甘蔗蠟制備稻米油基油凝膠及其相關性質

王偉寧，王 瑩，于 洋，姜宇婷，吳 非,*，韓翠萍,*，于殿宇，史永革

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.九三糧油工業集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030）

為了獲得更好的感官特性和品質，人們對液態植物油進行化學或加酶處理，將其轉化成半固態或塑性脂肪生產起酥油和人造黃油[1]。然而，飽和脂肪酸和反式脂肪酸會危害人體健康，增加心血管疾病的患病率[2]。現在消費者對食品安全有較強的需求，因此需要尋找一種不含反式脂肪酸的安全食品替代傳統的塑性脂肪[3]，既要安全健康，又要保證其質地、可塑性和貨架期等功能屬性[4-5]。

油脂凝膠是一種以液態植物油為連續相的有機凝膠，將凝膠劑與植物油的混合物熔融再降溫，通過分子自組裝模式或結晶模式形成網絡結構，將植物油脂固定在網絡結構中[6]從而將液體油轉化為固態凝膠。油脂凝膠作為含反式脂肪酸食品的替代品受到廣泛關注[7]。例如，Mert等[8]利用小燭樹蠟和菜籽油制成的油脂凝膠部分替代起酥油，制成了安全美味的曲奇；Botega等[9]用米糠蠟形成油脂凝膠代替固體脂肪制作冰淇淋；Lim等[10]將大豆油與巴西棕櫚蠟混合，制成固體狀油脂凝膠，并將其用于速食面中，以替代含有高飽和脂肪的油炸物。

稻米油是一種重要的、營養價值很高的植物油，不僅具有較完整的脂肪酸構成，而且還含有豐富的谷甾醇、生育酚、角鯊烯等活性成分[11]，其營養價值超過大豆油、菜籽油等傳統食用植物油，具有降低血脂、防治動脈硬化和抗癌等作用，被營養學家稱為營養保健油[12-13]。

很多物質都可以做油脂凝膠，比如脂肪酸、脂肪醇、植物蠟、單酰甘油、二酰甘油、磷脂、山梨醇酯、植物甾醇和神經酰胺等[14]。油脂凝膠形成凝膠的能力取決于它在連續溶劑相中的溶解度和不溶解度之間的平衡[15]。選擇凝膠劑時，還需要考慮很多因素，包括安全性、經濟、可加工性以及產品在市場中的可接受性。

蠟為長鏈非極性化合物混合物，包括烴類、蠟質酯、甾醇酯、酮類、醛類、脂肪醇、脂肪酸和甾醇。天然蠟自然存在于植物的表面，被美國食品藥品監督管理局批準為食品配料或添加劑，有很多天然植物蠟被用作凝膠劑，包括米糠蠟[16]、小燭樹蠟[17]、葵花籽蠟[18]、巴西棕櫚蠟和甘蔗蠟等[19]。甘蔗蠟又稱“蔗蠟”，附著于甘蔗表皮，呈棕黃色，主要成分為十六碳脂肪酸與三十碳脂肪醇以及豆甾醇構成的酯[20]。這些物質的存在可使甘蔗蠟表現出較強的疏水特性，同時形成的蠟酯又具有較好的親水特性[21]。長碳鏈分子結構使得甘蔗蠟分子間作用力變強，有助于形成物理化學性能良好的油脂凝膠[22-23]。研究表明，甘蔗蠟中的二十八烷醇有助于降低膽固醇[24]，同時，對我國制糖工業副產品的應用具有重要意義。

本實驗以稻米油為基料油，通過研究添加甘蔗蠟形成的油脂凝膠特性，探索甘蔗蠟添加量對油脂凝膠硬度、熱力學性質、晶型以及微觀結構的影響。減少巧克力、糕點中反式脂肪酸的用量，為開發塑性脂肪替代物提供理論依據，對食品的多樣性及安全性產生重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

一級稻米油（酸價1.27 mg/g，過氧化值0.12 mmol/kg）九三集團哈爾濱惠康食品有限公司；甘蔗蠟（20 ℃條件下為固態，幾乎不溶于稻米油，熔點70～84 ℃，含有66%酯、27%游離酸、5%游離醇和2%碳氫化合物）山東優索化工科技有限公司；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、MQC-23脈沖核磁共振儀英國Fxford公司；X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀英國馬爾文公司；Discovery系列DSC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 油脂凝膠的制備

先將稻米油在恒溫磁力水浴鍋中加熱至80 ℃，然后加入固體甘蔗蠟（質量分數分別為1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%），攪拌至完全溶解。將制成的樣品分別在5、10、15、20、25、30 ℃保存24 h形成凝膠備用。

1.3.2 甘蔗蠟添加量和溫度對油脂凝膠相變的影響

將制備好的油脂凝膠樣品注入試管，并繼續在5、10、15、20、25、30 ℃條件下貯藏24 h。根據傾斜試管時樣品的流動性判斷是否形成凝膠，立即流動的稱為液態，緩慢流動的稱為增稠液態，不流動的稱為凝膠態。篩選出在20 ℃（室溫）形成油脂凝膠的臨界濃度，以及臨界濃度以上的2 個濃度進行下一步研究。

1.3.3 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠硬度的影響

取甘蔗蠟添加量分別為7%、9%、11%的油脂凝膠樣品，在20 ℃條件下用質構分析儀測定凝膠的硬度。將球形柱塞以30 mm/min速率插入凝膠2.5 mm處，測量最大應力。在凝膠的任意位置測定5 次硬度，取平均值。

1.3.4 油脂凝膠熱力學性質的分析

采用差示掃描量熱儀測定不同甘蔗蠟添加量油脂凝膠的熱力學性質。取10 mg樣品放置到鋁盤中并且密封，將樣品以3 ℃/min的速率，從20 ℃加熱到90 ℃，并保持5 min，然后以5 ℃/min的速率冷卻到60 ℃，并在60 ℃保存10 min，再次加熱到90 ℃，以評估甘蔗蠟油脂凝膠的結晶、熔化溫度和焓值。

1.3.5 油脂凝膠中固體脂肪含量（solid fat content，SFC）的測定

參照李勝等[25]的方法并作修改，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，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，研究各個溫度下甘蔗蠟添加量對油脂凝膠SFC的影響。

1.3.6 油脂凝膠的晶型分析

參照Emin等[26]的方法，用XRD儀對油脂凝膠進行晶型分析，在檢測片的圓孔中加入適量的樣品。測定條件：室內溫度20 ℃，使用Cu源X射線管（波長1.540 56 ?、工作電壓40 kV、電流40 mA），狹縫距離為1.0 mm，接受狹縫0.1 mm，以2 °/min的掃描速率進行5°～65°掃描。

1.3.7 油脂凝膠結晶形態分析

將樣品置于90 ℃預熱后的載玻片上，在樣品上放置蓋片。然后5 ℃貯藏24 h，利用偏振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

本實驗獲取數據，用3 次重復實驗取得的平均值表示，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軟件處理實驗所得數據及畫圖。

2 結果與分析

2.1 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠相變的影響

圖1 甘蔗蠟油脂凝膠相變圖Fig. 1 Phase change diagram of oleogel with added sugarcane wax

由圖1可知，油脂凝膠的形成與甘蔗蠟添加量和貯藏溫度都有一定的關系。當甘蔗蠟添加量小于3%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。當甘蔗蠟添加量大于3%，貯藏溫度低于10 ℃時，樣品處于凝膠狀態；當甘蔗蠟添加量大于5%時，在15 ℃以下即可形成凝膠；當貯藏溫度高于15 ℃時，體系會轉變為黏稠液體狀態。結果表明貯藏溫度為20 ℃（室溫）時，甘蔗蠟添加量不小于7%時，可作為制備稻米油基油脂凝膠的凝膠劑。其中甘蔗蠟添加量為7%是制備稻米油基油脂凝膠的臨界值。甘蔗蠟作為凝膠劑主要是通過氫鍵作用將液體油固定在三維網狀結構中，碳鏈越長，這種氫鍵作用力越大[27]。甘蔗蠟中的C30:0和C32:0脂肪酸占50%左右，脂肪醇主要為C28:0[28]，且稻米油不飽和脂肪酸含量高達80%以上，油的黏度較低，因而形成油脂凝膠所需甘蔗蠟臨界值也就相對較大。為更好地研究稻米油基油脂凝膠，在后續實驗中選擇甘蔗蠟添加量為7%（在室溫下形成凝膠油的甘蔗蠟添加臨界值）、9%和11%的油脂凝膠進行下一步研究，對其相關的凝膠行為特性及熱力學特性進行研究。

2.2 甘蔗蠟添加量和貯藏溫度對油脂凝膠硬度的影響

圖2 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠硬度的影響Fig. 2 Effects of sugarcane wax concentration on the hardness of oleogel

如圖2所示，通過壓縮-擠壓測量分析可以看出，在較低溫度下儲存的油脂凝膠，硬度高于在較高溫度下儲存的油脂凝膠；甘蔗蠟添加量越大，得到的油脂凝膠的機械阻力越大，即硬度越大。這是由于非共價作用力是誘導凝膠因子自組裝形成三維結構的關鍵，隨著溫度的升高，分子間作用力會下降。隨著甘蔗蠟的添加量增多，長鏈脂肪酸和長鏈脂肪醇的含量增多，三維網絡結構的數量和緊密度相對增加，從而使凝膠的硬度增加[29]。

2.3 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠熱力學性質的影響

圖3 甘蔗蠟油脂凝膠熔化（A）和結晶（B）曲線Fig. 3 Melting (A) and crystallization (B) curves of oleogels with different amounts of sugarcane wax added

在不同的溫度下，油脂凝膠會發生相的轉變，利用差示掃描量熱儀可以通過測量樣品相變過程中的熱變化，從而反映有機凝膠的熱性能，并且能夠分析出相變發生的起始溫度、峰值溫度及終止溫度。在同樣的升溫降溫程序下，分別對甘蔗蠟添加量為7%、9%、11%的油脂凝膠進行測量，如圖3所示，熔化曲線隨溫度先下降再升高，結晶曲線呈先上升后下降趨勢。

圖3曲線顯示出了明顯的不對稱峰值，且不同甘蔗蠟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，隨油脂凝膠中甘蔗蠟添加量的增加，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熔化峰值溫度，從而產生過冷現象，過冷度ΔT（熔化峰值溫度均增加-結晶峰值溫度）隨油脂凝膠中甘蔗蠟添加量增加而降低，這表明油脂凝膠中甘蔗蠟含量的增加會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[30-31]。由上述實驗結果可知，甘蔗蠟添加量對油脂凝膠的熔化與結晶均有一定影響。

表1 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠熱力學參數的影響Table 1 Effect of sugarcane wax concentration on thermodynamic parameters of oleogel

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[32]。由表1可知，甘蔗蠟添加量對油脂凝膠的熔化結晶焓均具有一定影響，隨著甘蔗蠟添加量的增加，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且形成油脂凝膠的自發性增強。結晶所需的焓比熔化所需的焓高，這可以解釋為凝膠在熔化過程中經過了高溫處理，破壞了晶體結構，因此在結晶過程中所需的焓升高[33]。甘蔗蠟添加量為11%時，結晶焓值最高，為7.17 J/g，表明該體系中結晶的凝膠劑分子排列的最為整齊。由上述實驗結果可知，甘蔗蠟添加量對油脂凝膠熱力學特性存在一定影響。

2.4 甘蔗蠟添加對油脂凝膠中SFC的影響

圖4 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠中SFC的影響Fig. 4 Effect of sugarcane wax concentration on SFC content in oleogel

在油脂凝膠體系中，雖然SFC不代表固體脂肪，但通過SFC的測定可反映其塑性，因此SFC是評價塑性脂肪可塑性的重要指標之一。SFC曲線通過SFC隨溫度變化情況反映出塑性脂肪的熔化范圍，從而確定其在食品體系中的用途[34]。對不同甘蔗蠟含量凝膠油的SFC進行測定，結果如圖4所示。在油脂凝膠體系中，構成樣品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甘蔗蠟添加量不同導致的。由圖4可以看出，隨溫度升高，凝膠油SFC有降低趨勢，油脂凝膠在20 ℃前和50 ℃后變化較平緩，在30～50 ℃晶體結構逐漸被破壞，SFC呈快速下降趨勢。當溫度為35 ℃（接近體溫）時，甘蔗蠟凝膠油還沒有完全熔化，樣品中仍有大量結晶存在，使用時可以加強液態油脂的堅固性以阻止滲出，產品也會給人提供一種蠟質的口感[35]。在常溫下，凝膠油形成一定的三維網絡結構，能有效截留液態植物油，說明少量凝膠劑就能將植物油脂凝膠化形成塑性脂肪，獲得與人造奶油相近的塑性，但是SFC遠低于人造奶油[36]。當甘蔗蠟添加量為7%和9%時，油脂凝膠的硬度適宜，可以替代起酥油和人造奶油添加到糕點中，幾乎沒有蠟質口感。當添加量達到11%時，硬度相對較大，可以考慮應用在巧克力等硬度較大的食品中，利用甜味掩蓋極少量的蠟質口感。總之，凝膠化的植物油具有替代塑性脂肪的潛能。

2.5 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠晶型的影響

圖5 甘蔗蠟與稻米油的XRD圖譜Fig. 5 XRD patterns of sugarcane wax and rice oil

由圖5可知，稻米油在掃描范圍內僅有一個非晶峰，甘蔗蠟純體分別在4.24、4.12 ?和3.61 ?處存在強衍射峰。

XRD短間距在0.42 nm為α型晶體的特征峰，0.38 nm和0.42 nm附近強衍射峰為β’型晶體的特征峰，0.46 nm附近強衍射峰為β型晶體特征峰。從圖6可以看出，甘蔗蠟油脂凝膠中均含有α、β、β’ 3 種晶型，并且以α、β為主，隨著甘蔗蠟添加量增多，高強度相應位置保持不變，但是α和β’晶型的量增多，實驗結果與Dassanayake等[37]關于蠟質結晶模式凝膠油的結果基本一致。油脂凝膠圖譜中的油脂凝膠衍射峰的位置和甘蔗衍射峰的位置相近但卻不相同，說明油脂凝膠所形成的結晶可能來自甘蔗蠟與稻米油中天然磷脂的自組裝。結晶形成機理的不同導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。

圖6 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠的XRD圖譜的影響Fig. 6 XRD patterns of oleogels with different amounts of sugarcane wax added

2.6 甘蔗蠟添加量對油脂凝膠結晶形態的影響

圖7 甘蔗蠟添加量油脂凝膠的偏振光圖譜的影響Fig. 7 Polarized light microscopic images of oleogels with different amounts of sugarcane wax added

凝膠油是由構成三維網狀結構的甘蔗蠟凝膠劑分子和固定在其中的稻米油組成，因而對三維網狀結構的結晶形態研究就顯得尤為重要。利用偏光顯微鏡對油脂凝膠進行觀察并研究，記錄偏振光顯微鏡圖像，以了解甘蔗蠟晶體和油脂凝膠體系內部晶態聚集體形貌和結晶的三維網絡結構，如圖7所示。圖7中黃色部分為甘蔗蠟凝膠劑分子形成的結晶結構。添加量為7%的甘蔗蠟油脂凝膠結晶形態均成絮狀且整體分布較為均勻，此時凝膠油的結晶形態單元分布較為稀疏，還未形成緊密的凝膠網絡結構。隨甘蔗蠟添加量的增多，凝膠油的結晶形態單元分布變得相對致密，截留油溶劑的能力也不斷提高。甘蔗蠟作為凝膠劑凝膠油的晶體形態與蜂蠟相似，形態呈球狀，表明晶型不單一，這與XRD結果相互驗證。球狀晶體具有掩飾苦澀味道，可壓縮的性質，常用在制藥工業中，因此以甘蔗蠟為凝膠劑制成的凝膠彈性較好。隨著甘蔗蠟添加量的增多，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，甘蔗蠟添加量為11%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。

3 結 論

以稻米油為油基制作油脂凝膠，當甘蔗蠟添加量大7%時，在溫度20 ℃即可成功制備油脂凝膠。甘蔗蠟添加量對油脂凝膠體系的硬度、SFC、熔化結晶性質均有顯著影響，隨甘蔗蠟添加量的增多，這些性質參數均呈上升趨勢。當甘蔗蠟添加量從7%增加到11%時，5 ℃貯藏的油脂凝膠其硬度由2.9 N增至4.8 N，硬度隨溫度變化顯著。0 ℃貯藏的油脂凝膠 SFC從4.62%上升到6.46%。甘蔗蠟添加量為11%時，熔化結晶焓最高，分別為6.64、7.71 J/g，體系中結晶的凝膠劑分子排列的最為整齊。XRD結果顯示，甘蔗蠟油脂凝膠中同時含有α、β、β′三種晶型，其中以β晶型為主，甘蔗蠟添加量對油脂凝膠晶型種類影響不大，但會引起凝膠晶型數量的變化，晶體形狀為球狀，與蜂蠟凝膠形態相似，分布均勻。隨甘蔗蠟添加量的增加，結晶數量增加，尺寸減小，導致分布密度增加，即甘蔗蠟添加量越高，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，為開發塑性脂肪替代物提供理論依據，對食品的多樣性及安全性具有重要意義。