熟化溫度對棕櫚基人造奶油質(zhì)構(gòu)、流變和結(jié)晶特性的影響

張智明 ， 張 虹 ， 畢艷蘭 ， 孫曉洋 ， 徐學兵 *

（1.河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450052；2.豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司，上海 200137）

自1869年人造奶油問世以來，以其優(yōu)越的性能風靡全球。隨著食品行業(yè)的飛速發(fā)展，中西方文化交融程度的加深，中國對人造奶油的需求量與日俱增。棕櫚基油以其獨特的性能優(yōu)勢和后反式酸時代主要替代方案之一成為人造奶油主要的原料油脂[1]。人造奶油作為一種結(jié)晶產(chǎn)品，其固體和結(jié)晶特性如固體脂肪質(zhì)量分數(shù)（SFC）、同質(zhì)多晶狀態(tài)和微觀形態(tài)極大地影響產(chǎn)品的功能特性和流變特性[2]，而其流變特性與其食用感官品質(zhì)和功能特性相關(guān)。Narine等人總結(jié)了50年間關(guān)于晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和宏觀物理特性關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)脂肪體系的微觀結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)晶行為（SFC、同質(zhì)多晶）對宏觀物理特性的影響更顯著[3]。Litwinenko等人研究了冷卻速率、過冷度和儲藏時間對棕櫚油基起酥油結(jié)晶行為、微觀形態(tài)和流變特性的影響，并建立了三者一定的聯(lián)系[4]。

人造奶油儲藏過程中結(jié)晶特性的變化可導致硬度缺陷、油的離析和起砂等一系列品質(zhì)問題[5-6]，而影響結(jié)晶特性變化的因素主要有原料油組成、工藝條件和儲藏條件。熟化是人造奶油生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。熟化是指將已包裝的人造奶油產(chǎn)品放在恒溫室中靜置24～72 h[7]。合適的熟化條件能有效改善產(chǎn)品塑性并提高產(chǎn)品在儲藏期間合理溫度波動下保持均一稠度的能力，并有效改善人造奶油硬度缺陷、熔點升高、起砂和油的離析等一系列問題[8]。但是，目前研究對熟化過程中結(jié)晶的變化還存在很大的疑惑，并缺少理論解釋。作者將系統(tǒng)研究不同熟化溫度對人造奶油的質(zhì)構(gòu)、流變特性和結(jié)晶特性的影響，尋求棕櫚油基人造奶油的最佳熟化溫度，為實際生產(chǎn)及研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要原料

全精煉棕櫚硬質(zhì)（PSt）和棕櫚液油（POL）：嘉里特種油脂（上海）有限公司提供，脂肪酸組成見表1；蒸餾單甘脂（≥95%）：南京同建食品科技有限公司產(chǎn)品；大豆卵磷脂：秦皇島金海食品工業(yè)有限公司產(chǎn)品；檸檬酸：山東檸檬生化有限公司產(chǎn)品；飲用水：可口可樂公司產(chǎn)品；食鹽：市售；商品人造奶油：嘉里特種油脂（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要儀器和設(shè)備

丹麥G&A公司人造奶油小試設(shè)備：中國北京微訊超技儀器技術(shù)有限公司產(chǎn)品；Bruker Minispec mq20型脈沖核磁共振儀（P-NMR）：德國Bruker公司產(chǎn)品；Physical MCR101型流變儀：奧地利Anton Paar公司產(chǎn)品；E400POL型偏振光顯微鏡（PLM）：日本Nikon公司產(chǎn)品；DSC1.823e型差示掃描量熱儀（DSC）： 瑞士 Mettler-Toledo 公司產(chǎn)品；D8Advance型X-衍射儀：德國Bruker公司產(chǎn)品；KM760型打蛋機：日本KENWOOD公司產(chǎn)品。

表1 人造奶油原料油的脂肪酸組成Table 1 Fatty acid composition of the feed oil of margarine%

1.3 實驗方法

1.3.1 人造奶油樣品的制備 配方：83.2%棕櫚液油和棕櫚硬質(zhì)（質(zhì)量比2∶1），質(zhì)量分數(shù)0.5%蒸餾單甘脂，質(zhì)量分數(shù)0.3%卵磷脂，質(zhì)量分數(shù)0.02%檸檬酸，質(zhì)量分數(shù)13.98%飲用水和質(zhì)量分數(shù)2%鹽。

工藝流程：乳化→急冷1→急冷2→捏合→熟化

工藝參數(shù)：乳化溫度60℃、乳化攪拌速度450 r/min、流量 50 L/h、液氨溫度-15℃、急冷攪拌速度300 r/min（兩個急冷的液氨溫度和攪拌速度一致）、捏合攪拌速度200 r/min和捏合出口溫度23.5℃。

1.3.2 樣品熟化及變溫儲藏 將200 g左右人造奶油樣品裝入230 mL左右的杯子中，分別放置于20、25、30 ℃的恒溫箱中熟化，在 0、1、3、7 d 取樣檢測。熟化7 d后，將此樣品進行溫度循環(huán)波動實驗，即25℃儲藏24 h，5℃儲藏24 h，共計儲藏21 d，其樣品在7、14、21 d取樣檢測。

1.3.3 硬度 采用質(zhì)構(gòu)儀，P6探頭。參數(shù)：測試前速度：1.00 mm/s；測試中速度：2.00 mm/s；測試后速度：2.00 mm/s；探頭感受到5.0 g力后下壓12.00 mm。每個樣品測定5次，取平均值作為最終硬度值。

1.3.4 流變特性 應(yīng)變掃描：固定頻率1 Hz，在0.01%～100%范圍進行應(yīng)變掃描以確定線性粘彈區(qū)（LVR）。LVR是指在應(yīng)變變化時，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：固定應(yīng)變在LVR內(nèi)，進行1～5 Hz的頻率掃描以確定儲能模量（G'）、損耗模量（G"）、損耗角的正切值 （tanδ=G"/G'）和復(fù)合模量（G*=。G'代表樣品的彈性性質(zhì)，G"代表樣品的粘性性質(zhì)，tanδ則反映了整個體系粘性成分和彈性成分的相對強弱，而體系的整體強度是由G*確定的。

觸變性測試：在旋轉(zhuǎn)模式下，剪切速率按1～50（1/s），50 （1/s），50～1 （1/s）程序段進行觸變性測試，確定靜態(tài)屈服值（τSY）。

1.3.5 即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù) 用注射器將剛制出的人造奶油緩慢裝入內(nèi)徑0.8 cm的固脂管中，樣品高度4 cm，確保樣品內(nèi)無氣泡產(chǎn)生。將裝好樣品的固脂管分別放置于 20、25、30℃的恒溫箱中儲藏，在 0、1、3、7 d 用核磁共振儀（NMR）測定其即時固體脂肪含量。每個樣品測2次，取平均值。

1.3.6 微觀形態(tài) 采用偏振光顯微鏡（PLM）觀察樣品晶體的微觀形態(tài)。首先將載玻片放在待測樣品的恒溫箱中保持30 min，使載玻片溫度與樣品溫度一致。取適量樣品于載玻片上壓制成透明薄片，利用偏振光顯微鏡觀察，顯微鏡放大倍數(shù)10×10，并利用隨機圖像處理軟件進行處理。

1.3.7 X-射線衍射分析 將保存在恒溫箱里的樣品取出，平鋪于玻璃片上的圓孔內(nèi)，用X-射線衍射儀測定。條件為Cu靶，工作電壓40 kV，電流40 mA，發(fā)射及防反射狹縫為l.0 mm，接受狹縫0.1 mm，X光管為陶瓷型，光管功率2.2 kW，室溫25℃條件下， 掃描角度：2°＜2θ＜30°， 掃描速度為 2 度/min，步長為0.02°。在4.15 Ao附近只出現(xiàn)一個強峰，為α晶型；在4.20 Ao和3.88 Ao附近出現(xiàn)兩個強峰，為β'晶型；在4.60 Ao附近出現(xiàn)一個非常強的峰，為β 晶型[9]。

1.3.8 熱穩(wěn)定性 樣品結(jié)晶熱穩(wěn)定性分析采用差示掃描量熱法（DSC）。將樣品從恒溫箱取出，立即精確稱量3～8 mg，放入專用鋁盒內(nèi)，壓緊密封，進行檢測。檢測時以空鋁盒做參比，液氮為冷卻介質(zhì)。溫度控制程序：25℃穩(wěn)定5 min，然后以5℃/min的速率升溫至80℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 熟化溫度對硬度和即時固體脂肪含量的影響

人造奶油在低于灌裝或包裝溫度熟化會造成產(chǎn)品可塑性變差或變硬的現(xiàn)象；而在高于灌裝或包裝溫度熟化，產(chǎn)品的塑性和酪化性會得到改善。人造奶油樣品在20、25、30℃3個溫度下熟化一周期間其硬度和即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)的變化，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 不同熟化溫度下硬度的變化Fig.1 Change of hardness at different tempering temperature

圖2 不同熟化溫度下即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.2 Change of instant SFC at different tempering temperature

根據(jù)圖1可得：樣品熟化期間，其硬度在熟化第1 d的過程中也發(fā)生了較大變化。熟化溫度為20℃的樣品硬度從67.9 g/cm2增加到714.1 g/cm2，出現(xiàn)了明顯的后結(jié)晶現(xiàn)象，這可以從其即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)的增加得到說明。后結(jié)晶現(xiàn)象是指產(chǎn)品在無捏合的情況下結(jié)晶固化[6-7]。后結(jié)晶可能會造成產(chǎn)品硬度高于預(yù)期值、產(chǎn)品中存在液油、產(chǎn)品打發(fā)性下降和出現(xiàn)重新凝固的外觀等品質(zhì)問題，因此后結(jié)晶現(xiàn)象是不希望發(fā)生的。熟化溫度為25℃的樣品硬度增加到155.9 g/cm2，而其即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)卻有少量降低。一般認為固體脂肪質(zhì)量分數(shù)與硬度關(guān)聯(lián)緊密，產(chǎn)品加工中也常將固體脂肪質(zhì)量分數(shù)作為一個評價人造奶油品質(zhì)的指標，但從上述結(jié)果可知利用固體脂肪質(zhì)量分數(shù)并不能很好地預(yù)測人造奶油的硬度。Danthine等人發(fā)現(xiàn)在混合油固體脂肪質(zhì)量分數(shù)相同的情況下，晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和晶體類型的不同會造成產(chǎn)品硬度的差異[10]。熟化溫度為30℃的樣品其硬度卻降低到57.8 g/cm2，且其即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)也從20.40%下降10.06%。此時產(chǎn)品過軟，無法保型，會對產(chǎn)品的包裝、運輸以及儲藏過程中的堆積造成不便；而且其過低的固體脂肪質(zhì)量分數(shù)也可能會使樣品不能形成完善的晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不足以包裹大量的液油，有產(chǎn)生油的離析的風險。在1～7 d的熟化過程中，不同熟化溫度條件下的產(chǎn)品硬度雖有波動，但變化不大。同時，為比較3個熟化溫度條件下樣品在室溫時的硬度，將熟化7 d的樣品統(tǒng)一轉(zhuǎn)移至25℃存放1 d，然后測其硬度。由低到高的3個熟化溫度下樣品的硬度分別為232、149、107 g/cm2。相同條件下測定的2種商品人造奶油的硬度平均值為130 g/cm2?？芍旎瘻囟葹?0℃的樣品較軟；與熟化溫度20℃相比，熟化溫度為25℃的樣品的硬度較小，且和商品人造奶油更為接近，因此更容易加工。

2.2 熟化溫度對流變特性的影響

利用流變儀檢測分析人造奶油熟化7 d后樣品的流變性能，結(jié)果如表2所示。

表2 不同熟化溫度下熟化7 d后流變特性參數(shù)Table 2 Rheological parameters after 7 days at different tempering temperature

根據(jù)表2可得：所選熟化溫度條件下人造奶油產(chǎn)品的LVR不大于0.1%，因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較容易受到破壞。對比 G'、G"、tanδ和 G*等流變參數(shù)，隨著熟化溫度的升高，除了熟化溫度25℃和30℃下的tanδ，其他流變參數(shù)均有顯著下降（P＜0.05）。該結(jié)果說明熟化溫度對樣品的流變性質(zhì)影響較大，且隨著熟化溫度的升高，樣品的粘性成分所占相對比例和樣品的整體機械加工強度降低。同時由于3個熟化溫度下 tanδ均較?。╰anδ＜1），這在一定程度上說明人造奶油仍是一種固體性質(zhì)為主的粘彈性產(chǎn)品。τSY表示使樣品流動的最小的力，τSY越小，樣品越容易流動，因此其涂抹性越好。但是τSY太小，產(chǎn)品容易變形，不足以保持產(chǎn)品的形狀。實驗結(jié)果顯示隨著熟化溫度的升高其τSY逐漸減小，可見熟化溫度越高，樣品的涂抹性越好。但是從硬度的比較發(fā)現(xiàn)熟化溫度為30℃的樣品太軟，不利于產(chǎn)品的儲藏和運輸。比較自制奶油與商品人造奶油的流變特性參數(shù)，熟化溫度為25℃的樣品與商品人造奶油較為相近，因此兩者具有相似的流變特性。G'是流變參數(shù)中較為靈敏的參數(shù)，因此許多研究均利用G'的變化來衡量樣品流變性質(zhì)的改變。隨著熟化溫度的升高，G'下降的百分比分別為71%和10%，而熟化7 d后的即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)則分別為26.87%、16.25%和10.06%，其下降的百分比則分別為38%和52%。這表明G'和即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)相關(guān)性并不高。這是由于樣品流變特性的改變不僅取決于固體脂肪質(zhì)量分數(shù)，而且要受到晶體的類型、大小和晶體分布的影響[3-4]。

2.3 熟化溫度對晶體微觀形態(tài)的影響

食品的微觀形態(tài)和組成決定其流變特性，而這三者又共同影響著食品的質(zhì)構(gòu)特性。圖3顯示利用偏振光顯微鏡檢測不同熟化溫度下人造奶油樣品微觀形態(tài)的變化。

熟化1 d時，3個熟化溫度下人造奶油產(chǎn)品的晶體顆粒均較小，且分布均勻，但是隨著熟化溫度的升高，晶體網(wǎng)絡(luò)的致密程度有所降低；熟化3 d時，熟化溫度為20℃的樣品其晶體顆粒明顯增大，且已出現(xiàn)晶體的聚集現(xiàn)象，而熟化溫度為25℃和30℃下的樣品結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)逐漸完善；熟化7 d時，熟化溫度為20℃的樣品具有更加緊湊的晶體骨架，即晶體顆粒之間具有更強的相互作用力，這從該條件下G*相對較大可得到印證。熟化溫度為25℃的樣品其晶體顆粒尺寸有所增加使得晶體數(shù)目減少，晶體顆粒間的結(jié)晶鏈有少量融化現(xiàn)象，結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)相對疏松，樣品塑性有所改善。而對于熟化溫度為30℃的樣品，由于溫度過高，其低熔點組份出現(xiàn)大量融化，結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大量空隙，填充度明顯降低。綜上所述

可知，隨著溫度的升高，晶體顆粒間的鏈接較易融化，使得結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)疏松多孔，進而影響人造奶油樣品的硬度。

圖3 不同熟化溫度儲藏及溫度波動情況下微觀形態(tài)的變化Fig.3 Change of microstructure during various storage conditions

有研究發(fā)現(xiàn)溫度波動能夠促進晶型的轉(zhuǎn)化的作用，而且晶型的轉(zhuǎn)化是誘使人造奶油起砂的主要原因[11]。為驗證3個熟化溫度下樣品的晶體穩(wěn)定性，對熟化7 d后的樣品進行溫度波動處理，波動周期為25℃儲藏24 h，5℃儲藏24 h，依次交替，觀察人造奶油樣品的起砂情況。根據(jù)圖3可得：熟化溫度為20℃的樣品無起砂現(xiàn)象，但在溫度波動過程其結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)遭受了一定程度的破壞；熟化溫度為30℃的樣品溫度波動7 d時出現(xiàn)了60 μm左右的晶體顆粒，溫度波動21 d時出現(xiàn)了大于300 μm的晶體顆粒，而肉眼能夠觀察到的最小顆粒大小為100 μm左右[12]，出現(xiàn)明顯的起砂現(xiàn)象；而熟化溫度為25°C的樣品在溫度波動過程中結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)無明顯變化。

綜上可推斷：較低的熟化溫度會造成人造奶油樣品的后結(jié)晶，而后結(jié)晶的樣品由于其結(jié)晶的無序性使其抵抗溫度波動的能力較??；較高的熟化溫度下樣品的固體脂肪質(zhì)量分數(shù)較低，結(jié)晶量較少，不能形成完善的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)，溫度波動下容易起砂；合適熟化溫度能夠使產(chǎn)品具有良好的抵抗溫度波動的能力。

2.4 熟化溫度對晶型的影響

將熟化7 d后的樣品進行溫度波動，波動周期為25℃儲藏24 h，5℃儲藏24 h。利用X-衍射檢測分析不同熟化條件下的人造奶油樣品經(jīng)歷溫度波動21 d后的晶型，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知：熟化條件為20℃和25℃的產(chǎn)品在溫度波動21 d以后呈現(xiàn)β和β'晶型共存的狀態(tài)，但是β'晶型的含量遠大于β晶型的含量；熟化條件為30°C的樣品在4.6 Ao附近出現(xiàn)一個特別明顯的強峰，表明這種產(chǎn)品是以β晶型為主，因此在一定程度上印證了晶型的轉(zhuǎn)化是導致熟化溫度為30℃樣品起砂的主要原因。對于人造奶油產(chǎn)品而言，β'晶型是理想的形態(tài)，由于β'晶型較小，所形成的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)精細，包裹液油能力強，使產(chǎn)品表面光滑，質(zhì)構(gòu)柔軟；而β晶型緊密粗大，在儲藏過程中會不斷增大，容易形成砂粒，也會導致人造奶油起泡性和打發(fā)性變差。綜上可知棕櫚油基的人造奶油不能在30℃及其以上的溫度下熟化，過高的溫度會導致產(chǎn)品晶型較早發(fā)生轉(zhuǎn)化，造成一系列品質(zhì)和功能特性的問題。

圖4 不同熟化溫度下樣品溫度波動21 d后的X-衍射譜圖Fig.4 X-RD spectra of samples after 21 days under temperature fluctuation cycle

2.5 熟化溫度對晶體熱穩(wěn)定性的影響

利用差示掃描量熱儀檢測樣品儲藏中熔化曲線峰型和峰值的變化在一定程度上可以反映人造奶油樣品晶體熱穩(wěn)定性的差異，熔化曲線趨于平緩和峰值的升高會帶來人造奶油產(chǎn)品口熔性和口感的變差。檢測分析不同熟化溫度下人造奶油樣品儲藏過程中晶體熱穩(wěn)定性的變化，結(jié)果如圖5和表3所示。

圖5 不同熟化溫度下儲藏及溫度波動過程中樣品熱穩(wěn)定性的變化Fig.5 Change of Thermal stability during various storage conditions

表3 不同熟化溫度儲藏及溫度波動過程中樣品峰溫的變化Table 3 Change of Peak temperature during various storage conditions

從圖 5（a）和表 3（a）可知：對比曲線 B 與曲線A，較低溫度的融化峰消失，這可能是由于后結(jié)晶組份的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定使得部分晶型發(fā)生轉(zhuǎn)化造成的，但較高溫度峰的峰值只增加了0.32℃，不會對融化特性產(chǎn)生較大的影響；對比曲線B、曲線C、曲線D和曲線E，隨著溫度波動時間的延長，熔化曲線變的平緩，曲線E的峰值比曲線B增加了0.71℃，這可能是由于溫度波動造成結(jié)晶程度不同或者少量晶型的轉(zhuǎn)變造成的。 從圖5（b）和表3（b）可知：熟化7 d后樣品的峰值變化不大，雖然溫度波動后峰型變的相對平緩。圖 5（c）和表 3（c）顯示：相對于曲線 A，其他熔化曲線發(fā)生了明顯變化，從熟化7 d開始，熔化曲線在44℃附近出現(xiàn)一個明顯的肩峰，樣品熔點升高。從X-衍射的結(jié)果可以得出造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是該溫度下樣品大量的結(jié)晶從β′晶型轉(zhuǎn)化為β晶型。綜上對比3個熟化溫度下人造奶油樣品的熱穩(wěn)定性可知：熟化溫度為25℃的樣品相對較為穩(wěn)定，熟化溫度為20℃和30℃的樣品的晶體熱穩(wěn)定性較差。

3 結(jié)語

通過研究分析棕櫚油基人造奶油在不同熟化條件下硬度、流變特性、即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)、微觀形態(tài)、熱穩(wěn)定性和晶型轉(zhuǎn)化發(fā)現(xiàn)：熟化溫度為20℃的人造奶油樣品具有相對較好的熱穩(wěn)定性，且晶型以β′為主，但其樣品即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)較大（大于25%），微觀形態(tài)致密，出現(xiàn)明顯的后硬現(xiàn)象，涂抹性較差；熟化溫度為30℃的樣品抹性較好，但其即時固體脂肪質(zhì)量分數(shù)太?。ㄐ∮?0%），不能形成完善的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)，使得硬度較小而不能有效保持產(chǎn)品形狀，且在溫度波動時出現(xiàn)明顯的起砂現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性較差，晶型轉(zhuǎn)化相對明顯；熟化溫度為25℃的樣品具有合適的即時固體脂肪含量、完善的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)、適當?shù)挠捕群团c市售高級人造奶油相似的流變特性，且其抵抗溫度波動的能力較強，能夠較長時間的保持β′晶型，是棕櫚油基人造奶油較為合適的熟化溫度。研究也表明，穩(wěn)定的熟化溫度是很重要的，即便5℃的差異也會造成產(chǎn)品性能的顯著差異。

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