史逸飛，劉春環(huán)，鄭召君，劉元法

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

塑性脂肪常被應(yīng)用于人造奶油、起酥油、巧克力等烘焙或休閑食品中，能夠賦予食品良好的結(jié)構(gòu)、口感或風(fēng)味等。但傳統(tǒng)的塑性脂肪往往存在著一定的健康風(fēng)險(xiǎn)，其中大量的飽和脂肪酸和一定的反式脂肪酸可能會(huì)誘發(fā)如肥胖、心血管疾病、2型糖尿病等疾病[1]。凝膠油被認(rèn)為可以作為傳統(tǒng)塑性脂肪的替代品，主要是通過凝膠因子形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定連續(xù)的油相，形成具有穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的半固態(tài)油脂[2]。

目前已有多種方法制備凝膠油，包括結(jié)晶法[3]、分子自組裝法[4]、乳液模板法[5]及多孔材料吸附法[6]等，其中以結(jié)晶法研究最為廣泛。結(jié)晶型凝膠因子有天然蠟、單甘酯[7]、硬脂酸鈉[8]、L-抗壞血酸棕櫚酸酯[9]等，其中天然蠟因來源天然、結(jié)晶性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注[10]，常被用作凝膠劑或結(jié)晶改良劑[11]。天然蠟主要成分為長鏈蠟酯、烷烴、游離脂肪酸、脂肪醇、甾醇酯等[12]。目前已有研究將蜂蠟、巴西棕櫚蠟、小燭樹蠟、葵花蠟、漿果蠟、甘蔗蠟等天然蠟用于凝膠油的制備[13-17]，不同天然蠟由于成分和來源的差異具有不同的結(jié)晶形態(tài)和結(jié)構(gòu)，因而具有不同的凝膠能力和機(jī)械性能。了解天然蠟在植物油中的結(jié)晶過程是開發(fā)新型塑性脂肪，拓展其在食品中應(yīng)用的必要條件。木蠟也被稱為漆蠟，提取自我國傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)林漆樹的果實(shí)，主要成分為脂肪酸酯、少量游離脂肪酸和脂肪醇等，其脂肪酸以棕櫚酸、硬脂酸和油酸為主，同時(shí)還含有少量的二元脂肪酸，熔點(diǎn)在32～40℃。漆樹自中國傳入日本后出現(xiàn)品種差異，日本漆樹的漆籽含蠟率高于含油率，且日本木蠟比中國木蠟含有更多的花生酸和山崳酸[18]。作為低熔點(diǎn)的天然蠟，由于成分差異，日本木蠟結(jié)晶特性與高熔點(diǎn)蠟不同，因此有必要研究其在植物油中的結(jié)晶行為來拓展其應(yīng)用范圍。目前僅有Hwang等[13]對(duì)日本木蠟?zāi)z機(jī)理進(jìn)行研究，但對(duì)于其結(jié)晶機(jī)理并未進(jìn)行深入探討。

小燭樹蠟提取自美國西南部和墨西哥北部的大戟屬灌木葉[19]，其主要成分為75%左右的正構(gòu)烷烴(C31為主)、15%左右的蠟酯以及少量的脂肪酸和脂肪醇[16]，是常見的幾種天然蠟中唯一以烷烴為主要成分的蠟，熔點(diǎn)在65℃左右，具有獨(dú)特的結(jié)晶特性。

本文對(duì)比研究了兩種不同熔點(diǎn)的天然蠟(日本木蠟、小燭樹蠟)在植物油中的結(jié)晶行為，通過流變儀、差示掃描量熱儀、偏振光顯微鏡、X-射線衍射儀和傅里葉紅外光譜儀等檢測(cè)手段對(duì)兩種蠟基凝膠油的流變學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)晶形態(tài)、納米層狀結(jié)構(gòu)以及分子間作用力等進(jìn)行表征，系統(tǒng)評(píng)價(jià)兩種蠟的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以期擴(kuò)大木蠟在食品中的應(yīng)用范圍，為新型塑性脂肪的開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

小燭樹蠟(CLW)、日本木蠟(RLW)，天津萬科斯有限公司；高油酸葵花籽油，日清奧利友集團(tuán)。

D2-Advance X-射線衍射儀，德國Bruke公司；DSC3差示掃描量熱儀，瑞士Mettler公司；偏振光顯微鏡，德國Leica公司；ME-12循環(huán)水浴鍋，德國Julabo公司；DHR-3旋轉(zhuǎn)流變儀，沃特斯中國有限公司；多點(diǎn)磁力攪拌器，美國TA公司；IS-10傅里葉紅外光譜儀，美國Nicolet公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 凝膠油的制備

分別將5 g小燭樹蠟和日本木蠟分散在100 g高油酸葵花籽油中，混合物在85℃的多點(diǎn)磁力攪拌器上以400 r/min加熱攪拌20 min，直至天然蠟完全溶解，在4℃下冷卻保存至少48 h，備用。

1.2.2 流變學(xué)分析

將凝膠油樣品保持在20℃下分析。使用裝有直徑為40 mm、間隙1 000 μm平行板的DHR-3旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)凝膠油進(jìn)行流變學(xué)測(cè)量，采用Peltier系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)試。在頻率為1 Hz、應(yīng)變振幅范圍為0.001%～100%的區(qū)域進(jìn)行振幅掃描，以確定線性黏彈區(qū)(LVR)，據(jù)此在應(yīng)變?yōu)?.01%下進(jìn)行頻率掃描，掃描范圍為0.1～10 Hz，記錄該掃描范圍儲(chǔ)存模量(G′)和損耗模量(G″)的變化。采用1 Pa的振蕩應(yīng)力和1 Hz的頻率以5℃/min的速率從0℃升溫至80℃測(cè)量樣品隨溫度變化下的G′和G″。以1～100 s-1的剪切速率進(jìn)行流動(dòng)掃描，測(cè)試樣品的表觀黏度變化，并用Herschel Bulkley模型擬合[20]，計(jì)算流動(dòng)行為指數(shù)(n)。以0.1 s-1300 s、1 s-1200 s、0.1 s-1300 s的低剪切速率和高剪切速率交替實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣品黏度的回復(fù)性，以第三階段的峰值黏度與第一階段的終黏度的比值即觸變回復(fù)率表示[21]。

1.2.3 熱分析

使用DSC3差示掃描量熱儀測(cè)定凝膠油樣品的熱性能，用純銦校準(zhǔn)DSC基線和溫度。稱取3～8 mg樣品放入坩堝，并以空坩堝作為對(duì)照。首先將樣品在80℃下放置10 min直至樣品完全熔化消除晶體記憶，隨后以5℃/min速率冷卻至0℃，分析樣品的結(jié)晶行為；之后將樣品在0℃下放置10 min達(dá)到平衡，然后以5℃/min速率加熱到80℃，分析其熔化行為。

1.2.4 微觀晶體網(wǎng)絡(luò)形態(tài)

使用偏振光顯微鏡(PLM)獲取樣品的晶體微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)。所有樣品均于90℃完全熔化30 min后進(jìn)行點(diǎn)樣，置于4℃或20℃培養(yǎng)箱中保存48 h觀察。分形維數(shù)(Db)由Image J軟件v.1.49(NIH，Bethesda, USA)根據(jù)以往研究計(jì)算[22]。

1.2.5 晶型與晶體多態(tài)性分析

采用X-射線衍射儀(XRD)測(cè)定樣品的長、短間距的衍射圖譜。晶體網(wǎng)絡(luò)分析采用Ni濾波器和Cu-K抗輻射(k=1.540 56 ?，電流40 mA，電壓40 kV，固定散度10、1.0、0.1 mm，抗散射和接收縫)。在環(huán)境溫度下，樣品以0.05(°)/min的速率進(jìn)行1°～30° 的掃描。數(shù)據(jù)處理和分析使用MDI Jade 6.0軟件。

1.2.6 分子間作用力

采用傅里葉紅外光譜儀分析凝膠油樣品的分子間作用力。將樣品放置在待測(cè)區(qū)，在400～4 000 cm-1的波長范圍內(nèi)獲得光譜。從光譜中減去空氣背景，并通過OMNIC(Thermo，v8.0)軟件進(jìn)行分析。

1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用Origin 2018進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用SPSS 26軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和沃勒-鄧肯檢驗(yàn)，P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 天然蠟基凝膠油的流變學(xué)性質(zhì)(見圖1)

在5%添加量下，小燭樹蠟和日本木蠟均能夠形成在倒置條件下不流動(dòng)的軟固體。從圖1A可以看出，在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)，兩種凝膠油均呈現(xiàn)類固體性質(zhì)(G′>G″)，且兩種凝膠油的G′和G″對(duì)頻率的依賴性很低，代表“強(qiáng)凝膠”的形成[23]，反映了凝膠油中存在較強(qiáng)的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)連接[24]。同時(shí)，日本木蠟?zāi)z油的G′和G″均低于小燭樹蠟?zāi)z油的。說明高熔點(diǎn)的蠟制備的凝膠油具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。由圖1B可以看出，兩種凝膠油表現(xiàn)出不同的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)(G′=G″)，且轉(zhuǎn)變溫度與蠟的熔點(diǎn)成正比。在低溫下兩種凝膠油均表現(xiàn)出固體特征，而隨著溫度的升高，兩種凝膠油的G′不斷下降，低熔點(diǎn)的日本木蠟?zāi)z油首先發(fā)生轉(zhuǎn)變，由彈性為主的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば詾橹鞯囊簯B(tài)，說明凝膠油的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)坍塌。而小燭樹蠟?zāi)z油具有更高的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)也表示其需要更高的溫度才能破壞其內(nèi)部的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

由圖1C可以看出，隨剪切速率增大，兩種凝膠油的表觀黏度減小。通過Hershel Bulkley模型擬合，日本木蠟?zāi)z油和小燭樹蠟?zāi)z油的n值分別為0.403和0.230。說明兩種凝膠油均表現(xiàn)出剪切變稀行為和假塑性行為(n<1)，這表明在剪切過程中會(huì)導(dǎo)致樣品結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的解體。高熔點(diǎn)的小燭樹蠟?zāi)z油具有較高的表觀黏度，表明小燭樹蠟?zāi)z油具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由圖1D可以看出，剪切速率從0.1 s-1增加到1 s-1再降低至0.1 s-1，日本木蠟?zāi)z油的觸變回復(fù)率為56.18%，小燭樹蠟?zāi)z油的觸變回復(fù)率為48.16%，這與其機(jī)械強(qiáng)度相反，根據(jù)文獻(xiàn)[25]報(bào)道，這可能是由于小燭樹蠟?zāi)z油形成的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)中的脆性結(jié)構(gòu)致使剪切力克服凝膠油中結(jié)晶的布朗運(yùn)動(dòng)，使得破碎的結(jié)構(gòu)無法重新組織為一個(gè)較為完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而日本木蠟?zāi)z油在受到較強(qiáng)的剪切力后，在弱剪切力的作用下體系內(nèi)的結(jié)晶逐漸返回到隨機(jī)分布的狀態(tài)。兩種蠟基凝膠油的機(jī)械強(qiáng)度和黏度變化說明，高、低熔點(diǎn)蠟在構(gòu)建結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性質(zhì)差異，導(dǎo)致了機(jī)械強(qiáng)度與回復(fù)性表現(xiàn)出相反的結(jié)果。

2.2 凝膠油的結(jié)晶與熔化行為表征

為進(jìn)一步分析凝膠油在結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)形成過程中的轉(zhuǎn)變信息，通過DSC分析了兩種蠟及其凝膠油的結(jié)晶和熔化過程，結(jié)果如圖2所示。表1為各樣品對(duì)應(yīng)的熔融/結(jié)晶起始溫度、峰值溫度及焓值變化。

表1 小燭樹蠟(CLW)和日本木蠟(RLW)及其凝膠油的熔融/結(jié)晶起始溫度(Ton)、峰值溫度(Tp)和焓值(ΔH)

由圖2及表1可見，相同蠟構(gòu)建的凝膠油與純蠟的結(jié)晶和熔融峰相似，表明蠟在凝膠油的熱力學(xué)行為中起主導(dǎo)作用。在熔化過程中，小燭樹蠟構(gòu)建的凝膠油與小燭樹蠟均存在2個(gè)熔融峰，小燭樹蠟?zāi)z油2個(gè)峰的焓值分別為2.01 J/g和1.52 J/g，而小燭樹蠟純蠟2個(gè)峰的焓值則分別為71.32 J/g和11.09 J/g，液油的加入使Ton向低溫區(qū)移動(dòng)，焓值減小。日本木蠟?zāi)z油及日本木蠟均具有3個(gè)熔融峰，其中日本木蠟?zāi)z油的第1個(gè)峰具有最高的焓值(2.72 J/g)，后2個(gè)峰焓值較低，而日本木蠟則在第2個(gè)峰顯示出最高的焓值(42.73 J/g)，推測(cè)是由于日本木蠟的主要成分為脂肪酸酯[18]，在形成凝膠油的過程中受到液油的影響[26]，從而造成凝膠油焓值減小。與小燭樹蠟?zāi)z油相比，日本木蠟?zāi)z油熔融峰溫更低，在33.59℃即能完全熔化，表明日本木蠟?zāi)z油形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較弱。在結(jié)晶過程中，兩種蠟與其凝膠油樣品均表現(xiàn)出相似的峰型，小燭樹蠟?zāi)z油及小燭樹蠟的第1個(gè)峰的峰值溫度分別為48.07℃和66.98℃，日本木蠟?zāi)z油及日本木蠟的峰值溫度分別為10.99℃和35.27℃，說明純蠟?zāi)軌蛟诟叩臏囟认陆Y(jié)晶，液油的加入降低了結(jié)晶溫度。

2.3 凝膠油的微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 微觀形態(tài)

圖3為小燭樹蠟?zāi)z油和日本木蠟?zāi)z油在偏振光顯微鏡下的晶體微觀形態(tài)。由圖3可見，小燭樹蠟?zāi)z油表現(xiàn)為簇狀的晶體形態(tài)，結(jié)晶顆粒較大，隨著溫度的升高，晶體尺寸減小。日本木蠟?zāi)z油呈現(xiàn)出針狀的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)晶細(xì)小，隨著溫度的升高，晶體更容易發(fā)生部分聚集。此外，分形維數(shù)(Db)能夠較好地定量分析結(jié)晶體系的均勻度[27]。從分形維數(shù)(Db)分析，小燭樹蠟?zāi)z油比日本木蠟?zāi)z油具有更高的Db值，因而其具有更加穩(wěn)定且有序的晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)隨著溫度的升高，兩種蠟基凝膠油的Db值均下降，說明兩種凝膠油樣品均在4℃具有更加致密而穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)[28]報(bào)道，PLM下的針狀晶體表現(xiàn)為具有較大比表面積的片層狀晶體的邊緣結(jié)構(gòu)(冷凍掃描電子顯微鏡觀察)，這種晶體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的油結(jié)合能力，這也解釋了日本木蠟?zāi)z油在Db值較低的情況下仍然表現(xiàn)出強(qiáng)機(jī)械性能的原因。

2.3.2 晶型與晶體多態(tài)性

小燭樹蠟和日本木蠟與其凝膠油的XRD圖譜如圖4所示。

由XRD獲得的長、短間距信息通常用來表征脂肪晶體的層間排列結(jié)構(gòu)和同質(zhì)多晶現(xiàn)象[29]。由圖4可知，在小角X射線衍射圖中，純蠟可以觀察到長間距衍射峰，而凝膠油中沒有，這與凝膠油中存在大量的液態(tài)甘油三酯(非晶態(tài))有關(guān)。小燭樹蠟在41.74 ?附近出現(xiàn)信號(hào)峰，這與之前的研究[19]類似，說明小燭樹蠟存在長鏈正構(gòu)烷烴，并以正交亞晶胞排列方式排布。日本木蠟則在42.13 ?和14.16 ?附近出現(xiàn)信號(hào)峰，由于日本木蠟的主要成分為甘油三酯，其納米層狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)二倍鏈長堆積結(jié)構(gòu)。此外，小燭樹蠟及小燭樹蠟?zāi)z油的小角衍射峰(分別為21.34 ?和21.48 ?)均顯示出比廣角衍射峰更低的衍射強(qiáng)度，表明其晶體的層狀平面內(nèi)分子相互作用高于其C—C分子間相互作用。日本木蠟在14.16 ?的衍射峰則與廣角衍射峰強(qiáng)度相似，說明日本木蠟可能存在較強(qiáng)的C—C分子間相互作用。由圖4中廣角X射線衍射圖可知，小燭樹蠟及小燭樹蠟?zāi)z油在4.15 ?及3.7 ?附近出現(xiàn)2個(gè)衍射峰，表現(xiàn)為β′晶型。而日本木蠟則在4.6、4.2 ?和3.8 ?附近出現(xiàn)多個(gè)衍射峰，這與飽和甘油三酯的晶型十分相似，說明日本木蠟同時(shí)具有β和β′兩種晶型，但在日本木蠟?zāi)z油中，僅在4.6 ?附近出現(xiàn)1個(gè)衍射峰，由此可知在日本木蠟?zāi)z油的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)形成過程中，高油酸葵花籽油的加入使得脂肪晶體堆積排列方式改變，從而使日本木蠟晶型由β′型轉(zhuǎn)為β型。

圖4 小燭樹蠟(CLW)和日本木蠟(RLW)及其凝膠油的XRD小角衍射圖(a)和廣角衍射圖(b)

2.3.3 分子間作用力

為進(jìn)一步探究兩種蠟形成凝膠油的分子間作用力，采用傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)測(cè)定小燭樹蠟、日本木蠟及其凝膠油和高油酸葵花籽油(HOSO)的紅外譜圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 小燭樹蠟(CLW)、日本木蠟(RLW)及其凝膠油和高油酸葵花籽油(HOSO)的FT-IR譜圖

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地表征了小燭樹蠟和日本木蠟兩種不同熔點(diǎn)的蠟在高油酸葵花籽油中的結(jié)晶行為和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異。首先對(duì)比了兩種蠟基凝膠油的流變學(xué)性質(zhì)，二者均表現(xiàn)出低頻率依賴性的“強(qiáng)凝膠”特征，高熔點(diǎn)的小燭樹蠟比日本木蠟具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，小燭樹蠟?zāi)z油具有較高的表觀黏度，日本木蠟?zāi)z油則觸變回復(fù)性更強(qiáng)。此外，兩種蠟的熱力學(xué)性質(zhì)也存在較大差異，小燭樹蠟具有更高的焓值，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，日本木蠟?zāi)z油結(jié)晶起始溫度低，可在低溫下結(jié)晶。在微觀層面上，PLM結(jié)果顯示小燭樹蠟?zāi)z油和日本木蠟?zāi)z油分別呈簇狀和針狀晶體形態(tài)，二者的晶體尺寸和均勻度隨溫度的升高而下降，小燭樹蠟比日本木蠟更易形成致密有序的晶體結(jié)構(gòu)。在納米層面上，小燭樹蠟及其凝膠油的晶型始終為β′型，而日本木蠟則在形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的過程中晶體堆積排列方式改變從而使晶型發(fā)生改變，由β′型轉(zhuǎn)為更穩(wěn)定的β型。分子間作用力證明在結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)形成過程中未出現(xiàn)氫鍵，蠟基凝膠油的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中可能存在范德華力作用。日本木蠟具有迥異于其他高熔點(diǎn)蠟的結(jié)晶行為，為塑性脂肪替代提供了新的思路。