大豆油基甘油二酯凝胶油的制备与表征研究

王晓晨，杨 雪，陈 琼，符钧甯，王 瑛，汪 勇

(1.暨南大学 食品科学与工程系，广东油脂生物炼制工程技术研究中心，广州 510632；2.暨南大学-萨斯喀切温大学“油料生物炼制与营养”联合实验室，广州 510632)

油脂改性

大豆油基甘油二酯凝胶油的制备与表征研究

王晓晨1，2，杨 雪1，2，陈 琼1，2，符钧甯1，2，王 瑛1，2，汪 勇1，2

(1.暨南大学 食品科学与工程系，广东油脂生物炼制工程技术研究中心，广州 510632；2.暨南大学-萨斯喀切温大学“油料生物炼制与营养”联合实验室，广州 510632)

以酶法酯化所制的甘油二酯作为凝胶因子，制备大豆油基甘油二酯凝胶油。利用差示扫描量热仪、脉冲核磁共振仪和旋转流变仪等对甘油二酯凝胶油的熔化、结晶特性和流变特性进行评价，并考察了甘油二酯的添加量对凝胶油性质的影响。结果表明：高熔点甘油二酯加入到大豆油中可以形成涂抹性好、稳定性高且晶体结构致密的有机凝胶油，其中凝胶油不饱和脂肪酸含量大于70.0%，晶体形态以稳定的β和β′型为主；此外，甘油二酯的添加量对凝胶油的机械稳定性、持油性、黏弹性有较大影响，这些性质参数随甘油二酯添加量的增加而增大，但同时体系饱和脂肪酸含量也提高。综合饱和脂肪酸含量，固体脂肪含量，熔化、结晶特性以及流变特性等因素，凝胶油适宜的高熔点甘油二酯的添加量为20%。

凝胶油；甘油二酯；大豆油；硬脂酸

目前，国内市场上大多数以氢化油为主要成分的人造奶油或涂抹脂产品(涂抹奶油、威化饼干和蛋黄派等)等食品中反式脂肪酸含量(5%～11%)严重超标[1]，且此类食品还含有较多的饱和脂肪酸。研究表明，人们通过饮食摄入过多反式脂肪酸和饱和脂肪酸对人体健康产生不利的影响，如增加糖尿病、肥胖和心血管疾病等代谢综合症的风险[2]。人们对健康饮食的追求使得积极研发低/零反式脂肪酸和低饱和脂肪酸食品专用油脂具有重要的现实意义。近几年，植物油的凝胶固态化及其技术成为国内外研究热点之一。凝胶固态化即在亲脂性液体(一般为植物油)中添加少量(<10%)的小分子有机凝胶因子，凝胶因子通过自组装或者结晶方式形成三维网络结构从而使液态植物油变成固态的塑性脂肪[3]。凝胶油因综合了植物油低饱和脂肪酸、低反式脂肪酸及凝胶体系半固态黏弹性等众多优点，已应用于医药、化工、食品等各个领域。Stortz等[4]在2012年将复合凝胶剂(2%单硬脂酸山梨醇酯和6%乙基纤维素)与菜籽油或高油酸葵花籽油在140℃加热混合均匀，然后冷却到60℃后与氢化棕榈油混合(质量比3∶2)，最终得到新型人造奶油。

作为凝胶油中关键组成部分，凝胶因子的凝胶能力是影响凝胶油特性的重要因素。甘油二酯(DAG)是一种天然的油脂类食品级凝胶因子，存在于各种食用油中，而且具有多种生理功能，可用于预防高脂血症及其相关的心血管疾病，因摄入后不会在体内聚积可用来预防肥胖，故而被作为功能性食品专用油脂[5]。目前，尚未找到关于甘油二酯作为凝胶因子制备有机凝胶油的相关研究。

本研究通过酶法酯化和分子蒸馏纯化制得高熔点、高纯度的甘油二酯，并将甘油二酯作为凝胶因子加入大豆油中制备了具有一定塑性的低饱和脂肪酸含量的甘油二酯凝胶油。采用差示扫描量热仪(DSC)、脉冲核磁共振仪(pNMR)、X-射线粉末衍射仪(XRD)、偏光显微镜(PLM)和旋转流变仪测定甘油二酯凝胶油的结晶特性、热力学特性、物理特性和流变学特性。同时，探究甘油二酯的添加量对凝胶油性质的影响，得出甘油二酯的适宜添加量，为构建新型健康油脂食品体系提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

硬脂酸(广州美晨集团股份有限公司)；固定化脂肪酶 Novozym 435(诺维信(中国)生物技术有限公司)；大豆油(广州益海嘉里有限公司)；正己烷、丙酮等均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

YSF-20L恒温加热式搅拌反应釜(巩义市予华仪器有限责任公司)；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器；SHZ-D(III) 循环水式真空泵； MD-80分子蒸馏设备(广州市汉维仪器设备有限公司)；7820A气相色谱仪(美国安捷伦公司)；DSC1型差示扫描量热仪(梅特勒-托利多公司)；NM-2型核磁共振分析仪(上海纽迈电子科技有限公司)；MSAL-XD-II 型X-射线粉末衍射仪(北京普析通用仪器有限公司)；SMART-POL型偏光显微镜(重庆奥特光学仪器有限公司)；KINEXUS超级旋转流变仪(英国马尔文仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 酶法催化制备甘油二酯

硬脂酸与甘油的摩尔比为1∶9，称取总重500 g的原料置于搅拌反应釜中，待原料完全熔化后加入5%的固定化脂肪酶Novozym 435，60℃条件下抽真空反应45 min，转速为300 r/min。反应结束后置于80℃水浴锅中静置分层，上层油相为粗甘油二酯产物，取上层油相进行气相色谱分析测定甘油酯组成[6]，并参照GB/T 5530—1998测定产物的酸值，计算反应的酯化率。

采用分子蒸馏法对所得的粗甘油二酯产物进行分离纯化，除去产物中的游离脂肪酸和单甘酯。蒸馏后得到的轻相为游离脂肪酸和单甘酯混合物，重相为高纯度的甘油二酯。

1.2.2 凝胶油的制备

分别向大豆油中加入8%、12%、15%、20%(以大豆油质量计)分子蒸馏甘油二酯，置于集热式恒温加热磁力搅拌器中，80℃条件下抽真空搅拌60 min，转速为200 r/min，结束后放于室温下静置24 h后储存于4℃冰箱中备用，得到4种水平的甘油二酯凝胶油。

1.2.3 凝胶油的脂肪酸组成测定

样品经三氟化硼-甲醇快速甲酯化后参照Zhang等[7]气相色谱条件进行气相色谱分析测定脂肪酸组成。

1.2.4 凝胶油的结晶、熔化性质测定

利用差示扫描量热仪分析样品的结晶、熔化性质[8]。

1.2.5 凝胶油的固体脂肪含量(SFC)测定

采用低场脉冲核磁共振仪测定样品的固体脂肪含量[5]。

1.2.6 凝胶油的物理性质测定

持油性(OBC)用来表征大豆油与甘油二酯结合的能力。取1 mL熔化的凝胶油于已称重(a)的10 mL离心管中，在4℃冰箱保持1 h后称取总重，记为b。然后以9×103r/min离心15 min，静置吸取析出的大豆油并称取剩余样品质量，记为c。

OBC=(1-(b-c)/(b-a))×100%

结晶形成时间(CFT)用来表征甘油二酯凝胶油形成凝胶的能力。取1 mL凝胶油于2 mL离心管中，90℃条件下保持1 h以消除结晶记忆，然后取出置于室温下，倒置离心管，开始计时，记录样品完全凝固所需时间[9]。

稳定性(MS)用来表征甘油二酯凝胶油的机械稳定性。取1 mL凝胶油于2 mL离心管中，在4℃冰箱放置12 h后取出，1.3×103r/min离心15 min。若有大豆油析出说明凝胶油不稳定，标记为“-”，反之即为稳定，标记为“+”[10]。

1.2.7 凝胶油的流变学性质测定

采用超级旋转流变仪测定样品的表观黏度，探究不同剪切速率对凝胶油表观黏度的影响。取适量甘油二酯凝胶油，在4℃和20℃条件下分别测定8%、15%、20%甘油二酯凝胶油的表观黏度，剪切速率范围10～400 s-1，下压深度0.1 mm，固定形变0.05%。

1.2.8 凝胶油的晶型分析

采用X-射线粉末衍射法测定样品的晶型[8]。

1.2.9 凝胶油的晶体形态分析

采用偏光显微镜分析晶体的微观结构[5]。

2 结果与讨论

2.1 酶法制备甘油二酯的纯度

Novozym 435酶催化硬脂酸与甘油制备高熔点甘油二酯，酯化反应产物的得率为39.2%，气相色谱测得产物中甘油二酯含量为43.4%；分子蒸馏纯化后重相中甘油二酯含量为80.6%，甘油三酯含量为15.1%，单甘酯的含量为2.7%，硬脂酸含量为1.6%。参照国标方法测得硬脂酸的酸值(KOH)为207.0 mg/g，酯化产物的酸值(KOH)为17.0 mg/g，经计算得酶法制备甘油二酯的酯化率可达91.8%。

2.2 凝胶油的脂肪酸组成

对基料油(大豆油)、凝胶因子(DAG)及凝胶油的脂肪酸组成进行分析，结果如表1所示。

表1 凝胶油的脂肪酸组成 %

由表1可知，大豆油富含亚油酸，其次是油酸，不饱和脂肪酸含量达到85.9%；凝胶因子甘油二酯以饱和脂肪酸为主，饱和脂肪酸含量达到99.7%；制备的甘油二酯凝胶油不饱和脂肪酸含量最高可达76.6%，明显高于氢化制得的人造奶油、起酥油等油脂产品。此外，随着甘油二酯添加量的增加，凝胶油的不饱和脂肪酸含量有所减少，20%甘油二酯凝胶油不饱和脂肪含量相比8%甘油二酯凝胶油减少了5.6个百分点，故在满足产品特性的前提下，甘油二酯添加量不宜过多。通过比较制备的凝胶油与基料油(大豆油)、凝胶因子(DAG)的脂肪酸组成可知，基料油与凝胶因子的结合过程是一种物理的结合方式，不会改变原料的脂肪酸组成。Jang等[11]研究菜籽油基小烛树蜡凝胶油的制备与应用时也得出了相似的结论。凝胶油的形成机理可分为分子自组装模式和结晶模式，本文研究的甘油二酯等高熔点甘油酯类凝胶剂是通过结晶模式形成凝胶的，这种机制形成的凝胶油通常是浑浊的且形成的晶体一般较大[12]。

2.3 凝胶油的热力学性质

制备不同添加量甘油二酯凝胶油，通过DSC探究甘油二酯添加量对凝胶油结晶、熔化性质的影响，结果如图1所示。

图1 凝胶油的结晶曲线(A)和熔化曲线(B)

由图1(A)可知，甘油二酯及其凝胶油在高熔融部分(20～80℃)有2个结晶峰，中熔融部分(0～20℃)没有峰，而其凝胶油在低熔融部分(-40～0℃)有1个较宽的大豆油结晶峰。甘油二酯在56.5℃开始结晶，2个结晶峰未分开且峰尖细，甘油二酯结晶焓为139.8 J/g。甘油二酯凝胶油在35.2～45.1℃有1个结晶峰，随着甘油二酯添加量增加，凝胶油结晶焓从8.5 J/g增加到19.2 J/g，初始结晶温度从41.8℃上升到45.0℃，说明了凝胶因子甘油二酯的添加有利于凝胶油的结晶。Meng等[13]关于单甘酯凝胶油等温和非等温结晶动力学的研究也指出凝胶因子会影响晶体的形成。

由图1(B)可知，甘油二酯的熔点为54.9℃。大豆油在-28.9℃和-38.4℃各有1个熔融峰，甘油二酯在48.5℃有2个未分开的熔融峰。随着甘油二酯添加量增加，其凝胶油的高熔点熔融峰向高温方向移动，且在-38.4℃低熔点不饱和脂肪酸的熔融峰有减弱趋势，20%DAG凝胶油相比大豆油明显减弱。说明甘油二酯添加量增加导致凝胶油不饱和脂肪酸含量减少，这与脂肪酸组成分析一致。

2.4 凝胶油的固体脂肪含量

SFC-T曲线反映了油脂随温度的升高，其内部固体成分由固态向液态转变的过程，其直接反映了油脂的熔化速率及熔化温度范围，并从侧面反映了物质在一定温度下油脂中晶体含量的多少[8]。采用脉冲核磁共振仪测定了凝胶油的SFC，其SFC-T曲线如图2所示。

图2 凝胶油的SFC-T曲线

由图2可知，凝胶油的SFC偏小，在0℃时，SFC最高只有16.9%，甘油二酯凝胶油可用来制备软质涂抹型油脂产品。55℃时，8%DAG凝胶油SFC为0(即完全熔化)，这与DSC测得甘油二酯的熔点54.9℃相对应。随着甘油二酯添加量的增加，其凝胶油的SFC逐渐增大。杨丽君等[14]在探究单甘酯含量对凝胶油性质影响时测得8%、12%单甘酯凝胶油在0℃时SFC分别为14%和18%，明显高于本文中8%、12%DAG凝胶油的SFC。故可知，相同添加量的单甘酯凝胶油体系中晶体含量高于甘油二酯凝胶油，单甘酯束缚基料油形成三维网络结构的能力强于甘油二酯。

2.5 凝胶油的物理性质

测定了不同添加量甘油二酯凝胶油的OBC、CFT、MS，结果如表2所示。

表2 凝胶油的物理性质

由表2可知，20%DAG凝胶油OBC最大，为93.2%，故20%DAG束缚基料油能力最强，形成的凝胶油最稳定。甘油二酯凝胶油OBC随着甘油二酯添加量的增加而增加。OBC越大，凝胶油硬度越大。8%DAG凝胶油OBC为62.8%，而12%DAG凝胶油OBC为70.3%，这与常温下8%DAG凝胶油相比12%DAG凝胶油质地偏软状态对应。20%DAG凝胶油完全结晶所需时间为1.5 min，而8%DAG凝胶油完全结晶所需时间为9.0 min。随着甘油二酯添加量的增加，凝胶油完全结晶所需时间缩短。只有8%DAG凝胶油、12%DAG凝胶油低速离心后，有少量基料油析出，故15%DAG凝胶油、20%DAG凝胶油的机械稳定性强于8%DAG凝胶油、12%DAG凝胶油。通过比较凝胶油样品的OBC、CFT、MS可知，15%DAG凝胶油、20%DAG凝胶油的稳定性、持油性较适宜。

2.6 凝胶油的表观黏度

凝胶油在剪切速率变化时表现出的表观黏度变化规律可以反映其流体特性，也可以表征其机械稳定性。采用超级旋转流变仪测定了4℃和20℃不同添加量甘油二酯凝胶油随剪切速率变化下的表观黏度，并绘制了剪切速率-表观黏度曲线，结果如图3所示。

图3 凝胶油剪切速率-表观黏度曲线

由图3可知，在0～50 s-1范围内，随着剪切速率的增大，甘油二酯凝胶油的表观黏度急剧降低，且20%DAG凝胶油和15%DAG凝胶油降低速率明显大于8%DAG凝胶油，50 s-1后减少缓慢，最终趋于一条直线。这表明甘油二酯凝胶油属于剪切变稀流体即非牛顿流体中的假塑性流体。通过比较4、20℃下剪切速率-表观黏度曲线，可以看出温度会影响凝胶油的表观黏度。样品在20℃下的表观黏度小于4℃下的，即温度升高，甘油二酯、大豆油分子布朗运动加剧，分子流动阻力降低，因而黏度下降[15]。此外，甘油二酯的添加量也会影响凝胶油的表观黏度。20%DAG凝胶油表观黏度明显大于15%DAG凝胶油和8%DAG凝胶油的。较高的表观黏度会阻碍样品的流动性，故20%DAG凝胶油在商业储存温度(20℃)和实验室储存温度(4℃)下机械稳定性较好。

2.7 凝胶油的晶型

油脂结晶中往往同时存在多种晶体即同质多晶现象，主要是α、β′和β型。凝胶油的XRD分析结果如图4所示。

注：a. 8%DAG；b. 12%DAG；c. 15%DAG；d. 20%DAG。 图4 凝胶油的XRD谱图

由图4可知，甘油二酯凝胶油在短间距d=3.8 Å和d=4.15 Å处各有1个小的吸收峰，且在d=4.6 Å处有1个大的吸收峰，说明甘油二酯凝胶油主要呈β晶型并含有部分α和β′型晶型。随着甘油二酯添加量的增加，甘油二酯凝胶油在短间距d=3.8 Å和d=4.15 Å处的吸收峰逐渐增强，即凝胶油中的α、β′晶体逐渐增加，其中20%DAG凝胶油β′晶型最突出。这对于人造奶油和涂抹脂等油脂制品而言具有重要的意义，因β′晶型具有较小的晶体颗粒可形成精细的网络结构，相比稳定的β晶型可包裹更多的液体油，从而使产品表面光滑、质构柔软、口感细腻[16]。

2.8 凝胶油的晶体形态

在室温、放大倍数为400倍条件下，观察凝胶油样品的晶体形态，结果如图5所示。

注：a～d代表的样品分别为8%DAG凝胶油、12%DAG凝胶油、15%DAG凝胶油、20%DAG凝胶油。

图5 凝胶油的PLM图像

由图5可知，甘油二酯凝胶油的晶体主要呈枝状，大量晶体尺寸均较大且晶体网络结构密集、分布均匀。朱小勇等[15]探究凝胶剂种类对凝胶油物性及结晶形态影响时测得蜂蜡凝胶油晶体呈细小的针状，巴西棕榈蜡和米糠蜡体系中均出现大量的絮状结晶且有大量的薄层状结晶和细小的晶体碎片。可见，凝胶因子的种类对凝胶油晶体形态有较大影响。添加不同比例的甘油二酯于大豆油中，制备的凝胶油晶体状态和尺寸都发生了不同程度的变化。20%DAG凝胶油晶体聚集度、分布情况明显优于8%DAG凝胶油，20%DAG凝胶油能够赋予产品更高的抗压能力，这与20%DAG凝胶油比8%DAG凝胶油熔点高的DSC结果一致。

3 结 论

本文采用酶法酯化制备甘油二酯，并利用分子蒸馏纯化得到纯度为80.6%、熔点为54.9℃的甘油二酯，并证明了高熔点的甘油二酯能使植物凝胶油固态化。甘油二酯凝胶油不饱和脂肪酸含量大于70.0%，明显高于氢化制得的人造奶油、起酥油等油脂产品。甘油二酯凝胶油主要呈β晶型并含有部分α和β′型晶型。甘油二酯凝胶油的晶体主要呈枝状且晶体网络结构密集、分布均匀。通过探究甘油二酯的添加量对凝胶油性质的影响，得出随着甘油二酯添加量的增加，凝胶油的稳定性、持油性、黏弹性、固体脂肪含量等性质参数均有增大趋势，而且20%甘油二酯凝胶油的晶型、晶体形态特征是人造奶油所需要的。甘油二酯对整个体系网络结构的形成起着重要的作用。综上所述，甘油二酯的适宜添加量为20%，甘油二酯凝胶油具有制备低饱和脂肪酸的食品涂抹用油脂的潜力。

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Preparation and characterization of soybean oil based diacylglycerol oleogels

WANG Xiaochen1，2，YANG Xue1，2，CHEN Qiong1，2，FU Junning1，2，WANG Ying1，2，WANG Yong1，2

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

Diacylglycerol was obtained by enzymatic esterification，and the oleogels were prepared from soybean oil and diacylglycerol. The melting，crystallization and rheology behaviors of diacylglycerol oleogels were evaluated by differential scanning calorimetry，pulsed nuclear magnetic resonance and rotational rheometer. The effects of diacylglycerol dosage on the properties of oleogels were investigated. The results showed that diacylglycerol with higher melting point added to soybean oil could form oleogels with good spreadability，high stability and dense crystal structure. The unsaturated fatty acid content of the oleogels was more than 70.0%，and the oleogels mostly consisted ofβandβ′ crystals. The diacylglycerol dosage had great effects on the mechanical stability，oil binding capacity and viscoelasticity of oleogels. Those properties parameters increased with the diacylglycerol dosage increasing，in the same time，the saturated fatty acid content also increased. According to the saturated fatty acid content，solid fat content，melting and crystallization characteristics and rheological characteristics，the optimal dosage of diacylglycerol with higher melting point was 20%.

oleogel; diacylglycerol; soybean oil; stearic acid

2016-05-03；

2016-09-26

国家自然科学基金项目(31371785)；广东省科技计划项目(2013B090800009)；教育部“新世纪优秀人才”支持计划(NCET-12-0675)；广州市科技计划项目(2014Y2-00192)

王晓晨(1992)，女，硕士，研究方向为功能油脂(E-mail)1552422314@qq.com。

王 瑛，副教授，博士(E-mail)twangywy@jnu.edu.cn；汪 勇，研究员，博士(E-mail)twyong@jnu.edu.cn。

TS225.6;TQ646

A

1003-7969(2017)01-0060-06