乳化劑對富含甘油二酯的人造奶油乳化體系結(jié)晶行為的影響

郭雅佳，劉 尊，宋 佳，仇超穎，汪 勇

(1.暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，廣東高校油脂生物煉制工程技術(shù)研究中心，廣州510632；2.廣東省糧油副產(chǎn)物生物煉制工程技術(shù)研究中心，暨南大學(xué)-薩斯喀切溫大學(xué)“油料生物煉制與營養(yǎng)”聯(lián)合實(shí)驗室，廣州510632)

油脂化學(xué)

乳化劑對富含甘油二酯的人造奶油乳化體系結(jié)晶行為的影響

郭雅佳1,2，劉 尊1,2，宋 佳1,2，仇超穎1,2，汪 勇1,2

(1.暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，廣東高校油脂生物煉制工程技術(shù)研究中心，廣州510632；2.廣東省糧油副產(chǎn)物生物煉制工程技術(shù)研究中心，暨南大學(xué)-薩斯喀切溫大學(xué)“油料生物煉制與營養(yǎng)”聯(lián)合實(shí)驗室，廣州510632)

以飽和單甘酯和棕櫚油(24.℃)為原料，采用脂肪酶 Lipozyme TL IM催化酯交換反應(yīng)制備含甘油二酯(31.2%)的人造奶油基料油。利用差示掃描量熱儀(DSC)、核磁共振分析儀、偏光顯微鏡(PLM)和X-射線衍射儀(XRD)等研究不同乳化劑(單硬脂酸甘油酯、蔗糖酯、大豆卵磷脂)對甘油二酯基料油制備的人造奶油結(jié)晶行為的影響。結(jié)果表明：單硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂和蔗糖酯復(fù)配質(zhì)量比為1∶1∶1(乳化劑含量為1%)時，制得的人造奶油熔點(diǎn)較低，固體脂肪含量滿足食品工業(yè)人造奶油的要求，在45.℃條件下可全部熔化，且晶體細(xì)膩均勻，能較好地包裹液油。

乳化劑;棕櫚油(24.℃)；甘油二酯;人造奶油；結(jié)晶行為

Abstract：Lipase Lipozyme TL IM was used to catalyze transesterification between saturated monoglyceride and palm oil (24.℃) to prepare margarine based oil containing 31.2% of diacylglycerol.The effects of different emulsifiers (glyceryl monostearate,sucrose ester,soybean lecithin) on crystallization behaviors of the margarine were studied by differential scanning calorimeter (DSC),pulsed nuclear magnetic resonance (pNMR),polarized light microscope (PLM) and X-ray diffractometer (XRD).The results showed that when the mass ratio of glyceryl monostearate,soybean lecithin and sucrose ester was 1∶1∶1(emulsifiers content 1%),the melting point of margarine was low,and the solid fat content could meet the requirements of margarine in food industry,and the product completely melted at 45.℃.Also,the crystal was fine,smooth and evenly distributed.Therefore,it could wrap the fluid oil well.

Keywords：emulsifier; palm oil (24.℃); diacylglycerol; margarine; crystallization behavior

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和飲食結(jié)構(gòu)的變化，油脂在烘焙、冷飲、糖果等行業(yè)中的應(yīng)用增加，過高飽和脂肪酸攝入引起的肥胖問題也日趨嚴(yán)重。研究表明，甘油二酯 (Diacylglycerol,DAG)經(jīng)食用后不易引起肥胖，能有效地抑制實(shí)驗小鼠血清脂質(zhì)的升高，減少脂肪的蓄積，可用于與高脂血癥密切相關(guān)的心腦血管疾病的預(yù)防與治療，如動脈粥樣硬化、脂肪肝、冠心病、腦血栓等[1]，因此將DAG油脂用在食品工業(yè)中具有廣泛的前景。

棕櫚油由于其高產(chǎn)量、低價格及良好的熱穩(wěn)定性、抗氧化性和可塑性等優(yōu)點(diǎn)，作為基料油被廣泛用于起酥油、人造奶油等產(chǎn)品中。但棕櫚油基在加工過程中結(jié)晶緩慢，極易形成大的球晶導(dǎo)致其直接應(yīng)用困難[2]。而乳化劑可作為晶型調(diào)節(jié)劑通過加快或延緩油脂結(jié)晶速度來改變晶體形態(tài)，以改善這些缺陷[3-4]。此外，有研究表明，添加乳化劑可降低人造奶油乳化體系的熔點(diǎn)[5]，低熔點(diǎn)可賦予產(chǎn)品良好的口融性。

本文以飽和單甘酯和棕櫚油(24.℃)為原料，采用脂肪酶 Lipozyme TLIM催化酯交換反應(yīng)制備DAG含量達(dá)到31.2%的人造奶油基料油。選用單硬脂酸甘油酯、蔗糖酯和大豆卵磷脂制備不同乳化劑配比的人造奶油，對比分析不同乳化體系的結(jié)晶行為，確定制備人造奶油的最佳乳化劑復(fù)配配方。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料

1.1.1 原料與試劑

飽和單甘酯(≥94%):廣州美晨集團(tuán)股份有限公司；棕櫚油(24.℃):廣州至潤油脂食品工業(yè)有限公司；單硬脂酸甘油酯(≥90%):佳力士添加劑有限公司；蔗糖酯：柳州高通食品化工有限公司；大豆卵磷脂；Lipozyme TL IM脂肪酶：諾維信(中國) 生物技術(shù)有限公司；正己烷、丙酮，分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

GC-7820A氣相色譜儀：美國Agilent公司；MP502B電子天平；SHZ-D (Ⅲ)循環(huán)水式真空泵；RE-52AAAA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；DSC1差示掃描量熱儀：梅特勒-托利多(中國)；NM-2 型核磁共振分析儀；DH-100型超級恒溫槽；MSALXD-2型全自動 X-射線衍射儀；SMART-POL偏光顯微鏡；MD-80分子蒸餾設(shè)備；T10B均質(zhì)機(jī)：IKA公司。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 酯交換制備含DAG的基料油

按照混合油脂中飽和單甘酯與棕櫚油(24.℃)質(zhì)量比 2∶8，稱取總質(zhì)量為 300.0 g 的混合油脂，加入5% Lipozyme TL IM脂肪酶作為催化劑，放于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀真空條件反應(yīng)，溫度設(shè)定為65.℃，轉(zhuǎn)速100 r/min 反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束后，過濾除去脂肪酶，酯交換油脂再經(jīng)過分子蒸餾(190.℃、絕對壓力0.1 Pa)得到重相富含DAG的基料油(氣相色譜測定DAG含量為31.2%)。

1.2.2 人造奶油的制備

按照質(zhì)量比為84∶1∶15，稱取含DAG基料油、乳化劑和蒸餾水，含DAG基料油在60.℃熔化，加入乳化劑在油相中至均勻溶解，在均質(zhì)機(jī)攪拌(轉(zhuǎn)速3 000 r/min)下緩慢加入蒸餾水，60.℃下攪拌 30 min 形成均一乳狀液，而后浸入0.℃冷卻液(冰塊+乙醇)，持續(xù)攪拌5 min，放入25.℃培養(yǎng)箱熟化48 h最終得到人造奶油乳化體系。

1.2.3 復(fù)配乳化劑配方組成

在復(fù)配配方中每種乳化劑不能為零，所以本設(shè)計為有下界約束的混料回歸設(shè)計。設(shè)定每種乳化劑含量都不小于10%，并設(shè)蔗糖酯、大豆卵磷脂、單硬脂酸甘油酯的含量分別為Z1、Z2、Z3則Z1>0.1，Z2> 0.1，Z3>0.1，且Z1+Z2+Z3=1，變換Z1=0.7X1+0.1，Z2=0.7X2+0.1，Z3=0.7X3+0.1，乳化劑復(fù)配回歸設(shè)計見表1。

表1 乳化劑復(fù)配回歸設(shè)計

1.2.4 脂肪酸組成分析

脂肪酸甲酯化參照 GB/T 17376—2008，采用三氟化硼-甲醇快速甲酯化方法。通過氣相色譜分析脂肪酸組成[6]。色譜條件：DB-Wax 毛細(xì)管柱(10 m × 0.1 mm，0.1 μm)；進(jìn)樣量0.5 μL；進(jìn)樣口溫度和檢測器溫度均為 240.℃；分流比 40∶1；載氣為高純 N2；程序升溫條件為初始溫度100.℃，以 10.℃/min 升溫至 220.℃后保持 2 min，再以40.℃/min升溫至 240.℃并保持 4 min。根據(jù)峰面積用歸一化法計算各組分的相對含量。

1.2.5 甘油酯組成分析[7]

通過氣相色譜分析甘油酯組成。取 50.0 mg 油脂樣品溶于 5.0 mL 丙酮和正己烷體積比為1∶1的復(fù)合溶劑中，采用 0.45 μm 過濾膜進(jìn)行過濾后待測。色譜條件為：DB-1ht 毛細(xì)管柱(15 m × 0.25 mm，0.1 μm)；進(jìn)樣量0.5 μL；進(jìn)樣口溫度和檢測器溫度均為 380.℃；分流比 40∶1；載氣為高純 N2；程序升溫條件為50.℃保持1 min，以50.℃/min 升溫至100.℃，以80.℃/min升溫至220.℃，以 30.℃/min 升溫至290.℃，以 50.℃/min 升溫至330.℃后保持 2 min，最后以 50.℃/min 升溫至380.℃后保持3 min。根據(jù)峰面積用歸一化法計算各組分的相對含量。

1.2.6 熱力學(xué)性質(zhì)分析

依次準(zhǔn)確稱取8.0～12.0 mg樣品平鋪于鋁坩堝內(nèi)并加蓋密封，空坩堝作參比，每個樣品重復(fù)測試2次。DSC參數(shù)：高純N2，流速45 mL/min；機(jī)械制冷降溫；溫度程序為初始溫度25.℃，以 40.℃/min 升溫至 80.℃并保持 10 min，以-5.℃/min冷卻到-50.℃并保持 10 min，再以 5.℃/min 的速率升溫到 80.℃。通過動態(tài)的升降溫過程，得到熔融曲線和結(jié)晶曲線。

1.2.7 固體脂肪含量(SFC)的測定

采用核磁共振分析儀測定不同溫度下樣品的SFC。稱取 3.0 g 左右的樣品于 pNMR 專用玻璃管中，80.℃水浴加熱30 min以消除結(jié)晶記憶，然后轉(zhuǎn)移至0.℃恒溫槽中保持90 min，測得其SFC。樣品在 5～55.℃溫度范圍內(nèi)，每 5.℃恒溫30 min，依次測定其SFC，繪制SFC與溫度關(guān)系曲線。

1.2.8 晶型分析

采用 X-射線衍射儀分析樣品的晶型并計算d值。取適量的樣品平鋪于檢測片上，室溫條件下檢測。條件如下：Cu 靶，工作電壓 36 kV，電流 20 mA，掃描步長 0.02°，掃描范圍 2θ為5°～30°，掃描速度 2(°)/min。

d值為兩個衍射晶面之間的間隔，不同的晶型具有不同的d值參數(shù)，通過d值的差異即能反映不同的晶體類型[8-9]。當(dāng)短間距d=4.15 ?出現(xiàn)吸收峰則說明存在α晶型；當(dāng)短間距d=3.8 ?或4.2 ?出現(xiàn)吸收峰時，表明存在β′晶型；而當(dāng)短間距d=4.6 ?出現(xiàn)吸收峰時，表示有β晶型存在[10]。

1.2.9 晶體微觀形態(tài)分析

取適量樣品于載玻片上，蓋上蓋玻片輕壓成透明薄片，置于80.℃操作臺保持15 min 消除結(jié)晶記憶，連接配有Canon數(shù)碼相機(jī)的偏光顯微鏡觀察樣品的結(jié)晶形態(tài),放大倍數(shù)為 40×10，并拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 脂肪酸和甘油酯組成

原料和基料油的脂肪酸和甘油酯組成見表2。

由表2中脂肪酸組成可知，與主要原料棕櫚油(24.℃)相比，經(jīng)酯交換反應(yīng)和分子蒸餾后得到的基料油，表現(xiàn)為飽和脂肪酸含量上升，不飽和脂肪酸含量下降的趨勢，該趨勢表明在脂肪酶的催化下，棕櫚油與飽和單甘酯發(fā)生了酯交換。酯交換后基料油的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的含量分別為57.4%和42.6%，基料油中主要不飽和脂肪酸為原料棕櫚油(24.℃)中的油酸，含量為35.2%。由甘油酯組成可以發(fā)現(xiàn)，棕櫚油(24.℃)和飽和單甘酯中的DAG含量分別為4.2%和2.9%，而經(jīng)過酯交換反應(yīng)和分子蒸餾后所得的基料油，其DAG含量達(dá)到了31.2%，同時MAG的含量從原料飽和單甘酯中的97.1%下降至3.2%,TAG含量從原料棕櫚油(24.℃)中的95.8%下降至65.6%，證實(shí)二者發(fā)生了酯交換反應(yīng)。說明經(jīng)過酯交換及分子蒸餾可以得到富含DAG的油脂，符合本實(shí)驗對人造奶油基料油的需求。

表2 原料和基料油的脂肪酸和甘油酯組成 %

2.2 結(jié)晶和熔化特性分析

圖1和圖2分別為添加單一乳化劑和復(fù)配配方的人造奶油熔融曲線和結(jié)晶曲線，表3為人造奶油乳化體系初始結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)和相對應(yīng)的焓值。

由圖1a可知，除基料油外各乳化體系在0.℃左右有熔化峰，這是因為冰的熔點(diǎn)為0.℃，各樣品在0.℃左右的熔化峰為水峰。另外，從含單一乳化劑樣品的熔融曲線中可以發(fā)現(xiàn)添加單硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂的樣品在16.℃左右的吸熱峰消失。圖2a熔融曲線中，與基料油的吸熱曲線相比，2號～7號樣品在16.℃左右的吸熱峰也消失，因此可以推斷單硬脂酸甘油酯和大豆卵磷脂更有利于在該溫度下熔化的晶型轉(zhuǎn)化[11]，變?yōu)槿埸c(diǎn)更高、更穩(wěn)定的晶型。1號配方中蔗糖酯含量最高，為乳化劑總含量的80%，因此可以推斷蔗糖酯作用效果并不明顯。

油脂中添加乳化劑對油脂結(jié)晶峰出現(xiàn)的時刻有影響，可以根據(jù)此判斷乳化劑對油脂成核的促進(jìn)與減緩作用[4]。通過對比基料油和添加復(fù)配乳化劑的乳化體系結(jié)晶曲線的第一個主要結(jié)晶峰，可以發(fā)現(xiàn)乳化體系的結(jié)晶峰初始溫度降低，從35.33.℃降低至32.℃左右(見圖2b)，表明添加的乳化劑對含飽和脂肪酸的甘油酯成核起到減緩作用，而對比第二個主結(jié)晶峰發(fā)現(xiàn)，乳化體系的結(jié)晶峰溫度要高于基料油，由此表明添加乳化劑對含不飽和脂肪酸的甘油酯成核起到促進(jìn)作用。

圖1添加單一乳化劑的人造奶油熔融曲線(a)和結(jié)晶曲線(b)

表3 人造奶油乳化體系初始結(jié)晶溫度、熔點(diǎn)和相對應(yīng)的焓值

由表3可知，與基料油相比，添加單硬脂酸甘油酯或大豆卵磷脂的人造奶油樣品熔點(diǎn)均有降低(分別為43.84.℃和43.50.℃)，添加單一蔗糖酯的樣品熔點(diǎn)則有所升高 (57.06.℃)。在復(fù)配樣品中，添加2號、3號、5號、7號配方乳化劑熔點(diǎn)降低程度最大，約為3～4.℃，而添加1號、4號、6號配方乳化劑的樣品，熔點(diǎn)降低并不明顯，甚至高于添加單一單硬脂酸甘油酯和大豆卵磷脂樣品的熔點(diǎn)。由于添加單一蔗糖酯的樣品在較高溫度57.06.℃有1個熔化峰(見圖1a)，且1號、4號、6號配方中含有分別為80%、45%、45%的蔗糖酯，可以推斷出蔗糖酯含量過高不利于降低基料油熔點(diǎn)。此外由于蔗糖酯本身熔點(diǎn)高，無法充分混合于乳化體系，同樣會影響樣品的熔化溫度。

綜上所述，2號、3號、5號、7號配方中乳化劑結(jié)晶過程中對含飽和脂肪酸的甘油酯成核起到減緩作用，對含不飽和脂肪酸的甘油酯成核起到促進(jìn)作用，同時能促進(jìn)晶體轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的晶型，人造奶油熔點(diǎn)降低約3～4.℃，符合人造奶油對熔點(diǎn)的要求。

2.3 固體脂肪含量(SFC)

圖3和圖4分別為添加單一乳化劑和復(fù)配配方的人造奶油的SFC與溫度關(guān)系曲線。

SFC在 4～10.℃體現(xiàn)產(chǎn)品在冷藏溫度下的涂抹性；在20～22.℃可分析產(chǎn)品在室溫條件下的油脂穩(wěn)定性和抗?jié)B油能力；在35～37.℃則體現(xiàn)口融性方面的品質(zhì)[12]。

由圖4可知，3號樣品在5.℃條件下的SFC較高，表明冷藏溫度時3號樣品涂抹性較差。在20.℃時，2號、5號、7號樣品的SFC為17%～19.5%，3號樣品的SFC大于20%，而2號、5號、7號在食品工業(yè)用人造奶油的SFC范圍內(nèi)(10%～20%)，說明這3個樣品在室溫條件下不會發(fā)生滲油現(xiàn)象，也不會過軟，符合食品工業(yè)用人造奶油的要求。同時，這3個樣品在37.℃條件下的SFC低于5%，說明這3個樣品的口融性符合要求[13]。且三者均在45.℃可全部熔化。結(jié)合熱性質(zhì)分析，可進(jìn)一步得出2號、5號、7號配方更佳。

圖3 添加單一乳化劑的人造奶油的SFC與溫度關(guān)系曲線

圖4 添加復(fù)配配方的人造奶油的SFC與溫度關(guān)系曲線

2.4 晶型

圖5、圖6分別為添加單一乳化劑和復(fù)配配方的人造奶油的XRD圖譜。

由圖5和圖6可知，基料油在短間距d為 4.6、4.2、4.15 ?和3.8 ?都有衍射峰出現(xiàn)，說明基料油混合了α、β、β′3種晶型；d為4.6 ?和3.8 ?處的衍射峰強(qiáng)度較強(qiáng)，表明β和β′型為主要晶型。對于含有乳化劑的基料油樣品，添加單一單硬脂酸甘油酯的樣品以及1號、6號和7號樣品在d為4.6、4.2、4.15 ?和3.8 ?處都有衍射峰，表明這4種乳化體系中同樣含有α、β、β′3種晶型，而添加單一大豆卵磷脂、蔗糖酯的樣品以及2號～5號樣品在短間距為4.2 ?的衍射峰消失，可能是由于過多的大豆卵磷脂或蔗糖酯會使部分晶型更容易發(fā)生轉(zhuǎn)化，由β′轉(zhuǎn)化為β[14]。

圖5 添加單一乳化劑的人造奶油的XRD圖譜

圖6 添加復(fù)配配方的人造奶油的XRD圖譜

對于人造奶油而言，β′晶型晶體顆粒相對較小，可形成精細(xì)的晶體網(wǎng)絡(luò)，能較好地包裹液油，使產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)柔軟，口感細(xì)膩；而β型結(jié)晶顆粒較大，造成產(chǎn)品質(zhì)地粗糙，具有顆粒感，包裹液油的能力差[15]。其中1號、6號、7號配方樣品在短間距為4.2 ?的衍射峰強(qiáng)度較其他樣品強(qiáng)，說明1號、6號、7號配方更加適合用作人造奶油。

2.5 晶體微觀形態(tài)

圖7為基料油及人造奶油在偏光顯微鏡400倍視野下觀察得到的晶體形態(tài)圖像。

由圖7可知，基料油、添加了單一單硬脂酸甘油酯、大豆卵磷酯的樣品均為尺寸較大的針狀晶體，1號樣品晶體為稀疏的球狀晶體，2號、3號和5號樣品晶體為絮狀，而添加單一蔗糖酯、4號、6號、7號配方的樣品晶體則為細(xì)小的針狀晶體。其中4號配方樣品結(jié)晶分布均勻、細(xì)膩，但晶體分布過密,6號配方樣品晶體稀疏，不能很好地包裹液油和水分，只有7號配方樣品結(jié)晶最為細(xì)膩，且分布均勻、不會太疏或太密，能更好地包裹液油，更符合人造奶油對脂肪晶體形態(tài)的要求。

圖7基料油及人造奶油的PLM圖像

3 結(jié) 論

通過添加不同乳化劑(單硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂和蔗糖酯)制備了富含甘油二酯(31.2%)的人造奶油。研究添加不同乳化劑對人造奶油熔融結(jié)晶性質(zhì)、固體脂肪含量、晶型和晶體形態(tài)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)乳化劑含量為1%，單硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂和蔗糖酯按質(zhì)量比為1∶1∶1的比例復(fù)配時，所制得的人造奶油熔點(diǎn)較低，固體脂肪含量符合食品工業(yè)用人造奶油的要求，涂抹性、口融性好，在45.℃時可全部熔化；且含有較多β′晶型的結(jié)晶，晶體形態(tài)為細(xì)小針狀，分布均勻，顆粒較小，晶體細(xì)膩，能更好地包裹液油。該乳化劑復(fù)配配方可用于制備專用型食品工業(yè)人造奶油。

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Effectofemulsifiersoncrystallizationbehaviorsofdiacylglycerol-enrichedmargarineemulsion

GUO Yajia1,2,LIU Zun1,2,SONG Jia1,2,QIU Chaoying1,2,WANG Yong1,2

(1.Guangdong Engineering Technology Research Center for Oils and Fats Biorefinery,Department ofFood Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China; 2.Guangdong Saskatchewan Oilseed Joint Laboratory,Guangdong Engineering Technology Research Center for Cereals and Oils Byproducts Biorefinery,Guangzhou 510632,China)

TS225.6;TQ641

A

1003-7969(2017)09-0060-06

2016-12-20;

2017-04-20

國家自然科學(xué)基金項目(31371785,31601503);廣東省科技計劃項目(2013B090800009);教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”支持計劃(NCET-12-0675)；廣州市科技計劃項目(2014Y2-00192)

郭雅佳(1994)，女，在讀本科，研究方向為功能油脂(E-mail)1434718704@qq.com。

仇超穎，講師，博士(E-mail)tcyqiu@jnu.edu.cn；汪 勇，研究員，博士(E-mail)twyong@jnu.edu.cn。