牟逸凡，田虹雨，于小晶，陳 琪，鄭樹林，張 旭，劉之廣

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，資源與環(huán)境學(xué)院土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018； 2.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沭 276700)

固體脂肪是巧克力、人造奶油、冰淇淋等食品的主要成分，對(duì)于很多食品成形起到關(guān)鍵作用。油脂生產(chǎn)商使用的基于傳統(tǒng)高熔點(diǎn)甘三酯的液體油結(jié)構(gòu)化方法存在一些加工和營(yíng)養(yǎng)缺陷，如結(jié)構(gòu)加工所需結(jié)固晶相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量飽和脂肪酸[1]。盡管飽和脂肪酸對(duì)健康是否會(huì)產(chǎn)生不利影響還存在爭(zhēng)議[2-3]，但我國(guó)和國(guó)際衛(wèi)生組織所制定的膳食指南還是建議應(yīng)盡量減少飽和脂肪酸的攝入。因此，食品工業(yè)中需要一種加工過程不產(chǎn)生飽和脂肪酸，且能完全或部分取代傳統(tǒng)固體脂肪的食品成分，并能夠維持原有的被消費(fèi)者所接受的感官特性且不影響儲(chǔ)存或運(yùn)輸。棕櫚油含有約50%的飽和脂肪酸，僅含有1%能夠促使膽固醇提高的物質(zhì)，且棕櫚油中富含天然維生素E、類胡蘿卜素等物質(zhì)，對(duì)人體健康十分有益[4]。一些研究人員曾針對(duì)不同的人種(歐洲、美洲、亞洲)分別進(jìn)行研究，結(jié)果表明棕櫚油是一種完全符合人體健康需要的食用植物油[5]。

一些小分子(<1 000 Da)物質(zhì)能通過氫鍵力或非氫鍵力使液體油結(jié)構(gòu)化形成無(wú)反式脂肪酸、低飽和脂肪酸的固體脂肪[6]。能夠結(jié)構(gòu)化植物油的有單硬脂酸甘油酯(單甘酯)、γ-谷維素/β-谷甾醇、蠟等[7-9]，其中單甘酯凝膠油成本低，但結(jié)構(gòu)性能差，結(jié)合油能力較弱[10-11]，γ-谷維素/β-谷甾醇凝膠油熱力學(xué)和流體力學(xué)性能佳，結(jié)構(gòu)好、耐儲(chǔ)存，但成本高昂[12]。γ-谷維素/β-谷甾醇與單甘酯復(fù)配制備凝膠油，理論上可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在提高產(chǎn)品性能的同時(shí)，顯著降低加工成本。李勝等[13]運(yùn)用葵花籽油探索谷維素/谷甾醇與單甘酯合適的配比，但葵花籽油屬于低飽和脂肪酸油脂，其甘三酯分子排列沒有棕櫚油整齊有序，且葵花籽油固體脂肪含量(SFC)較易達(dá)到平衡[14]。棕櫚油甘三酯分子排列整齊有序，對(duì)凝膠分子的移動(dòng)和結(jié)合形成阻礙，不利于凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，所以相對(duì)于葵花籽油凝膠油，棕櫚油凝膠油的形成更具難度。然而當(dāng)前關(guān)于以高飽和油脂作基料油制備γ-谷維素/β-谷甾醇與單甘酯復(fù)合凝膠油及其性能研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以棕櫚油為基料油，以不同含量的單甘酯和γ-谷維素/β-谷甾醇作為復(fù)合凝膠因子，以持油性為指標(biāo)通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)確定以單甘酯和γ-谷維素/β-谷甾醇為凝膠因子的棕櫚油凝膠油最優(yōu)制備工藝，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜、熱力學(xué)和流變性分析，探討改性對(duì)凝膠油三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及凝膠機(jī)制的影響，為低成本綠色凝膠油產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

食品級(jí)棕櫚油，安徽六安市東升油脂銷售有限公司；γ-谷維素(純度≥99%)，浙江綠洲生物技術(shù)有限公司；β-谷甾醇(純度≥99%)，武漢遠(yuǎn)成化工有限公司；分子蒸餾單硬脂酸甘油酯(純度≥90%，食品級(jí))，江蘇海安市佳力士添加劑公司。

DF-101Z集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；Nicolet IS10熱電紅外光譜儀，美國(guó)Thermo Fisher公司；AllegraX-15R離心機(jī)，美國(guó)Beckman Coulter公司；DSC-60差示掃描量熱儀，日本AS ONE公司；MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利Anton Paar公司；Axio Lab.A1 pol偏振光顯微鏡，德國(guó)Carl Zeiss公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 凝膠油樣品的制備

分別向100.00 g棕櫚油中加入一定量不同比例的γ-谷維素/β-谷甾醇(γ-谷維素與β-谷甾醇質(zhì)量比3∶2)和單甘酯，然后在磁力攪拌、140℃下加熱一定時(shí)間，置于5℃下冷卻12 h后室溫儲(chǔ)藏至少1 d備用。

1.2.2 持油性分析

取8.00 mL樣品于10.00 mL離心管中進(jìn)行離心，轉(zhuǎn)速為9 000 r/min，時(shí)間為15 min，溫度為20℃[15]，結(jié)束后倒置約3 min，瀝干離心出來的油。按下式計(jì)算凝膠油持油性。

式中：a為離心管的質(zhì)量，g；b為離心管與凝膠油的質(zhì)量，g；c為離心后離心管與沉淀的質(zhì)量，g；x為復(fù)合凝膠劑占凝膠油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.3 差示掃描量熱分析

精確稱取樣品5～8 mg于差示掃描量熱儀專用鋁盒中，以30℃/min快速將其從室溫加熱至120℃，保持10 min以消除結(jié)晶記憶，再以10℃/min降至-20℃，保持20 min使其充分結(jié)晶，再以10℃/min升溫至120℃。氮?dú)饬魉贋?0 mL/min[16]。

1.2.4 傅里葉變換紅外光譜分析

取適量樣品均勻平鋪于衰減全反射附件表面，在20℃室溫掃描獲得紅外光譜圖。波數(shù)掃描范圍為550～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描信號(hào)累加次數(shù)為32次[17]。

1.2.5 流變性分析

取適量樣品放在樣品臺(tái)上，用直徑為35 mm、角度為1°的錐板，間隙設(shè)置為1 mm，在20℃恒定的低應(yīng)變水平下(0.01%)，對(duì)凝膠油進(jìn)行小變形頻率掃描，測(cè)定剪切速率與黏度的曲線、剪切速率與剪切應(yīng)力的曲線，頻率范圍為0.1～100 Hz[13]。

1.2.6 微觀形態(tài)分析

取適量熔融樣品于載玻片上，蓋上蓋玻片，將樣品壓平使其均一分布，室溫下放置24 h，采用偏振光顯微鏡在室溫下對(duì)樣品的微觀晶體形態(tài)進(jìn)行觀察。

1.2.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值表示。使用SigmaPlot 12.5繪圖及擬合數(shù)據(jù)，利用Design-Expert.V8.0.6設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)試驗(yàn)

首先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值分別采用單甘酯、單甘酯/β-谷甾醇(質(zhì)量比為3∶2)和γ-谷維素/β-谷甾醇(質(zhì)量比為3∶2)為凝膠劑，在凝膠劑添加量9%、加熱時(shí)間40 min條件下制備凝膠油。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，單甘酯與γ-谷維素/β-谷甾醇為凝膠劑的凝膠油性能良好，且不具有流動(dòng)性，說明兩種凝膠劑都可將液體油結(jié)構(gòu)化。而單甘酯/β-谷甾醇為凝膠劑無(wú)法成膠，這與Nguyen[9]的研究結(jié)果一致。

2.2 單因素試驗(yàn)

基本條件為：復(fù)合凝膠劑添加量9%，復(fù)合凝膠劑中γ-谷維素/β-谷甾醇占比60%[18]，加熱時(shí)間40 min。單因素試驗(yàn)時(shí)，改變其中一個(gè)條件，其他條件不變。單因素試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

由圖1a可知，單甘酯可以與γ-谷維素/β-谷甾醇形成復(fù)合凝膠劑，且復(fù)合凝膠劑添加量越大凝膠油持油性越好，但在達(dá)到9%后持油性增長(zhǎng)逐漸減慢。由圖1b可知，復(fù)合凝膠劑中γ-谷維素/β-谷甾醇占比越高凝膠油持油性越好，但在達(dá)到60%后增大γ-谷維素/β-谷甾醇占比對(duì)持油性的影響漸弱。由圖1c可知，制備復(fù)合凝膠油時(shí)加熱時(shí)間越長(zhǎng)持油性越好，但達(dá)到40 min后延長(zhǎng)加熱時(shí)間對(duì)持油性影響漸弱。當(dāng)凝膠因子添加量足夠大時(shí)，凝膠因子間形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，凝膠因子添加量繼續(xù)增加，連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合區(qū)數(shù)量增加[19]；隨著γ-谷維素/β-谷甾醇占比的減少，凝膠油持油性逐漸減少，原因是隨著單甘酯占比的增加，影響了γ-谷維素與β-谷甾醇的成膠方式，使γ-谷維素/β-谷甾醇形成的氫鍵力逐漸減弱，形成范德華力等弱的非氫鍵力[16]。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

為了進(jìn)一步優(yōu)化凝膠油制備條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇復(fù)合凝膠劑添加量、加熱時(shí)間、復(fù)合凝膠劑中γ-谷維素/β-谷甾醇占比3個(gè)因素，以持油性為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平見表1，響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

利用Design-Expert 8.0軟件對(duì)表2中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到各因素與響應(yīng)值(Y)之間的二次多元方程為Y=92.85+7.16A-0.24B+2.21C-1.51AB+0.51AC-0.86BC-5.74A2-3.72B2-1.43C2。對(duì)該回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，回歸模型P<0.01，說明該模型達(dá)到極顯著水平，模型的決定系數(shù)R2為0.835 4，即此方程可解釋83.54%的數(shù)據(jù)，證明該方案較為可靠。一次項(xiàng)中A、二次項(xiàng)中A2影響極顯著，二次項(xiàng)B2影響顯著，其他一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交互項(xiàng)影響不顯著，且3個(gè)因素對(duì)凝膠油持油性的影響程度大小為A>C>B，交互項(xiàng)影響程度大小為AB>BC>AC。

表3 回歸方程方差分析

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茰y(cè)出最優(yōu)方案為復(fù)合凝膠劑添加量9.89%、γ-谷維素/β-谷甾醇占比52.3%、加熱時(shí)間41.7 min，在此條件下復(fù)合凝膠油持油性預(yù)測(cè)值為94.6%。經(jīng)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，3次試驗(yàn)所得復(fù)合凝膠油持油性平均值為94.6%，與預(yù)測(cè)值相同，證明該數(shù)學(xué)模型可用于凝膠油制備工藝條件的預(yù)測(cè)。

2.4 凝膠油性能及微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)所得最優(yōu)方案(下文簡(jiǎn)寫為D+G 9.89%)、經(jīng)驗(yàn)最優(yōu)方案(γ-谷維素/β-谷甾醇占比60%，復(fù)合凝膠劑添加量9%，加熱時(shí)間40 min，下文簡(jiǎn)寫為D+G 9%)及僅添加9%單甘酯(D 9%)的凝膠油進(jìn)行紅外光譜分析、熱力學(xué)性質(zhì)分析、流變分析，并對(duì)單甘酯含量不同的3種樣品進(jìn)行偏振光顯微鏡分析。

2.4.1 紅外光譜分析(見圖2、圖3)

圖2 凝膠劑的紅外光譜圖

由圖2、圖3可知，γ-谷維素羥基峰為3 586 cm-1，β-谷甾醇中沒有羥基峰，單甘酯中存在甘油羥基峰為 3 195 cm-1，D+G 9%凝膠油中看不到明顯的羥基峰，僅在3 308 cm-1處有較微弱的羥基峰，而在D+G 9.89%和D 9%兩組凝膠油中均未發(fā)現(xiàn)羥基峰，2 922 cm-1峰對(duì)應(yīng)為甲基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，2 851 cm-1峰對(duì)應(yīng)為亞甲基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，3 008 cm-1峰為不飽和脂肪酸的順式碳碳雙鍵的弱強(qiáng)度伸縮振動(dòng)峰[13]。紅外光譜結(jié)果說明隨單甘酯含量的增加，凝膠油中的氫鍵力逐漸減小[20]。

圖3 凝膠油的紅外光譜圖

2.4.2 熱力學(xué)性質(zhì)分析(見圖4、圖5)

圖4 凝膠油結(jié)晶曲線

圖5 凝膠油熔化曲線

由圖4、圖5可知，γ-谷維素/β-谷甾醇添加量對(duì)單甘酯凝膠油的熔化溫度影響不大，D 9%、D+G 9%和D+G 9.89%凝膠油的結(jié)晶起始溫度分別為55.6、44.5、46.8℃，峰值溫度分別為49.9、39.3、41.4℃，熔化起始溫度分別為49.5、42.2、39.5℃，峰值溫度分別為65.2、61.3、57.5℃。復(fù)合凝膠油樣品的熔點(diǎn)和結(jié)晶點(diǎn)都低于單一凝膠油，且吸放熱更少，這使復(fù)合凝膠油更易加工和處理。

2.4.3 流變分析(見圖6、圖7)

圖6 3種凝膠油剪切速率和黏度的曲線

圖7 3種凝膠油剪切速率和剪切應(yīng)力的曲線

由圖6、圖7可知，隨著剪切速率的增加，3種凝膠油的黏度都逐漸減小，但復(fù)合凝膠油黏度降低的速度明顯比單一凝膠油的慢，證明復(fù)合凝膠劑提高了凝膠油的性能。在剪切速率增加過程中，3種凝膠油的剪切應(yīng)力出現(xiàn)滯回曲線，表明凝膠油為觸變性流體。只添加單甘酯的凝膠油剪切應(yīng)力和黏度相對(duì)較大，證明其較復(fù)合凝膠油剛性和黏性大，復(fù)合凝膠劑有效地提高了凝膠油的性能。

2.4.4 偏振光顯微鏡分析(見圖8)

注：a.9%單甘酯；b.9%復(fù)合凝膠劑；c.9%γ-谷維素/β-谷甾醇。

圖8 凝膠油的形態(tài)形貌(×10)

3 結(jié) 論

響應(yīng)面得到的γ-谷維素/β-谷甾醇與單硬脂酸甘油酯復(fù)合凝膠油最佳制備條件為復(fù)合凝膠劑添加量9.89%、γ-谷維素/β-谷甾醇占比52.3%、加熱時(shí)間41.7 min，在此條件下復(fù)合凝膠油持油性為94.6%。在復(fù)合凝膠油中的氫鍵力隨著單甘酯含量的增加而減少，黏結(jié)強(qiáng)度逐漸減弱。偏光顯微鏡觀測(cè)形態(tài)發(fā)生從球晶到針狀結(jié)晶的轉(zhuǎn)變，說明單甘酯影響了γ-谷維素/β-谷甾醇成膠的方式，從而使凝膠油的宏觀性質(zhì)發(fā)生較大改變。復(fù)合凝膠油的熔點(diǎn)和結(jié)晶點(diǎn)低于單一凝膠油，黏性和剛性較小。γ-谷維素/β-谷甾醇能夠改良棕櫚油基單甘酯凝膠油結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，調(diào)整γ-谷維素/β-谷甾醇添加量可制備符合特定市場(chǎng)需求的固體脂肪，具有一定的實(shí)用價(jià)值。