薯蕷皂素在食用油脂中有機(jī)凝膠性能和氧化特性研究

鄭麗婷 傅 紅 肖紫芬 葉秀云,2

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院1，福州 350108)(福州大學(xué)酶工程研究所2，福州 350108)

薯蕷皂素在食用油脂中有機(jī)凝膠性能和氧化特性研究

鄭麗婷1傅 紅1肖紫芬1葉秀云1,2

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院1，福州 350108)(福州大學(xué)酶工程研究所2，福州 350108)

研究了薯蕷皂素在油相中的有機(jī)凝膠性能及其氧化特性。質(zhì)構(gòu)分析表明薯蕷皂素在濃度低至3%時(shí)即可在油相中形成有機(jī)凝膠，硬度相當(dāng)于三硬脂酸甘油酯的1.6倍左右。偏光顯微鏡觀察出油相中的薯蕷皂素可自組裝成簇狀晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。紅外光譜圖顯示，樣品在未完全融化時(shí)，羥基伸縮振動(dòng)特征峰從3 452.44 cm-1紅移到3 395.23 cm-1，譜帶變寬，顯示形成分子間氫鍵；完全融化時(shí)，羥基伸縮振動(dòng)特征峰發(fā)生藍(lán)移，并在1 720.99 cm-1波數(shù)處出現(xiàn)新的官能團(tuán)酮基，顯示氫鍵效應(yīng)減弱?？焖僖合嗌V串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜法證明了其融化樣品中有環(huán)己烯酮和環(huán)己酮結(jié)構(gòu)的氧化產(chǎn)物出現(xiàn)，影響到原薯蕷皂素分子間形成的氫鍵。隨著融化時(shí)間的延長，質(zhì)構(gòu)分析表明薯蕷皂素油相樣品的硬度下降。

薯蕷皂素 液晶網(wǎng)絡(luò) 酮基 紅外光譜 液質(zhì)聯(lián)用

近十年來，食品中減少飽和脂肪和消除反式脂肪的需求，使油脂有機(jī)凝膠劑的研究日益活躍。分子量較小及濃度較低的有機(jī)凝膠劑，可以在液態(tài)油脂中自組裝成晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，代替固態(tài)脂肪，增強(qiáng)液體油脂的固化性能[1]。自2002年Bot工作組研究β-谷甾醇和γ-谷維素混合物在植物油中的凝膠性能以來[2-4]，植物甾醇型有機(jī)凝膠劑的凝膠行為及機(jī)理成為關(guān)注的焦點(diǎn)之一[5-6]，池建偉等[7]利用傅里葉紅外光譜法證明了β-谷甾醇和γ-谷維素能夠形成分子間氫鍵，揭示了植物甾醇有機(jī)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的本質(zhì)規(guī)律。

甾族皂素屬于C-27甾族化合物，在大豆、豌豆、花生中含量較高。甾族皂素有強(qiáng)的表面活性，可用于飲料、啤酒等食品中，并是合成性激素、腎上腺皮質(zhì)激素等藥物的重要原料[8-9]，具有抗衰老、改善心血管功能、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能及抗腫瘤等多種藥理作用，因此在保健品、化妝品等外延領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[10]。薯蕷皂素是一種能夠溶解在油脂中的甾族皂素，其熔點(diǎn)范圍為195～205 ℃。薯蕷皂素主要是從山藥、盾葉薯蕷、穿龍薯蕷等的塊莖中提取出來。目前，大多數(shù)廠家使用直接酸水解—有機(jī)溶劑提取的方法提取薯蕷皂素[9-10]。中國是薯蕷皂素的主要生產(chǎn)國，產(chǎn)量占全球的60%[11]。目前，學(xué)術(shù)界對薯蕷皂素的研究主要圍繞其分離純化及藥用功能而展開，對于毒理學(xué)的研究尚未明確，鮮見其在油相中的有機(jī)凝膠特性及其構(gòu)建機(jī)理等報(bào)道。通過紅外光譜法、質(zhì)構(gòu)分析及快速液相色譜串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(LC-QTOF-MS)等技術(shù)，開展薯蕷皂素的凝膠性能、氧化特性及其在液態(tài)油相中構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究，期望探索薯蕷皂素作為食用油脂質(zhì)構(gòu)劑應(yīng)用的可行性。

1 材料與方法

1.1 試劑和原料

一級大豆油：嘉里特種油脂(上海)有限公司，熔點(diǎn)范圍：2～13 ℃；棕櫚油：上海豐益有限公司，精煉油，熔點(diǎn)：40 ℃；薯蕷皂素標(biāo)準(zhǔn)品：上海一基有限公司，純度99%；薯蕷皂素樣品：阿瑞斯生物科技有限公司，純度95%；三油酸甘油酯、三硬脂酸甘油酯、KBr：阿拉丁試劑有限公司，均為AR。

1.2 主要儀器與設(shè)備

TA-XT2質(zhì)構(gòu)儀：英國Stable Micro System公司；尼高力360智能型傅里葉紅外光譜儀：美國尼高力儀器公司；HJ-4A多頭加熱磁力攪拌器：國華儀器有限公司；QTOF 6520四級桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜液質(zhì)聯(lián)用儀：美國Agilent公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

1.3.1.1 薯蕷皂素的油相樣品的制備

選取大豆油和棕櫚原油，混合調(diào)配得到飽和脂肪為30%的油脂基料，向其中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的薯蕷皂素，樣品總質(zhì)量為15 g，將其置于多頭加熱磁力攪拌器下100～120 ℃加熱攪拌至完全溶解，放置在25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中48 h。

1.3.1.2 薯蕷皂素代替三硬脂酸甘油酯硬度的樣品制備

以三油酸甘油酯為油脂基料，分別在其中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的薯蕷皂素、三硬脂酸甘油酯，樣品總質(zhì)量為15 g，將其置于多頭加熱磁力攪拌器下加熱攪拌至完全溶解，放置在25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中24 h。

1.3.1.3 薯蕷皂素樣品融化狀態(tài)的制備

稱取一定質(zhì)量的薯蕷皂素粉末于25 mL小燒杯中，將其置于烤爐中，逐漸升溫將樣品加熱至未完全融化狀態(tài)、完全融化狀態(tài)，于室溫條件下冷卻，備用。

1.3.2 質(zhì)構(gòu)分析[7]

用質(zhì)構(gòu)儀TPA2模式，以直徑為5 mm的探頭(P/5)測樣品硬度值。測試前速度:1.0 mm/s；測試速度:3.0 mm/s；測試后速度：3.0 mm/s；一次距離:10.0 mm；二次距離 10.0 mm；間隔時(shí)間:5.00 s。

1.3.3 偏振光顯微鏡觀察樣品結(jié)晶形態(tài)

取適量薯蕷皂素的油相溶液置于載玻片上，蓋上蓋玻片，輕壓成透明薄片，放置在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中48 h后，用連接Canon數(shù)碼相機(jī)的偏振光顯微鏡觀察樣品的結(jié)晶形態(tài)。顯微鏡放大倍數(shù)為100倍。選擇有代表性的區(qū)域拍照3次，取其中較清晰的圖片進(jìn)行比較。

1.3.4 傅里葉紅外光譜分析鍵合特征

研磨粉末狀薯蕷皂素以及1.3.1.3中制備的干燥樣品，與200 mg純KBr研細(xì)混合至粒度小于2 μm，在油壓機(jī)上壓成透明薄片，用于傅里葉紅外光譜儀分析。

1.3.5 LC-QTOF-MS分析薯蕷皂素氧化產(chǎn)物

1.3.5.1 樣品預(yù)處理

稱取一定量的薯蕷皂素標(biāo)準(zhǔn)品，按照1.3.1.3的方法將樣品完全融化，取出溶于乙腈中，配制成10 mg/kg的溶液，備用。

1.3.5.2 儀器分析條件

色譜柱：Agilent SB-C18(4.6×150 mm，5 μm)，流動(dòng)相為甲醇：水(80:20)，流速1.0 mL/min，柱溫30 ℃，時(shí)間45 min。

ESI源，正模式，掃描范圍：300～800 m/z，掃描頻率1 spectra/s，干燥氣溫度：350 ℃，干燥氣流速：10 L/min，霧化氣壓力：40 spi，毛細(xì)管電壓：3 500 V，破裂電壓：135 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 薯蕷皂素在油相中的有機(jī)凝膠性能

大部分有機(jī)凝膠屬于非聚合體化合物，具有“低分子質(zhì)量、低凝膠濃度”的“兩低”特性，這和傳統(tǒng)的凝膠體系有本質(zhì)區(qū)別[12,13]。通常，產(chǎn)生凝膠的分子數(shù)量相對較低，小于質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%就足以形成凝膠質(zhì)構(gòu)。本研究考察了薯蕷皂素在油相中的硬度等質(zhì)構(gòu)特性及其晶體形態(tài)。

2.1.1 質(zhì)構(gòu)特性

根據(jù)1.3.1.1的樣品制備方法，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的薯蕷皂素在飽和脂肪為30%的液態(tài)油脂基料中的質(zhì)構(gòu)特性。結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的薯蕷皂素油相樣品質(zhì)構(gòu)特性

注：“ND”表示質(zhì)構(gòu)值<5g，不在TA-XT2質(zhì)構(gòu)儀設(shè)定的檢測范圍內(nèi)。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)薯蕷皂素有機(jī)凝膠樣品

從表1的結(jié)果可知，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～8%的薯蕷皂素，在油相中能夠形成具有一定硬度的凝膠體系，其硬度隨著添加濃度的增加而增加。特別是當(dāng)薯蕷皂素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～7%時(shí)，樣品的硬度增加較快，從69.79 g增加到105.67 g。圖1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%～4%)薯蕷皂素的有機(jī)凝膠樣品，可以看出，薯蕷皂素在低濃度下可在油相中形成有機(jī)凝膠。

2.1.2 晶體形態(tài)

用偏光顯微鏡觀察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%、3%、7%、8%)的薯蕷皂素在低飽和脂肪油脂基料中的結(jié)晶形態(tài)。圖2顯示，未添加薯蕷皂素的飽和脂肪為30%的大豆油和棕櫚油，其晶體形態(tài)為細(xì)小的點(diǎn)狀晶型；當(dāng)薯蕷皂素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，在油脂基料中出現(xiàn)了大量的、均勻分布的細(xì)長型纖維狀晶體；當(dāng)薯蕷皂素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，細(xì)長型纖維狀晶體聚集成較規(guī)則的簇狀結(jié)晶，和3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，其纖維狀晶體的長間距縮短；當(dāng)薯蕷皂素達(dá)到8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，簇狀晶型開始變得粗大并集聚成塊。從圖2系列偏振光顯微鏡中可看出，薯蕷皂素能夠形成有別于甘油三酯晶型的細(xì)長型纖維狀晶體，并在低濃度下自組裝成規(guī)則的簇狀晶型。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%、3%、7%、8%)的薯蕷皂素偏光顯微鏡圖片

2.1.3 薯蕷皂素對油脂硬度的影響

以三油酸甘油酯為油脂基料，觀察薯蕷皂素代替飽和脂肪三硬脂酸甘油酯所提供的硬度。結(jié)果如圖3所示。

圖3 油脂硬度與薯蕷皂素及三硬脂酸甘油酯添加量的關(guān)系

由圖3可知，在三硬脂酸甘油酯添加量為8%～24%時(shí)，同等硬度區(qū)間飽和脂肪三硬脂酸甘油酯添加量x1與油脂硬度y的關(guān)系為：y=exp[(x1+0.020 7)/0.043 6](R2=0.982 6)，而薯蕷皂素添加量x2與油脂硬度y的關(guān)系為：y=exp[(x2-0.000 5)/0.026 9](R2=0.992 0)。可以推出，薯蕷皂素添加量x2與三硬脂酸甘油酯添加量x1的關(guān)系：

x2=0.617 0x1+0.013 3

因此可推算出，當(dāng)飽和脂肪為8%～24%時(shí)，薯蕷皂素所提供的硬度相當(dāng)于三硬脂酸甘油酯的1.6倍左右。

2.2 薯蕷皂素晶體形成的鍵合機(jī)理

圖5 薯蕷皂素不同狀態(tài)的紅外光譜圖

2.3 薯蕷皂素油相樣品在融化過程中的質(zhì)構(gòu)變化

當(dāng)薯蕷皂素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，以大豆油為油脂基料，觀察樣品在初始融化溫度120 ℃下，加熱時(shí)間對薯蕷皂素油相樣品質(zhì)構(gòu)的影響。從表2可以看出，隨著加熱時(shí)間的延長，油相的硬度呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是因?yàn)闃悠啡诨瘯r(shí)間增加，導(dǎo)致薯蕷皂素的氧化程度加深，并伴隨著新的氧化產(chǎn)物的生成，最終使得薯蕷皂素分子間氫鍵效應(yīng)減弱，由此降低了自組裝的簇狀晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，這和前述紅外圖譜結(jié)果中未完全融化樣品和完全融化樣品分子特征吸收峰的變化情況相應(yīng)證。

表2 不同氧化時(shí)間薯蕷皂素油相樣品質(zhì)構(gòu)分析

2.4 液質(zhì)聯(lián)用法驗(yàn)證薯蕷皂素的氧化產(chǎn)物

薯蕷皂素的相對分子質(zhì)量為414.62。從圖4的薯蕷皂素分子中官能團(tuán)的氧化特征看，由于其分子結(jié)構(gòu)B環(huán)中的環(huán)己烯雙鍵氧化后可能生成環(huán)己烯酮或環(huán)己烯醇[18]，而環(huán)己烯醇很不穩(wěn)定，會自發(fā)轉(zhuǎn)變成環(huán)己酮[19]。這2種氧化產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)如圖6a和圖6b所示，其相對分子質(zhì)量分別是428和430。

圖6 薯蕷皂素氧化產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)圖

將薯蕷皂素標(biāo)準(zhǔn)品加熱至完全融化，再通過LC-QTOF-MS分析薯蕷皂素氧化產(chǎn)物的保留時(shí)間和質(zhì)譜信息，對樣品成分進(jìn)行鑒別。氧化產(chǎn)物提取后的離子流圖，如圖7a和圖8a所示，可以分別在保留時(shí)間為13.724 min的正模式下得到m/z為429.297 9的離子峰，保留時(shí)間為16.948 min的正模式下得到m/z為431.313 1的離子峰，這表明氧化產(chǎn)物中分別含有環(huán)己烯的氧化結(jié)構(gòu)環(huán)己烯酮和環(huán)己酮。

從圖7、圖8可以推測，當(dāng)薯蕷皂素分子氧化為含有環(huán)己烯酮結(jié)構(gòu)和環(huán)己酮結(jié)構(gòu)的氧化產(chǎn)物時(shí)，其分子空間結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化，并且酮基的生成會進(jìn)一步影響原薯蕷皂素分子中由羥基所形成的分子間氫鍵，這在很大程度上可能是改變薯蕷皂素在油相中凝膠硬度的重要原因。

圖7 生成環(huán)己烯酮的LC-QTOF-MS正模式子掃描下的選擇離子圖和MS圖

圖8 生成環(huán)己酮的LC-QTOF-MS 正模式子掃描下的選擇離子圖和MS圖

3 結(jié)論

低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的薯蕷皂素可以在液體油脂中形成有機(jī)凝膠體系，偏振光顯微鏡顯示其在油相中可以自組裝成晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。紅外光譜法驗(yàn)證了薯蕷皂素可以形成分子間氫鍵，但在樣品融化過程中，分子中有羰基產(chǎn)生，氫鍵效應(yīng)減弱。LC-QTOF-MS證明了其融化樣品中有環(huán)己烯酮和環(huán)己酮結(jié)構(gòu)的氧化產(chǎn)物出現(xiàn)，影響到原薯蕷皂素分子間形成的氫鍵。隨著融化時(shí)間的延長，質(zhì)構(gòu)分析表明薯蕷皂素油相樣品的硬度下降。

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Organogel Properties and Oxidation Characteristics of Diosgenin in Edible Oil

Zheng Liting1Fu Hong1Xiao Zifen1Ye Xiuyun1,2

(College of Biological Science and Technology, Fuzhou University1, Fuzhou 350108)(Enzyme Engineering Research Institute, Fuzhou University2, Fuzhou 350108)

The organogel properties and oxidation characteristics of diosgenin in the oil phase are investigated. Texture analysis (TA) shows that diosgenin can form organogel at concentrations as low as 3% wt/wt, and the hardness provided by diosgenin is equivalently 1.6 times as that of tristearin. The diosgenin in the oil phase presents a new kind of self-assembly crystal structure in turfed shape, which was observed by polarized light microscopy. The hydroxyl bond is broaden and red-shifts from 3 452.44 cm-1to 3 395.23 cm-1when the diosgenin is not completely melt, which indicates the formation of intermolecular hydrogen bonds. While the diosgenin is completely melt, the stretching vibration of hydroxyl groups result in blue-shift, and keto group appears at 1 720.99 cm-1, indicating hydrogen bond effect is weakened Rapid liquid chromatography quadrupole time of flight mass spectrometry (LC-QTOF-MS) verifies that oxidation products generate cyclohexenone and cyclohexanone structure, which affects intermolecular hydrogen bonds. With the extension of the melting time, texture analysis shows that the hardness of diosgenin in the oil phase is reduced.

diosgenin, lipid-crystal networds, keto group, fourier transform infrared spectrometer, liquid chromatography mass spectrometer

TS221

A

1003-0174(2016)06-0103-06

國家自然科學(xué)基金(31271882/C200201)，福建省自然科學(xué)基金(2013J01131)

2014-10-14

鄭麗婷，女，1989年出生，碩士，食品資源開發(fā)與利用

傅紅，女，1970年出生，教授，食品脂質(zhì)開發(fā)與應(yīng)用