機(jī)械攪拌對凝膠狀油脂質(zhì)構(gòu)、流變及微觀形態(tài)的影響

李滿香 ， 謝仕潮 ， 張 虹 ， 王興國 ， 金青哲 *

（1.江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司，上海 200137）

由于凝膠體系由固液兩相共存，故其表現(xiàn)出一定的黏彈性和機(jī)械強(qiáng)度[3]。因其特殊的物質(zhì)狀態(tài)，凝膠狀態(tài)的油脂已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。凝膠狀油脂在醫(yī)藥中作為載體，控制藥物的釋放；潤滑油的凝膠態(tài)有助于控制其在金屬表面的流動(dòng)性[4]；在食品行業(yè)，凝膠狀油脂由于其特殊的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠限制一些液體油脂的流動(dòng)性，從而延緩或減少液態(tài)油脂的析出，抑制油脂遷移，這種功能特性對于人造奶油、冰激凌、巧克力等的穩(wěn)定性有一定的改善作用[4-5]。

凝膠因子的種類及添加量影響體系的膠凝能力。其中，羥基硬脂酸、單甘酯、蠟、谷維素及甾醇、長碳鏈脂肪酸及脂肪醇等作為凝膠因子，在液態(tài)油脂中形成凝膠結(jié)構(gòu)已有較多學(xué)者作了相關(guān)研究[3-7]。

高低熔點(diǎn)油脂按照一定比例混合，經(jīng)過急冷捏合之后也可形成凝膠狀油脂，其中，凝膠油成分的晶型轉(zhuǎn)變對其狀態(tài)的影響較大，文獻(xiàn)指出，α-晶型的存在以及α-晶型向β-或β’-晶型的轉(zhuǎn)變是凝膠狀油脂形成的必要條件[8]；在凝膠狀油脂形成過程中，機(jī)械條件同樣影響其網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度；以單甘酯為凝膠因子形成的膠狀油脂中，單甘酯的濃度、冷卻速率及剪切速率對其性質(zhì)的影響已有相關(guān)報(bào)道，在其凝膠網(wǎng)絡(luò)形成過程中，剪切作用有助于其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定從而影響其在產(chǎn)品中的應(yīng)用性能[9-10]。目前對全氫化油脂和液態(tài)油體系在不同機(jī)械條件作用下物理性質(zhì)變化的研究還未有詳細(xì)的報(bào)道。作者將機(jī)械攪拌對凝膠狀油脂物性的變化作了系統(tǒng)的研究，探討了機(jī)械攪拌速率與質(zhì)構(gòu)、流變特性和微觀形態(tài)之間的關(guān)系，尋求最佳的機(jī)械攪拌速率，為凝膠狀油脂的制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

精煉一級大豆油 （RBDSBO），熔點(diǎn)為59.5℃的全氫化棕櫚硬脂 （Fully hydrogenated palm stearin，F(xiàn)HPST）:嘉里特種油脂 （上海）有限公司提供。

表1 原料油主要脂肪酸組成Table 1 Fatty acid composition of feedstock

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

TA-XT Plus物性測試儀:中國北京微訊超技儀器技術(shù)有限公司產(chǎn)品；Physical MCR 101流變儀:奧地利Anton Paar公司產(chǎn)品；E400POL偏振光顯微鏡:日本Nikon公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 凝膠狀油脂制備 將250 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%RBDSBO與質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%FHPST混合物在磁力攪拌裝置中充分混合加熱到80℃，待完全熔化后倒入500 mL燒杯中，并將燒杯放入0℃急冷和機(jī)械攪拌。機(jī)械攪拌30 min，其速率分別為速率為0，200，300，400，500，10 000 r/min， 攪拌后制備的混合物按相同質(zhì)量分裝（80 g/份），并放置于冰箱中過夜（5℃，24 h）。然后轉(zhuǎn)移至20℃恒溫1 d后進(jìn)行檢測。

1.3.2 質(zhì)構(gòu)檢測 采用反擠壓測試（Back Extrucsion Test）并配備A/BE探頭，下壓及上升速率為1.0 mm/s，下壓深度20 mm。記錄測試曲線，并由系統(tǒng)分析計(jì)算樣品的硬度、黏稠度和黏度。

1.3.3 流變學(xué)性質(zhì)測定（包含應(yīng)變、頻率掃描和流動(dòng)曲線及觸變性測定） 應(yīng)變掃描:固定頻率1 Hz，在0.01%～100%范圍進(jìn)行應(yīng)變掃描以確定線性粘彈區(qū) （LVR）。LVR是指在應(yīng)變變化時(shí)，樣品的儲能模量G'和損耗模量G"保持不變的區(qū)域。

頻率掃描:固定線性粘彈區(qū)內(nèi)一恒定應(yīng)變，對樣品進(jìn)行1～10 Hz的頻率掃描，測定樣品的儲能模量G'和損耗模量G"。

流動(dòng)曲線與觸變性:采用旋轉(zhuǎn)方式，掃描程序:0.1～100 S-1→100 S-1→100～0.1 S-1。 記錄樣品的流動(dòng)曲線，分析樣品觸變性。

1.3.4 微觀形態(tài) 應(yīng)用偏振光顯微鏡 （PLM）對油脂混合物進(jìn)行微觀形態(tài)檢測，放大倍數(shù)為100×，采用盒維數(shù)法分析所得圖像，計(jì)算不規(guī)則碎片維數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械攪拌速率對凝膠狀油脂質(zhì)構(gòu)的影響

圖1是不同攪拌速率制備的凝膠狀油脂的質(zhì)構(gòu)分析，以硬度、黏稠度、黏度作為其表征參數(shù)。攪拌速率在0～500 r/min時(shí)，各個(gè)參數(shù)隨攪拌速率的加快而增大；在0～200 r/min速率范圍內(nèi)，硬度從105.5 g增加到226.7 g，黏稠度、黏度相應(yīng)有所增加；攪拌速率從200 r/min變化到500 r/min時(shí)，硬度、黏稠度和黏度的增加有所減緩；而當(dāng)攪拌速率增加到10 000 r/min時(shí)，硬度、黏稠度、黏度等略有下降，分別下降 14.1 g，1.6 g和 6.1 g·s。以上結(jié)果表明，一定速率的攪拌對凝膠狀油脂的形成具有促進(jìn)作用。不同攪拌速率下，樣品的硬度等存在差異可能與其微觀交聯(lián)度有關(guān)。同時(shí)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和數(shù)量也直接影響到體系的粘彈性能。借助于其相同條件下粘彈性能的變化，能進(jìn)一步闡明攪拌剪切對凝膠質(zhì)構(gòu)的影響。將完全熔化的液態(tài)混合物加入到流變儀樣品臺，利用控溫系統(tǒng)快速冷卻樣品，同時(shí)施加不同速率的剪切之后，對制得的凝膠狀油脂進(jìn)行頻率掃描，得到樣品的儲能模量G′和損耗模量G"，如圖2所示。從圖2可以看到，轉(zhuǎn)速在0～500 r/min變化時(shí)，G′和G"隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于500 r/min時(shí)，G′及 G"反而減小。這與圖1呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。值得注意的是:在0～500 r/min這一速率范圍內(nèi)，體系硬度和G′增加的趨勢存在差異，硬度的增大相對平緩，這與KO Ojijo等人[9]的發(fā)現(xiàn)較為一致，這表明剪切速率的增加雖然促進(jìn)了凝膠的形成，體系的松弛程度卻受到微觀結(jié)構(gòu)碳鏈間作用的影響，較高的剪切影響到了相鄰結(jié)構(gòu)的交聯(lián)作用。Sara等[10]在研究剪切作用對單甘酯凝膠態(tài)的影響中也發(fā)現(xiàn)，高速剪切作用導(dǎo)致了體系強(qiáng)度的逐漸減小。這與試驗(yàn)中10 000 r/min條件下相關(guān)質(zhì)構(gòu)參數(shù)的下降也是一致的。

圖1 不同攪拌速率制備樣品的質(zhì)構(gòu)值Fig.1 Change of texture parameters at various stirring rates

圖2 不同條件制備的凝膠狀油脂的G′和G"比較Fig.2 Evolution of G′&G"at different stirring rates

2.2 流變性質(zhì)

2.2.1 凝膠狀油脂的黏彈性 實(shí)驗(yàn)分析了不同攪拌速率條件下，凝膠狀油脂頻率掃描的結(jié)果，如圖3所示。由于G"變化趨勢一致，圖3未顯示所有條件下G"。從圖3可以看到，樣品G′及 G"基本不隨頻率的變化而變化，并且在掃描范圍內(nèi)G′＞G"，說明一定的攪拌能幫助體系形成較為穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，而于此同時(shí)，體系的流變學(xué)性能表現(xiàn)出較強(qiáng)的攪拌速率依賴性:當(dāng)轉(zhuǎn)速在0～500 r/min時(shí)，G′和G"均隨攪拌速率的增大而增大，183.5 Pa和99.8 Pa分別增加到9 813.8 Pa和2 213.3 P；特別是在200 r/min時(shí)，各個(gè)參數(shù)值的變化幅度為最大；而當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到10 000 r/min 時(shí)，G′、G"分別下降了 5 104.8 Pa和1 093.8 Pa，較高的轉(zhuǎn)速使得分子的定向排列受到一定的限制，體系中未完善的結(jié)構(gòu)不斷破碎，這阻礙了體系形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。Rogers[11]等就12-羥基硬脂酸在菜油中形成的凝膠結(jié)構(gòu)分析指出，在較低質(zhì)量濃度12-羥基硬脂酸體系中，液態(tài)比例較高，在頻率掃描過程中，G′及G"隨頻率增大而增大，而在高質(zhì)量濃度12-羥基硬脂酸時(shí)，G′及G"并沒有表現(xiàn)頻率依賴性，說明體系形成了強(qiáng)凝膠結(jié)構(gòu)。這與本次研究所呈現(xiàn)出相似的的流變學(xué)變化趨勢。

圖3 不同樣品頻率掃描結(jié)果比較Fig.3 Rheological properties of 5% FHST+95%RBDSBO gel network at different stirring rates

2.2.2 凝膠狀油脂觸變性的測定 觸變性的研究是指被測物經(jīng)歷一個(gè)剪切速率的循環(huán)作用，觀察此過程中黏度隨剪切速率的變化情況。黏度隨剪切速率變化曲線所圍成的環(huán)狀面積為觸變環(huán)面積。觸變環(huán)面積越大，表明樣品的觸變性越大，反之越弱。具體而言，是指具有一定黏彈性的物質(zhì)在放置不動(dòng)時(shí)，呈相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而在受到外力攪拌的過程中，變?yōu)榱鲃?dòng)的、相對低粘態(tài)的流體，可以表征其抗擠壓能力的大小。

表2展現(xiàn)了不同攪拌作用下樣品觸變環(huán)大小及屈服應(yīng)力的變化趨勢。從表中可以看到，攪拌速率在0～500 r/min時(shí)，觸變環(huán)面積及屈服應(yīng)力急劇增加，而攪拌速率增加到10 000 r/min時(shí)，觸變環(huán)面積增加幅度很小，從7101.9 Pa/s增加到7 282.7 Pa/s，而屈服應(yīng)力則增加從235.5 Pa變化到為237.1 Pa，變化并不顯著。屈服應(yīng)力作為一種臨界作用力，表征為使物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞或發(fā)生流動(dòng)時(shí)所需要的最小作用力，因此，屈服應(yīng)力的大小可用于表征體系結(jié)構(gòu)的抗形變能力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，屈服應(yīng)力隨著攪拌速率的增大而增大，表明適度的攪拌有助于凝膠狀油脂內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，這與Nelso等人[9]的分析是一致的。

表2 不同樣品觸變環(huán)面積及屈服應(yīng)力對比Table 2 Change of area of thixotropic hysteresis loop&yield stress of gel network prepared at various stirring rates

2.3 凝膠狀油脂的微觀形態(tài)

借助偏光顯微鏡可以對體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。不同攪拌速率下制備的樣品的觀測圖片如圖4所示。從圖中可以看到，機(jī)械攪拌對樣品的微觀形態(tài)有著較為顯著的影響。未經(jīng)攪拌作用的樣品a，顆粒尺寸較大，出現(xiàn)明顯的顆粒聚集現(xiàn)象，表現(xiàn)得更加無序；樣品 b、c、d、e的晶體形態(tài)近似，呈較短的桿狀結(jié)構(gòu)，隨著攪拌速率的增大，晶體分布得更加均勻，這表明一定的攪拌使得晶體顆粒尺寸減小，但整個(gè)結(jié)晶區(qū)域面積逐漸增大，表現(xiàn)得更為致密；而當(dāng)轉(zhuǎn)速為 10 000 r/min 時(shí)（圖 4（f）），顆粒數(shù)目增多，并且晶體顆粒之間略有聚集，這使得顆粒分布相對于樣品d和e，顯得較為混亂。一定的機(jī)械攪拌促進(jìn)顆粒的堆砌排列，而較強(qiáng)的機(jī)械攪拌會(huì)在一定程度上阻礙凝膠形成完善的結(jié)構(gòu)。隨著攪拌速率的增加，聚集而成的凝膠顆粒不斷增多，而其體積隨之減小。這可能是由于強(qiáng)剪切有利于成核作用卻對晶體的生長產(chǎn)生阻礙。減小的晶簇尺寸也可能是強(qiáng)攪拌過程中體系未完善結(jié)構(gòu)的不斷斷裂所導(dǎo)致的。這兩方面的影響使得晶簇只能以隨機(jī)排列的方式形成凝膠[12]。這可能是樣品f的微觀形態(tài)異于樣品c、d、e的原因之一。

圖4 不同攪拌速率樣品微觀形態(tài)變化Fig.4 Morphology of gel-like oils crystallized at various stirring rates

為進(jìn)一步闡述凝膠顆粒碎片在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的空間分布，采用盒維數(shù)法對樣品的PLM圖像進(jìn)行分析，得到不規(guī)則碎片維數(shù)Db如表3所示。

影響Db的因素主要有晶體的形態(tài)、尺寸及結(jié)晶面積的大小。一般來說，Db隨晶粒尺寸的增大而增大，正比于結(jié)晶面積的大小[10]。從表3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，其Db值相應(yīng)增加。樣品（a）晶體顆粒雖然較大，但由于其結(jié)構(gòu)分布較為松散，顆粒之間的距離較大，結(jié)晶表面積減小，網(wǎng)絡(luò)填充度低于其他樣品，沒有形成很好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些也是導(dǎo)致樣品a硬度及G′等流變參數(shù)值較小的原因之一。 結(jié)晶區(qū)域的增加使得 b、c、d、e、f樣品的 Db值較高。以上分析表明，Db值與樣品硬度的變化趨勢是一致的。也就是說，晶體形成得越致密，其樣品硬度就越大。

表3 不同樣品不規(guī)則碎片維數(shù)DbTab.3 Db of gel network obtained at various stirring rates

凝膠油的制備伴隨著急冷和攪拌兩個(gè)過程。在凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成初期受到的攪拌作用，一方面有助于體系的散熱，增強(qiáng)結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成；另一方面，一定的機(jī)械攪拌作用會(huì)促使某些不完整晶體破碎，增大分子間的碰撞頻率，產(chǎn)生的晶體碎片可作為晶體生長的晶核，故增大結(jié)晶速率，且能產(chǎn)生數(shù)目較多的晶體顆粒[12]。碎片之間依賴于相對較弱的范德華作用力相互聚集，這在一定程度上阻礙了凝膠體系的形成，因此需要適宜的攪拌作用來促進(jìn)分子間的遷移和堆砌排列。Ojijo[9]指出，在橄欖油與單甘酯形成凝膠網(wǎng)絡(luò)過程中，攪拌、剪切使之表現(xiàn)為與布朗運(yùn)動(dòng)相關(guān)的晶體顆粒的聚集行為，而高速剪切在晶體形成過程阻礙其中一些特殊晶體結(jié)構(gòu)的形成，這可能會(huì)導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度減弱。這也可能是本次研究中10 000 r/min條件制備的凝膠狀油脂的硬度、G′等變化不大的原因之一。

3 結(jié)語

綜上所述，凝膠狀油脂的形成除了受凝膠因子種類及用量的影響，外界環(huán)境條件也發(fā)揮著重要作用。實(shí)驗(yàn)以精煉一級大豆油（RBDSBO）加入體積分?jǐn)?shù)5%全氫化棕櫚硬脂（FHPST）制備凝膠狀油脂，對不同攪拌速率下樣品的質(zhì)構(gòu)、流變學(xué)性質(zhì)及微觀形態(tài)進(jìn)行分析，表明一定的機(jī)械攪拌作用誘導(dǎo)凝膠狀油脂結(jié)構(gòu)的形成，影響微觀顆粒的排布和取向，從而導(dǎo)致其物理性質(zhì)的不同；200～500 r/min的攪拌轉(zhuǎn)速下制備的樣品呈現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的質(zhì)構(gòu)性能；G、G"等隨著攪拌速率的增加而增大，其中，攪拌速率為500 r/min時(shí)G′、G"達(dá)到最大；速率大于500 r/min時(shí)，樣品的質(zhì)構(gòu)、流變等參數(shù)沒有顯著差異；不同攪拌速率條件下制得的樣品的微觀形態(tài)的尺寸隨著攪拌剪切速率的增大而減小，Db值不斷增大表明混合物的晶體的填充度隨著攪拌剪切速率的增大而增大，這也是樣品的物理性質(zhì)存在差異的原因之一。

致謝：感謝豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司為研究提供所需的各種實(shí)驗(yàn)條件以及論文發(fā)表所給予的支持。

[1]Maaike de Loos，Ben L F，Jan H van Esch．Design and application of self-assembled low molecular weight hydrogels[J]．EuropeanJournal of Organic Chemistry，2005，17:3615-3631．

[2]Ni Yan，Gang He，Helan Zhang，et al．Glucose-based Fluorescent low-molecular mass compounds:creation of simple and versatile supramolecular gelators[J]．Langmuir，2010，26（8）:5909-5917．

[3]Francois G Gandolfo，Arjen Bo，Eckhard Floter．Structuring of edible oils by long-chain fatty acids，fatty alcohols and their mixtures[J]．Journal of the American Oil Chemists’ Society，2004，81（1）．

[4]Naomi E H，Marangoi A G，Wright A J，et al．Potential food applications of edible oil organogels[J]．Trends in Food Science&Technology，2009，20:470-480．

[5]Pernetti M，Kees F van Malssen，Eckhard Floter．Structuring of edible oils by alternatives to crystalline fat[J]．Current Opinion in Colloid&Interface Science，2007，12:221-231．

[6]Arjen Bo，Ruud den Adel，Regkos C，et al．Structuring in β-sitosterol+γ-oryzanol-based emulsion gels during various stages of a temperature Cycle[J]．Food Hydrocolloids，2011，25:639-646．

[7]Rogers M A，Wright A J，Marangoni A G．Oil organogels:the fat of the future？ [J]．The Royal Society of Chemistry，2009，5:1594-1596．

[8]Higaki K，Sasakuraa Y，Koyano T．Physical Analyses of gel-like behavior of binary mixtures of high-and low-melting Fats[J]．Journal of the American Oil Chemists’ Society，2003，80:263-270．

[9]Ojijo N K O，Neeman I，Eger S．Effects of monoglyceride content，cooling rate and shear on the Rheological properties of olive oil/monoglyceride gel networks[J]．Journal of the Science of Food and Agriculture，2004，84:1585-1593．

[10]Tang D M，Marangoni A G．Computer simulation of fractal dimensions of fat crystal networks[J]．Journal of the American Oil Chemists’ Society，2006，83（4）:309-314．

[11]Rogers M A，Wright A J，Marangoni A G．Nanostructuring fibre morphology and solvent inclusions in 12-hydroxystearic acid/canola Oil Organogels[J]．Current Opinion in Colloid and Interface Science，2009，14:33-42．

[12]Sara D P，Sonia C，Edmund Co，et al．Shear nanostructuring of monoglyceride organogels[J]．Food Biophysics，2010，5:211-217．