利用紫蟲膠制備亞麻籽油凝膠油

戴柯銳，楊欣，胡茂芩，呂秋冰，姜林青

1. 四川旅游學院食品學院（成都 610100）；2. 成都大學藥學生物工程學院（成都 610100）

亞麻籽油根據產地不同，α-亞麻酸含量45%～65%。傳統食用油脂缺乏n-3系列脂肪酸，α-亞麻酸作為其主要來源，具有改善眼睛疾病、降血脂等作用[1]。紫蟲膠（LAC）又名蟲膠、紫膠等，是吸取寄主樹樹液的紫膠蟲分泌出的天然樹脂，無毒、生理無害、生物可降解，被美國食品與藥品監督管理局（FDA）列為一般公認的安全類添加劑（GRAS）[2]。

凝膠油是凝膠因子利用結晶或者自組裝，捕獲液態油組成三維網絡結構，束縛液態油脂的活動[3]。凝膠油具有可塑性好、低反式脂肪酸的優點[3]，根據油基的不同可能含有亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸。林國輝研究零反式脂肪酸特種油脂在面包中的應用，發現添加實驗室自制的新型特種油脂和飽和脂肪酸含量較高的3種市售黃油對面團流變特性、面包質構特性和持水性的改善作用明顯優于玉米油[4]。Patel等[5]研究蟲膠凝膠油的涂抹性及在巧克力醬和蛋糕中的應用，發現能用蟲膠凝膠油完全替代油粘合劑和部分替代棕櫚油（27%）制備巧克力醬。

選用的凝膠因子是紫蟲膠，采用加熱及冷卻等加工方法，制備富含亞麻酸、亞油酸并具有一定涂抹性的亞麻籽油凝膠油。經過響應面試驗優化，得到亞麻籽油凝膠油的最佳工藝。亞麻籽油有望代替氫化植物油應用于烘焙食品，擴展其在食品加工中的應用領域。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

亞麻籽油（江西省硒海油脂有限公司）；紫蟲膠（云南澤林林業科技有限公司）。

JA200型萬分之一電子天平（上海舜宇恒科學儀器有限公司）；BCD-226K50型冰箱（美的集團股份有限公司）；DF-101S電熱恒溫磁力攪拌器（鞏義市予華儀器責任有限公司）；H2050R臺式高速冷凍離心機（長沙湘儀離心機儀器有限公司）；TMS-PRO質構儀（美國FTC公司）；Q100型熱分析儀（美國TA公司））；XP-201型透射偏光顯微鏡（上海宙山精密光學儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 凝膠油的制備

向30 g亞麻籽油中添加一定量紫蟲膠，在80 ℃條件下，恒溫攪拌20 min。取出，在5 ℃下冷卻24 h，置于室溫2 h后備用。

1.2.2 凝膠油結晶形成時間（CFT）測定[6]

用2 mL離心管裝取1 g凝膠油，在90 ℃下加熱1 h后，取出離心管。在室溫下倒置離心管時開始計時，記錄油脂形成凝膠所需時間。

1.2.3 凝膠油持油性（OBC）測定[6]

稱取2 mL離心管質量（a）。取1 g左右的凝膠油與離心管中，記為b。離心15 min（條件：20 ℃、8 000r/min），取出，靜置15 min，吸取析出的油，稱取離心管剩余質量（c）。將數據代入式（1）計算凝膠油的持油性。

1.2.4 凝膠油硬度的測定

凝膠油樣品于5個50 mL燒杯中形成凝膠，置于室溫、陰涼處2 h備用。用質構儀進行硬度測定，在室溫下每組樣品均測試3次，取平均值。

1.2.5 凝膠油的熱力學性質測定[7]

精確稱取樣品8～10 mg，加熱到90 ℃（速率30 ℃/min），保持10 min。降到20 ℃（速率5 ℃/min），保持20 min使其結晶。升溫至90 ℃（速率5 ℃/min），記錄結晶和熔融過程的熱變化曲線。用TA universal analysis軟件及OriginPro 9軟件來獲取并分析熱力學數據。

1.2.6 凝膠油的晶體形態測定[8]

晶體的微觀結構是用偏光顯微鏡（PLM）進行觀察。凝膠油用毛細管吸取，放在載玻片上，輕壓上蓋玻片。在放大100倍的條件下，觀察凝膠油中晶體形態。

1.2.7 數據處理

試驗所得數據采用TA universal analysis軟件及Origin Pro 9軟件進行基礎數據處理并繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 蟲膠添加量對凝膠油的影響

向30 g亞麻籽油中分別添加2%，4%，6%，8%和10%蟲膠，攪拌加熱條件為80 ℃、20 min，置于5 ℃冷卻24 h。通過結晶形成時間、持油性的測定，得到蟲膠添加量與凝膠油形成時間和持油性的關系。

從圖1（B）能夠看出，隨著蟲膠添加量逐漸增加，凝膠油形成時間越短，形成速度越快。從圖1（A）可以看出，凝膠油形成時間與蟲膠添加量有關系。蟲膠添加量小于6%時，一定時間內，蟲膠和亞麻籽油的混合液未形成凝膠，呈現黏稠液體狀態。

圖1 亞麻籽油凝膠油照片及蟲膠添加量和形成時間的關系圖

圖2展示凝膠油的蟲膠添加量與持油性和硬度的關系。隨著蟲膠添加量增加，凝膠油持油性呈增大趨勢。蟲膠在亞麻籽油中形成的網狀結構具備束縛作用，同時隨著添加量增大，網狀結構越密集，這種束縛作用會更強。這主要的是由于蟲膠一方面能使亞麻籽油形成類脂晶體網絡；另一方面蟲膠具有較高的結構組織，能夠形成超分子相互作用和自組裝膠體結構的特性，這一性質可能進一步導致更高的晶體-晶體相互作用，從而形成穩定三維結構[5]，硬度也隨之增加。通過顯著性分析，蟲膠添加量與凝膠油的硬度無顯著性差異。

圖2 亞麻籽油凝膠油的蟲膠添加量與持油性和硬度的關系圖

2.1.2 加熱時間對亞麻籽油凝膠油的影響

向30 g亞麻籽油中分別添加8%的蟲膠，在80 ℃下，恒速磁力攪拌加熱20，30，40，50和60 min，放于5 ℃條件下，冷卻24 h。通過持油性、形成時間、硬度的測定，得到凝膠油制備加熱時間與持油性、形成時間和硬度的關系。

由圖3能夠得知，加熱時間延長，凝膠油形成時間先增加后縮短再增加，說明凝膠油制備時，加熱一段時間之后，蟲膠在亞麻籽油中更為分散，使蟲膠更充分加入凝膠網狀結構的構成。隨著加熱時間達到60 min，形成時間增加，可能是由于加熱時間過長，蟲膠和亞麻籽油形成的凝膠結構被破壞。

圖3 加熱時間對形成時間的影響

在圖4中，隨著加熱時間延長，凝膠油硬度先增大后減小。足夠加熱時間使蟲膠在亞麻籽油中被分散得更加均勻，形成穩定網狀結構。隨著加熱時間延長，凝膠油晶體結構被破壞，造成硬度減小。隨著加熱時間延長，凝膠油持油性先增大后減小。30 min時，持油性達到最大。通過顯著性分析，凝膠油的加熱時間與凝膠油硬度無顯著性差異。

圖4 加熱時間對持油性及硬度的影響

2.1.3 加熱溫度對亞麻籽油凝膠油的影響

由圖5能夠看出，隨著加熱溫度逐漸升高，凝膠油的持油性先降低后增加到峰值再下降，說明加熱過程中，蟲膠形成的網狀結構對于凝膠油的束縛作用逐漸增加，但是過度加熱導致形成的凝膠結構遭到破壞，從而加熱溫度繼續升高，持油性又逐漸下降。隨著加熱溫度升高，硬度隨之降低，可能由于溫度增加，能量增加后，導致凝膠結構被破壞。

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面優化試驗設計

將凝膠油的持油性作為響應值，蟲膠添加量、加熱時間、加熱溫度作為自變量，設計優化凝膠油的三因素三水平響應面試驗。試驗因素水平編碼見表1。

圖5 加熱溫度對持油性及硬度的影響

表1 因素水平編碼

2.2.2 響應面優化試驗設計方案與結果分析

將蟲膠添加量（A），加熱時間（B），加熱溫度（C）作為特征值，凝膠油持油性（Y）作為響應值進行Box-Behnken試驗設計。Box-Behnken試驗設計結構矩陣及試驗結果如表2所示。

表2 響應面試驗設計及結果分析

蟲膠添加量（A）、加熱時間（B）、加熱溫度（C）為特征值，凝膠油持油性（Y）為響應值，進行響應面優化試驗。得到響應值Y和各因子（A、B、C）之間的二次多元方程為Y=84.90-0.34A-2.59B-0.69C-0.62AB-0.48AC-0.69BC-0.55A2-2.49B2-2.03C2。

方差分析結果見表3，因素B、C的p值都小于0.01，說明其具有極顯著性影響；BC的p＜0.05說明BC兩因素之間存在顯著的交互影響，而AB、AC之間無交互影響。由于pB＜pC＜0.05，可得其影響順序為B＞C，即加熱時間＞加熱溫度。模型顯著性檢驗p＜0.000 1，即具有極顯著性差異。失擬項體現模型與試驗結果的擬合程度，判斷兩者有無顯著差異。p＞0.05，表明失擬項不顯著，說明該模型可以客觀良好地反映各個因素與凝膠油持油性之間的關系。由此，該回歸方程可以預測凝膠油的最佳工藝。通過響應面優化試驗，得出制備凝膠油的最佳工藝為蟲膠添加量8%、加熱時間25 min、加熱溫度79 ℃。在該工藝條件下凝膠油持油性預測值為85.59%。經過3次驗證試驗，3次試驗做得凝膠油持油性平均值為84.92%。得到的平均值與預測值接近，相對偏差小于1%，說明該響應面方程較為準確。

響應面3D效果圖坡度越陡，表明各因素對凝膠油持油性的影響越顯著，反之，走勢越平滑，影響越不顯著。圖6和圖7分別是蟲膠添加量和加熱時間、蟲膠添加量和加熱溫度的交互作用，可以看出曲線呈現平面坡面，坡面較為平緩。在一定加熱時間和加熱溫度下，蟲膠添加量增加，持油性基本不變，蟲膠添加量與凝膠油的持油性無顯著性差異。從圖8可以看出，加熱時間和加熱溫度交互作用的曲線相對坡度最陡，影響最為顯著。響應面圖皆存在最高點，即響應值存在最大值。所有趨勢與單因素得到的結果基本相同。

表3 回歸模型的方差分析結果

圖6 凝膠油持油性與蟲膠添加量、加熱時間的等高線及其響應面圖

圖7 凝膠油持油性與蟲膠添加量、加熱溫度的等高線及其響應面圖

圖8 凝膠油持油性與加熱時間、加熱溫度的等高線及其響應面圖

2.3 對比試驗

2.3.1 凝膠油和市售黃油的熱力學性質對比

凝膠油的熱力學性質會影響其品質和用途，例如凝膠油的口感受到凝膠油的熔融速度、溫度范圍的影響[9]。通過加熱引起凝膠油出現相的轉變，DSC通過測定在相變過程中凝膠油的熱量變化，分析相變的起始、峰值和終止的溫度[10]。圖9和圖10為凝膠油和市售黃油的結晶、熔融曲線。

由圖9能夠看出，在結晶過程中，凝膠油有1個單獨的結晶峰、2個重疊的結晶峰，低于0 ℃的結晶峰可能是由于部分未參與形成凝膠結構的蟲膠結晶發生相變，凝膠油結晶溫度為18.26 ℃。市售黃油有1個單獨的結晶峰，2個重疊的結晶峰，市售黃油中成分復雜，含有的水分和蛋白質等成分，水在0 ℃左右晶型發生轉變，所以市售黃油的結晶溫度為24.52 ℃，在凝膠油和市售黃油中都存在結晶結構。圖10中，水分在0 ℃時熔融，發生晶型變化，產生吸熱峰，所以，市售黃油的熔融曲線中，第2個吸熱峰才是市售黃油的吸熱峰。整個熔融過程中，凝膠油的吸熱峰溫度是33.23 ℃，市售黃油的吸熱峰溫度是41.23 ℃，兩者相差8 ℃。

2.3.2 凝膠油和市售黃油的固體脂肪含量（SFC）對比

固體脂肪含量（SFC）可以反映隨溫度變化油脂凝膠的結晶和熔融特性，由此確定油脂凝膠在食品加工中的運用[11]。參照Prakash等利用DSC計算SFC[12]的方法（DSC結晶曲線在不同溫度（10，15，20，25和30 ℃）下結晶能量占總結晶能量的百分比，作為每個溫度下的SFC）。從表4中能夠看出，隨著溫度升高，SFC含量逐漸減少。凝膠油的SFC含量在15～25 ℃急劇減少，市售黃油的SFC含量減少趨于平緩。這是因為亞麻籽油含有較多的不飽和甘油三酯，不飽和甘油三酯在室溫下會先熔融[13]，溫度的升高會破壞形成的凝膠結構，加速凝膠油的熔融，使SFC迅速減少。低于室溫（20 ℃）時，凝膠油的SFC含量比市售黃油的SFC含量更高。凝膠油在20 ℃時沒有熔化，存在大量結晶結構，說明在室溫（20 ℃）下，凝膠油具有一定塑性，可作為軟質涂抹類油脂產品。

圖9 凝膠油和市售黃油的結晶曲線

圖10 凝膠油和市售黃油的熔化曲線

表4 凝膠油和市售黃油的固體脂肪（SFC）含量

2.3.3 凝膠油的晶體形態

觀察放大倍數為100倍的凝膠油晶體形態，如圖11所示。

凝膠油具有持油性及硬度的基礎是形成的三維網狀結構。黃油通過偏光顯微鏡觀察，未觀察到晶體形態。由圖11可知，凝膠油的凝膠結構呈現枝狀，分布緊密均勻，堆積形成三維結構，束縛凝膠油的流動性，使形成的凝膠油具備硬度和持油性。

圖11 凝膠油（A）的PLM圖像

3 結論

通過響應面優化試驗，得出凝膠油制備的最佳工藝為蟲膠添加量8%、加熱時間25 min、加熱溫度79℃，在該工藝條件下得到的凝膠油持油性為84.92%。凝膠油與市售黃油進行熱力學研究表明，兩者的熔點相近，且在室溫下兩者都有一定塑性。晶體形態研究表明，凝膠油是由于蟲膠形成的三維結構束縛亞麻籽油流動性。試驗結果可為凝膠油替代氫化植物油研究提供理論依據。