乳化劑對米糠蠟凝膠油理化特性的影響

姚云平，寧 靈，于佳睿，李昌模,2

(天津科技大學食品科學與工程學院1，天津 300457) (桂發祥十八街麻花食品〔天津〕有限公司2，天津 300221)

凝膠油具備與塑形脂肪相似的流變特性和黏性，是替代塑形脂肪的潛在途徑之一[1,2]。植物蠟根據化學成分差異表現出不同的熔化、結晶溫度及晶體形態，在凝膠植物油中使用廣泛[3,4]。其中米糠蠟可以構建具有明顯濃度依賴性的米糠蠟凝膠油，但其口感與米糠蠟添加量呈負相關[5]。

一些乳化劑如單硬脂酸甘油酯、單雙甘油脂肪酯、聚甘油脂肪酸酯和硬脂酰乳酸鈉能夠結晶形成α晶體[6]。目前，使用各種乳化劑作為凝膠劑的研究均有報道。單硬脂酸甘油酯作為凝膠劑時，單硬脂酸甘油酯質量分數為15%時凝膠強度和持油性分別為(1.03±0.09)N和99.84%; 表觀黏度、復合模量增加; 配位數和凝膠強度增大[7]。硬脂酰乳酸鈉與葵花籽油制備凝膠油時，其濃度越高，結晶網絡越致密，機械強度越強，持油率越高[8]。有研究報道，復合凝膠油的力學性能優于單一凝膠油[9,10]。以甘油單硬脂酸酯(GMS)和聚甘油硬脂酸酯(PGS)為凝膠劑制備向日葵凝膠油，加入兩親體Pluronic F68、Span 80和Tween 60復配后較低的凝膠濃度即可增強GMS和PGS油凝膠的凝膠穩定性，其結構更軟，熔點更低，振蕩恢復力增強[11]。果蠟與卵磷脂復配制備的凝膠油，微觀結構更加致密，具有更高的持油率和觸變恢復能力[12]。乙基纖維素也可與單甘酯的羥基之間形成氫鍵，產生正相互作用，改善凝膠油的流變性能[1]。天然脂膜成分植物甾醇與具有類似磷脂成分的單甘酯復配會對凝膠油的結晶和晶型產生影響，可能是由于復合凝膠油形成了混合晶體體系[13]。有關不同類型乳化劑對米糠蠟凝膠油理化性質影響的研究報道較少。

本研究將單硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸鈉和聚甘油脂肪酸酯3種乳化劑分別與米糠蠟復配作為凝膠因子將大豆油凝膠化，分析乳化劑的比例對米糠蠟凝膠油的持油率、晶型、晶體形態、熱學性質、分子間作用力及流變性質的影響，探究復合凝膠油的三維網絡結構和凝膠機制，為開發低米糠蠟含量、高口感品質的凝膠油提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

米糠蠟、大豆油、單硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸鈉(P70)和聚甘油脂肪酸酯。

1.2 儀器設備

DM4000M偏振光顯微鏡，200F3差示掃描量熱儀，MCR302動態流變儀，D8 Advance X射線衍射儀，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，IS50傅里葉紅外光譜儀。

1.3 方法

1.3.1 凝膠油的制備方法

按照米糠蠟和乳化劑質量共占7%制備凝膠油。稱取質量比0∶7、1∶6、2∶5、3∶4、4∶3、5∶2、6∶1、7∶0的米糠蠟和乳化劑混合，加入大豆油，超聲振蕩20 min充分混勻，于90 ℃水浴加熱至米糠蠟和乳化劑完全熔化，然后迅速置于4 ℃冰箱中靜置24 h，所有樣品均形成凝膠態，測量各項指標前將樣品于常溫下靜置至少2 h。

1.3.2 凝膠油持油率測定

將空的離心管稱重，記為a。然后將1 mL熔化后的凝膠油放入空的離心管中，按照凝膠油制備方法重新結晶，再次稱重離心管記為b。室溫下以1 000 r/min離心15 min，將試管倒置于濾紙上，靜置3 min，再次稱重記為c。通過式(1)、式(2)計算凝膠油的持油率:

(1)

持油率=100%-油的損失率

(2)

1.3.3 凝膠油晶體形態分析

將5 μL熔化后的凝膠油樣品滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，按照凝膠油制備方法重新結晶。使用偏振光顯微鏡(PLM)觀察樣品結晶形態,放大倍數為100倍。

1.3.4 凝膠油熱學性質分析

使用差示掃描量熱儀來測量凝膠油的熔化和結晶曲線，并分析凝膠油的熱學性能。準確稱取(5±0.2) mg樣品于坩堝中。設置溫度程序為：30 ℃/min升溫至90 ℃保持3 min；消除結晶記憶；10 ℃/min降溫至10 ℃；使之充分結晶；5 ℃升溫至90 ℃；以空白坩堝為參比，吹掃氮氣流速設置為50 mL/min，保護氮氣流速為100 mL/min，記錄結晶及熔化過程中的熱變化曲線。

1.3.5 凝膠油紅外分析

采用配備有衰減全反射附件(Attenuated total reflection，ATR)的 FTIR 光譜儀測定樣品吸收光譜。掃描波長范圍為 4 000～400 cm-1，以 4 cm-1的分辨率掃描 32 次，并扣除背景。使用OMNIC(Thermo，v8.0)軟件進行分析。

1.3.6 凝膠油晶型分析

取適量樣品平鋪于石英片的圓槽內，使用X射線衍射儀對凝膠油樣品晶型進行分析。儀器測試條件設定為：射線源為Cu-Ka源，工作電壓40 kV，電流20 mA，波長0.154 nm，掃描角度范圍2θ從5°到40°，掃描速率2(°)/min，測試溫度25 ℃。數據處理和分析使用MDI JADE6.0軟件。

1.3.7 凝膠油流變學特性

將樣品置于2個直徑40 mm的平板之間。設置條件如下：間隙1 mm，平板溫度25 ℃，頻率0.1～100 Hz，應變0.01%，進行頻率掃描。建立頻率與彈性模量(G′)和黏性模量(G″)之間的函數關系。

2 結果與討論

2.1 凝膠油持油率分析

凝膠油的持油率反映其結晶網絡的強度，持油率越低結晶網絡強度越差，凝膠油內部越不穩定[10,14]。由表1可知，當單硬脂酸甘油酯或聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復配時，隨著添加比例的增加，凝膠油的持油率呈先升高后降低的趨勢；添加硬脂酰乳酸鈉形成的凝膠油的持油率隨硬脂酰乳酸鈉的增加而降低。單硬脂酸甘油酯與米糠蠟的比例為5∶2時，持油率達到最大值87.94%，相較于單獨添加7%的米糠蠟(62.03%)或單硬脂酸甘油酯(72.31%)均有大幅提高。這說明單硬脂酸甘油酯與米糠蠟在形成凝膠油的過程中產生協同效應，使結晶網絡強度變大，持油率增加[12,15]。可能是由于單硬脂酸甘油酯和米糠蠟在合適的比例條件下，自身含有的羥基提供氫鍵與米糠蠟產生積極作用加強凝膠網絡對液態油的束縛，增加了凝膠油的持油率。而硬脂酰乳酸鈉是離子型乳化劑，它與液態油混合形成凝膠油時由靜電力、范德華力穩定凝膠結構，與米糠蠟復配后未產生積極的作用[8]。

表1 不同種類乳化劑制備米糠蠟凝膠油持油率

2.2 凝膠油晶體形態分析

由圖1可知，乳化劑的添加顯著影響米糠蠟凝膠油的晶體聚集程度和尺寸大小。單硬脂酸甘油酯與米糠蠟比例為1∶6時，晶體比較密集，多為細小針狀，少數晶體呈現出簇狀，表明晶型復雜，可能存在晶型的中間過渡態，這與XRD結果圖一致[16,17]。隨著單硬脂酸甘油酯含量逐漸增加，晶簇尺寸減小，數量增多；比例為5∶2時晶簇大小分布均勻，較大晶簇出現最少，這可能是持油率在5∶2時最高的原因。硬脂酰乳酸鈉與米糠蠟復配體系中，隨著硬脂酰乳酸鈉含量增加，晶體形態由小球狀顆粒堆積轉變為細小針狀；晶體數量逐漸減小；結構逐漸疏松，導致截留液態油的能力下降。復配時，隨著乳化劑比例增加，晶體形態由小顆粒堆積逐漸向細小針狀轉變，最后又變為顆粒堆積狀。聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟的比例在3∶4時持油率最高，可能是由于針狀結構提供了更高的比表面積，同時針狀結構之間也更容易發生交聯[18,19]。凝膠油中的晶體形成與凝膠劑類型和配比有關，乳化劑與米糠蠟共同存在時會相互影響和作用。

注：第1列至第3列依次為加入單硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸鈉和聚甘油脂肪酸酯的偏振光圖片。圖1 不同比例乳化劑與米糠蠟復配對凝膠油晶體形態的影響

2.3 凝膠油熱力學行為

由表2可知，3種乳化劑與米糠蠟復配的凝膠油樣品中，結晶曲線中大多出現雙峰，熔化曲線中只有少部分出現雙峰，可能與米糠蠟與乳化劑之間成分和熔點的差異有關。加入乳化劑復配后，在結晶過程中出現共晶現象[20]。在凝膠油樣品中只在少部分熔化曲線中出現雙峰，可能是由于少量乳化劑與蠟各自形成結晶，只有乳化劑達到一定量之后才出現明顯低于米糠蠟熔點的熔化峰。

單硬脂酸甘油酯與米糠蠟混合體系，從1∶6到6∶1，隨著單硬脂酸甘油酯添加量增加，結晶起始溫度由62.3 ℃逐漸降低至37.5 ℃；結晶焓總體呈現下降趨勢，從9.24 J/g降低到3.69 J/g，說明單硬脂酸甘油酯的加入使米糠蠟凝膠油中分子排列的有序度降低，不利于混合體系的結晶[21]。在熔化曲線中出現相似的現象，從3∶4開始出現低溫和高溫2個熔化峰，起始熔化溫度從58.1 ℃降低至30.3 ℃，熔化范圍變寬，部分結晶結構強度變弱；焓變由7.44 J/g降低至1.98 J/g，單硬脂酸甘油酯的添加量對米糠蠟凝膠油的結晶和熔化產生明顯影響。

表2 乳化劑與米糠蠟復配制備凝膠油的熱學性質參數

硬脂酰乳酸鈉或聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟組成的混合體系出現與單硬脂酸甘油酯凝膠油體系相似現象，起始結晶和熔化溫度降低，焓變值下降，隨著乳化劑含量增加開始出現雙峰，熔化條件下高溫和低溫分別對應于米糠蠟和乳化劑，結晶條件下則相反。其中硬脂酰乳酸鈉的起始結晶和熔化溫度分別降低了31.1 ℃和7.3 ℃；焓變值最大降低了2.80 J/g和4.59 J/g；聚甘油脂肪酸酯體系分別降低了28.9 ℃和30.1 ℃；焓變值降低了4.66 J/g和4.14 J/g。Rizzo等[22]在脂肪結晶過程中加入2種不同結構的乳化劑(單甘油酯、二甘油酯和Tween 80)，發現由于Tween 80的結構特性(不飽和碳鏈和大的親水頭)，導致形成不完美的晶體和松散的晶體網絡，熔化所需的能量減少；這一結果與本實驗結果相似。

3種乳化劑的添加都降低了分子排列的有序度，吸熱放熱更少，不利于米糠蠟凝膠油的結晶，形成的凝膠油更容易被熔化，更容易加工處理[23]。同比例下單硬脂酸甘油酯體系的焓變值最高，表明單硬脂酸甘油酯體系形成凝膠油的自發性是三者中最強的，在相同條件下升溫熔化該體系需要的能量更多，降溫結晶時更容易形成凝膠油[24]。

2.4 凝膠油分子間作用力分析

2.5 凝膠油晶型分析

由圖3所示，廣角X射線衍射圖中，0.46 nm處的強衍射峰為β晶型的特征，0.42 nm和0.38 nm附近的強衍射峰為β′晶型的特征峰，0.42 nm處的衍射峰為α晶型的特征峰[24]。凝膠油中的晶體類型主要由凝膠劑決定，液態油的加入未改變其晶體類型。米糠蠟凝膠油中出現的晶型主要是β′型，隨著單硬脂酸甘油酯含量增加，當單硬脂酸甘油酯與米糠蠟復配比例為2∶5時，在0.46 nm附近出現新的衍射峰，0.42 nm和0.38 nm處的衍射峰強度變弱，這可以解釋為單硬脂酸甘油酯的加入使得凝膠油中脂肪晶體堆積排列方式發生改變，β′晶型向α和β晶型轉變，晶體類型由β′型轉變為α、β′、β 3種晶型共存。硬脂酰乳酸鈉與米糠蠟復配時，隨著添加比例增加，β′晶體衍射峰逐漸消失，0.42 nm處出現代表α晶體的弱衍射峰和非典型晶體的弱衍射峰，此時體系內形成少量的晶格結構，更多的無定形結構，晶體結構的排列變的雜亂，接近凝膠油的凝膠臨界狀態[28]。晶體類型和數量的變化可能是其持油率及熱焓變值逐漸下降的原因。與聚甘油脂肪酸酯組合時，隨著聚甘油脂肪酸酯比例的增加，0.38 nm處的衍射峰消失，0.42 nm處代表α晶體的衍射峰強度減弱，α晶體在3種晶型中穩定性最差。硬脂酰乳酸鈉或聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復配時衍射峰的這種變化也可能與乳化劑溶解度有關。乳化劑溶解于液油中未發揮凝膠作用，因此凝膠體系不穩定[29]。XRD結果表明，晶型種類及晶體含量與凝膠劑類型相關，不同乳化劑與米糠蠟復配制備的凝膠油結晶形成機理的不同導致樣品晶型存在較大差異，含有不同晶型的凝膠油可以滿足油脂工業中的不同需求。

圖2 不同比例乳化劑與米糠蠟復配對凝膠油分子間作用力的影響

圖3 不同比例乳化劑與米糠蠟復配對凝膠油晶型的影響

2.6 凝膠油流變學分析

由圖4可知，所有樣品的G′(彈性模量)>G″(黏性模量)，表明樣品形成了凝膠結構，表現出固體性質，主要發生彈性形變[30]。單硬脂酸甘油酯與米糠蠟復配時，G′和G″對頻率的依賴性較低，反映凝膠油中存在較強的晶體網絡連接。少量單硬脂酸甘油酯與其復配時(單硬脂酸甘油酯與米糠蠟比例為1∶6時)凝膠油G′增加，繼續增加單硬脂酸甘油酯含量，G′值逐漸下降，其中單硬脂酸甘油酯∶米糠蠟比例為4∶3時下降幅度最顯著，可能是因為加入適量單硬脂酸甘油酯的混合凝膠油中晶體間形成更致密的結構截留液態油。加入硬脂乳酸鈉與米糠蠟復配時，G″和G″呈現頻率依賴性，說明樣品內部晶體形態分布較為疏松，為弱作用。G′和G″值呈現降低-增加-降低的整體趨勢，產生這種現象的原因可能是凝膠油樣品狀態接近臨界成膠狀態，凝膠結構不穩定。聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復配時同樣呈現明顯的頻率依賴性，G′和G″值較低且不穩定，不同樣品或同一樣品G′與G″間存在交叉，規律性不明顯，說明內部晶體數量較少且排列松散，狀態更接近臨界成膠狀態，部分呈現黏性溶液特征。流變結果表明，單硬脂酸甘油酯能在適當含量下與米糠蠟產生積極作用，增加樣品的G′和G″值。硬脂酰乳酸鈉和聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復配降低凝膠油的G′和G″值，形成的凝膠油結構極不穩定。

圖4 不同比例乳化劑與RBW復配對凝膠油流變特性的影響

3 結論

通過探究3種不同類型乳化劑與米糠蠟復配制備凝膠油的微觀結構和宏觀結構，發現非離子型乳化劑單硬脂酸甘油酯與米糠蠟復配制備凝膠油的效果最好，研究結果為未來開發口感更好的塑性脂肪替代物提供新思路，對食品的多樣性和安全性有重要意義。