乳化劑對(duì)米糠蠟?zāi)z油理化特性的影響

姚云平，寧 靈，于佳睿，李昌模,2

(天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，天津 300457) (桂發(fā)祥十八街麻花食品〔天津〕有限公司2，天津 300221)

凝膠油具備與塑形脂肪相似的流變特性和黏性，是替代塑形脂肪的潛在途徑之一[1,2]。植物蠟根據(jù)化學(xué)成分差異表現(xiàn)出不同的熔化、結(jié)晶溫度及晶體形態(tài)，在凝膠植物油中使用廣泛[3,4]。其中米糠蠟可以構(gòu)建具有明顯濃度依賴性的米糠蠟?zāi)z油，但其口感與米糠蠟添加量呈負(fù)相關(guān)[5]。

一些乳化劑如單硬脂酸甘油酯、單雙甘油脂肪酯、聚甘油脂肪酸酯和硬脂酰乳酸鈉能夠結(jié)晶形成α晶體[6]。目前，使用各種乳化劑作為凝膠劑的研究均有報(bào)道。單硬脂酸甘油酯作為凝膠劑時(shí)，單硬脂酸甘油酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)凝膠強(qiáng)度和持油性分別為(1.03±0.09)N和99.84%; 表觀黏度、復(fù)合模量增加; 配位數(shù)和凝膠強(qiáng)度增大[7]。硬脂酰乳酸鈉與葵花籽油制備凝膠油時(shí)，其濃度越高，結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)越致密，機(jī)械強(qiáng)度越強(qiáng)，持油率越高[8]。有研究報(bào)道，復(fù)合凝膠油的力學(xué)性能優(yōu)于單一凝膠油[9,10]。以甘油單硬脂酸酯(GMS)和聚甘油硬脂酸酯(PGS)為凝膠劑制備向日葵凝膠油，加入兩親體Pluronic F68、Span 80和Tween 60復(fù)配后較低的凝膠濃度即可增強(qiáng)GMS和PGS油凝膠的凝膠穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)更軟，熔點(diǎn)更低，振蕩恢復(fù)力增強(qiáng)[11]。果蠟與卵磷脂復(fù)配制備的凝膠油，微觀結(jié)構(gòu)更加致密，具有更高的持油率和觸變恢復(fù)能力[12]。乙基纖維素也可與單甘酯的羥基之間形成氫鍵，產(chǎn)生正相互作用，改善凝膠油的流變性能[1]。天然脂膜成分植物甾醇與具有類似磷脂成分的單甘酯復(fù)配會(huì)對(duì)凝膠油的結(jié)晶和晶型產(chǎn)生影響，可能是由于復(fù)合凝膠油形成了混合晶體體系[13]。有關(guān)不同類型乳化劑對(duì)米糠蠟?zāi)z油理化性質(zhì)影響的研究報(bào)道較少。

本研究將單硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸鈉和聚甘油脂肪酸酯3種乳化劑分別與米糠蠟復(fù)配作為凝膠因子將大豆油凝膠化，分析乳化劑的比例對(duì)米糠蠟?zāi)z油的持油率、晶型、晶體形態(tài)、熱學(xué)性質(zhì)、分子間作用力及流變性質(zhì)的影響，探究復(fù)合凝膠油的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和凝膠機(jī)制，為開發(fā)低米糠蠟含量、高口感品質(zhì)的凝膠油提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

米糠蠟、大豆油、單硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸鈉(P70)和聚甘油脂肪酸酯。

1.2 儀器設(shè)備

DM4000M偏振光顯微鏡，200F3差示掃描量熱儀，MCR302動(dòng)態(tài)流變儀，D8 Advance X射線衍射儀，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，IS50傅里葉紅外光譜儀。

1.3 方法

1.3.1 凝膠油的制備方法

按照米糠蠟和乳化劑質(zhì)量共占7%制備凝膠油。稱取質(zhì)量比0∶7、1∶6、2∶5、3∶4、4∶3、5∶2、6∶1、7∶0的米糠蠟和乳化劑混合，加入大豆油，超聲振蕩20 min充分混勻，于90 ℃水浴加熱至米糠蠟和乳化劑完全熔化，然后迅速置于4 ℃冰箱中靜置24 h，所有樣品均形成凝膠態(tài)，測(cè)量各項(xiàng)指標(biāo)前將樣品于常溫下靜置至少2 h。

1.3.2 凝膠油持油率測(cè)定

將空的離心管稱重，記為a。然后將1 mL熔化后的凝膠油放入空的離心管中，按照凝膠油制備方法重新結(jié)晶，再次稱重離心管記為b。室溫下以1 000 r/min離心15 min，將試管倒置于濾紙上，靜置3 min，再次稱重記為c。通過式(1)、式(2)計(jì)算凝膠油的持油率:

(1)

持油率=100%-油的損失率

(2)

1.3.3 凝膠油晶體形態(tài)分析

將5 μL熔化后的凝膠油樣品滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，按照凝膠油制備方法重新結(jié)晶。使用偏振光顯微鏡(PLM)觀察樣品結(jié)晶形態(tài),放大倍數(shù)為100倍。

1.3.4 凝膠油熱學(xué)性質(zhì)分析

使用差示掃描量熱儀來測(cè)量凝膠油的熔化和結(jié)晶曲線，并分析凝膠油的熱學(xué)性能。準(zhǔn)確稱取(5±0.2) mg樣品于坩堝中。設(shè)置溫度程序?yàn)椋?0 ℃/min升溫至90 ℃保持3 min；消除結(jié)晶記憶；10 ℃/min降溫至10 ℃；使之充分結(jié)晶；5 ℃升溫至90 ℃；以空白坩堝為參比，吹掃氮?dú)饬魉僭O(shè)置為50 mL/min，保護(hù)氮?dú)饬魉贋?00 mL/min，記錄結(jié)晶及熔化過程中的熱變化曲線。

1.3.5 凝膠油紅外分析

采用配備有衰減全反射附件(Attenuated total reflection，ATR)的 FTIR 光譜儀測(cè)定樣品吸收光譜。掃描波長范圍為 4 000～400 cm-1，以 4 cm-1的分辨率掃描 32 次，并扣除背景。使用OMNIC(Thermo，v8.0)軟件進(jìn)行分析。

1.3.6 凝膠油晶型分析

取適量樣品平鋪于石英片的圓槽內(nèi)，使用X射線衍射儀對(duì)凝膠油樣品晶型進(jìn)行分析。儀器測(cè)試條件設(shè)定為：射線源為Cu-Ka源，工作電壓40 kV，電流20 mA，波長0.154 nm，掃描角度范圍2θ從5°到40°，掃描速率2(°)/min，測(cè)試溫度25 ℃。數(shù)據(jù)處理和分析使用MDI JADE6.0軟件。

1.3.7 凝膠油流變學(xué)特性

將樣品置于2個(gè)直徑40 mm的平板之間。設(shè)置條件如下：間隙1 mm，平板溫度25 ℃，頻率0.1～100 Hz，應(yīng)變0.01%，進(jìn)行頻率掃描。建立頻率與彈性模量(G′)和黏性模量(G″)之間的函數(shù)關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠油持油率分析

凝膠油的持油率反映其結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度，持油率越低結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度越差，凝膠油內(nèi)部越不穩(wěn)定[10,14]。由表1可知，當(dāng)單硬脂酸甘油酯或聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復(fù)配時(shí)，隨著添加比例的增加，凝膠油的持油率呈先升高后降低的趨勢(shì)；添加硬脂酰乳酸鈉形成的凝膠油的持油率隨硬脂酰乳酸鈉的增加而降低。單硬脂酸甘油酯與米糠蠟的比例為5∶2時(shí)，持油率達(dá)到最大值87.94%，相較于單獨(dú)添加7%的米糠蠟(62.03%)或單硬脂酸甘油酯(72.31%)均有大幅提高。這說明單硬脂酸甘油酯與米糠蠟在形成凝膠油的過程中產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度變大，持油率增加[12,15]?？赡苁怯捎趩斡仓岣视王ズ兔卓废炘诤线m的比例條件下，自身含有的羥基提供氫鍵與米糠蠟產(chǎn)生積極作用加強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)液態(tài)油的束縛，增加了凝膠油的持油率。而硬脂酰乳酸鈉是離子型乳化劑，它與液態(tài)油混合形成凝膠油時(shí)由靜電力、范德華力穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu)，與米糠蠟復(fù)配后未產(chǎn)生積極的作用[8]。

表1 不同種類乳化劑制備米糠蠟?zāi)z油持油率

2.2 凝膠油晶體形態(tài)分析

由圖1可知，乳化劑的添加顯著影響米糠蠟?zāi)z油的晶體聚集程度和尺寸大小。單硬脂酸甘油酯與米糠蠟比例為1∶6時(shí)，晶體比較密集，多為細(xì)小針狀，少數(shù)晶體呈現(xiàn)出簇狀，表明晶型復(fù)雜，可能存在晶型的中間過渡態(tài)，這與XRD結(jié)果圖一致[16,17]。隨著單硬脂酸甘油酯含量逐漸增加，晶簇尺寸減小，數(shù)量增多；比例為5∶2時(shí)晶簇大小分布均勻，較大晶簇出現(xiàn)最少，這可能是持油率在5∶2時(shí)最高的原因。硬脂酰乳酸鈉與米糠蠟復(fù)配體系中，隨著硬脂酰乳酸鈉含量增加，晶體形態(tài)由小球狀顆粒堆積轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小針狀；晶體數(shù)量逐漸減小；結(jié)構(gòu)逐漸疏松，導(dǎo)致截留液態(tài)油的能力下降。復(fù)配時(shí)，隨著乳化劑比例增加，晶體形態(tài)由小顆粒堆積逐漸向細(xì)小針狀轉(zhuǎn)變，最后又變?yōu)轭w粒堆積狀。聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟的比例在3∶4時(shí)持油率最高，可能是由于針狀結(jié)構(gòu)提供了更高的比表面積，同時(shí)針狀結(jié)構(gòu)之間也更容易發(fā)生交聯(lián)[18,19]。凝膠油中的晶體形成與凝膠劑類型和配比有關(guān)，乳化劑與米糠蠟共同存在時(shí)會(huì)相互影響和作用。

注：第1列至第3列依次為加入單硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸鈉和聚甘油脂肪酸酯的偏振光圖片。圖1 不同比例乳化劑與米糠蠟復(fù)配對(duì)凝膠油晶體形態(tài)的影響

2.3 凝膠油熱力學(xué)行為

由表2可知，3種乳化劑與米糠蠟復(fù)配的凝膠油樣品中，結(jié)晶曲線中大多出現(xiàn)雙峰，熔化曲線中只有少部分出現(xiàn)雙峰，可能與米糠蠟與乳化劑之間成分和熔點(diǎn)的差異有關(guān)。加入乳化劑復(fù)配后，在結(jié)晶過程中出現(xiàn)共晶現(xiàn)象[20]。在凝膠油樣品中只在少部分熔化曲線中出現(xiàn)雙峰，可能是由于少量乳化劑與蠟各自形成結(jié)晶，只有乳化劑達(dá)到一定量之后才出現(xiàn)明顯低于米糠蠟熔點(diǎn)的熔化峰。

單硬脂酸甘油酯與米糠蠟混合體系，從1∶6到6∶1，隨著單硬脂酸甘油酯添加量增加，結(jié)晶起始溫度由62.3 ℃逐漸降低至37.5 ℃；結(jié)晶焓總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從9.24 J/g降低到3.69 J/g，說明單硬脂酸甘油酯的加入使米糠蠟?zāi)z油中分子排列的有序度降低，不利于混合體系的結(jié)晶[21]。在熔化曲線中出現(xiàn)相似的現(xiàn)象，從3∶4開始出現(xiàn)低溫和高溫2個(gè)熔化峰，起始熔化溫度從58.1 ℃降低至30.3 ℃，熔化范圍變寬，部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)?；焓變?.44 J/g降低至1.98 J/g，單硬脂酸甘油酯的添加量對(duì)米糠蠟?zāi)z油的結(jié)晶和熔化產(chǎn)生明顯影響。

表2 乳化劑與米糠蠟復(fù)配制備凝膠油的熱學(xué)性質(zhì)參數(shù)

硬脂酰乳酸鈉或聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟組成的混合體系出現(xiàn)與單硬脂酸甘油酯凝膠油體系相似現(xiàn)象，起始結(jié)晶和熔化溫度降低，焓變值下降，隨著乳化劑含量增加開始出現(xiàn)雙峰，熔化條件下高溫和低溫分別對(duì)應(yīng)于米糠蠟和乳化劑，結(jié)晶條件下則相反。其中硬脂酰乳酸鈉的起始結(jié)晶和熔化溫度分別降低了31.1 ℃和7.3 ℃；焓變值最大降低了2.80 J/g和4.59 J/g；聚甘油脂肪酸酯體系分別降低了28.9 ℃和30.1 ℃；焓變值降低了4.66 J/g和4.14 J/g。Rizzo等[22]在脂肪結(jié)晶過程中加入2種不同結(jié)構(gòu)的乳化劑(單甘油酯、二甘油酯和Tween 80)，發(fā)現(xiàn)由于Tween 80的結(jié)構(gòu)特性(不飽和碳鏈和大的親水頭)，導(dǎo)致形成不完美的晶體和松散的晶體網(wǎng)絡(luò)，熔化所需的能量減少；這一結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

3種乳化劑的添加都降低了分子排列的有序度，吸熱放熱更少，不利于米糠蠟?zāi)z油的結(jié)晶，形成的凝膠油更容易被熔化，更容易加工處理[23]。同比例下單硬脂酸甘油酯體系的焓變值最高，表明單硬脂酸甘油酯體系形成凝膠油的自發(fā)性是三者中最強(qiáng)的，在相同條件下升溫熔化該體系需要的能量更多，降溫結(jié)晶時(shí)更容易形成凝膠油[24]。

2.4 凝膠油分子間作用力分析

2.5 凝膠油晶型分析

由圖3所示，廣角X射線衍射圖中，0.46 nm處的強(qiáng)衍射峰為β晶型的特征，0.42 nm和0.38 nm附近的強(qiáng)衍射峰為β′晶型的特征峰，0.42 nm處的衍射峰為α晶型的特征峰[24]。凝膠油中的晶體類型主要由凝膠劑決定，液態(tài)油的加入未改變其晶體類型。米糠蠟?zāi)z油中出現(xiàn)的晶型主要是β′型，隨著單硬脂酸甘油酯含量增加，當(dāng)單硬脂酸甘油酯與米糠蠟復(fù)配比例為2∶5時(shí)，在0.46 nm附近出現(xiàn)新的衍射峰，0.42 nm和0.38 nm處的衍射峰強(qiáng)度變?nèi)?，這可以解釋為單硬脂酸甘油酯的加入使得凝膠油中脂肪晶體堆積排列方式發(fā)生改變，β′晶型向α和β晶型轉(zhuǎn)變，晶體類型由β′型轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢ⅵ隆?、?3種晶型共存。硬脂酰乳酸鈉與米糠蠟復(fù)配時(shí)，隨著添加比例增加，β′晶體衍射峰逐漸消失，0.42 nm處出現(xiàn)代表α晶體的弱衍射峰和非典型晶體的弱衍射峰，此時(shí)體系內(nèi)形成少量的晶格結(jié)構(gòu)，更多的無定形結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)的排列變的雜亂，接近凝膠油的凝膠臨界狀態(tài)[28]。晶體類型和數(shù)量的變化可能是其持油率及熱焓變值逐漸下降的原因。與聚甘油脂肪酸酯組合時(shí)，隨著聚甘油脂肪酸酯比例的增加，0.38 nm處的衍射峰消失，0.42 nm處代表α晶體的衍射峰強(qiáng)度減弱，α晶體在3種晶型中穩(wěn)定性最差。硬脂酰乳酸鈉或聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復(fù)配時(shí)衍射峰的這種變化也可能與乳化劑溶解度有關(guān)。乳化劑溶解于液油中未發(fā)揮凝膠作用，因此凝膠體系不穩(wěn)定[29]。XRD結(jié)果表明，晶型種類及晶體含量與凝膠劑類型相關(guān)，不同乳化劑與米糠蠟復(fù)配制備的凝膠油結(jié)晶形成機(jī)理的不同導(dǎo)致樣品晶型存在較大差異，含有不同晶型的凝膠油可以滿足油脂工業(yè)中的不同需求。

圖2 不同比例乳化劑與米糠蠟復(fù)配對(duì)凝膠油分子間作用力的影響

圖3 不同比例乳化劑與米糠蠟復(fù)配對(duì)凝膠油晶型的影響

2.6 凝膠油流變學(xué)分析

由圖4可知，所有樣品的G′(彈性模量)>G″(黏性模量)，表明樣品形成了凝膠結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出固體性質(zhì)，主要發(fā)生彈性形變[30]。單硬脂酸甘油酯與米糠蠟復(fù)配時(shí)，G′和G″對(duì)頻率的依賴性較低，反映凝膠油中存在較強(qiáng)的晶體網(wǎng)絡(luò)連接。少量單硬脂酸甘油酯與其復(fù)配時(shí)(單硬脂酸甘油酯與米糠蠟比例為1∶6時(shí))凝膠油G′增加，繼續(xù)增加單硬脂酸甘油酯含量，G′值逐漸下降，其中單硬脂酸甘油酯∶米糠蠟比例為4∶3時(shí)下降幅度最顯著，可能是因?yàn)榧尤脒m量單硬脂酸甘油酯的混合凝膠油中晶體間形成更致密的結(jié)構(gòu)截留液態(tài)油。加入硬脂乳酸鈉與米糠蠟復(fù)配時(shí)，G″和G″呈現(xiàn)頻率依賴性，說明樣品內(nèi)部晶體形態(tài)分布較為疏松，為弱作用。G′和G″值呈現(xiàn)降低-增加-降低的整體趨勢(shì)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是凝膠油樣品狀態(tài)接近臨界成膠狀態(tài)，凝膠結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復(fù)配時(shí)同樣呈現(xiàn)明顯的頻率依賴性，G′和G″值較低且不穩(wěn)定，不同樣品或同一樣品G′與G″間存在交叉，規(guī)律性不明顯，說明內(nèi)部晶體數(shù)量較少且排列松散，狀態(tài)更接近臨界成膠狀態(tài)，部分呈現(xiàn)黏性溶液特征。流變結(jié)果表明，單硬脂酸甘油酯能在適當(dāng)含量下與米糠蠟產(chǎn)生積極作用，增加樣品的G′和G″值。硬脂酰乳酸鈉和聚甘油脂肪酸酯與米糠蠟復(fù)配降低凝膠油的G′和G″值，形成的凝膠油結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定。

圖4 不同比例乳化劑與RBW復(fù)配對(duì)凝膠油流變特性的影響

3 結(jié)論

通過探究3種不同類型乳化劑與米糠蠟復(fù)配制備凝膠油的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)非離子型乳化劑單硬脂酸甘油酯與米糠蠟復(fù)配制備凝膠油的效果最好，研究結(jié)果為未來開發(fā)口感更好的塑性脂肪替代物提供新思路，對(duì)食品的多樣性和安全性有重要意義。