γ-谷维素/β-谷甾醇与单硬脂酸甘油酯复合凝胶油的制备及性能研究

牟逸凡，田虹雨，于小晶，陈 琪，郑树林，张 旭，刘之广

(1.山东农业大学 食品科学与工程学院，资源与环境学院土肥资源高效利用国家工程实验室，山东 泰安 271018； 2.金正大生态工程集团股份有限公司 养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室，山东 临沭 276700)

固体脂肪是巧克力、人造奶油、冰淇淋等食品的主要成分，对于很多食品成形起到关键作用。油脂生产商使用的基于传统高熔点甘三酯的液体油结构化方法存在一些加工和营养缺陷，如结构加工所需结固晶相的质量分数高，生产过程中会产生大量饱和脂肪酸[1]。尽管饱和脂肪酸对健康是否会产生不利影响还存在争议[2-3]，但我国和国际卫生组织所制定的膳食指南还是建议应尽量减少饱和脂肪酸的摄入。因此，食品工业中需要一种加工过程不产生饱和脂肪酸，且能完全或部分取代传统固体脂肪的食品成分，并能够维持原有的被消费者所接受的感官特性且不影响储存或运输。棕榈油含有约50%的饱和脂肪酸，仅含有1%能够促使胆固醇提高的物质，且棕榈油中富含天然维生素E、类胡萝卜素等物质，对人体健康十分有益[4]。一些研究人员曾针对不同的人种(欧洲、美洲、亚洲)分别进行研究，结果表明棕榈油是一种完全符合人体健康需要的食用植物油[5]。

一些小分子(<1 000 Da)物质能通过氢键力或非氢键力使液体油结构化形成无反式脂肪酸、低饱和脂肪酸的固体脂肪[6]。能够结构化植物油的有单硬脂酸甘油酯(单甘酯)、γ-谷维素/β-谷甾醇、蜡等[7-9]，其中单甘酯凝胶油成本低，但结构性能差，结合油能力较弱[10-11]，γ-谷维素/β-谷甾醇凝胶油热力学和流体力学性能佳，结构好、耐储存，但成本高昂[12]。γ-谷维素/β-谷甾醇与单甘酯复配制备凝胶油，理论上可优势互补，在提高产品性能的同时，显著降低加工成本。李胜等[13]运用葵花籽油探索谷维素/谷甾醇与单甘酯合适的配比，但葵花籽油属于低饱和脂肪酸油脂，其甘三酯分子排列没有棕榈油整齐有序，且葵花籽油固体脂肪含量(SFC)较易达到平衡[14]。棕榈油甘三酯分子排列整齐有序，对凝胶分子的移动和结合形成阻碍，不利于凝胶网络的形成，所以相对于葵花籽油凝胶油，棕榈油凝胶油的形成更具难度。然而当前关于以高饱和油脂作基料油制备γ-谷维素/β-谷甾醇与单甘酯复合凝胶油及其性能研究鲜有报道。本试验以棕榈油为基料油，以不同含量的单甘酯和γ-谷维素/β-谷甾醇作为复合凝胶因子，以持油性为指标通过单因素试验和响应面试验确定以单甘酯和γ-谷维素/β-谷甾醇为凝胶因子的棕榈油凝胶油最优制备工艺，并对产品进行傅里叶变换红外光谱、热力学和流变性分析，探讨改性对凝胶油三维网络结构及凝胶机制的影响，为低成本绿色凝胶油产业发展提供技术参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

食品级棕榈油，安徽六安市东升油脂销售有限公司；γ-谷维素(纯度≥99%)，浙江绿洲生物技术有限公司；β-谷甾醇(纯度≥99%)，武汉远成化工有限公司；分子蒸馏单硬脂酸甘油酯(纯度≥90%，食品级)，江苏海安市佳力士添加剂公司。

DF-101Z集热式恒温加热磁力搅拌器；Nicolet IS10热电红外光谱仪，美国Thermo Fisher公司；AllegraX-15R离心机，美国Beckman Coulter公司；DSC-60差示扫描量热仪，日本AS ONE公司；MCR301旋转流变仪，奥地利Anton Paar公司；Axio Lab.A1 pol偏振光显微镜，德国Carl Zeiss公司。

1.2 试验方法

1.2.1 凝胶油样品的制备

分别向100.00 g棕榈油中加入一定量不同比例的γ-谷维素/β-谷甾醇(γ-谷维素与β-谷甾醇质量比3∶2)和单甘酯，然后在磁力搅拌、140℃下加热一定时间，置于5℃下冷却12 h后室温储藏至少1 d备用。

1.2.2 持油性分析

取8.00 mL样品于10.00 mL离心管中进行离心，转速为9 000 r/min，时间为15 min，温度为20℃[15]，结束后倒置约3 min，沥干离心出来的油。按下式计算凝胶油持油性。

式中：a为离心管的质量，g；b为离心管与凝胶油的质量，g；c为离心后离心管与沉淀的质量，g；x为复合凝胶剂占凝胶油的质量分数。

1.2.3 差示扫描量热分析

精确称取样品5～8 mg于差示扫描量热仪专用铝盒中，以30℃/min快速将其从室温加热至120℃，保持10 min以消除结晶记忆，再以10℃/min降至-20℃，保持20 min使其充分结晶，再以10℃/min升温至120℃。氮气流速为50 mL/min[16]。

1.2.4 傅里叶变换红外光谱分析

取适量样品均匀平铺于衰减全反射附件表面，在20℃室温扫描获得红外光谱图。波数扫描范围为550～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描信号累加次数为32次[17]。

1.2.5 流变性分析

取适量样品放在样品台上，用直径为35 mm、角度为1°的锥板，间隙设置为1 mm，在20℃恒定的低应变水平下(0.01%)，对凝胶油进行小变形频率扫描，测定剪切速率与黏度的曲线、剪切速率与剪切应力的曲线，频率范围为0.1～100 Hz[13]。

1.2.6 微观形态分析

取适量熔融样品于载玻片上，盖上盖玻片，将样品压平使其均一分布，室温下放置24 h，采用偏振光显微镜在室温下对样品的微观晶体形态进行观察。

1.2.7 数据分析

数据采用3次重复试验的平均值表示。使用SigmaPlot 12.5绘图及拟合数据，利用Design-Expert.V8.0.6设计响应面试验。

2 结果与讨论

2.1 预试验

首先进行预试验，根据经验值分别采用单甘酯、单甘酯/β-谷甾醇(质量比为3∶2)和γ-谷维素/β-谷甾醇(质量比为3∶2)为凝胶剂，在凝胶剂添加量9%、加热时间40 min条件下制备凝胶油。预试验结果表明，单甘酯与γ-谷维素/β-谷甾醇为凝胶剂的凝胶油性能良好，且不具有流动性，说明两种凝胶剂都可将液体油结构化。而单甘酯/β-谷甾醇为凝胶剂无法成胶，这与Nguyen[9]的研究结果一致。

2.2 单因素试验

基本条件为：复合凝胶剂添加量9%，复合凝胶剂中γ-谷维素/β-谷甾醇占比60%[18]，加热时间40 min。单因素试验时，改变其中一个条件，其他条件不变。单因素试验结果见图1。

图1 单因素试验结果

由图1a可知，单甘酯可以与γ-谷维素/β-谷甾醇形成复合凝胶剂，且复合凝胶剂添加量越大凝胶油持油性越好，但在达到9%后持油性增长逐渐减慢。由图1b可知，复合凝胶剂中γ-谷维素/β-谷甾醇占比越高凝胶油持油性越好，但在达到60%后增大γ-谷维素/β-谷甾醇占比对持油性的影响渐弱。由图1c可知，制备复合凝胶油时加热时间越长持油性越好，但达到40 min后延长加热时间对持油性影响渐弱。当凝胶因子添加量足够大时，凝胶因子间形成连续的网络结构，凝胶因子添加量继续增加，连续网络结构的结合区数量增加[19]；随着γ-谷维素/β-谷甾醇占比的减少，凝胶油持油性逐渐减少，原因是随着单甘酯占比的增加，影响了γ-谷维素与β-谷甾醇的成胶方式，使γ-谷维素/β-谷甾醇形成的氢键力逐渐减弱，形成范德华力等弱的非氢键力[16]。

2.3 响应面试验

为了进一步优化凝胶油制备条件，在单因素试验的基础上，选择复合凝胶剂添加量、加热时间、复合凝胶剂中γ-谷维素/β-谷甾醇占比3个因素，以持油性为响应值设计响应面试验，响应面试验因素水平见表1，响应面试验方案及结果见表2。

表1 响应面试验因素水平

表2 响应面试验方案及结果

利用Design-Expert 8.0软件对表2中的试验结果进行回归分析，得到各因素与响应值(Y)之间的二次多元方程为Y=92.85+7.16A-0.24B+2.21C-1.51AB+0.51AC-0.86BC-5.74A2-3.72B2-1.43C2。对该回归方程进行方差分析，结果见表3。

由表3可知，回归模型P<0.01，说明该模型达到极显著水平，模型的决定系数R2为0.835 4，即此方程可解释83.54%的数据，证明该方案较为可靠。一次项中A、二次项中A2影响极显著，二次项B2影响显著，其他一次项、二次项及交互项影响不显著，且3个因素对凝胶油持油性的影响程度大小为A>C>B，交互项影响程度大小为AB>BC>AC。

表3 回归方程方差分析

根据响应面试验模型推测出最优方案为复合凝胶剂添加量9.89%、γ-谷维素/β-谷甾醇占比52.3%、加热时间41.7 min，在此条件下复合凝胶油持油性预测值为94.6%。经3次验证试验，3次试验所得复合凝胶油持油性平均值为94.6%，与预测值相同，证明该数学模型可用于凝胶油制备工艺条件的预测。

2.4 凝胶油性能及微观结构分析

对响应面试验所得最优方案(下文简写为D+G 9.89%)、经验最优方案(γ-谷维素/β-谷甾醇占比60%，复合凝胶剂添加量9%，加热时间40 min，下文简写为D+G 9%)及仅添加9%单甘酯(D 9%)的凝胶油进行红外光谱分析、热力学性质分析、流变分析，并对单甘酯含量不同的3种样品进行偏振光显微镜分析。

2.4.1 红外光谱分析(见图2、图3)

图2 凝胶剂的红外光谱图

由图2、图3可知，γ-谷维素羟基峰为3 586 cm-1，β-谷甾醇中没有羟基峰，单甘酯中存在甘油羟基峰为 3 195 cm-1，D+G 9%凝胶油中看不到明显的羟基峰，仅在3 308 cm-1处有较微弱的羟基峰，而在D+G 9.89%和D 9%两组凝胶油中均未发现羟基峰，2 922 cm-1峰对应为甲基的对称伸缩振动峰，2 851 cm-1峰对应为亚甲基的对称伸缩振动峰，3 008 cm-1峰为不饱和脂肪酸的顺式碳碳双键的弱强度伸缩振动峰[13]。红外光谱结果说明随单甘酯含量的增加，凝胶油中的氢键力逐渐减小[20]。

图3 凝胶油的红外光谱图

2.4.2 热力学性质分析(见图4、图5)

图4 凝胶油结晶曲线

图5 凝胶油熔化曲线

由图4、图5可知，γ-谷维素/β-谷甾醇添加量对单甘酯凝胶油的熔化温度影响不大，D 9%、D+G 9%和D+G 9.89%凝胶油的结晶起始温度分别为55.6、44.5、46.8℃，峰值温度分别为49.9、39.3、41.4℃，熔化起始温度分别为49.5、42.2、39.5℃，峰值温度分别为65.2、61.3、57.5℃。复合凝胶油样品的熔点和结晶点都低于单一凝胶油，且吸放热更少，这使复合凝胶油更易加工和处理。

2.4.3 流变分析(见图6、图7)

图6 3种凝胶油剪切速率和黏度的曲线

图7 3种凝胶油剪切速率和剪切应力的曲线

由图6、图7可知，随着剪切速率的增加，3种凝胶油的黏度都逐渐减小，但复合凝胶油黏度降低的速度明显比单一凝胶油的慢，证明复合凝胶剂提高了凝胶油的性能。在剪切速率增加过程中，3种凝胶油的剪切应力出现滞回曲线，表明凝胶油为触变性流体。只添加单甘酯的凝胶油剪切应力和黏度相对较大，证明其较复合凝胶油刚性和黏性大，复合凝胶剂有效地提高了凝胶油的性能。

2.4.4 偏振光显微镜分析(见图8)

注：a.9%单甘酯；b.9%复合凝胶剂；c.9%γ-谷维素/β-谷甾醇。

图8 凝胶油的形态形貌(×10)

3 结 论

响应面得到的γ-谷维素/β-谷甾醇与单硬脂酸甘油酯复合凝胶油最佳制备条件为复合凝胶剂添加量9.89%、γ-谷维素/β-谷甾醇占比52.3%、加热时间41.7 min，在此条件下复合凝胶油持油性为94.6%。在复合凝胶油中的氢键力随着单甘酯含量的增加而减少，黏结强度逐渐减弱。偏光显微镜观测形态发生从球晶到针状结晶的转变，说明单甘酯影响了γ-谷维素/β-谷甾醇成胶的方式，从而使凝胶油的宏观性质发生较大改变。复合凝胶油的熔点和结晶点低于单一凝胶油，黏性和刚性较小。γ-谷维素/β-谷甾醇能够改良棕榈油基单甘酯凝胶油结构和性质，调整γ-谷维素/β-谷甾醇添加量可制备符合特定市场需求的固体脂肪，具有一定的实用价值。