稻米油的結晶熔融行為研究

周 帥，孫 悅，王 勇，姜元榮

（豐益（上海）生物技術研發中心有限公司，上海 200137）

隨著經濟發展和生活水平的提高，人民對健康高品質食用油的消費需求不斷增加，但食用植物油（如大豆油、花生油及稻米油等）低溫下易凝固的問題嚴重制約了其低溫儲存與運輸并降低終端客戶的認可度，因此了解植物油的結晶過程對于國民品質化消費升級和身體健康至關重要。

稻米油屬于米糠深加工產品，其脂肪酸組成較為合理，最為接近人類的膳食推薦標準，且含有豐富的維生素E、角鯊烯、植物甾醇和谷維素等成分，長期食用對預防心血管疾病、提高人體免疫力、調節血糖等方面均有明顯作用[1]，是國際上公認天然綠色的健康油脂[2-5]。

近幾年中國稻米油產量持續走高，2018 年產量約為50 萬t，2020 年已突破70 萬t。稻米油是典型的在低溫下易結晶的植物油[6-7]，隨著消費者對稻米油產品質量的要求越來越高，迫使稻米油的結晶行為研究越來越受重視。

本文研究了稻米油的等溫和非等溫結晶熔融行為，并對稻米油冷凍析出物進行了詳細分析，以期為提升稻米油產品的冷凍性能和擴展稻米油產品的應用領域奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

精煉稻米油：益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司。

1.2 儀器與設備

PLM，E400 偏光顯微鏡：日本尼康公司；MCR101 旋轉流變儀：安東帕（上海）商貿有限公；DSC，Q2000 差示掃描量熱儀：美國TA 儀器公司；XRD，X'Pert PRO X 射線衍射儀：荷蘭帕納科公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 冷凍試驗

采用GB/T35877—2018《糧油檢驗 動植物油脂冷凍試驗》標準對樣品進行冷凍性能測試。取樣品200～300 mL 加熱至130 ℃，并趁熱過濾，消除水分并破壞殘存晶核，將樣品倒入油樣瓶密封后，室溫冷卻至25 ℃。之后將樣品瓶放入0 ℃的冰水浴中，開始計時，觀察樣品澄清度隨冷凍時間的變化。

1.3.2 結晶形貌觀察

采用帶有加熱和制冷臺的偏光顯微鏡觀察稻米油樣品的等溫結晶形貌。將樣品快速升溫至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后快速降溫至0 ℃并等溫停留，同時拍照記錄晶體形貌隨時間的變化。

1.3.3 流變性能測試

采用旋轉流變儀測試樣品的等溫流變性能，選用平行板模式，平行板直徑50 mm，平行板上下間距1 mm，剪切速率為20 s–1。將樣品快速升溫至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后分別快速降溫至20、10 和0 ℃，停留6 h，觀測樣品動態粘度隨時間的變化規律。

1.3.4 結晶熔融行為測試

采用差示掃描量熱儀測試樣品的非等溫結晶熔融行為。稻米油非等溫結晶熔融行為：稱取6 mg 左右樣品，將其快速加熱至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后分別以0.5、1、1.5、2.5、5 和10 ℃/min 的降溫速率降溫至–60 ℃，停留 5 min，再以 10 ℃/min 的升溫速率升至80 ℃。稻米油冷凍析出物的熔融結晶行為：稱取6 mg 左右樣品，以10 ℃/min 的升溫速率將其從10 ℃加熱至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后以 10 ℃/min 的降溫速率降溫至–60 ℃。

1.3.5 脂肪酸組成

采用GB5009.168—2016《食品安全國家標準食品中脂肪酸的測定》標準測試。稱取約 8 mg 樣品，于50 mL 離心管中，加入氫氧化鉀-乙醇溶液皂化。皂化后的下層水相加入 1 mL 濃度為1.296 mg/mL 的十七烷酸作為標液，酸化后用正己烷提取，并用三氟化硼-甲醇衍生化，采用氣相色譜分析。

1.3.6 晶型測定

采用X 射線衍射儀測試稻米油冷凍析出物的晶型。使用帶有 Ni 濾光鏡的 Cu-Kα 放射源（k=1.540 56 ?）。2θ 角掃描速率0.13 °/min，步長0.02°，范圍12°～30°。

1.4 數據分析

運用 Origin8.0 軟件對實驗數據進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 稻米油等溫結晶行為

目前，表征植物油冷凍性能常用方法是0 ℃冷凍試驗，即將樣品放置在0 ℃水浴鍋中觀察樣品透明性隨時間的變化，出現渾濁時所需要的時間即為冷凍時間。稻米油在0 ℃冷凍試驗的結果見圖1，稻米油在0.5 h 左右開始發朦，1.5 h 后稻米油基本不透明。

圖1 稻米油0 ℃冷凍試驗Fig.1 Cold test of rice bran oil at 0 ℃

稻米油在冷凍試驗中的發朦現象實質是稻米油的結晶過程，稻米油是多種甘油三酯的混合物，低溫時部分高熔點的甘油三酯結晶析出，其晶體的存在影響了透光性能。為了更直觀的觀察稻米油的等溫結晶過程，采用帶有冷熱臺的PLM 觀察了稻米油的等溫結晶形貌。由于冷凍試驗的測試在0 ℃完成，為了與冷凍試驗條件保持一致，PLM 觀察的等溫結晶溫度設定為0 ℃，如圖2所示。稻米油在34 min 時開始出現大量晶體，35 min 時晶體數目進一步增多，當結晶時間為50 min 時，晶體仍然持續增多，直至1 h 晶體幾乎充滿整個屏幕。這與冷凍實驗結果一致，表明稻米油的冷凍時間只有0.5 h 左右。

圖2 稻米油在0 ℃的PLM 等溫結晶形貌Fig.2 The PLM isothermal crystallization morphologies of rice bran oil at 0 ℃

稻米油在20、10 和0 ℃的等溫剪切流變曲線見圖3。當測試溫度為20 和10 ℃時，稻米油在6 h 內動態粘度保持不變，且在10 ℃的動態粘度大于在20 ℃的動態粘度，表明稻米油在20 和10 ℃剪切6 h 的條件下不發生結晶，且在高溫下稻米油的分子熱運動快，使其動態粘度較低。當繼續降低測試溫度為0 ℃，在6 h 測試時間內，稻米油的動態粘度比10 ℃時的動態粘度更高，且在0.5 h 前動態粘度不變，而超過0.5 h 動態粘度呈現逐漸增大的趨勢。對比0 ℃冷凍試驗和PLM 結晶形貌可知，0 ℃條件下，在0.5 h 前稻米油還沒有開始結晶，因此稻米油動態粘度基本無變化，當超過0.5 h，稻米油開始結晶，并且隨著時間的增長，晶體數目逐漸增多，因此稻米油動態粘度逐漸增大。這一研究結果表明流變是表征稻米油冷凍性能的另一有效手段。

圖3 稻米油在20、10 和0 ℃的等溫剪切流變曲線Fig.3 Isothermal shear rheological curves of rice bran oil at 20 ℃, 10 ℃ and 0 ℃

2.2 稻米油非等溫結晶熔融行為

稻米油在不同降溫速率下的DSC 結晶曲線（a）和結晶初始溫度（Tonset）隨降溫速率變化曲線（b）見圖4。結晶曲線隨降溫速率的升高有較大幅度變化，隨著降溫速率的增加，稻米油的結晶曲線趨于不完整，在測試范圍內不能結晶完全，這是由于稻米油的甘油三酯組成復雜，結晶溫度范圍較寬；隨著降溫速率從0.5 ℃/min 逐漸增加到10 ℃/min，結晶的起始溫度逐漸降低，這說明冷卻速率越大，越不利于甘油三酯分子鏈的折疊重排，因此冷卻速率越大，甘油三酯結晶所需要的過冷度越大。

圖4 稻米油在不同降溫速率下的DSC 結晶曲線（a）和Tonset 隨降溫速率的變化曲線（b）Fig.4 DSC crystallization curves of rice bran oil at different cooling rates (a) and Tonset vs. cooling rates (b)

稻米油在不同降溫速率下結晶后的DSC 熔融曲線（a）和熔融焓（ΔHm）隨降溫速率的變化曲線（b）如圖5 所示。由圖5a 可知，隨著稻米油結晶的降溫速率加快，在–30 ℃左右的熔融峰逐漸減小，表明稻米油中低熔點的晶體含量逐漸減少，這可能是由于稻米油結晶溫度范圍較寬，隨著降溫速率的增加，稻米油中低熔點的甘油三酯結晶趨于不完整。

圖5 稻米油在不同降溫速率下結晶后的DSC 熔融曲線（a）和ΔHm 隨降溫速率的變化曲線（b）Fig.5 DSC melting curves of rice bran oil crystallized at different cooling rates (a) and ΔHm vs. cooling rates (b)

為了更加直觀地分析稻米油在不同降溫速率下結晶后的熔融情況，對熔融焓進行了分析。由圖5b 可知，稻米油的熔融焓隨降溫速率的增快呈現逐漸降低后趨于穩定的趨勢。這一結果表明稻米油的物理性質受環境影響很大，當稻米油結晶的降溫速率較慢時，稻米油結晶Tonset較高（圖4b），經過較長時間結晶后ΔHm較高，熔融相對困難；當稻米油結晶的降溫速率較快時，稻米油結晶Tonset較低（圖4b），但結晶后ΔHm較低，熔融相對較容易。

2.3 稻米油冷凍析出物分析

為了對稻米油在冷凍條件下結晶析出物進行分析，將稻米油在4 ℃條件下儲存90 d。稻米油在4 ℃條件下儲藏90 d（a）及常溫25 ℃化凍8 h（b）的照片見圖6。將冷凍析出物過濾分離后，分別對析出物的脂肪酸組成、晶型，以及結晶熔融行為進行了考察。

圖6 稻米油在4 ℃條件下儲藏90 d（a）及常溫25 ℃化凍8 h（b）的照片Fig.6 Pictures of rice bran oil stored at 4 ℃ for 90 d (a) and melting at 25 ℃ for 8 h (b)

稻米油及其在4 ℃冷庫儲藏90 d 后冷凍析出物的脂肪酸組成見表1。相對于稻米油原料，析出物中C16:0 的含量明顯增多，從原料的16.11%增加到37.89%；C18:1 和C18:2 的含量相對減少，分別從原料的37.46%和37.51%降低到25.29%和29.92%，其他脂肪酸的相對含量變化不大。相對于稻米油原料，稻米油冷凍析出物脂肪酸中飽和脂肪酸增加，不飽和脂肪酸減少，這是因為飽和脂肪酸組成的甘油三酯的熔點相對較高，在4 ℃冷庫儲藏過程中更容易結晶析出。

表1 稻米油及其4 ℃冷凍析出物脂肪酸組成Table 1 Fatty acids composition of virgin rice bran oil and its frozen precipitates at 4 ℃

油脂主要有3 種晶型：α、β′和β 型，三者熔點及穩定性由低到高分別為α＜β′＜β。XRD 短間距反映脂肪的同質多晶型，4.15 ? 附近的強衍射峰對應α 晶型；3.8 ? 和4.2 ? 附近的強衍射峰對應β′晶型；4.6 ? 附近的強衍射峰對應β 晶型。采用XRD 短間距的方法考察了稻米油冷凍析出物的同質多晶現象，如圖7 所示。結果顯示，稻米油冷凍析出物在4.63 ? 處有較強的衍射峰出現，而在4.2 ? 和4.15 ? 處并沒有衍射峰出現，由此可知在4 ℃冷庫儲藏90 d，稻米油的冷凍析出物主要為穩定的β 晶型。

圖7 稻米油在4 ℃冷凍析出物的XRD 短間距曲線Fig.7 XRD short spacing curve of the precipitates from rice bran oil at 4 ℃

進一步采用DSC 測試了稻米油在4 ℃冷凍析出物的結晶熔融行為，如圖8 所示。從圖8a 可知，稻米油析出物的熔融峰值溫度為21.5 ℃，這一結果與圖6b 結果一致，稻米油析出物在25 ℃室溫放置8 h 基本全部融化。從圖8b 可知，稻米油冷凍析出物有兩個結晶峰值溫度，分別為5.6 ℃和–43.9 ℃。對比圖4 和圖8b 可知，稻米油原料在 10 ℃/min 的降溫速率下結晶初始溫度在–7.7 ℃，而稻米油在4 ℃冷凍析出物的初始結晶溫度在6.5 ℃左右，再次表明稻米油冷凍析出物是具有較高熔點和較高結晶溫度的甘油三酯。

圖8 稻米油在4 ℃冷凍析出物的DSC 熔融曲線（a）和結晶曲線（b）Fig.8 DSC melting curve (a) and crystallization curve (b) of the precipitates from rice bran oil at 4 ℃

3 結論

本文研究了稻米油的結晶熔融行為及其在4 ℃條件下冷凍析出物的組成。等溫結晶行為研究表明，稻米油在冷凍試驗中的發朦現象實質是稻米油的結晶過程，稻米油是多種甘油三酯的混合物，低溫時一些高熔點的甘油三酯結晶析出，晶體的存在影響了稻米油的透光性能。非等溫結晶熔融行為研究表明，隨著降溫速率從0.5 ℃/min逐漸增加到10 ℃/min，稻米油的結晶起始溫度逐漸降低，熔融焓呈現逐漸降低后趨于穩定的趨勢。稻米油在4 ℃條件下儲存90 d 后出現冷凍析出物的晶型主要為β 晶型，由較高熔點和較高結晶溫度的甘油三酯組成，其熔融峰值溫度為21.5 ℃，兩個結晶峰值溫度分別為5.6 ℃和-43.9 ℃。相對于稻米油原料，稻米油冷凍析出物的脂肪酸組成中飽和脂肪酸C16:0 的相對含量明顯增多，不飽和脂肪酸C18:1 和C18:2 的相對含量明顯減少。