食用油產品功能特性的一個重要指標，通過SFC隨溫度變化情況反映出油脂凝膠的熔化范圍，從而確定其在食品體系中的用途[31]。由圖4可知，當溫度處于0 ℃時，β-谷甾醇添加量由12%增加到20%過程當中，SFC從4.7%上升到14.5%。β-谷甾醇添加量分別為12%、16%、20%的油脂凝膠在20 ℃前變化較平緩，20 ℃附近晶體結構逐漸被破壞，SFC開始隨溫度急劇降低，說明油脂凝膠的凝膠-溶膠轉變溫度范圍在20～70 ℃之間。溫度的升高會加劇凝膠油的熔融，破壞其中的網狀結構，從而使其SFC下降。當溫度低于20 ℃時，此時油脂凝膠構成三維網絡結構，能有效截留液態植物油并將其凝膠化形成塑性脂肪，在油脂凝膠體系中，構成樣品中SFC的是凝膠劑而不是植物油，所以油脂凝膠的SFC不同是由于油脂凝膠中β-谷甾醇添加量不同導致的。

2.6 β-谷甾醇添加量對油脂凝膠晶型的影響

圖5 初榨大豆毛油、β-谷甾醇和不同β-谷甾醇添加量油脂凝膠的X-射線衍射圖譜Fig. 5 XRD patterns of virgin soybean oil, β-sitosterol and oleogels

由圖5A可知，不同β-谷甾醇添加量形成的油脂凝膠均在4.75 ?和4.62 ?處存在較強的衍射峰。短間距在0.47 nm附近強衍射峰為β型晶體特征峰[32]，即表明油脂凝膠中主要存在β晶型，且β-谷甾醇添加量對凝膠晶型影響不大。隨著β-谷甾醇添加量的增加，在12.49 ?和7.50 ?處出現新的衍射峰，說明油脂凝膠的結晶排列變得更加有序。由圖5B可知，初榨大豆毛油在掃描范圍內僅在20°附近出現一個非晶峰，β-谷甾醇純體分別在7.55、5.97、4.85、4.08 ?處存在強衍射峰，而油脂凝膠X-射線衍射圖譜中沒有相應的衍射峰，說明油脂凝膠所形成的結晶可能來自β-谷甾醇與天然磷脂的自組裝，這與韓立娟等[33]研究結果一致。

2.7 β-谷甾醇添加量對油脂凝膠結晶形態的影響

如圖6所示，黑色部分為被束縛住的液態植物油，而較亮的部分為由凝膠劑形成的結晶結構，晶體整體分布較為均勻且呈針狀結晶。β-谷甾醇添加量為12%時，此時油脂凝膠的結晶分布稀疏，沒有形成較為致密的凝膠網狀結構。當β-谷甾醇添加量為16%時，油脂凝膠結晶形態呈現長針狀。根據Dassanayake等[34]的說法，針狀結構是用于凝膠形成的良好晶體基質，因為長針能夠在晶體網絡中截留大量液體油。隨著β-谷甾醇添加量的增多，結晶大量增加且尺寸變小，說明凝膠劑形成了更加致密的三維網狀結構，截留液態植物油的能力增強。所以，β-谷甾醇添加量為20%時形成的油脂凝膠硬度和SFC最大，進而驗證了硬度和SFC的測定結果。

圖6 β-谷甾醇不同添加量油脂凝膠偏光顯微鏡圖Fig. 6 Polarized optical micrograph of oleogels with different amounts of β-sitosterol added

3 結 論

以初榨大豆毛油為基料油，實驗表明初榨大豆毛油中磷脂含量為1.84?mg/g，當β-谷甾醇添加量大于12%時，在20 ℃即可成功制備油脂凝膠。β-谷甾醇添加量對油脂凝膠體系的硬度、SFC、熔化結晶性質均有顯著的影響，隨β-谷甾醇添加量的增多，這些性質參數均呈上升趨勢。當β-谷甾醇添加量從12%增加到20%時，5 ℃貯藏的油脂凝膠其硬度由2.78 N增至4.77 N，硬度隨溫度變化顯著。0 ℃貯藏的油脂凝膠SFC從4.7%上升到14.5%。β-谷甾醇添加量為20%時，焓變最高，分別為8.57、6.55 J/g，體系中結晶的凝膠劑分子排列的最為整齊。X-射線衍射結果顯示β-谷甾醇添加量對油脂凝膠晶型影響不大，均存在β型晶體，晶體形狀為細長針狀，分布均勻。隨β-谷甾醇添加量的增加，其針狀結晶尺寸減小，分布密度增加，即β-谷甾醇添加量越高，硬度越大，結構化植物油的能力越強，形成油脂凝膠結構穩定性越好，為生產一種富含磷脂和VE等天然營養物質的零反式脂肪酸食品專用油脂開辟一條更為健康的新道路。