基料油對水致復(fù)合油凝膠性質(zhì)的影響

胡冰潔，蘭雅淇

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州 510642）

傳統(tǒng)固態(tài)脂肪含有大量的飽和脂肪酸或反式脂肪酸。因此大量食用含傳統(tǒng)固態(tài)脂肪的食品會增加患心血管疾病和其他代謝紊亂疾病的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。有機(jī)凝膠是指在有機(jī)液體中加入凝膠劑，從而具有了與類固體相似物理性質(zhì)的軟材料[4-6]。其中，油凝膠是以液態(tài)植物油為有機(jī)相的傳統(tǒng)固態(tài)脂肪替代品。油凝膠在保留植物油低飽和、零反式脂肪酸的營養(yǎng)特性的同時(shí)也具有良好的穩(wěn)定性和可塑性[1,7]。根據(jù)凝膠劑的分子量，油凝膠可分為大分子油凝膠和小分子油凝膠[3]；油凝膠的制備方法可分為直接制備法和間接制備法。小分子油凝膠可通過直接法制備，即將凝膠劑直接溶解于加熱的液態(tài)基料油中。在冷卻過程中凝膠劑分子通過自組裝形成三維結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)將液態(tài)基料油固化[8]。目前已有許多研究探究了巴西棕櫚蠟[9]、蜂蠟[10]、單甘脂[11]等單組分油凝膠的性質(zhì)。以上凝膠劑因結(jié)晶性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。但也存在著性質(zhì)可調(diào)控性差等缺點(diǎn)。因此，許多研究致力于構(gòu)建復(fù)合油凝膠體系，如β谷甾醇和γ-谷維素[12]、單甘酯和植物甾醇[13]、吐溫20 和硬脂酸[14]、脂肪酸和脂肪醇[15]等。復(fù)合凝膠劑在特定比例下通過分子共組裝機(jī)制形成油凝膠的性能優(yōu)于任一單組分。復(fù)合油凝膠能更好的模仿傳統(tǒng)固態(tài)脂肪，在加工中提供所需的硬度、可延展性、高持油率和高成型溫度等性能[16,17]。復(fù)合油凝膠僅通過改變兩個(gè)凝膠劑的比例便可調(diào)整油凝膠的宏觀性質(zhì)，構(gòu)建滿足不同加工需求的油凝膠。因此，復(fù)合有協(xié)同作用的凝膠劑是一種調(diào)控油凝膠宏觀性質(zhì)更有效的方式。

影響油凝膠性質(zhì)的主要因素為凝膠劑種類、濃度、植物基料油的性質(zhì)和冷卻溫度等。在油凝膠中，基料油的重量占整體凝膠重量的90%甚至更高。基料油的類型是除了凝膠劑種類和濃度之外影響凝膠結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、流變和熱性能的重要因素[7]。已有研究利用葵花籽油、玉米油、橄欖油、菜籽油、榛子油等各種植物油來制備油凝膠[18-21]。研究發(fā)現(xiàn)，基料油的脂肪酸組成，極性和粘度是影響油凝膠理化性質(zhì)的主要因素。由于油凝膠的內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)晶微結(jié)構(gòu)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)由凝膠劑-凝膠劑、凝膠劑-基料油之間的相互作用共同構(gòu)建[4,22]。所以，基料油的性質(zhì)直接影響了凝膠劑和基料油分子之間的相互作用和分子堆積。因此，在研究油凝膠體系的形成機(jī)制以及如何調(diào)整凝膠劑的堆積幾何結(jié)構(gòu)來改變超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮基料油的差異十分重要。

目前有研究首次報(bào)道了通過以水誘導(dǎo)神經(jīng)酰胺和卵磷脂晶體的排列重組來構(gòu)建新的復(fù)合油凝膠體系[23]。在特定的比例下，神經(jīng)酰胺和卵磷脂無法形成一個(gè)穩(wěn)定的油凝膠。但在加入水后，水誘導(dǎo)了晶體之間的連接，與晶體一起形成了穩(wěn)定的油凝膠。水誘導(dǎo)油凝膠轉(zhuǎn)化的典型一個(gè)例子是卵磷脂。隨著微量的極性溶劑（即水）的加入，卵磷脂能夠自組裝在其中通過單軸生長逆轉(zhuǎn)膠束，產(chǎn)生能夠固定液體油的糾纏圓柱形結(jié)構(gòu)。這種圓柱形結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒂袡C(jī)溶劑凝膠化[24]。本研究中，水誘導(dǎo)了神經(jīng)酰胺和卵磷脂結(jié)晶顆粒之間形成毛細(xì)管橋，共同形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。此構(gòu)建方式為開發(fā)傳統(tǒng)固態(tài)脂肪的替代材料提供了可行方案，也增加了在油脂產(chǎn)品中添加水溶性營養(yǎng)物質(zhì)的可能性。少有研究探討基料油的差異對水誘導(dǎo)油凝膠形成機(jī)制及宏觀結(jié)構(gòu)的影響，本研究結(jié)合偏光顯微鏡、流變儀、差示掃描量熱儀、傅立葉紅外光譜儀等表征技術(shù)對制備的水誘導(dǎo)復(fù)合凝膠體系進(jìn)行凝膠特性分析和探究基料油極性影響油凝膠性質(zhì)的機(jī)制。研究對于復(fù)合油凝膠的制備以及它們在食品、藥品和化工工業(yè)中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

神經(jīng)酰胺3（純度＞92%），德國贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)；大豆卵磷脂（純度＞98%），上海阿拉丁試劑公司；葵花籽油，山東魯花集團(tuán)；石蠟油（化學(xué)純），上海泰坦科技股份有限公司；蓖麻油（分析純）、中鏈甘油三酯（化學(xué)純），上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AL104 萬分之一電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；RCT basic 磁力加熱攪拌器，德國IKA 集團(tuán)；Canon 數(shù)碼相機(jī)，日本佳能集團(tuán)；FYL-YS-150L 恒溫箱，北京福意聯(lián)醫(yī)療設(shè)備有限公司；MCR502 流變儀，奧地利安東帕有限公司；DSC8000 差示掃描量熱儀，美國珀金埃爾默儀器有限公司；Bruker Vertex70 傅立葉變換紅外光譜儀，來自德國布魯克公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水致復(fù)合凝膠體配制

在120 °C 下使用磁攪拌器將神經(jīng)酰胺和卵磷脂完全溶解在基料油中，并在（20±1）°C 的培養(yǎng)箱中冷卻4 h。隨后，在1,500 r/min 的磁力攪拌下，向冷卻樣品中加入一定量的水，持續(xù)攪拌10 min，最后將樣品放置在（20±1）°C 下儲存24 h。神經(jīng)酰胺、卵磷脂和水的總濃度保持在15%（m/m）。葵花籽油濃度保持在85%（m/m）。選擇質(zhì)量比為卵磷脂:神經(jīng)酰胺:水=7:6:2 的樣品（7L6C2W）探究不同基料油對水致復(fù)合體系的影響。基料油有：石蠟油（PFO）、葵花籽油（SFO）、80%葵花籽油+20%蓖麻油（8SFO+2CSO）、50%葵花籽油+50%蓖麻油（5SFO+5CSO）、20%葵花籽油+80%蓖麻油（2SFO+8CSO）、蓖麻油（CSO）（以上六種基料油的極性和粘度逐漸增大）和中鏈甘油三酯（MCT）共七種（基料油的極性和粘度見表1）。由此，樣品分別表示為PFO、SFO、8SFO+2CSO、5SFO+5CSO、2SFO+8CSO、CSO 和MCT。

1.3.2 偏光顯微鏡

將少量樣品均勻涂抹在粘附性載玻片上，立即蓋上蓋玻片，使用像素為5 616×3 744 pixel 的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，放大倍數(shù)為400×（40×10）。

1.3.3 流變學(xué)測試

選擇直徑為25 mm 的平行板探頭測試，間隙設(shè)置為0.5 或1 mm，將適量樣品放置于樣品臺上，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行測試。振幅掃描：頻率常數(shù)為1 Hz，測量溫度為 20 ℃，應(yīng)力為 0.01～1 000 Pa，或者應(yīng)變?yōu)?.001%～100%。頻率掃描：壓力常數(shù)為1 Pa 或者0.5%，測量溫度為20 ℃，測試范圍為0.01～10 Hz。溫度掃描：溫度掃描范圍為20～120 ℃，掃描速率為3 ℃/min?；謴?fù)性測試：三段式掃描，測量溫度為20 ℃，掃描程序?yàn)?.01%-10%-0.01%，每段掃描2 min。以第一段測試的粘度平均值視為100%，與第三段測試的粘度平均值比較，計(jì)算樣品的恢復(fù)百分比。

1.3.4 相變行為測試

稱量10 mg 左右樣品于高壓盤中進(jìn)行測試，測試程序設(shè)置為：在20 ℃保持1 min，隨后從20 ℃升溫到120 ℃，速率為5 ℃/min，在120 ℃保持5 min 后進(jìn)行降溫程序，從120 ℃降到20 ℃，速率為5 ℃/min，最后在20 ℃保持1 min 后結(jié)束程序。使用系統(tǒng)自帶軟件進(jìn)行相變開始溫度、峰值溫度和焓變值的數(shù)據(jù)采集。

1.3.5 傅立葉變換紅外光譜測試

選擇ATR 附件，將適量樣品放置于晶體上，使其被完全覆蓋，在室溫下進(jìn)行測試。分辨率：4 cm-1，掃描次數(shù)：64 次，測試范圍：4 000～400 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示。所有數(shù)據(jù)均采用Origin Pro 2018進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同組間的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠結(jié)果與微觀結(jié)構(gòu)

樣品在20 ℃凝膠24 h 后，采用倒置法觀察凝膠結(jié)果。從圖1 可以看出，在倒置1 h 后，所有的樣品均沒有下流或者分層現(xiàn)象，即樣品均形成凝膠?？梢娀嫌偷牟煌瑢Υ藦?fù)合凝膠的形成結(jié)果無顯著影響。然而，基料油本身顏色對凝膠的外觀略有影響，如CSO 本身的顏色較其他基料油偏黃，因此由CSO 制備的凝膠的顏色較其他凝膠的顏色更深。Yang[25]等的研究結(jié)果也表明，基料油的類型會影響油凝膠的顏色和外觀。在油凝膠中，基料油的重量占整體凝膠重量的85%。所以，基料油的顏色會影響油凝膠的表觀顏色。

圖1 不同基料油制備樣品的凝膠結(jié)果Fig.1 Visual appearance images of oleogels with different oil properties

凝膠結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)采用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察。如圖2，由不同基料油制備的樣品的微觀結(jié)構(gòu)具有明顯差異：PFO 表現(xiàn)為由細(xì)短纖維徑向聚集的小球狀晶體；SFO 為片狀和針狀晶體，8SFO+2CSO 與SFO類似，這可能是因?yàn)樵?SFO+2CSO 中，葵花籽油占總油含量的80%（m/m）；從5SFO+5CSO 中觀察到半透明狀的片狀晶體；從2SFO+8CSO 中觀察到小纖維束晶體；CSO 呈現(xiàn)為大纖維束晶體；MCT 晶體為馬耳他十字。SFO、8SFO+2CSO、5SFO+5CSO、2SFO+8CSO和CSO，這幾個(gè)凝膠的晶體形態(tài)相似，而與PFO 和MCT 完全不同。雖然這些晶體的尺寸大小與基料油的極性或者粘性大小無明顯相關(guān)性，但基料油的類型明顯影響了結(jié)晶的形態(tài)。相似的研究也證明這種現(xiàn)象。Lupi[26]使用稻米油、向日葵油和蓖麻油，以單甘酯和二十八烷醇的混合物為凝膠劑研究基料油的極性對凝膠宏觀性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)基料油的種類改變了凝膠劑結(jié)晶的形態(tài)，在不同基料油形成的油凝膠偏光照片中也發(fā)現(xiàn)了玫瑰化狀，針狀等形態(tài)結(jié)晶。在小分子油凝膠中非共價(jià)相互作用是驅(qū)動凝膠因子自組裝形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的核心。Caroline 等[27]認(rèn)為由于溶劑性質(zhì)改變了凝膠體系內(nèi)的非共價(jià)相互作用，從而影響了結(jié)晶的形態(tài)。

圖2 不同基料油制備凝膠的偏光晶體圖Fig.2 Polarized light microscopy images of oleogels with different oil properties

2.2 流變學(xué)性質(zhì)

對不同基料油樣品進(jìn)行小振幅破壞性掃描，掃描結(jié)果見圖3a。從圖中可以看出，所有樣品在整個(gè)LVR范圍內(nèi)中都表現(xiàn)出G’＞G”，表明樣品呈現(xiàn)固態(tài)或半固態(tài)性質(zhì)，結(jié)果與從倒置法觀察到的一致（圖1）。隨著剪切應(yīng)力的增大，凝膠的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞瓦解，表現(xiàn)為樣品的G’和G”值迅速下降。采用LVR 范圍內(nèi)的G’平均值表征和比較由不同基料油制備的樣品的三維網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度[28]（圖3b、3c）。結(jié)果顯示，隨著基料油極性的增大，G’值逐漸增加（圖3b），其中，G’min=223.22 Pa，G’max=1 954.71 Pa，對應(yīng)的基料油分別為PFO 和CSO。隨著基料油粘度的增大，G’值有增加的趨勢，且由粘度為0.72 Pa·s（CSO）與0.082 Pa·s（PFO）基料油制備的樣品呈現(xiàn)顯著性差異（圖3c）。結(jié)果表明，凝膠網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度隨著極性增大而增大。

圖3 （a）不同基料油制備凝膠的振幅掃描圖（b）LVR 范圍內(nèi)G’值與基料油極性的相關(guān)性折線圖（c）LVR 范圍內(nèi)G’值與基料油粘度的相關(guān)性折線圖Fig.3 (a) Amplitude sweeps for oleogels with different oil properties;(b) The storage modulus (G’) in the LVR range of oleogels with different oil polarity had compared;(c) The storage modulus (G’) in the LVR range of samples with different oil viscosity had compared

凝膠網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)晶顆粒由LEC和CER兩凝膠劑共組裝形成。結(jié)晶顆粒之間由水形成毛細(xì)管橋連接，共同形成凝膠網(wǎng)絡(luò)[29,30]。這種水致復(fù)合油凝膠的微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性質(zhì)的調(diào)控更為復(fù)雜。諸多研究討論了毛細(xì)管懸浮液形成凝膠的影響因素，發(fā)現(xiàn)水與顆粒接觸角的影響占據(jù)主要地位[29,31,32]。本研究與Danov 等[33]的研究結(jié)果一致。在探究大豆油與十六烷對懸浮液的強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在顆粒體積份數(shù)相同時(shí)，極性更大的大豆油基料油導(dǎo)致水與顆粒的接觸角從70°減小到12°，因此，含有極性較強(qiáng)大豆油的懸浮液強(qiáng)度從1 000 Pa 增加到4 500 Pa。

2.3 熱力學(xué)性質(zhì)

研究表明，基料油的性質(zhì)會影響油凝膠的熔化和結(jié)晶行為[34]。實(shí)驗(yàn)對不同基料油樣品進(jìn)行DSC 溫度掃描。樣品的熱流圖中在加熱過程中觀察到多個(gè)熔化峰，這是樣品的多組分性質(zhì)導(dǎo)致的[35,36]。冷卻過程中凝膠僅出現(xiàn)一個(gè)結(jié)晶峰，因此僅對樣品的液相-凝膠相相變溫度和焓值與基料油的極性和粘度進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見圖4。如圖所示，隨著基料油極性和粘度的增大，凝膠結(jié)晶的峰值溫度呈下降趨勢，最高結(jié)晶溫度為67.54 ℃，最低結(jié)晶溫度為54.53 ℃；隨著基料油極性和粘度的增大，焓變絕對值逐漸增大，最終趨于平穩(wěn)。最高焓變值為8.09 J/g，最低焓變值為6.60 J/g。結(jié)晶溫度降低和焓變絕對值增大都表明：在結(jié)晶過程中，基料油的極性增大后，樣品凝膠的結(jié)晶度增高[36]。結(jié)晶度的增加表明體系中形成了更多的結(jié)晶顆粒。直接導(dǎo)致凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，進(jìn)而強(qiáng)化凝膠宏觀性質(zhì)。而結(jié)晶度隨極性的進(jìn)一步增加趨于平穩(wěn)則表明凝膠宏觀性質(zhì)的增加不僅僅是因?yàn)榻Y(jié)晶度，也可能源于基料油極性同時(shí)也影響了其他因素。而這種復(fù)雜的多種影響途徑為定制特種用途的油脂提供了可能。

圖4 （a）不同基料油制備凝膠的結(jié)晶溫度和結(jié)晶焓值與基料油極性的相關(guān)性折線圖；（b）不同基料油制備凝膠的結(jié)晶溫度和結(jié)晶焓值與基料油粘度的相關(guān)性折線圖Fig.4 The crystallization enthalpy of oleogels had compared(a) The oleogels with different oil polarity,(b) The samples with different oil viscosity

2.4 氫鍵強(qiáng)度

油凝膠的形成是由非共價(jià)作用，如氫鍵[22,37]、范德華力[38]、π-π 共軛[39]、疏水相互作用[40]、靜電作用[41]、金屬配位相互作用[42]等驅(qū)動的，這些非共價(jià)作用存在于溶劑與溶劑之間，溶劑與凝膠劑之間以及凝膠劑分子之間。實(shí)驗(yàn)利用傅立葉紅外光譜儀分析了不同植物基料油制備凝膠在形成過程中存在的非共價(jià)相互作用，光譜圖見圖5。如圖所示，不同基料油73 600～3 000 cm-1范圍內(nèi)的吸收表明氫鍵的存在，此凝膠體系的非共價(jià)驅(qū)動力主要為氫鍵。為了比較不同樣品間的作用力大小，各個(gè)樣品氫鍵吸收峰的面積見表1。結(jié)果表明，隨著基料油的極性和粘度的增大，氫鍵強(qiáng)度從2.49 增大至7.12 且表現(xiàn)出顯著性差異（p＜0.05）。研究認(rèn)為，基料油的極性和粘度通過調(diào)節(jié)凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成來影響乳液和油凝膠的性質(zhì)。在凝膠形成過程中，粘度和極性影響凝膠分子的溶解度和體系內(nèi)的氫鍵相互作用[43-45]。結(jié)果顯示，基料油的高極性可增加了體系內(nèi)的氫鍵相互作用。有研究表明對于超分子結(jié)構(gòu)的油凝膠，氫鍵是形成超分子凝膠的推動力，隨極性的增大體系氫鍵相互作用增加，形成的凝膠的宏觀性質(zhì)更強(qiáng)。Gravelle等[20]研究了在乙基纖維素凝膠中加入能形成氫鍵相互作用的表面活性劑。研究表明溶劑中的極性物質(zhì)會和凝膠網(wǎng)絡(luò)形成氫鍵相互作用，使凝膠的宏觀性質(zhì)增強(qiáng)。

圖5 不同基料油制備凝膠的傅立葉紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of oleogels with different oil properties

表1 凝膠在3 750～3 100 cm-1范圍內(nèi)的紅外吸收峰面積Table 1 FT-IR spectra absorption peak area of oleogels with different oil properties in 3 750～3 100 cm-1

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以神經(jīng)酰胺和大豆卵磷脂為凝膠劑，通過添加少量的水構(gòu)建了水致復(fù)合油凝膠，研究了基料油性質(zhì)對復(fù)合體系的影響。采用流變儀、差示掃描量熱儀、偏光顯微鏡、傅立葉變換紅外等技術(shù)手段對構(gòu)建的體系進(jìn)行了初步表征和影響機(jī)理的探究。選擇不同極性和粘度的基料油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，基料油性質(zhì)對凝膠的最終形成與否不產(chǎn)生顯著影響，但是改變了凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)。隨著基料油極性和粘度的增大，凝膠的強(qiáng)度增大，油凝膠中的結(jié)晶度增加。FT-IR 結(jié)果表明，使用高極性和高粘度的基料油制備凝膠的過程中會產(chǎn)生更多的氫鍵。研究結(jié)果證明了基料油對該凝膠體系的影響，可以通過改變基料油來定制具有特定性質(zhì)的油凝膠。