左 鋒，李 雪，楊 舒，王 鵬，楊慶余，王 娜，肖志剛,*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.安徽科技學(xué)院食品與藥品學(xué)院，安徽 滁州 233100；3.沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

油脂凝膠是利用有機(jī)凝膠因子通過自組裝或者結(jié)晶的方式形成帶狀、纖維狀等多種結(jié)構(gòu)束縛親脂性液體（植物油），進(jìn)一步疊加組合構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使體系凝膠化[1]；自2005年以來，有關(guān)有機(jī)凝膠的研究已成為化學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3-4]對油脂凝膠的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，為油脂凝膠在食品領(lǐng)域的應(yīng)用開啟了新的紀(jì)元。Hwang等[5]利用植物蠟型油脂凝膠制備出新型人造奶油，能夠顯著提高熔點(diǎn)；Zetzl等[6]利用乙基纖維素型油脂凝膠代替動(dòng)物脂肪應(yīng)用到法蘭克福香腸制作中，發(fā)現(xiàn)與對照組在質(zhì)構(gòu)特性上無顯著性差異；隨著研究的深入，相繼出現(xiàn)了脂肪酸和脂肪醇類油脂凝膠、山梨醇酯類油脂凝膠、乙基纖維素型油脂凝膠、卵磷脂和甾醇類油脂凝膠，凝膠劑的多樣化以及潛在的凝膠劑組合類型之多，使具有可食性的凝膠劑在油脂凝膠的發(fā)展空間也在慢慢擴(kuò)大。目前，很多學(xué)者研究的重點(diǎn)大多聚焦在挑選出更有潛力的凝膠因子（凝膠劑）上，尤其是可食性的凝膠因子，其中以甾醇和谷維素類凝膠劑最為突出[7-9]。

肉桂酸在醫(yī)學(xué)上具有促進(jìn)膽汁分泌、消滅細(xì)菌、抵抗癌癥的功效[10-12]，而與其有關(guān)的食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 28347—2012《食品添加劑 肉桂酸》）的發(fā)布，為肉桂酸在食用性開發(fā)上奠定了法律基礎(chǔ)。本研究以肉桂酸作為凝膠因子，改變米糠油的物理狀態(tài)，使具有一定功能特性的米糠油[13]凝膠化，研究開發(fā)可食性油脂凝膠。通過考察凝膠因子的添加量、加熱溫度、冷卻溫度對凝膠油脂的持油性和熔點(diǎn)的影響，深入分析肉桂酸基油脂凝膠的流變特性和結(jié)晶特性，探究肉桂酸基油脂凝膠的結(jié)構(gòu)特征。本研究不僅為該類型凝膠油的表征提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而且為油脂凝膠在凝膠劑的選擇上提供了新的思路，同時(shí)對于拓寬米糠油應(yīng)用范圍具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

一級商品米糠油 浙江得樂康食品股份有限公司；食品級肉桂酸 鄭州奇華頓化工產(chǎn)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平 上海精密科學(xué)儀器公司；UV-1200S型紫外-可見分光光度計(jì) 上海翔藝儀器有限公司；臺(tái)式低速大容量離心機(jī) 貝克庫曼爾特商貿(mào)有限公司；數(shù)顯水浴鍋 常州賽普實(shí)驗(yàn)儀器廠；AR-G2流變儀 美國TA公司；D8 Advance X-射線衍射儀 德國Bruker公司；熒光顯微鏡 日本Nikon公司。

1.3 方法

1.3.1 米糠油凝膠的制備

在米糠油（10 g）中加入一定質(zhì)量肉桂酸（0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g），分別于80、85、90、95、100 ℃水浴鍋中磁力攪拌至混合物完全溶解，將熱混合物在設(shè)定好的冷卻溫度（0、5、10、15、20 ℃）放置12 h，得到油脂凝膠樣品，以持油性和熔點(diǎn)作為評價(jià)指標(biāo)，選用持油性高、熔點(diǎn)接近口腔溫度的實(shí)驗(yàn)條件為后續(xù)實(shí)驗(yàn)中油脂凝膠制備條件。

1.3.2 持油性的測定

參考文獻(xiàn)[14]方法，將融化的有機(jī)凝膠油樣品置于預(yù)先稱量好的離心管中，稱取總質(zhì)量，設(shè)置離心機(jī)的轉(zhuǎn)速10 000 r/min，離心15 min。將離心管取出，倒置15 min以使游離的液態(tài)油脂完全析出，稱取離心后離心管總質(zhì)量。析油量和持油性通過公式（1）、（2）計(jì)算得出，重復(fù)測定3 次，結(jié)果取平均值。

式中：a為離心管的質(zhì)量/g；b為樣品和離心管的總質(zhì)量/g；c為離心后離心管總質(zhì)量/g。

1.3.3 熔點(diǎn)的測定

參照GB/T 24892—2010《動(dòng)植物油脂 在開口毛細(xì)管中熔點(diǎn)（滑點(diǎn)）的測定》中的毛細(xì)管檢驗(yàn)法。

1.3.4 流變特性的測定

參照文獻(xiàn)[15]方法，用流化儀的研磨板（直徑40 mm）和鋼錐板（4°）進(jìn)行油脂凝膠的流變學(xué)研究。固定剪切應(yīng)變?yōu)?%，在1～100 Hz進(jìn)行頻率掃描，測量有機(jī)凝膠的儲(chǔ)能模量（G’）和損耗模量（G”）；在室溫（25 ℃）條件下，固定掃描頻率為1 Hz，在剪切應(yīng)變?yōu)?%條件下，測量表觀黏度值-剪切速率變化曲線；固定掃描頻率為1 Hz，在剪切應(yīng)變?yōu)?%，以5 ℃/min的加熱速率，從5 ℃升高至90 ℃，得到有機(jī)凝膠的儲(chǔ)能模量（G’）和損耗模量（G”）變化曲線。

1.3.5 結(jié)晶特性的測定

1.3.5.1 晶型分析

采用X-射線衍射法，參考文獻(xiàn)[16]方法。在25 ℃條件下，條件為Cu靶（電壓40 kV，電流40 mA），狹縫寬度1.0 mm、接受狹縫0.1 mm，2θ掃描速率為2°/min，掃描范圍為10°～50°，進(jìn)行晶型分析。

1.3.5.2 結(jié)晶形態(tài)分析

利用熒光顯微鏡放大倍數(shù)400 倍，進(jìn)行結(jié)晶形態(tài)分析，參考文獻(xiàn)[17]方法。具體步驟：先制片，將樣品均勻擴(kuò)展載玻片上，從一個(gè)方向蓋上蓋玻片，防止氣泡殘留，置于載物臺(tái)上，觀察樣品的晶體形態(tài)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

單因素試驗(yàn)測量3 次，利用SPSS 16.0計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，比較顯著性，利用a、b、c、d、e代表不同顯著水平，相同字母表示差異不顯著（P＞0.05），不同字母表示差異顯著（P＜0.05），用Sigmaplot和Origin 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 制備條件對肉桂酸基油脂凝膠結(jié)構(gòu)的影響分析

油脂凝膠是通過凝膠劑間的相互作用把液態(tài)油脂束縛在結(jié)晶結(jié)構(gòu)里面[18]，在選擇油脂凝膠制備條件過程中，既要考慮束縛液態(tài)油脂程度，也要兼顧結(jié)晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此本研究選用持油性和熔點(diǎn)作為評價(jià)凝膠結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。

2.1.1 肉桂酸添加量對油脂凝膠持油性及熔點(diǎn)的影響

圖1 凝膠劑添加量對凝膠體系持油性和熔點(diǎn)的影響Fig.1 Influence of gelling agent on oil-holding capacity and melting point

從圖1可知，當(dāng)肉桂酸添加量為4%～8%，米糠油凝膠持油性從43.35%顯著增加到94.18%；當(dāng)肉桂酸添加量為8%～12%，米糠油凝膠的持油性從94.18%增加到95.16%，增加速率變化不顯著，可能是因?yàn)榇藭r(shí)肉桂酸的結(jié)晶達(dá)到相對飽和所致；隨著肉桂酸添加量的增加，凝膠油脂的熔點(diǎn)有著顯著上升的趨勢，這主要因?yàn)樵谡麄€(gè)油脂凝膠體系中，肉桂酸作為凝膠劑有一定的支撐作用，形成的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻止了液態(tài)油脂的流動(dòng)，隨著凝膠劑添加量的增加，結(jié)晶結(jié)構(gòu)愈加緊密，同時(shí)熔點(diǎn)也相應(yīng)升高，在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)出肉桂酸含量越高，凝膠體系的骨架結(jié)構(gòu)就越堅(jiān)固緊密，被束縛的液態(tài)油含量也越高，這與Arjen等[19]報(bào)道相一致。

2.1.2 加熱溫度對油脂凝膠持油性及熔點(diǎn)的影響

凝膠體系中的肉桂酸分子以一定的方式發(fā)生了自組裝或者低溫結(jié)晶，將分散的液體油脂分子捕獲在空間結(jié)構(gòu)中，使其處于非流動(dòng)狀態(tài)[20]。加熱作為一種物理手段，雖然本質(zhì)上沒有改變?nèi)夤鹚嵩诿卓酚腿軇w系中的凝膠化歷程，但是較高的加熱溫度會(huì)延長樣品達(dá)到凝膠形成溫度的時(shí)間，同時(shí)一定程度上影響了肉桂酸作為凝膠劑的溶解性[21]，從而影響凝膠劑的自組裝過程；加熱溫度對油脂凝膠持油性及熔點(diǎn)的影響見圖2。從圖2可以看出，加熱溫度從80 ℃升高至85 ℃時(shí)，米糠油凝膠的持油性上升較快，從83.98%顯著升高至93.62%；加熱溫度在85～100 ℃，米糠油凝膠的持油性變化不顯著；溫度從80 ℃升高至90 ℃時(shí)，熔點(diǎn)變化不顯著，加熱溫度在90～100 ℃時(shí)，熔點(diǎn)呈現(xiàn)先降低后增加趨勢。

圖2 加熱溫度對油脂凝膠持油性及熔點(diǎn)的影響Fig.2 Effect of heating temperature on oil-holding capacity and melting point

2.1.3 冷卻溫度對油脂凝膠持油性和熔點(diǎn)的影響

圖3 冷卻溫度對油脂凝膠持油性及熔點(diǎn)的影響Fig.3 Influence of cooling temperature on oil-holding capacity and melting point

如圖3所示，當(dāng)冷卻溫度從0 ℃升高至5 ℃時(shí)，凝膠的持油性和熔點(diǎn)相對較高，并且隨溫度變化不顯著，當(dāng)冷卻溫度從5 ℃升高至20 ℃時(shí)，凝膠的持油性顯著下降至93%。這種變化主要是由于當(dāng)溫度降至凝膠溫度以下時(shí)，凝膠劑分子間結(jié)合在一起形成凝膠結(jié)構(gòu)[22]，低溫冷卻可以促進(jìn)肉桂酸結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成，此時(shí)形成的晶體結(jié)構(gòu)尺寸較細(xì)小緊密，從而表現(xiàn)較高的持油性和熔點(diǎn)；在冷卻溫度5～20 ℃范圍內(nèi)，凝膠劑分子結(jié)合過程中形成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致液態(tài)油脂不能有效地被包裹住，并且溫度過高會(huì)造成結(jié)晶不完全導(dǎo)致油相的析出[23]，引起持油性和熔點(diǎn)的降低。

2.2 油脂凝膠流變特性分析

為考察油脂凝膠的流變學(xué)行為，分析和預(yù)測油脂凝膠的形成，以肉桂酸添加量10%、加熱溫度85 ℃、冷卻溫度5 ℃條件下得到油脂凝膠（圖4）為對象，進(jìn)行流變特性分析。儲(chǔ)能模量（G’）與損耗模量（G”）隨頻率變化曲線如圖5所示。在頻率掃描范圍內(nèi)，樣品的G’明顯大于G”，說明樣品形成了凝膠結(jié)構(gòu)，李滿香等[23]對棕櫚硬酯類油脂凝膠的流變研究結(jié)果與此結(jié)果類似。此外，還可以看出油脂凝膠體系的G’隨著掃描頻率的增加變化趨勢不明顯，根據(jù)G’的變化趨勢可以推測出油脂凝膠結(jié)晶結(jié)構(gòu)是通過肉桂酸與肉桂酸分子間或者肉桂酸與米糠油的非共價(jià)交聯(lián)產(chǎn)生的[24-25]。

圖4 油脂凝膠樣品圖片F(xiàn)ig.4 Visual appearance of organogel

圖5 油脂凝膠在1～100 Hz范圍內(nèi)G’和G”變化Fig.5 G’ and G” of organogel during frequency scanning from1 to 100 Hz

圖6 油脂凝膠在10～100 ℃范圍內(nèi)G’和G”變化Fig.6 Changes in G’ and G” values in the temperature range of 10 to 100 ℃

利用流變儀檢測溫度變化過程中具體參數(shù)動(dòng)態(tài)的變化，當(dāng)儲(chǔ)能模量（G’）遠(yuǎn)大于損耗模量（G”）時(shí)，樣品呈現(xiàn)固體性質(zhì)，主要發(fā)生彈性形變；反之，材料呈現(xiàn)液體性質(zhì)，主要發(fā)生黏性形變[26]。從圖6可以看出，在溫度升高的過程中，G’和G”表現(xiàn)一個(gè)先平緩降低再迅速降低的過程，在初始升溫階段（10～40 ℃），G’始終大于G”，凝膠體系主要表現(xiàn)為固體特性，表示體系還處于凝膠結(jié)構(gòu)狀態(tài)；溫度繼續(xù)上升，一直到交點(diǎn)出現(xiàn)，G”開始大于G’，凝膠主要表現(xiàn)液體特質(zhì)，表示凝膠體系的結(jié)晶解體，該現(xiàn)象符合肉桂酸類油脂凝膠的研究結(jié)果[27]；這一現(xiàn)象主要由于在一定的剪切速率下，由于油脂凝膠結(jié)構(gòu)中的片層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度在最初的升溫階段會(huì)緩慢地降低，隨著溫度的升高，油脂顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇以及肉桂酸晶體間解聚，造成物理連接點(diǎn)斷裂，凝膠劑分子和液態(tài)油脂間的非共價(jià)相互作用消失，從而導(dǎo)致部分晶體結(jié)構(gòu)的破壞，三維晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)斷裂，流變儀反映出的結(jié)果就是G”的顯著增加、G’的迅速降低[24]。

圖7 油脂凝膠在1～100 Hz范圍內(nèi)黏度變化Fig.7 Changes in viscosity of organogel during frequency scanning from1 to 100 Hz

凝膠的觸變性是具有一定黏彈性的物質(zhì)在靜置狀態(tài)下表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在受到外力作用下，變?yōu)橐环N流動(dòng)的、相對低黏態(tài)流體的過程中表現(xiàn)出的抗擠壓能力[28]。從圖7可以看出，米糠油脂凝膠的黏度值隨剪切速率的變化而變化，說明該凝膠體系具有觸變性，在一定條件下具有一定抵抗外力的能力。油脂凝膠的黏度隨著剪切速率的增加逐漸減小，即“剪切變稀”現(xiàn)象，表現(xiàn)出假塑性流體特性。通常，一般假塑性體符合冪律方程[28]。其方程為式（3）：

對公式（3）進(jìn)行對數(shù)處理，得公式（4）：

式中：K為稠度系數(shù)/（Pa·s），是與流動(dòng)指數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，K越大，液體越黏稠；n值是假塑性程度的量度，n越偏離1，剪切越易變稀，即假塑性程度越大[28]；η為表觀黏度/（Pa·s）；γ為剪切速率/s-1。

通過Origin 8軟件對被測試的肉桂酸基油脂凝膠的表觀黏度-剪切速率曲線進(jìn)行擬合得到圖8。從圖8可以看出，擬合后的直線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（散點(diǎn)）契合較完全，通過計(jì)算截距和斜率可得出稠度系數(shù)K和冪律指數(shù)n見表1，擬合函數(shù)的R2在0.985～0.990之間，說明表觀黏度和剪切速率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系符合冪律方程關(guān)系，進(jìn)一步證明該凝膠體系屬于假塑性流體范疇。油脂凝膠隨著剪切速率增大，顆粒解聚的同時(shí)沿流動(dòng)方向有序定向排列，導(dǎo)致結(jié)晶結(jié)構(gòu)的伸長。這可能是造成其剪切變稀的主要原因[29]。

圖8 油脂凝膠log2γ與log2η關(guān)系圖Fig.8 Relationship between log2γ and log2η of the organogel

表1 油脂凝膠黏度的稠度系數(shù)和冪律指數(shù)Table1 Consistency coeff icient and power-law index of the orgenogel

2.3 油脂凝膠晶型分析

圖 9 凝膠樣品X-射線衍射圖譜Fig. 9 X-ray diffraction pattern of the organogel

從圖9可以看出，凝膠樣品在不同區(qū)域出現(xiàn)了不同的衍射峰，說明油脂凝膠存在同質(zhì)多晶現(xiàn)象[30]。根據(jù)衍射峰可以將結(jié)晶分為3 種類型：α型（單衍射峰在0.42 nm）、β’型（雙衍射峰在0.38 nm和0.42 nm）、β型（單衍射峰在0.46 nm）；油脂凝膠的X-射線衍射圖譜在0.45 nm處存在強(qiáng)衍射峰，即表明凝膠油中主要存在β晶型；而在0.35 nm處存在中強(qiáng)度衍射峰，表明其中還存在β’晶型，該結(jié)果與朱小勇等[28]研究的不同種類蠟質(zhì)油脂凝膠的結(jié)果基本一致，同時(shí)Higaki等[30]還指出α晶型的存在以及α晶型向β、β’晶型的轉(zhuǎn)變也是油脂凝膠形成的必要條件。

2.4 油脂凝膠結(jié)晶形態(tài)分析

油脂凝膠樣品在顯微鏡下進(jìn)行觀察，其形成的晶體形態(tài)如圖10所示。樣品在熒光顯微鏡下結(jié)晶細(xì)小，分布均勻，呈條線狀結(jié)晶，密集的堆積形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，部分呈現(xiàn)小的結(jié)晶顆粒。凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過程包括晶核生成（成核）和晶體生長2 個(gè)階段，這兩方面的共同作用使得晶簇只能以隨機(jī)排列的方式形成凝膠結(jié)構(gòu)[31]，凝膠體系與外界的溫差形成結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，通過分子間弱相互作用自組裝或一定程度聚集堆砌排列，促使凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成[32]，肉桂酸引起的結(jié)晶行為使油脂凝膠具有一定流變學(xué)特性。

圖 10 凝膠樣品顯微鏡圖像Fig. 10 Microscopic image of the organogel

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)表明，肉桂酸添加量、加熱溫度和冷卻溫度對肉桂酸基油脂凝膠都有不同程度的影響，當(dāng)肉桂酸添加量10%、加熱溫度85 ℃、冷卻溫度5 ℃，得到的油脂凝膠能夠形成較好的凝膠結(jié)構(gòu)，此時(shí)凝膠的持油性達(dá)到95%左右，熔點(diǎn)接近40 ℃；通過流變特性研究結(jié)果顯示，肉桂酸基油脂凝膠具有一定抗擠壓能力，樣品的表觀黏度-剪切速率的關(guān)系符合冪律方程關(guān)系，凝膠體系屬于假塑性流體范疇；在頻率掃描范圍內(nèi)，油脂凝膠的G’明顯大于G”，樣品形成了凝膠結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要是通過肉桂酸與肉桂酸分子間或者肉桂酸與米糠油的非共價(jià)物理交聯(lián)產(chǎn)生的；結(jié)晶特性研究結(jié)果顯示，樣品中存在同質(zhì)多晶現(xiàn)象，并且含有β和β’2 種晶體類型，結(jié)晶結(jié)構(gòu)明顯并且均勻的分布在整個(gè)體系中。