巴西棕櫚蠟和單甘酯復配比對高油酸葵花籽油凝膠油結構和特性的影響

蘇麗娜，陳 嵐，岳程程，蘇 爽，崔曉彤 ，肖志剛,

（1.沈陽師范大學糧食學院，遼寧沈陽 110034；2.沈陽農業大學食品學院，遼寧沈陽 110866）

油脂是人們日常飲食中不可或缺的一部分，作為重要的能量來源、脂溶性維生素的溶劑以及風味物質的載體，在食品工業和日常膳食中都有重要的地位[1]。我國是世界上最大的食品專用油脂（如焙烤專用油脂、冰激凌專用油脂等塑性脂肪）消費國[2]。塑性脂肪通常經過植物油氫化或酯交換方式獲得，具有調控質構特性的功能，可賦予食品獨特的風味、口感和功能性[3]，常被用于焙烤食品、冰淇淋、糖果餡料、巧克力醬等食品中。然而，不徹底的氫化過程會產生對人體有害的反式脂肪酸，傳統塑性脂肪中還含有較多的飽和脂肪酸，在流行病學研究中，反式脂肪酸和飽和脂肪酸會引發心血管疾病[4]。油脂凝膠化從技術上實現了“零反式、低飽和”塑性脂肪替代品的制備，作為更健康的油脂產品，凝膠油成為了食品專用油脂研究的一個熱點。凝膠油是一種以液態植物油為連續相，加入少量凝膠劑加熱攪拌至完全溶解，再經冷卻凝固形成的有機凝膠體系[5]。凝膠劑通過特定的加工條件在晶體、膠束、聚集體或纖維中自組裝成三維網絡并將液態油固定其中，最終形成熱可逆、半固體、可束縛液體油流動的凝膠體系[6]。目前常見的凝膠劑包括天然蠟[7]、單甘酯[8]、植物甾醇[9]、神經酰胺和卵磷脂[10]、植物甾醇和谷維素混合物[11]、乙基纖維素[12]、羥丙基甲基纖維素[13]等。

天然蠟能在較低的濃度下使液態植物油凝膠化，是較為優良的凝膠劑，因其良好的凝膠性而得到廣泛研究[14]。研究發現，天然蠟制備的凝膠油存在硬度過硬的問題[15]，天然蠟相對較高的熔點也可能會對凝膠油的質構性能產生不利影響，同時蠟質口感也導致消費者對天然蠟制備凝膠油的接受度并不高，這都限制其作為塑性脂肪替代品的應用[16]。巴西棕櫚蠟（carnauba wax，CW）來源于巴西棕櫚樹的葉片，蠟酯是其主要的化學成分（超過60%）[17-18]，粘性小，彈性強，是優良的油脂凝膠劑[19]。但研究表明，CW制備的凝膠油具有相對較低的持油性，在食品專用油脂如人造黃油和起酥油的使用中容易出現油相的析出，進而影響使用和食用品質[18]，可以考慮將CW與其他類型的凝膠劑進行復配來改善天然蠟基凝膠油。單硬脂酸甘油酯（monoglyceride，MG）是食品中廣泛使用的乳化劑，也是常用的低分子量油脂凝膠劑，作為食品中良好的乳化劑和食品添加劑，它可賦予食品在凝膠油方面更多的可能性[20]。已有研究利用CW和MG兩種不同類型的凝膠劑分別制備了凝膠油，兩種凝膠油均具有良好的氧化穩定性和熱性能，與市售人造黃油品質相當[21]，楊帥帥等[22]研究了CW和棕櫚酸單甘酯（monopalmitate，MP）的比例對凝膠油熱性質和結晶動力學的影響，MP-CW作為復合凝膠劑使用時，對凝膠的熱性質和結晶過程的影響不是二者單個作用的簡單疊加，而是在凝膠形成的過程中MP和CW產生了相互作用，Li等[23]的研究也表明MG和天然蠟之間具有協同效應，可以改善凝膠油的性能，但以上研究均沒有討論復合凝膠劑比例對凝膠油固體脂肪含量（solid fat content，SFC）的影響，SFC是評價食品專用油脂產品功能特性的重要指標之一，為進一步豐富天然蠟-單甘酯凝膠油的研究，本實驗選取CW和MG作為凝膠劑制備凝膠油進行研究。

本實驗將CW和MG按照一定比例添加到高油酸葵花籽油中，通過一定的加工過程使高油酸葵花籽油形成具有一定塑性的凝膠油，探討不同CW與MG的復配比對高油酸葵花籽油凝膠油微觀形態、凝膠晶型、熱力學性質、硬度、持油性以及SFC的影響。初步探究兩種凝膠劑復配使用時對凝膠油的結構和性質的變化規律，為天然蠟-單甘酯凝膠油在食品專用油脂如人造奶油和起酥油中的應用提供理論參考，以期研發出更加符合食品專用油脂產品性質和功能的凝膠油產品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高油酸葵花籽油（每100 g液態油含單不飽和脂肪酸82 g） 九三糧油工業集團有限公司；巴西棕櫚蠟（食品級）、單硬脂酸甘油酯（食品級，單酯含量98%） 山東優索化工科技有限公司；

JD2000-2L電子天平 沈陽龍騰電子有限公司；RT10多點恒溫磁力攪拌器 德國IKA公司；Avanti-J高效離心機 美國貝克曼庫爾特公司；Q2000差示掃描量熱儀 美國TA；CT-III 4500質構儀 美國博勒飛公司；BX50F-3光學顯微鏡 日本奧林帕斯公司；MPDDY2094X X-射線衍射儀 荷蘭帕納科公司；AP07R-20-AA2Y恒溫制冷水浴 美國Polyscience；Minispecl20/100RTS脈沖核磁共振儀 德國Bruke公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 凝膠油的制備 凝膠油的制備參考了史逸飛等[24]的方法并稍作修改，CW和MG復配比例的選擇參考了楊帥帥等[22]的研究并略作調整：在樣品瓶中稱取10 g的高油酸葵花籽油，加入0.5 g（占油相質量5%）的CW和MG混合物（mCW:mMG=10:0、9:1、7:3、5:5、3:7、1:9、0:10）作為凝膠劑。將樣品瓶置于100 ℃恒溫磁力攪拌器，加熱攪拌至凝膠劑在油相中完全溶解，室溫冷卻后將樣品瓶轉移至5 ℃冰箱中至少冷藏48 h進行后續操作。

1.2.2 微觀形態分析 采用光學顯微鏡對凝膠油的微觀結構進行觀察。取適量熔融的凝膠油樣品點涂于載玻片上，蓋上蓋玻片，使樣品均勻分布，放大400倍對凝膠油結晶形態進行觀察，并獲取形態學照片[15]，使用Image J軟件進行圖像處理。

1.2.3 晶型分析 采用X-射線衍射法（X-ray diffraction，XRD）對凝膠油晶型進行分析。測試條件：測試溫度25 ℃，銅靶（電壓40 kV，電流40 mA） ，狹縫寬度1.0 mm，接受狹縫0.1 mm，掃描速率4°/min，掃描范圍0～30°。數據處理和分析使用MDI Jade 6.0軟件。

1.2.4 熱力學性質測定 采用差示掃描量熱法（DSC）進行熱力學分析，稱取3～5 mg凝膠油樣品置于專用鋁制坩堝中，并以空白坩堝作為對照。首先將樣品在100 ℃下保持10 min直至樣品完全熔化以消除晶體記憶，隨后以10 ℃/min冷卻至0 ℃，分析樣品的結晶行為；將樣品在0 ℃下保持10 min達到平衡，然后在10 ℃/min下加熱到100 ℃，分析其熔化行為。

1.2.5 硬度測定 采用直徑為1 cm的探頭（TA11/1000），以1 mm/s的恒定速度壓入凝膠油樣品，觸發點負載為1 g，下壓深度5 mm。硬度值取最大穿透力值，每個樣品進行3次重復實驗，數據取平均值。

1.2.6 持油性測定 稱取1.5 mL離心管的質量，記為A；稱取1 g左右熔融狀態的凝膠油樣品于稱重后的離心管中，將離心管于5 ℃冰箱中冷藏24 h，記整體質量為B；冷藏后以10000 r/min的速度在室溫環境下離心15 min，將離心后的試管取出，倒置于濾紙上，使析出的油脂充分被濾紙吸收，記樣品和試管整體重量為C。持油率根據以下公式計算得出，重復測定6次，數據取平均值[25]。

式中：A為空離心管的質量，g；B為離心前凝膠油樣品及離心管的總質量，g；C為離心后凝膠油樣品及離心管的總質量，g。

1.2.7 SFC測定 將樣品移至外徑為10 mm的核磁共振管中，高度約為4 cm。每個樣品在90 ℃下保持30 min消除晶體記憶，然后轉移至0 ℃恒溫箱中，在該溫度下保持90 min，以保證樣品完全固化，隨后在10、20、30、32.5、35、37.5、40、50、60、70、80 ℃溫度下放置30 min并依次測量其SFC，重復測定3次，數據取平均值。

1.3 數據分析

采用SPSS 23.0軟件和Origin 9.0對實驗數據進行處理和作圖。實驗結果基于至少3次獨立樣品測定，結果表示為平均值±標準差，顯著性分析使用Tukey法，置信水平區間為95%。

2 結果與分析

2.1 不同CW與MG復配比對凝膠油微觀形態的影響

由圖1可以看出，僅由CW制備的凝膠油呈現放射狀的球狀晶體，而僅由MG制備的凝膠油形成了舒展且密集的長針狀晶體網絡，研究表明長枝狀結構可以很好地使晶體之間交聯形成三維網絡結構，從而截留更多的液態油脂[26-27]，這與Li等[8]得到的結果相似。CW與MG的復合使用明顯改變了凝膠油的微觀晶體形態，CW與MG質量比為9:1、7:3、5:5和3:7時，體系出現明顯的晶體聚集現象，且隨著MG代替CW含量的增加這種聚集狀態愈發明顯。當體系MG含量較少即CW與MG質量比為9:1時，結晶形態以CW為主導。與單一的CW凝膠油和MG凝膠油相比，將CW與MG復合可以得到更為致密的晶體網絡，凝膠體系結構的一致性得到提高，推測可能對體系的質構特性產生影響，這與Li等[23]得到的結論一致。微觀結果表明，CW和MG兩種凝膠劑并非獨立存在，二者會相互影響彼此的結晶形態，凝膠油晶體的形成和形狀與凝膠劑的類型和配比有關。

圖 1 不同凝膠劑復配比例下凝膠油的微觀形態Fig.1 Microstructures of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

2.2 不同CW與MG復配比對凝膠油晶型的影響

XRD分析常用于研究油脂的同質多晶現象，可獲得脂鏈的堆積情況[28]，短間距d值指的是兩個衍射晶體平面之間的間距，每種類型的晶體都具有其特定的d值[29]。一般來說，短間距在0.42 nm處為α型晶體的特征峰，0.38和0.42 nm附近強衍射峰為β'型晶體的特征峰，0.46 nm附近強衍射峰為β型晶體的特征峰[30]。有研究表明，對于人造黃油和可涂抹型脂肪制品來說，β'型脂肪晶體的多態形式在凝膠油分散性、光滑的質地、最佳的熔化性和良好的口感方面是首選的，而β型晶體則在巧克力和烘培起酥油制品方面是首選的[7]。

不同凝膠劑復配比例下制備的凝膠油XRD圖譜如圖2所示，各凝膠油樣品在不同區域出現了不同的衍射峰，說明其存在同質多晶現象。七種凝膠油樣品都在0.46 nm處出現了強的衍射峰，說明七種凝膠油樣品均含有較多的β型晶體。其中CW形成的凝膠油在0.42 nm處存在強衍射峰，在0.37 nm處存在較強衍射峰，說明CW形成的凝膠油含有較多的α、β以及β'型晶體。MG形成的凝膠油在0.38 nm處檢測到衍射峰但其強度較弱，說明MG凝膠油除了含有較多β型晶體外還含有少量的β'型晶體，這與Li等[8]的研究結果一致。當二者復配比例在9:1、7:3和5:5時，衍射峰的類型基本不變，強度略有減小，此時CW在結晶體系中占主導地位。當二者復配比例小于5:5時，衍射峰的類型和強度均有明顯的變化：3:7比例下，0.42和0.37 nm處的衍射峰迅速減弱，α和β'晶型迅速減少，此時MG在結晶體系中開始占主導地位；1:9比例下，α和β'晶型基本消失。隨著CW與MG質量比的降低，凝膠油結構的α和β'晶體衍射峰強度逐漸降低，這是由于CW含量逐漸減少所致。總的來說，CW與MG的復配比會影響整個體系的晶型。

圖 2 不同凝膠劑復配比例下凝膠油的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

2.3 不同CW與MG復配比對凝膠油熱力學性質的影響

凝膠油熔化-結晶過程中DSC變化曲線如圖3和圖4所示，峰值溫度和焓變數值見表1和表2，整個分析過程包括一次結晶和一次熔化。以熔融曲線繪制的偽相圖如圖5所示，下方的虛線表示最低的熔化起始溫度，上方的實線表示最高熔化溫度，實線的上方表示液態，中間部分是固體和液體的共存區域，虛線下方的區域代表固態[14]。

圖 3 不同凝膠劑復配比例下凝膠油的熔化曲線Fig.3 Melting curve of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

圖 4 不同凝膠劑復配比例下凝膠油的結晶曲線Fig.4 Crystallization curve of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

在熔化過程中CW與MG質量比為10:0、9:1和7:3的凝膠油均出現一個吸熱峰（圖3），峰值溫度分別為72.13±1.65、73.31±0.34、74.55±0.06 ℃（表1），少量MG的加入一定程度上提高了CW凝膠油的融化溫度，即CW凝膠油的熱穩定性有所增強；CW與MG質量比為3:7和5:5時凝膠油出現三個吸熱峰（圖3），三個峰值溫度分別為11.65±0.12、43.47±0.61、70.43±0.17和11.15±0.20、40.93±0.61、71.58±0.14 ℃（表1），其中前兩個峰是代表MG的融化峰，第三個峰是代表CW的融化峰；CW與MG質量比為1:9和0:10均出現兩個吸熱峰（圖3），并且以上兩個比例的兩個吸熱峰的峰值溫度均隨著MG含量的增加出現升高。隨著凝膠劑中MG含量的增加，CW與MG質量比為5:5的凝膠油開始出現新的吸熱峰，即代表MG的吸熱峰開始出現并逐漸增強，而代表CW的吸熱峰開始減小并在1:9時完全消失。以上情況表明MG可能沒有影響CW的熔化行為，二者并沒有形成共結晶，即出現了偏晶行為[31]，因此很容易識別出二者的熔化峰。圖5的偽相圖也揭示了復配凝膠油的偏晶行為。

在結晶過程中CW凝膠油出現一個大的結晶峰和一個小而寬的結晶峰（圖4），大的結晶峰可能與CW中的蠟酯含量有關[32]，即較高熔點的蠟酯首先結晶，隨后次要成分脂肪醇開始結晶；MG凝膠油出現兩個結晶峰，第一個峰（40.35±0.72 °C）對應于各向同性→Lα相的轉變，第二個峰（11.18±0.26 °C）對應于Lα→亞α相的轉變[8,33]。CW與MG質量比為1:9和0:10的凝膠油均出現兩個結晶峰，不同于單一CW和MG制備的凝膠油，CW與MG質量比為9:1、7:3、5:5和3:7的凝膠油均出現三個結晶峰。CW與MG質量比為9:1時，體系的第一結晶峰出現右移，即代表CW的結晶溫度有所升高，說明此時MG晶體的存在促進了CW的結晶，隨著體系中MG含量的增加同時CW含量的減少，MG結晶在體系中占主導地位，促進CW結晶的作用減弱。另一方面，隨著CW的加入，與MG的Lα→亞α轉變相關的結晶峰溫度均向較低的溫度轉移（表2峰3），這說明CW的存在抑制了MG晶體在凝膠化過程中的多晶態轉變[23]。由表1和表2可發現，凝膠油在熔化和結晶過程中的焓值變化不是簡單的增加或減少，這說明CW和MG在結晶過程中發生了相互作用。

圖 5 不同凝膠劑復配比例下凝膠油的偽相圖Fig.5 Pseudo phase diagram of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

總的來說，當CW含量較少即CW與MG質量比為1:9時，凝膠油結晶熔化特性與MG制備的凝膠油相似，這可能是因為MG作為凝膠劑是通過自組裝形成三維網絡結構[34]，而CW是通過結晶形成三維網絡結構[35]，當復合凝膠劑中CW較少時，凝膠油的形成方式是以MG的自組裝為主，少量的CW晶體被包裹在MG自組裝的三維結構中，所以在DSC分析中表現出MG凝膠油的性質。

表 1 不同凝膠劑復配比例下凝膠油熔化過程中的峰值溫度和熔化焓變Table 1 Peak temperatures and enthalpies of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG in melting process

表 2 不同凝膠劑復配比例下凝膠油結晶過程中的峰值溫度和結晶焓變Table 2 Peak temperatures and enthaplies of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG in crystallization process

2.4 不同CW與MG復配比對凝膠油硬度和持油性的影響

七種凝膠劑復配比例下均能形成穩定的凝膠結構。不同CW與MG質量比的凝膠油硬度如圖6所示，持油性如圖7所示。當體系中含有少量MG即CW與MG質量比為9:1和7:3時，體系的硬度較CW凝膠油顯著下降（P＜0.05），這是因為低濃度MG的加入干擾了凝膠結構；當二者質量比達到5:5并隨著MG含量的增多和CW含量的減少，體系硬度顯著增大（P＜0.05），在1:9時達到最大硬度137.33 g，顯著高于兩種單一凝膠劑制備的凝膠油（P＜0.05），這是因為CW和MG在適當的比例下，CW的晶體結構與MG自組裝的三維結構相互結合，形成密度較大的小晶體，凝膠體系的一致性得到提高，形成的網絡更耐形變，體系硬度增大，這與微觀結構的觀察結果相符。如圖7所示，由MG制備的凝膠油具有相對較低的持油率僅為85%，研究表明MG制備的凝膠油在儲存過程中容易發生多晶型轉變，在MG凝膠油中β晶型表現出較大的晶體聚集，這損害了凝膠的油結合能力導致體系穩定性降低，持油能力較弱[36]，而CW制備的凝膠油在常見的天然蠟基凝膠油中也具有相對較低的持油性[14]，與本文得到的結論一致。由圖7可以看出，CW與MG復配使用可以顯著提高單一凝膠劑凝膠油的持油性（P＜0.05），當二者質量比為5:5時體系持油性最佳，持油率達到100%。因此，實際生產中應保持CW與MG質量比在5:5和3:7之間，此時析油率不超過1%，屬于可接受范圍。

圖 6 不同CW與MG質量比下凝膠油的硬度Fig.6 Hardness of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

圖 7 不同CW與MG質量比下凝膠油的持油性Fig.7 Oil binding capacity of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

整體而言，隨著CW與MG質量比的降低，凝膠油的硬度和持油率并非呈現單一的上升或下降趨勢，這可能是由于凝膠油的結晶尺寸、結晶形狀以及結晶度的改變引起的，體系中固相物質含量發生變化，體系飽和度改變，凝膠油的硬度和持油性產生復雜的變化。此外，還可推斷出凝膠油的持油性與硬度并沒有必然的聯系，即硬度較大的凝膠油不一定具有較高的持油性。

2.5 不同CW與MG復配比對凝膠油SFC的影響

固體脂肪含量（solid fat content，SFC）是指在給定溫度下，油相中的總固體含量。SFC曲線通過固體脂肪含量隨溫度的變化反映出塑性脂肪的熔化范圍，提供了有關加工過程中不同溫度下脂肪熔化特性的信息，特別是用于評價塑性脂肪在接近體溫時的熔化性質即口熔性[37]，從而確定其在食品體系中的用途，是評價食品專用油脂產品功能特性的重要指標之一[38]。作為固體脂肪的替代品，SFC值得進一步關注，特別是在室溫（20 ℃左右）和體溫（37 ℃左右）下。

如圖8所示，在5%凝膠劑濃度下，隨著溫度的升高，所有比例凝膠油的SFC均呈明顯下降的趨勢。對于CW和MG凝膠油，二者在相同濃度下SFC隨溫度變化的趨勢基本一致，在30～40 ℃下，MG凝膠油的SFC略高于CW凝膠油；一定量MG的加入可以提高CW凝膠油的SFC，一定程度上改善了CW凝膠油固體脂肪含量不足的缺陷。當體系中含有少量MG（9:1和7:3），SFC在0～30 ℃變化較為平緩，說明其SFC在該溫度范圍內不會發生明顯的變化，在室溫下有著較為良好的涂抹性，此時7:3比例下的SFC高于9:1；當溫度超過30 ℃到達37.5 ℃時，7:3比例下的SFC快速下降，說明其在口腔溫度下能夠快速熔化，并在溫度超過32.5 ℃時開始低于9:1比例下的SFC，但在40 ℃仍有少量的固體脂肪存在，說明其在口腔溫度下沒能完全熔化，仍有少量的晶體存在，具有少量的蠟質口感[39]，可考慮利用甜味劑掩蓋極少量的蠟質口感；而9:1比例下的SFC在30～37.5 ℃的變化則相對平緩，當體系溫度超過40 ℃，9:1和7:3比例下的SFC再次快速下降，說明此時的晶體結構破壞程度更深，并且在7:3比例下的下降速率大于9:1，并具有相對較低的SFC。當體系MG含量繼續增加至5:5時，SFC在30～37.5 ℃的下降速度繼續加快并且有著更低的SFC。當體系中含有較多 MG 時，即 CW 與 MG 比例為 3:7和1:9時，SFC在20 ℃的下降速率明顯加快，尤其在35 ℃（接近體溫）時SFC都到達了更低的水平，其中3:7比例下的凝膠油在30～37.5 ℃的SFC明顯低于CW和MG凝膠油，即在口腔溫度附近具有相對更少的晶體存在，說明此時MG的加入對凝膠油體系口感的改善起到了正向作用。

圖 8 不同凝膠劑復配比例下凝膠油的SFC曲線Fig.8 SFC curve of oleogels produced with different mass ratios of CW and MG

3 結論

不同CW與MG的復配比對高油酸葵花籽油凝膠油的微觀形態、凝膠晶型、熱力學性質、硬度、持油性以及SFC都有一定的影響。5%濃度下，CW與MG共同存在會相互影響彼此的結晶形態；七種凝膠油樣品均含有較多的β型晶體，適宜應用于巧克力或烘培起酥油制品，少量MG的加入會顯著降低CW凝膠油的硬度（P＜0.05），一定程度上改善了天然蠟基凝膠油硬度過硬的問題，MG晶體會在一定程度上促進CW的結晶，同時CW會抑制MG晶體的多晶態轉變，有利于提高凝膠油體系的儲藏穩定性，MG的加入也可以顯著提高CW凝膠油的持油性（P＜0.05），二者復配比為5:5時體系持油性最佳，達到100%，CW與MG比例為3:7時的凝膠油在30～37.5 ℃的SFC明顯低于CW和MG凝膠油，此時MG的加入對體系口感的改善起到了正向作用。本研究初步探究了CW和MG兩種凝膠劑復配使用時對凝膠油的結構和性質的變化規律，為天然蠟-單甘酯凝膠油在食品專用油脂的應用提供了一定的理論參考，但尚未進行全面且深入的應用研究，是今后重點的研究方向。