酶促酯交换对棕榈硬脂基塑性脂肪甘三酯组成及物理性能的影响

赵亚丽,宗敏华,李　冰,2,吴　虹,2,*

(1.华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510640;2.广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室,广东广州 510640)



酶促酯交换对棕榈硬脂基塑性脂肪甘三酯组成及物理性能的影响

赵亚丽1,宗敏华1,李冰1,2,吴虹1,2,*

(1.华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510640;2.广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室,广东广州 510640)

利用脂肪酶Lipozyme TLIM催化棕榈硬脂(PS)与大豆油(SO)(PS∶SO分别为9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,wt%)酯交换反应,研究酯交换反应前后混合油脂体系中甘三酯组成的变化及其与油脂物理性能的关系。结果发现,酯交换后油脂中PPP、LLL、POP、PPL、PLL、PLO六种甘三酯含量发生明显变化,其中PPP、LLL含量下降,PPL、PLL、PLO含量增加,而POP除9∶1外,其含量均下降;SSS(S代表饱和脂肪酸)和UUU(U代表饱和脂肪酸)型甘三酯含量下降,而SUU和SUS含量增大,导致油脂熔点和固体脂肪含量(SFC)均不同程度下降,从而可制备不同SFC要求的塑性脂肪。PS∶SO为7∶3、6∶4、5∶5时,酯交换后油脂β′晶型增多,可为人造奶油、速冻专用油脂等塑性脂肪提供理想晶型。

酶促酯交换,棕榈硬脂,大豆油,甘三酯,物理性能

棕榈硬脂(PS)是棕榈油的一种分提物,固体脂肪含量较高,具有良好的可塑性和稳定性[1-2],所以常用于塑性脂肪的制备。棕榈硬脂中含有的甘三酯主要为三棕榈酸甘油酯(PPP)、2-油酸-1,3-二棕榈酸甘油酯(POP)、1-棕榈酸-2,3-二油酸甘油酯(POO)、1,2-二棕榈酸-3-亚油酸甘油酯(PPL)、1,2-二棕榈酸-3-硬脂酸甘油酯(PPS)、1-棕榈酸-2-油酸-3-硬脂酸甘油酯(POS)和1-棕榈酸-2-亚油酸-3油酸甘油酯(PLO)等。由于其中高饱和度甘三酯如PPP、POP、PPS等含量较高,导致油脂熔点过高,硬度较大,且易形成大的晶体颗粒,影响产品口感等[3],因此常常将其与其他液体油脂混合使用。

甘三酯是油脂的基本组成单元,通过改变油脂甘三酯分子结构及含量,可以改善其物理性能及产品品质。因此,在制备棕榈硬脂基塑性脂肪时,可采用酯交换方法对棕榈硬脂进行改性。Costales-Rodriguez等[4]研究了棕榈硬脂与大豆油酶促酯交换制备含低反式脂肪酸的人造奶油,发现酯交换油脂熔点下降9 ℃左右,非常适合用于制备人造奶油。Zhao等[5]对比研究了脂肪酶Lipozyme TL IM催化白木通籽油与棕榈硬脂酯交换前后油脂的物理性质,结果表明,酯交换后油脂的熔点降低,25 ℃固体脂肪含量为16.11%～28.29%,大部分为β′晶型,且未检测到反式脂肪酸,适合于制备不含反式脂肪酸的塑性脂肪。冀聪伟等[6]发现脂肪酶Lipozyme RM IM催化棕榈硬脂和猪油酯交换反应后油脂体系的相容性得到了显著的改善,且油脂的晶型大部分为β′型,适合用作焙烤起酥油。

本课题组研究发现质量比为7∶3的棕榈硬脂与大豆油进行酶促酯交换反应后,所制备的速冻油脂的抗冻性能优于市售产品[7],其原因是油脂中某些高熔点甘三酯含量的变化导致其物理性能的改变,但未研究不同质量比的棕榈硬脂与大豆油经酶促酯交换后甘三酯组成的变化及其对物理性能的影响规律。已有研究表明,具有Sn-1,3位置选择性的固定化脂肪酶Lipozyme TL IM具有良好的酯交换反应活性、操作稳定性,且价格较低廉[8-9],因此,本文将采用脂肪酶Lipozyme TL IM催化一系列不同质量比的棕榈硬脂与大豆油进行酯交换反应,系统研究油脂的甘三酯组成变化与其物理性能的关系,为获得应用范围更广且品质优良的棕榈硬脂基塑性脂肪提供依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

棕榈硬脂和大豆油深圳精益油脂有限公司;固定化脂肪酶Lipozyme TL IM(酶活1130 U/g)广州诺维信生物技术有限公司;乙腈、异丙醇、三氯甲烷等国药集团化学试剂有限公司;试剂均为分析纯。

JB-5型恒温磁力搅拌器德国Sartorius公司;RE-52AA型旋转蒸发器上海亚荣生化仪器厂;P680ELSD高效液相色谱仪美国Waters公司;Q100型差示热量扫描仪美国TA仪器公司;D8 ADVANCE型X射线衍射仪、Minispec mq1型脉冲核磁共振仪德国Bruker公司;DC-3006型低温恒温水浴循环器宁波新芝仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1样品制备在250 mL圆底烧瓶中装入160 g不同质量比的棕榈硬脂(PS)和大豆油(SO)混合物(PS∶SO分别为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5,wt%),置于90 ℃真空条件下脱水60 min,然后降温至60 ℃,根据课题组的前期研究结果,加入油重8%(12.8 g)[7]的固定化脂肪酶Lipozyme TL IM进行反应,搅拌速率200 r/min。每隔20 min取样一次,3 h后停止反应。

1.2.2熔点测定法使用开口毛细管法AOCS Official Method Cc 3-25测定油脂熔点。

1.2.3甘三酯的测定油脂中甘三酯的定量分析采用高效液相色谱法(HPLC)。准确称取30 mg样品溶于30 mL三氯甲烷中,使用0.45 μm有机微孔滤膜过滤。然后收集滤液进行样品HPLC分析。采用美国Dionex公司的高效液相色谱仪(Dionex SUMMIT),蒸发光散射检测器(Alltech ELSD2000ES),Symnetry C18柱(4.6×150 mm,5 μm);流动相为体积比为50∶50的A和B混合液,其中A为乙腈,B为体积比为4∶5的正己烷和异丙醇,流速1.0 mL/min,保留时间35 min;检测器温度70 ℃,氮气流量:1.8 L/min,柱温25 ℃,进样量为3 μL。每个油样平行检测三次,取平均值,甘三酯的含量单位为单位质量油脂中所含甘三酯的质量,g/g(%)。

1.2.4固体脂肪含量测定采用AOCS Cd16b-81法,利用德国Bruker公司脉冲式核磁共振仪Minispec测定。将油脂样品放入专用核磁管中,油样高度略高于管高1/2。在80 ℃下保温30 min,使油脂充分融化,然后将样品置于0 ℃下保温90 min后测定0 ℃对应的固体脂肪含量,接着将样品依次放入10、20、30、35、40、45 ℃环境中分别保持30 min后测定对应温度下油脂的固体脂肪含量。

1.2.5晶型的测定使用X射线衍射法进行油脂晶型测定。测定前先将油样置于24 ℃环境中保存48 h,然后取适量油样均匀涂抹于检测片上的圆孔内,在25 ℃环境下测定,工作电压电流分别为40 kV和40 mA,扫描范围为10～30 ℃,扫描步长0.02°,扫描速度为0.1 s/步,按以下公式计算晶型相对百分含量:

β=(iβ×100%)/(iβ+iβ′)

β′=(iβ′×100%)/(iβ+iβ′)

式中,iβ是表示短间距4.6 Å处对应晶体衍射峰的面积,iβ′是表示短间距4.2 Å和3.8 Å处对应衍射峰面积之和。

2　结果与分析

2.1酯交换反应时间对油脂熔点的影响

油脂体系的熔点与其所含甘三酯的熔点相关。研究表明,三饱和甘三酯(SSS)熔点范围在56～65 ℃,常温下为固体,二饱和一不饱和甘三酯(SUS)熔点范围在27～42 ℃,常温下是固体,而在体温范围内就会融化,一饱和二不饱和甘三酯(SUU)熔点范围在1～23 ℃,三不饱和甘三酯(UUU)为液油的主要组成部分[10-11]。酶促酯交换反应时,油脂的甘三酯结构会随反应时间增加而变化,因此改变了油脂的熔点。完全酯交换反应后油脂的甘三酯组成基本保持一致,油脂的熔点亦再无明显变化。

从图1可以看出,所有油脂样品的熔点随反应时间的增加而降低,表明油脂的甘三酯组成发生了改变;反应140 min后油脂的熔点随反应时间继续延长而变化甚微。因此,下面研究中酯交换反应时间均为140 min,此时,PS∶SO分别为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5的酯交换油脂对应的熔点为47.62、45.14、38.93、37.39和35.25 ℃,可用于制备不同熔点要求的油脂产品。

图1　酶促酯交换反应时间对混合油脂熔点的影响Fig.1　Effect of reaction time of enzymatic interesterification on the slip melting point of fats注:“5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1”表示棕榈硬脂与大豆油质量比。

2.2酯交换反应前后油脂甘三酯组成的变化

油脂体系中最基本的结构单元为甘三酯,当油脂中高熔点甘三酯含量较多时会导致油脂结晶缓慢,易形成大的晶体颗粒,导致口感蜡质等。

表1　酯交换反应前后油脂的甘三酯组成

注:“-”表示未检出;当量碳数为甘三酯中链接的3个脂肪酸碳原子总数减去脂肪酸中双键总数的二倍,如PLL的当量碳数为16+18+18-2×(2+2)=44,液相色谱中出峰的顺序是根据当量碳数的大小依次出峰;M:豆蔻酸;P:棕榈酸;S:硬脂酸;O:油酸:L:亚油酸;Ln:亚麻酸。

甘三酯的定性分析参考课题组之前的报道[12]。酯交换反应前后油脂的甘三酯组成如表1所示。由表1可知,酯交换反应后,油脂中PPP、LLL、PLL、PLO、PPL和POP的含量发生了明显改变,其中PPP和LLL的含量均降低,如当PS∶SO为7∶3时,PPP的含量从反应前的26.76%下降到反应后的8.92%;PLL、PLO和PPL的含量均升高;而POP的含量除9∶1外均下降。

不同结构的甘三酯可根据其含有的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸个数分为四大类,分别为三饱和甘三酯(SSS)、二饱和一不饱和甘三酯(SUS)、一饱和二不饱和甘三酯(SUU)及三不饱和甘三酯(UUU)。图2分析了酯交换反应前后不同质量比的混合油脂中四类甘三酯的含量变化。由图2可知,反应前,随大豆油含量增加,混合油脂中SSS和SUS含量下降,UUU和SUU含量上升;而与反应前相比,反应后所有质量比的混合油脂中SSS和UUU含量均下降,而SUS和SUU含量上升,这些变化将对油脂的其他物理性质产生重大影响。

图2　酯交换反应前后油脂中四类甘三酯的含量Fig.2　The content of four types of triacylalycerols in the fats before and after interesterification

2.3酯交换反应前后油脂固体脂肪含量(SFC)的变化

酯交换反应前后油脂的SFC随温度变化曲线如图3所示。由图3可知,酯交换后油脂的SFC在10～30 ℃出现急剧下降,这些变化是由酯交换后油脂中含有大量在此温度下液化的甘三酯引起的,而在0～10 ℃ SFC变化不大,这是因为反应后,低熔点甘三酯即UUU含量下降,而中间熔点甘三酯(SUS和SUU)含量上升,在较低温度时(10 ℃以下),呈液态的甘三酯含量减少而中间熔点的的甘三酯仍是固体状态,所以在10 ℃以下混合油脂SFC变化不大。此外,高熔点甘三酯SSS和低熔点甘三酯UUU含量下降,引起油脂的熔程变窄,使得温度对混合油脂SFC的影响减小,为其提供较宽的塑性范围,可有效提高产品的加工性能。

表2　酯交换反应前后油脂的晶型

和SUS含量增加,导致油脂熔点和固体脂肪含量(SFC)均不同程度下降,从而可制备不同SFC要求的塑性脂肪产品。PS∶SO为7∶3、6∶4、5∶5的油脂酯交换后β′晶型含量增加,可用于生产性能优良的人造奶油、速冻专用油脂等塑性脂肪。

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油脂SFC为15%～35%则有利于促进人造奶油的稳定性,因此8∶2、7∶3、6∶4的酯交换油脂可用于制备人造奶油;40 ℃时SFC高达19.88%～21.62%的油脂可应用于糕点制作,故9∶1的酯交换油脂满足此要求。35～37 ℃接近人体温度,此温度下SFC与产品口感有关[13],因此要求油脂的SFC不宜过高。由图3可知,与反应前的油脂相比,35 ℃时酯交换油脂的SFC均显著下降,可以改善加工产品的口感。

图3　酯交换反应前后油脂的固体脂肪含量Fig.3　SFC of the fats before and after interesterification注:“before”表酯交换反应前,“after”表酯交换反应后。

2.4酯交换反应前后油脂晶型的变化

β和β′晶型是油脂的两种主要晶型。对于大多数塑性脂肪,β′是理想晶型,因为该晶型尺寸细小,有较强的包裹空气的能力,使油脂产品外观光滑柔和,具有很好的口感及加工特性[14]。

酯交换反应前后油脂的晶型变化如表2所示。当PS∶SO为9∶1和8∶2时,反应后β晶型含量增加,而β′晶型含量下降,且β晶型增加量随大豆油比例增加而减小;而7∶3、6∶4和5∶5的油脂酯交换反应后β′晶型增多。人造奶油、速冻专用油脂等塑性脂肪的理想晶型为β′晶型,因此7∶3、6∶4、5∶5的酯交换油脂可用于制备性能更优良的塑性脂肪。

3　结论

酶促棕榈硬脂与大豆油酯交换反应改变了油脂甘三酯的分子结构及含量,其物理性质亦随之变化。当PS∶SO为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5时,完全酯交换后油脂的熔点分别为47.62、45.14、38.93、37.39和35.25 ℃,可为制备不同熔点要求的油脂产品提供依据。酯交换后,油脂中甘三酯PPP、LLL、POP、PPL、PLL、PLO含量发生明显变化,其中PPP、LLL含量下降,PPL、PLL、PLO含量增加,而POP除9∶1外,其含量均下降;SSS和UUU型甘三酯含量减少,而SUU

Effect of enzymatic interesterification on triacylalycerols composition and their physical characteristics of palm stearin-based plastic fats

ZHAO Ya-li1,ZONG Min-hua1,LI Bing1,2,WU Hong1,2,*

(1.School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;2.Guangdong Province Key Laboratory for Green Processing of Natural Products and Product Safety,Guangzhou 510640,China)

The interesterification of palm stearin(PS)and soybean oil(SO)with different mass ratios(PS∶SO 9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,wt%)was catalyzed by immobilized lipase Lipozyme TL IM,and the triacylalycerols composition and their physical characteristics of corresponding fats before and after interesterification were investigated. The results showed that there is an obvious change in the triacylglycerol content of PPP,LLL,POP,PPL,PLL and PLO. The content of PPP and LLL decreased,while the content of PPL,PLL and PLO increased. For POP,its content decreased except in the case of mass ratio of 9∶1. The melting point and solid fat content(SFC)of interesterified fats decreased to a certain extent because of the declines of SSS and UUU content and the increases of SUU and SUS content,which enables these fats to be applied in producing plastic fats with different SFC requirements. When PS∶SO were 7∶3,6∶4,5∶5,the fat content withβ′ crystal increased after interesterification,which could offer ideal crystal for preparation of plastic fats,such as margarine and special fat for quick-frozen food.

enzymatic interesterification;palm stearin;soybean oil;triacylglycerol;physical characteristics

2015-11-09

赵亚丽(1990-),女,硕士研究生,研究方向:油脂加工,E-mail:yalizhao8@163.com。

吴虹(1971-),女,教授,研究方向:食品化工、生物化工,E-mail:bbhwu@scut.edu.cn。

广东省科技计划项目(2013B010404005);国家科技支撑计划项目(2012BAD37B01);中央高校基本科研业务费重点项目(2014ZZ0048)。

TS221

A

1002-0306(2016)12-0094-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.010