β -谷甾醇和γ -谷維素的結(jié)晶行為研究

李 陽，武紅偉，林毅鑫

（1.福建商學(xué)院，福建 福州 350012；2.福建技術(shù)師范學(xué)院，福建 福州 350300）

傳統(tǒng)甘油三酯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建需要依賴飽和脂肪和反式脂肪作為結(jié)構(gòu)脂質(zhì)，形成連續(xù)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]。然而攝取飽和脂肪和反式脂肪威脅著人體健康，因此減少食品中飽和脂肪并消除反式脂肪的迫切需求，有力地促進(jìn)了植物甾醇有機(jī)凝膠作為飽和三酰甘油替代劑的研究[2-3]。

傳統(tǒng)甘油三酯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建[1]見圖1。

圖1 傳統(tǒng)甘油三酯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

植物甾醇及其酯作為新型質(zhì)構(gòu)劑，在構(gòu)建油脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)[4-5]，一方面可以降低飲食中膽固醇的攝??；另一方面還可以降低血脂中低密度脂蛋白（LDL） 的含量，這也促進(jìn)甾醇型有機(jī)凝膠成為近年來的熱門研究課題[6-11]。此外，油脂中的脂肪酸與植物甾醇（本身不易吸收，但能抑制膽固醇吸收） 及谷維素等通過適當(dāng)配比，可以與亞油酸通過協(xié)同作用達(dá)到降低血清膽固醇的目的[2]。

適量的γ -谷維素和植物甾醇混合物在植物油中能夠形成有機(jī)凝膠，如γ -谷維素與二氫膽甾醇、膽固醇、β -谷甾醇和豆甾醇等植物甾醇能夠自組裝形成中空管狀結(jié)晶，并逐漸形成連續(xù)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)[12-15]。

通過研究β -谷甾醇和γ -谷維素的粉末結(jié)晶行為，分析冷卻速度對(duì)β -谷甾醇和γ -谷維素結(jié)晶的影響，并結(jié)合β -谷甾醇和γ -谷維素混合物在油相中的結(jié)晶現(xiàn)象，探索β -谷甾醇和γ -谷維素混合物在油脂中形成自組裝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

β -谷甾醇分析標(biāo)準(zhǔn)品（純度99%），上?；菡\生物有限公司提供；γ - 谷維素分析標(biāo)準(zhǔn)品（純度99%），上海甄準(zhǔn)生物科技有限公司提供；食品級(jí)β -谷甾醇（純度95%），西安維珍生物科技有限公司提供；食品級(jí)γ -谷維素（純度99%），濟(jì)南允誠生物科技有限公司提供；食用玉米油，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

UltimaⅢ型全自動(dòng)X-射線衍射線，日本理學(xué)電機(jī)株氏會(huì)社產(chǎn)品；YP802N 型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；XL30ESEM 型掃描電子顯微鏡，荷蘭FEI 公司產(chǎn)品；偏光顯微鏡，上海光學(xué)儀器廠產(chǎn)品；HJ-4 型多頭磁力加熱攪拌器，常州萬豐儀器制造有限公司產(chǎn)品；質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System 公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 β -谷甾醇重結(jié)晶樣品制備

稱取適量β - 谷甾醇分析純樣品置于燒杯中，在180 ℃下加熱至完全熔化。處理方法一：常溫緩慢冷卻后，研磨成粉末備用。處理方法二：低溫快速冷卻后，研磨成粉末備用。

1.3.2 γ -谷維素重結(jié)晶樣品制備

稱取適量γ - 谷維素分析純樣品置于燒杯中，在180 ℃下加熱至完全熔化。

處理方法一：常溫緩慢冷卻后，研磨成粉末備用。

處理方法二：低溫快速冷卻后，研磨成粉末備用。

1.3.3 β-谷甾醇與γ-谷維素混合物重結(jié)晶樣品制備

分別稱量β -谷甾醇和γ -谷維素分析純（質(zhì)量比為2∶3） 樣品，物理混合后加入燒杯中，在180 ℃下加熱至完全熔化。

處理方法一：常溫緩慢冷卻后，研磨成粉末備用。

處理方法二：低溫快速冷卻后，研磨成粉末備用。

1.3.4 β -谷甾醇與γ -谷維素油脂凝膠的制備

稱取適量β -谷甾醇和γ -谷維素食品級(jí)（質(zhì)量比為2∶3） 樣品，分別加入玉米油脂中，在70 ℃下加熱攪拌至溶解完全后；將其放置于異丙醇-冰水?。?35 ℃） 中，以轉(zhuǎn)速300 r/min 攪拌至樣品呈半流體狀態(tài)，然后在室溫下將樣品以轉(zhuǎn)速200 r/min 攪拌2 min。將制備的樣品置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中養(yǎng)晶48 h，最后置于冰箱中冷藏保存。

1.3.5 X-射線衍射分析[1]

取適量β -谷甾醇、γ -谷維素樣品粉末放置樣品槽于中壓緊，用UltimaⅢX-射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定，選用波長(zhǎng)為0.154 2 nm 的單色Cu Kα2 射線。測(cè)定條件為管流30 mA，管壓40 kV，設(shè)定掃描區(qū)域2～25 °，采樣步寬0.01 °，掃描速度4 °/min，掃描方式為連續(xù)，重復(fù)1 次。

1.3.6 掃描電子顯微鏡測(cè)試（SEM）[16-17]

先把樣品懸浮于丙酮溶液中，用吸管吸取懸浮液滴于載波片上，待丙酮揮發(fā)后，使用噴涂?jī)x對(duì)樣品進(jìn)行鍍金處理，在操作電壓為20 kV 時(shí)，使用掃描電子顯微鏡（SEM） 觀測(cè)樣品的微觀形貌，并選取不同角度拍攝樣品的微觀照片。

1.3.7 油脂凝膠的TPA 測(cè)試參數(shù)

采用質(zhì)構(gòu)分析儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析，取適量熟化樣品置于容器中，測(cè)試參數(shù)為測(cè)試前速度1.0 mm/s，測(cè)試中速度3.0 mm/s，測(cè)試后速度5.0 mm/s，測(cè)試距離10.0 mm；二次測(cè)試距離10.0 mm，測(cè)試時(shí)間5.00 sec，測(cè)試最小力5 g。

1.3.8 油脂凝膠樣品微觀結(jié)構(gòu)的偏光顯微鏡分析

將樣品置于室溫下熟化后，用滴管吸取少量樣品放在載玻片上，用蓋玻片放在樣品表面輕輕擠壓排出氣泡，將制備好的樣品放置于載物臺(tái)上，用偏光顯微鏡測(cè)試觀察樣品微觀結(jié)晶形態(tài)，并用成像系統(tǒng)拍攝照片。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)設(shè)置3 組平行，數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，采用Origin 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 β -谷甾醇重結(jié)晶后的X-Ray 圖譜分析

β -谷甾醇緩慢冷卻結(jié)晶見圖2，β -谷甾醇快速冷卻結(jié)晶見圖3。

圖2 β -谷甾醇緩慢冷卻結(jié)晶

由圖2、圖3 可知，2.38，4.73，14.97，18.35 °附近均出現(xiàn)β -谷甾醇的特征衍射峰，但比較每個(gè)特征衍射峰對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度：圖3 均大于圖2，看來冷卻的速率對(duì)β -谷甾醇的結(jié)晶有較大的影響，且較快的冷卻速率可以對(duì)β -谷甾醇的結(jié)晶起到促進(jìn)作用，快速冷卻的結(jié)晶方法更利于β -谷甾醇形成結(jié)晶。

圖3 β -谷甾醇快速冷卻結(jié)晶

2.2 γ -谷維素粉末重結(jié)晶后的X-Ray 圖譜分析

γ -谷維素緩慢冷卻結(jié)晶見圖4，γ -谷維素快速冷卻結(jié)晶見圖5。

圖4 γ -谷維素緩慢冷卻結(jié)晶

圖5 γ -谷維素快速冷卻結(jié)晶

由圖4 和圖5 可知，γ -谷維素在8～25 °有較多特征衍射峰，這是因?yàn)棣?-谷維素是有多種成分混合組成[2]。圖4 的衍射峰形狀不規(guī)則，可能是由于冷卻速率較慢，不利于γ -谷維素重結(jié)晶。但是，圖4、圖5 在9.9，11.7，16.1，17.2 °附近都有較強(qiáng)的衍射峰。對(duì)比兩圖各峰的吸收強(qiáng)度可以看出圖5 各峰的吸收強(qiáng)度均大于圖4，說明快速冷卻更利于γ -谷維素形成結(jié)晶。

2.3 β -谷甾醇+ γ -谷維素粉末重結(jié)晶后的X-Ray圖譜分析

β -谷甾醇∶γ -谷維素= 3∶2 的混合物重結(jié)晶見圖6。

圖6 β -谷甾醇∶γ -谷維素= 3∶2 的混合物重結(jié)晶

由圖6 可知，在2.38，4.73，14.97，18.39 °附近均出現(xiàn)β -谷甾醇的特征衍射峰，但衍射峰強(qiáng)度都有所減弱。此外，在11.85，18.39 °出現(xiàn)的衍射峰與γ -谷維素的特征衍射峰很相近，而與單一γ -谷維素的X-Ray 圖譜相比特征峰少了很多，說明重結(jié)晶后γ -谷維素晶體發(fā)生了改變，可能與β -谷甾醇發(fā)生鍵和形成了新的晶體。

2.4 β -谷甾醇和γ -谷維素粉末重結(jié)晶后的掃描電子顯微鏡（SEM） 分析

γ -谷維素重結(jié)晶后SEM 圖像見圖7，β -谷甾醇重結(jié)晶后SEM 圖像見圖8，β -谷甾醇+ γ -谷維素混合物重結(jié)晶后SEM 圖像見圖9。

圖7 γ -谷維素重結(jié)晶后SEM 圖像

圖8 β -谷甾醇重結(jié)晶后SEM 圖像

圖9 β -谷甾醇+ γ -谷維素混合物重結(jié)晶后SEM 圖像

由圖7 可知，γ -谷維素成片狀，有明顯的片狀累積的輪廓。γ -谷維素重結(jié)晶后明顯形成的結(jié)晶體更大。

由圖8 可知，β - 谷甾醇晶體比較大，成為一團(tuán)，表面較平滑。但是，表層還有少量小型晶體，可能是β -谷甾醇中的雜質(zhì)。

由圖9 可知，表面有部分的凹陷和不平，整體呈塊狀，這可能是由于β -谷甾醇與γ -谷維素發(fā)生結(jié)合形成新的結(jié)晶。

2.5 不同添加量的β -谷甾醇+ γ -谷維素在油脂中的結(jié)晶形態(tài)分析

β -谷甾醇+ γ -谷維素在玉米油中的添加量依次分別為1%，2%，3%，4%，5%，6%，制備好的油凝膠樣品從冰箱中取適量樣品置于載玻片上壓制成透明薄片，于室溫下放置24 h 后，用偏光顯微鏡觀察樣品的結(jié)晶形態(tài)。

不同添加量的β -谷甾醇+ γ -谷維素在油脂中的結(jié)晶形態(tài)見圖10。

圖10 不同添加量的β -谷甾醇+ γ -谷維素在油脂中的結(jié)晶形態(tài)

由圖10 可知，β -谷甾醇和γ -谷維素的添加量對(duì)油脂中的結(jié)晶體有明顯的影響，且隨著混合甾醇的添加量增加，晶體形成的尺寸也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)混合甾醇的添加量為1%～3%時(shí)，晶體的形狀呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)的管狀結(jié)晶，當(dāng)添加量增大到3%以上時(shí)，晶體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出互相交錯(cuò)的多瓣形聚集態(tài)，形似繡球菊，每瓣由多個(gè)向四周發(fā)射的長(zhǎng)形管狀構(gòu)成，這說明β -谷甾醇+ γ -谷維素相互吸引，并有規(guī)則地組合、排列，構(gòu)建成一種自組裝的新晶體。以上結(jié)果表明，在油相中分子間通過氫鍵相互吸引，可形成自組裝新晶體。晶體的形態(tài)和數(shù)量隨著混合甾醇的比例增加，也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

2.6 β - 谷甾醇+ γ - 谷維素對(duì)油凝膠的質(zhì)構(gòu)特性影響

β - 谷甾醇+ γ - 谷維素的添加量依次分別為0，1%，2%，3%，4%，5%，6%，分析β -谷甾醇+γ -谷維素對(duì)油凝膠的質(zhì)構(gòu)特性影響。

β -谷甾醇+ γ -谷維素對(duì)油凝膠硬度的影響見圖11。

圖11 β -谷甾醇+ γ -谷維素對(duì)油凝膠硬度的影響

β -谷甾醇和γ -谷維素對(duì)油凝膠硬度有明顯的影響，且隨著β -谷甾醇和γ - 谷維素添加量的增加，油凝膠的硬度也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這是由于冷卻過程中β -谷甾醇與γ -谷維素作為質(zhì)構(gòu)劑，依靠氫鍵和范德華力的作用自組裝形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且質(zhì)構(gòu)劑添加量越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越多、越密集、越長(zhǎng)，形成的油凝膠也更加穩(wěn)定。

2.7 β -谷甾醇與γ -谷維素油凝膠自組裝機(jī)理探索

傳統(tǒng)油脂凝膠大多依靠食用油脂中飽和三酰甘油作為質(zhì)構(gòu)劑，谷維素（見圖12） +谷甾醇（見圖13） 作為一類新型質(zhì)構(gòu)劑可以替代或部分替代三酰甘油，制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的油凝膠（見圖14），主要是由于其具備以下基團(tuán)。

γ -谷維素結(jié)構(gòu)式見圖12，β -谷甾醇結(jié)構(gòu)式見圖13，油凝膠樣品照片見圖14。

圖12 γ -谷維素結(jié)構(gòu)式

（1） -OH 基團(tuán)。-OH 是形成凝膠的基礎(chǔ)，可能是由于油脂是非極性的，與類脂結(jié)合以后-OH 的存在使整個(gè)體系呈現(xiàn)出極性，要想結(jié)合形成自組裝的細(xì)管，-OH 必須是存在的基礎(chǔ)。

（2） 環(huán)內(nèi)雙鍵的數(shù)量。環(huán)內(nèi)雙鍵的數(shù)量一定程度上決定了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的速度，凝膠伴隨著非結(jié)合環(huán)加速形成，這可能促進(jìn)了β -谷甾醇與γ -谷維素快速形成油凝膠。

這些基團(tuán)讓它們具有固定植物油等疏水性液體成分，并讓液態(tài)油脂呈現(xiàn)類似固態(tài)油脂的流變學(xué)行為特性，在構(gòu)建油脂凝膠方面發(fā)揮著重要作用。

3 結(jié)論

快速冷卻能夠促進(jìn)β -谷甾醇和γ -谷維素形成結(jié)晶，β -谷甾醇與γ -谷維素粉末混合物重結(jié)晶后可以形成新的晶體。此外，在玉米油中，當(dāng)β - 谷甾醇與γ -谷維素混合物添加量在1%～3%時(shí)，會(huì)形成細(xì)長(zhǎng)的管狀結(jié)晶；當(dāng)添加量增大到3%以上時(shí)，晶體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出互相交錯(cuò)的多瓣形聚集態(tài)，β -谷甾醇與γ -谷維素分子間依靠氫鍵和范德華力的作用自組裝形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，β -谷甾醇與γ -谷維素作為新型質(zhì)構(gòu)劑，可以促使玉米油從流態(tài)向半流態(tài)和固態(tài)的轉(zhuǎn)變，硬度也得到了極大提高。