聚甘油的提純及其對合成聚甘油脂肪酸酯性質的影響

桑學財，雷朵，馬曉軍

（江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122）

聚甘油脂肪酸酯（polyglycerol fatty acid ester，PGFE）作為一種新型高效乳化劑，在食品加工中應用越來越廣泛，尤其在蛋糕加工中的應用更受關注[1]。由于不同聚合度的聚甘油與不同品種及量的脂肪酸可以合成出不同親水親油平衡值（hydrophile-lipophile balance，HLB）的PGFE，HLB值的變化范圍在2～20，因此選擇合適聚合度的聚甘油與不同品種及量的脂肪酸可以來制備所需HLB值的PGFE，能滿足多種食品的需要，應用前景廣闊[2-5]。

蛋糕是最重要的烘焙產品之一，一般是分步打發加工，費工費時，并且對加工者技術要求高，行業急需開發出適合一步法蛋糕加工的工藝和相關食品改良劑。PGFE憑借優良的攪打起泡性，在一步法制備蛋糕方面，表現出了卓越的性能優勢。

晶型是影響乳化劑攪打起泡性的關鍵因素之一，研究表明，α晶型乳化劑打發效果最好，β′晶型次之，β晶型最差[6]。α晶型結構是一種層狀結構，能夠通過小角X衍射反映出來，當小角X衍射中的散射矢量Q呈現1∶2∶3的比例時，則可以表征為層狀結構[7-10]。

純PGFE不具備多晶型，只有α晶型一種[11]，所以PGFE有著良好的攪打起泡性。現在使用比較多的食品乳化劑——單甘脂是一種多晶型乳化劑，其只有在凝膠α層狀結構下，才會有良好的攪打起泡性，但若是其它晶型，其攪打起泡性會明顯變差[12-16]。

目前，國內的聚甘油加工水平不高，產品不純，聚甘油中含有大量甘油，使得其所制備得到的聚甘油脂肪酸酯中也含有較高含量的單、雙甘油脂肪酸酯，影響到聚甘油脂肪酸酯的純度及品質。試驗發現，若聚甘油脂肪酸酯中含較多單、雙甘油脂肪酸酯，會嚴重影響到PGFE的打發性，從而影響了其在一步法蛋糕制備中的應用。因此需要對聚甘油進行提純處理研究，并探索對其合成的聚甘油脂肪酸酯的性質影響。

本文通過分子蒸餾提純聚甘油，并且研究聚甘油中不同甘油含量對合成聚甘油脂肪酸酯起泡特性以及烘焙特性的影響，為蛋糕用高品質聚甘油脂肪酸酯的生產提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 主要原料與試劑

聚甘油、小麥粉、雞蛋、白砂糖、食用油：市售；硬脂酸、無水乙醇、甘油（分析純）：國藥集團藥業股份有限公司。

1.2 主要設備

VKL70-5FDRR分子蒸餾設備：德國瑞達有限公司；D2 PHASER X射線衍射儀：德國布魯克AXS有限公司；Waters 1525EF3高效液相色譜儀：美國沃特世公司；CX-6610打蛋器：中山市燦欣電器制品有限公司；CKF30GU電烤箱：佛山市偉仕達電器實業有限公司；T-XT2i物性分析儀：英國SMS公司。

1.3 方法

1.3.1 分子蒸餾提純聚甘油

1.3.1.1 溫度對分子蒸餾的影響

將聚甘油用分子蒸餾的方式進行提純，控制真空度為5 Pa，刮膜轉速為350 r/min，蒸餾溫度選用150、160、170℃3個溫度參數進行試驗，研究不同的蒸餾溫度對聚甘油提純的影響。通過高效液相法對收集的重相成分進行組分分析。

1.3.1.2 刮膜轉速對分子蒸餾的影響

控制真空度為5 Pa，蒸餾溫度為160℃，選用300、350、400 r/min 3個轉速參數進行試驗，研究不同的刮膜轉速對聚甘油提純的影響。通過高效液相法對收集的重相成分進行組分分析。

1.3.2 聚甘油蒸餾后產品得率

聚甘油經過分子蒸餾后除去里面存在的甘油，剩下的為所需要的聚甘油。蒸餾后產品得率按照以下公式計算。

式中：m1為蒸餾后聚甘油質量，g；m為蒸餾前聚甘油質量，g。

1.3.3 聚甘油的組分分析

通過高效液相法對聚甘油成分進行組分分析。將聚甘油溶于乙腈中，配制成5%溶液并過0.2 μm濾膜。色譜條件為，色譜柱：氨基柱；流動相：80%乙腈；流速：1.0 mL/min；進樣量：30 μL；檢測器：示差折光檢測器[17]。

1.3.4 聚甘油脂肪酸酯的合成

將聚甘油與硬脂酸直接酯化合成聚甘油脂肪酸酯。四角燒瓶中放入聚甘油與硬脂酸，摩爾比為1.1∶1，在220℃條件下反應30 min，持續攪拌，并且對四角燒瓶充氮氣保護。反應結束后，將上層透明液體冷卻，得到聚甘油脂肪酸酯[18]。

1.3.5 層狀結構的表征

通過小角X衍射來表征層狀結構。將樣品放在樣品臺上，設置掃描范圍 1°～10°，步長為 1°/min，掃描時間10 min[10]。散射矢量Q值按照下面公式計算。

式中：Q 為散射矢量，nm-1；d為層面間距，nm；θ為衍射角度；n為衍射級數；λ為入射光波長，nm。

1.3.6 聚甘油脂肪酸酯起泡性及穩定性測定

稱取5.0g（精確至0.01g）樣品熔化后，加入100mL水，室溫25℃下高速攪打5 min，然后迅速轉移到量筒中，記錄泡沫量為H1。量筒在室溫（25℃）下靜置2 h后再測量泡沫的殘留量（H）。該測量方法中用泡沫量H1作為聚甘油脂肪酸酯起泡能力大小的評價，泡沫穩定性按照如下公式計算[19]。

式中：H為泡沫殘留量，mL；H1為泡沫量，mL。

1.3.7 聚甘油脂肪酸酯在海綿蛋糕中的應用分析

1.3.7.1 海綿蛋糕制作方法

采用一步打蛋法制備海綿蛋糕，參考HESSO等[20]試驗中的海綿蛋糕配方并稍作修改。本試驗采用的配方如下：低筋小麥粉30 g，全蛋液35 g，白砂糖28 g，大豆油5 g，聚甘油脂肪酸酯2 g（其中空白對照組小麥粉37 g）。將稱量準確的小麥粉、白砂糖、全蛋液、大豆油及聚甘油脂肪酸酯全部加入攪拌缸中，用打蛋器高速打發3 min后轉移至烤盤中，放入烤箱中焙烤。烘焙條件為180℃、20 min。烘烤結束后立即取出，自然冷卻1 h后切片。

1.3.7.2 蛋糕面糊比重測定

同等體積條件下，面糊質量與純水質量的比值為蛋糕面糊比重。

1.3.7.3 蛋糕比容測定

用菜籽替代法測定重油蛋糕的體積，電子天平測量蛋糕質量，體積與質量之比即為蛋糕的比容。

1.3.7.4 蛋糕質構測定

參考王鳳等[21]的方法并稍作修改，將烘焙后的新鮮蛋糕在室溫25℃下冷卻1 h后，切成14 mm的均勻蛋糕片，待測蛋糕的組合高度為28 mm，采用物性分析儀對蛋糕進行質構分析。選用25 mm的圓柱形探頭，試驗參數設定為：測前速度為1 mm/s，測試速度為5 mm/s，測后速度為5 mm/s，下壓程度為50%。兩次壓縮之間時間間隔為5 s。

1.3.8 數據處理

本文中數據結果用SPSS軟件進行數據的相關性和顯著性分析，分析結果中P<0.05；用Origin 8.5軟件作圖分析；每組做3次平行試驗。

2 結果與分析

2.1 分子蒸餾提純聚甘油工藝的優化

2.1.1 溫度對聚甘油提純的影響

分子蒸餾是通過不同物質分子之間運動平均自由程的不同而進行分離，輕、重相均被加熱形成輕、重分子逸出液面進入氣相，因為輕、重分子平均自由程的不同，輕分子從液面逸出距離長，重分子逸出液面距離短，在二者距離之間設立冷凝板即可將輕分子冷凝從輕相口流出，重分子由混合液流出。因此溫度為分子蒸餾提純聚甘油的關鍵因素之一[22]。表1為通過不同溫度的分子蒸餾后產品的組成分析。

表1 不同溫度蒸餾后各組分的分析Table 1 Analysis of components after distillation at different temperatures

從表1可以看出，未蒸餾的聚甘油中含有接近30%的甘油，隨著蒸餾溫度的升高，被蒸餾出的甘油越來越多，余下的聚甘油含量也越來越高。當溫度在150℃時，甘油含量從29.3%降到11.7%，蒸餾不徹底。而當溫度從160℃升到170℃左右時，雖然甘油含量僅有2.23%，但同時二聚甘油和三聚甘油的含量也相對降低，原因是溫度過高，不僅將甘油蒸餾出來，同時也會將部分二聚甘油和三聚甘油蒸餾出來，導致二聚甘油和三聚甘油的含量相對降低，此時得率只有57.93%，不適合工業生產。而在蒸餾溫度160℃的條件下，甘油含量與170℃條件下接近，同時二聚甘油和三聚甘油含量并未明顯降低，得率達到74.21%。因此，在真空度為5 Pa，轉速350 r/min，蒸餾溫度在160℃下蒸餾效果最優。

2.1.2 刮膜轉速對聚甘油提純的影響

刮膜轉速也是影響聚甘油提純的關鍵因素之一。薄膜的厚度是影響蒸餾的關鍵因素，轉速越快，薄膜越薄，越容易蒸餾分離出去。表2為不同的轉速對提純的影響。

從表2中可以看出，隨著轉速的增加，甘油的含量越來越低。這是因為轉速越快，薄膜被打得越薄，使得蒸餾更容易進行。刮膜轉速從300 r/min提高到350 r/min時，甘油含量降低，脫除更徹底，但是當轉速達到400 r/min時，聚甘油的含量明顯下降，因為轉速過快使得膜越來越薄，更利于產品的蒸餾，不僅使甘油蒸餾除去，聚甘油也會隨之蒸餾出去，產品的損失較大。因此在真空度5 Pa，蒸餾溫度160℃條件下，刮膜轉速為350 r/min時蒸餾效果最優。

雖然真空度對于分子蒸餾的影響也很關鍵，但是真空度是和溫度相關的，真空度越低，分子蒸餾需要溫度越低，相反，真空度越高，需要溫度也就越高，二者是相結合的。因此，確定較佳的分子蒸餾條件為真空度5 Pa，蒸餾溫度160℃，刮膜轉速350 r/min。在此條件下聚甘油的分離除雜效果最好。

表2 不同轉速蒸餾后各組分的分析Table 2 Analysis of components after distillation at different rapids

2.2 不同甘油含量的聚甘油對合成PGFE性質的影響

本文對蒸餾后的聚甘油添加適當甘油，制備成甘油含量分別為2.5%、5%、10%、20%、30%的聚甘油（分別用 2.5%-PGFE、5%-PGFE、10%-PGFE、20%-PGFE、30%-PGFE表示），通過相同的參數進行酯化反應，得到聚甘油脂肪酸酯，研究不同甘油含量的聚甘油對合成聚甘油脂肪酸酯的性質影響。

2.2.1 不同甘油含量的聚甘油對合成PGFE層狀結構的影響

圖1～圖5分別為不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的X衍射圖。

圖1 30%-PGFE的X衍射圖Fig.1 X-ray diffraction pattern of 30%-PGFE

可以看出，圖4和圖5中的散射矢量Q值比例分別為 1.06∶2.06∶3.11∶4.17和 1.03∶2.14∶3.10∶4.33，比例約等于1∶2∶3∶4，可以確定其為層狀結構，而圖1、圖2、圖3中的散射矢量Q值均不成比例，說明不存在層狀結構。原因可能是聚甘油中含有的大量甘油，在酯化合成聚甘油脂肪酸酯的同時也反應生成了大量的單、雙甘油脂肪酸酯，這些高含量單、雙甘油脂肪酸酯的存在影響到了聚甘油脂肪酸酯的層狀結構，只有當聚甘油中甘油含量降低至5%及其以下時，酯化生成的少量單、雙甘油脂肪酸酯才不會影響到聚甘油脂肪酸酯的層狀結構。

圖2 20%-PGFE的X衍射圖Fig.2 X-ray diffraction pattern of 20%-PGFE

圖3 10%-PGFE的X衍射圖Fig.3 X-ray diffraction pattern of 10%-PGFE

圖4 5%-PGFE的X衍射圖Fig.4 X-ray diffraction pattern of 5%-PGFE

圖5 2.5%-PGFE的X衍射圖Fig.5 X-ray diffraction pattern of 2.5%-PGFE

2.2.2 不同甘油含量的聚甘油對合成PGFE攪打起泡性的影響

不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的起泡性如表3所示。

表3 不同甘油含量的聚甘油對合成PGFE的攪打起泡性影響Table 3 Effects of polyglycerol with different glycerol contents on the hairiness of synthetic PGFE

由表3可以很明顯看出，2.5%-PGFE和5%-PGFE 起泡性比 10%-PGFE、20%-PGFE、30%-PGFE都要好很多，分別達到458.3 mL和452.5 mL，并且泡沫更加穩定。導致這一差異的原因是較高含量的甘油使得酯化反應生成大量的單、雙甘油脂肪酸酯，其本身為穩定的β晶型，打發性較差，同時它們的大量存在影響到了聚甘油脂肪酸酯的α層狀結構，使得打發效果更差。

2.2.3 不同甘油含量的聚甘油對合成PGFE蛋糕烘焙特性的影響

不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的蛋糕烘焙特性見表4。

通過表4可以看出，添加了2.5%-PGFE和5%-PGFE的蛋糕，孔泡較均勻，質地松軟，其面糊比重分別為0.41 g/cm3和0.43 g/cm3，明顯比其它含量以及空白對照組面糊比重低很多。空白對照組因為未添加任何乳化劑，所以有些未完全打發，面糊比重較大，硬度較大。添加了2.5%-PGFE和5%-PGFE的蛋糕比容分別為3.88 mL/g和3.84 mL/g，說明在攪打過程中摻入大量的空氣，導致面糊比重降低，比容增大；5%-PGFE做出的蛋糕質地松軟，硬度僅有484 g，遠低于10%、20%、30%含量的 543、541、557 g和對照組的575 g，與2.5%-PGFE做出的蛋糕硬度相接近，說明只有聚甘油中甘油含量在5%及其以下時，所制得的聚甘油脂肪酸酯在烘焙特性上最佳。

表4 不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的蛋糕烘焙特性Table 4 Cake baking characteristics of PGFE synthesized from polyglycerol with different glycerol content

3 結論

本研究通過分子蒸餾對聚甘油進行提純，并且探究聚甘油中不同甘油含量對合成聚甘油脂肪酸酯性質的影響。結果表明：當分子蒸餾的蒸餾參數為真空度5 Pa，蒸餾溫度160℃、刮膜轉速350 r/min時，提純效果最好，甘油僅存3.61%，聚甘油產品得率為74.21%。當聚甘油中甘油含量較高時，該聚甘油通過酯化反應合成聚甘油脂肪酸酯的同時也生成了大量的單、雙甘油脂肪酸酯，這些單、雙甘油脂肪酸酯的大量存在影響到了聚甘油脂肪酸酯的層狀結構，使得聚甘油脂肪酸酯的攪打起泡性較差，其用于蛋糕制作的效果也較差；只有當聚甘油中甘油含量在5%及其以下時，酯化反應中僅生成少量的單、雙甘油脂肪酸酯，這些少量的單、雙甘油脂肪酸酯并不會影響到聚甘油脂肪酸酯的層狀結構，此時，該聚甘油脂肪酸酯的攪打起泡性較好，起泡性能達到452.5 mL，泡沫穩定性高達95.8%，泡沫也更加細膩，此聚甘油脂肪酸酯通過一步打蛋法制備的蛋糕品質較好，質地松軟，面糊比重在0.43 g/cm3，蛋糕比容為3.84 mL/g，蛋糕硬度為484 g。