菜籽油凝膠的質構特性及形成機理研究

王家鑌 劉龍龍 陳致羽 仇宏圖 張 華，2 崔福順，2 李官浩，2

(延邊大學農學院食品與生物科學系1，延吉 133002)(東北寒區肉牛科技創新教育部工程研究中心；延邊大學2，延吉 133002)

菜籽油含有α-亞麻酸等不飽和脂肪酸較高的食用植物油，天然維生素含量是橄欖油的三倍。另外菜籽油還含有多酚、類胡蘿卜素、鈣、鐵等營養成分，其營養價值高、生理活性強，利于心腦血管，可有效預防和減少慢性疾病的發生[1]，在目前國內生產的食用植物油中菜籽油被稱為“最健康的食用植物油”。谷甾醇與卵磷脂可作為食品級凝膠劑，被譽為生命的“鑰匙”的谷甾醇，是許多食物中重要的生理活性物質，也是真核生物細胞膜的重要組分，廣泛參與機體的生命活動[2]。卵磷脂其用途廣泛，比如醫藥、食品工業的應用。食品工業中，可發揮促進溶解的作用，助于食品中脂肪均衡的分散等[3]。開發低飽和脂肪酸和低反式脂肪酸的食品，用低分子量凝膠劑自我構建形成網絡結構來使植物油凝膠化，以此替代傳統固態油脂的課題已引起人們廣泛關注[4]。卵磷脂和谷甾醇對人體具有益處。其他使油脂凝膠化的物質還有羥基脂肪酸、蠟及蠟酯和卵磷脂/山梨醇單硬脂酸酯等，但是它們都有一定的缺點，如羥基脂肪酸、蠟及蠟酯不被允許添加到食品中，不具有安全性；卵磷脂/山梨醇單硬脂酸酯添加量需要達到很高的濃度才能將油脂凝膠化，從而提高了生產的成本。相比于其他油脂凝膠，添加卵磷脂/谷甾醇復合凝膠劑制備菜籽油凝膠的優勢在于其營養價值極高，并且更具有安全性，可用于食品中[5]。

Han等[5]也成功利用谷甾醇和卵磷脂結構化了植物油，其結構穩定，長時間儲藏不會塌陷。殷俊俊等[6]利用谷維素與谷甾醇成功制備葵花油凝膠，得出了影響葵花油凝膠硬度的因素的主次順序，其順序為：冷卻溫度>γ-谷維素:β-谷甾醇添加比例>加熱時間>加熱溫度。Zetzl等[7]將乙基纖維素油脂凝膠替代動物油脂添加于法蘭克福香腸中，使得香腸感官品質得到極大改善的同時，還有效降低飽和脂肪酸含量，讓產品更加健康。

目前，利用X-射線衍射(X-ray diffraction ，XRD)與核磁共振氫譜(1H nuclear magnetic resonance，1HNMR)結合，通過官能團的變化了解形成機理，利用油脂凝膠質構特性分析相關性的研究甚少。因此，本研究首先從蛋黃中提取卵磷脂與谷甾醇作為凝膠劑，以營養豐富的菜籽油為載體油，為制備出綠色、健康的可食用油脂凝膠進行優化實驗，同時探討了油脂凝膠形成機理和質構相關性。為該類型的凝膠油的物理性質提供依據，可為菜籽油凝膠的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

菜籽油、卵磷脂、卵磷脂標準品、β-谷甾醇、氘代甲醇(TMS 0.03%)、氘代氯仿；氯仿、95%乙醇、丙酮等均為分析純。

1.2 儀器與設備

D/Max 2200VPC X-射線衍射，AV-600核磁共振儀，ME104電子分析天平，SY-2000旋轉蒸發儀，IT-09B15磁力攪拌器，TMS-Pro型質構儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 卵磷脂的制備

新鮮雞蛋→蛋黃分離→蛋黃加入具塞錐形瓶→加乙醇(95%)，按乙醇體積與蛋黃的克數(mL/g)比例為10∶1添加→常溫下磁力攪拌1 h→提取液收集于50 mL離心管中→以4 000 r/min，離心15 min →取上清液，沉淀物再加95%乙醇提取，離心后合并兩次上清液→抽濾→旋蒸濃縮→取出濃縮物后加入丙酮，用振蕩器浸洗至丙酮接近無色→真空冷凍干燥→稱重，算得率。

1.3.2 卵磷脂定性

參考劉穎等[8]方法稍作修改。取鮮蛋蛋黃卵磷脂提純物和卵磷脂標品各0.1 g溶于1 mL氯仿，點樣待用。按氯仿∶甲醇∶水=65∶25∶4配制展開劑。層析前要進行預飽和，飽和時間30 min。取已活化完畢的硅膠G板，在距硅膠板2 cm用鉛筆畫出一條線，用毛細管取卵磷脂樣品和卵磷脂標品各10 μL，點在同一底線上。將點好樣的硅膠板放入展開劑中展開，當展開一定距離后，取出晾干，讓展開劑揮盡。最后通過碘缸顯色。

1.3.3 油脂凝膠的制備

以菜籽油為原油材料，稱取20 mL菜籽油，添加油脂質量為12%的谷甾醇與卵磷脂形成的低分子量復合凝膠劑(谷甾醇與卵磷脂質量比為6∶4)，100 ℃下磁力攪拌30 min使其凝膠劑充分溶解于菜籽油中。將磁力攪拌后的樣品放入5 ℃冰箱中儲藏24 h，然后置于恒溫培養箱中25 ℃放置3 d。

1.3.4 凝膠強度測定

參考ISO 9665—1998[9]方法，取油脂凝膠樣品進行前處理后即可進行測定。實驗做3次平行，取平均值。質構儀測定條件為P/3.5探頭，力量元感應力量元感應量程900 N，觸發力1N，檢測速度60 mm/min，穿刺距離0.3 mm，回程速度60 mm/min回程距離20 mm。分析不同條件所制備的油脂凝膠樣品凝膠強度的變化趨勢。

1.3.5 凝膠X-射線衍射(XRD)測定

取適量的凝膠樣品平鋪在檢測片上，儀器測試條件設定為：Cu-Kα 放射源(波長λ=1.540 56 ?)，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，2θ角掃描范圍10.0°～30.0°，掃描步長為0.02°，掃描速率為2 ℃/min,發射和防反射狹縫1.0 mm，接受狹縫0.1 mm，測試溫度為25 ℃[10]。

1.3.6 凝膠核磁共振氫譜(1HNMR)測定

稱取5～6 mg的樣品，將其溶解于0.5 mL氘代甲醇，β-谷甾醇、菜籽油、菜籽油凝溶于氘代氯仿轉移至直徑為3 mm的玻璃核磁管中待用。

1.4 數據統計分析

采用SPSS Statistics 20軟件進行數據的統計分析，進行相關性分析(P<0.5)。

2 結果與分析

2.1 卵磷脂定性分析

從圖1中可知，將卵磷脂標準品與蛋黃中提取的鮮蛋蛋黃卵磷脂提純物在硅膠板上展開顯色[11]，實驗室鮮蛋蛋黃卵磷脂提純物Rf值為0.371，卵磷脂標準品Rf值為0.370，兩者Rf值基本相同，且無其他斑點，表明提取物純度較高，進一步利用1H-NMR進行了定量分析。

圖1 卵磷脂定性分析

2.2 凝膠劑添加量對油脂凝膠的影響

圖2為凝膠劑添加量對油脂凝膠的強度暨質構特性影響的分析結果。從圖2中可看出，添加量在8%至16%時，凝膠強度呈先上升再下降趨勢，在12%時達最大值。添加量為6%測不出強度，原因可能是凝膠劑添加量不足，無法形成凝膠網絡結構，不能使液態植物油結構化。周玉嬌等[1]研究表明隨著凝膠劑添加量的增加，油脂凝膠強度也隨之增大，凝膠網絡結構逐漸穩定，對油脂固化能作用也越強。但是本實驗結果顯示凝膠強度與凝膠劑添加量并不完全成正比，添加14%和16%時凝膠強度低于12%，原因可能是添加量過高，使過多的谷甾醇或卵磷脂在植物油中溶解，導致網絡結構破壞[12]。

注：a～d表示不同樣品之間的顯著性差異(P<0.05)。圖2 凝膠劑添加量對菜籽油凝膠的影響

2.3 凝膠劑添加比例對油脂凝膠的影響

適當比例添加谷甾醇和卵磷脂，兩者可通過氫鍵等分子間作用力結合形成納米小管結構，經碰撞、粘附、交聯進一步形成三維網絡固定住液體油相[13]。從圖2中可看出，添加比例為6∶4的凝膠強度顯著大于其他五種條件的凝膠強度，凝膠劑的添加比例，也就是谷甾醇與卵磷脂兩者之間添加的比例對油脂凝膠造成極大的影響。

2.4 時間、溫度對油脂凝膠的影響

圖3是時間、溫度雙因素對油脂凝膠的強度及質構特性影響的累加柱形圖，凝膠強度在70～100 ℃時雖溫度升高而上升，其原因是隨著攪拌溫度的上升，對凝膠劑在植物油中的溶解具有的作用。攪拌溫度為110 ℃時，強度降低，溫度為120 ℃時，強度再次上升且凝膠顏色發生變化。結合Szczeniak[14]質地多面剖析法、GB/T 16860—1997[15]分析得出，比較其他不同時間和溫度制成的凝膠，條件在100 ℃，30 min時，其凝膠強度最好，表明口感良好，有一定膠性，易粘舌頭，易被破碎。外表呈糊狀，極具彈性，凝膠較嫩。

注：a～d表示不同樣品之間的顯著性差異(P<0.05)。圖3 時間、溫度對菜籽油凝膠的影響

2.5 X-射線衍射(XRD)分析

從圖4中可看出，油脂凝膠樣品在不同區域出現了不同的衍射峰，在0.42 nm附近出現α型晶體特征峰，0.38 nm和0.42 nm附近出現β′型晶體特征峰，0.46 nm附近出現β型晶體特征峰。說明油脂凝膠存在同質多晶現象[16]。第30天的菜籽油脂凝膠β′型、β型衍射峰強度大于第1天菜籽油凝膠。油脂凝膠衍射強度越大，形成的晶體就越能固定住液態油脂，其內部三維網狀結構就越穩定[17]。α型晶體衍射強度極弱，其原因是在油脂凝膠在凝膠劑作用下，α型晶體以大部分轉化為β′和β型晶體，α晶型向β、β′晶型的轉變也是油脂凝膠形成的必要條件。

注：圖4是菜籽油及以最佳條件(添加量12%、β-谷甾醇:卵磷脂添加比例6∶4、時間30 min、溫度100 ℃)制備油脂凝膠的第1天和第30天的XRD圖譜。圖4 菜籽油及其凝膠XRD圖

2.6 菜籽油、凝膠劑及菜籽油凝膠1H-NMR圖譜分析

結合圖5和表1對卵磷脂標品與鮮蛋蛋黃卵磷脂提純物PC進行對比分析得出，卵磷脂標準品的磷脂酰膽堿(PC)主要出現在化學位移3.2～5.4之間[18]，鮮蛋蛋黃卵磷脂提純物PC也出現在該區域，且δ=4.40～4.50處2號質子峰可與甘油磷脂酰膽堿(L-α-GPC，簡稱 GPC)，溶血磷脂(LPC)區分[19]。則可作為PC定量分析的特征性質子峰。通過定量分析得，鮮蛋蛋黃卵磷脂提純物PC含量為4.014 mmol/kg。

對添加至凝膠中的鮮蛋蛋黃卵磷脂 1H-NMR譜圖(圖5b)、谷甾醇1H-NMR譜圖(圖5c)、菜籽油1H-NMR譜圖(圖5d)和菜籽油凝膠1H-NMR譜圖(圖5e)中化學位移進行對比，位于卵磷脂的長烴基鏈上1號特征峰為甘油基中的亞甲基質子，具有功能性，未出現在凝膠中；β-谷甾醇結構含有羥基基團和萜環，是主要結合位點。凝膠中并未出現7號和8號特征峰，7號特征峰為連氧次甲基質子，而8號特征峰為烯氫質子，都具有功能性。說明了卵磷脂可能與谷甾醇發生分子間作用力(氫鍵力、靜電力、疏水力、范德華力等)，通過氫鍵可能與卵磷脂的長烴基鏈發生結合，形成了復合凝膠劑，不溶于檢測溶劑被過濾，但是未發現菜籽油發生了官能團結構變化形成的新物質特征峰。

表1 卵磷脂特征峰解析

表2 β-谷甾醇特征峰解析[20，21]

注：a 卵磷脂標品，b 鮮蛋蛋黃卵磷脂提純物，c β-谷甾醇，d 菜籽油，e 菜籽油凝膠。 圖5 卵磷脂、谷甾醇、菜籽油和菜籽油凝膠1HNMR圖譜

表3 菜籽油特征峰解析[22]

3 結論

凝膠劑添加量12%，凝膠劑添加比例為6∶4、100 ℃、30 min時，其凝膠強度最佳，口感良好，有一定膠性，易粘，外表呈糊狀，黏性變強，從最初的不可塑性質變成了可塑性，甚至極具彈性，同時具有一定的咀嚼性。

通過分析卵磷脂、β-谷甾醇、菜籽油及其這三種物質形成的菜籽油凝膠的1H-NMR譜圖發現，是位于卵磷脂的長烴基鏈上的甘油基中的亞甲基質子與β-谷甾醇結構中所處在羥基基團的連氧次甲基質和烯氫質子通過分子間作用力發生結合形成三維網絡結構荷載了菜籽油，菜籽油的官能團沒有發生變化，判定菜籽油油脂凝膠為物理結合非化學合成。