L-抗坏血酸棕榈酸酯对椰子油结晶行为的影响

孟校宇，刘春环，曹 晨，郑召君，刘元法

(江南大学 食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡214122)

在工业上，脂类食品如巧克力、人造黄油、糖果、乳制品等的加工过程直接受脂肪结晶行为的影响[1]。脂肪结晶特性对产品的质地、风味、口腔融化感、储存稳定性以及外观等具有重要的作用[2]。例如，人造黄油中粗大的晶体颗粒会产生明显的沙粒感[3]。为了获得更好品质的脂肪产品，工业上往往使用一些脂肪结晶改良剂来调控脂肪的结晶过程。

乳化剂是食品工业中使用最多的油脂结晶改良剂。研究发现，乳化剂的作用机制是通过酰基与酰基之间的相互作用进而调节脂肪的结晶过程[4]。除此之外，亲水基团的大小也对晶体分子堆积起到重要作用。乳化剂根据其作用机制可以分为两类，一类是“结晶抑制剂”，另一类是“结晶促进剂”。前者的作用机制是乳化剂与其化学结构相似的甘油三酯同时结晶，发挥“共结晶作用”。后者的作用机制在于，乳化剂在甘油三酯之前结晶，作为晶核诱导甘油三酯的结晶。同时，乳化剂会吸附在晶体表面，调节晶型和晶体的微观结构[5]。许多国内外学者对椰子油结晶调控进行了深入的研究。Maruyama等[5]研究发现，单甘酯乳化剂可以提高椰子油结晶速率，其浓度对椰子油晶体形态、晶体大小有显著影响。Sonwai等[6]研究表明，脱水山梨糖醇单月桂酸酯对椰子油结晶性质的影响与结晶温度有关，在低于其熔点的结晶温度下，仅影响椰子油中高熔点组分的结晶行为，在高于其熔点的结晶温度下，椰子油中两种馏分的结晶速率均大幅度降低。

L-抗坏血酸棕榈酸酯(L-AP)是L-抗坏血酸和棕榈酸通过酯键结合而成的具有双亲性的化合物。基于此，我们推测L-AP 的非极性尾部、极性头部与甘油三酯之间可能存在强烈的相互作用，进而影响甘油三酯的结晶行为。然而几乎没有关于L-AP 对油脂结晶影响的研究。同时，L-AP是一种脂溶性维生素C，其不仅保留了维生素C全部的生理活性，而且克服了维生素C怕光、怕潮、怕热的缺点。并且，L-AP被世界卫生组织认定为营养、无毒、高效和安全的食品添加剂。

椰子油是一种中碳链油脂，其脂肪酸组成主要为月桂酸和肉豆蔻酸，饱和脂肪酸含量约为90%[7]，适合作为结晶动力学的研究模型。研究表明，椰子油对人类营养健康有重要的影响。虽然椰子油饱和度较高，但其相对分子质量较低，更容易被人体吸收，具有促进新陈代谢、降低患动脉粥样硬化或心脏病风险的功效[8]。在工业生产中，椰子油也被应用到人造黄油和巧克力酱等产品中[5]。然而椰子油与氢化油相比，仍然具有许多结晶方面的缺陷。

本文的目的在于通过脉冲核磁共振(p-NMR)、X-射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)和偏振光显微镜(PLM)等研究手段探究L-AP对椰子油结晶行为的影响，进而证明L-AP作为一种潜在的结晶改良剂可改善椰子油的结晶特性，扩大椰子油在食品工业中的应用范围，为食品领域中油脂改性提供新思路。

1 材料与方法

1.1 实验材料

椰子油，益海嘉里研究中心；L-抗坏血酸棕榈酸酯(L-AP)，上海阿拉丁有限公司；其他分析纯或者色谱纯的化学试剂均购于国药试剂公司。

GC-2010 PLUS气相色谱仪，日本Shimadzu公司；Agilent 1200高效液相色谱仪，美国Agilent公司；低场脉冲式核磁共振仪，英国Oxford公司；D8-Advance X-射线衍射仪，德国Bruke公司；功率补偿型差示扫描量热仪，瑞士METTLER-DSC3公司；TA.XTPlus质构分析仪，美国TA公司；偏振光显微镜，德国Leica公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的制备

将L-AP与椰子油均匀混合，于120℃下加热30 min至完全熔化，然后在20℃下储存过夜以备分析。分别将L-AP添加量(以椰子油质量计)为0%、1%、3%、5%的椰子油样品记为0% (L-AP)、1% (L-AP)、3% (L-AP)、5% (L-AP)。

1.2.2 脂肪酸和甘油三酯组成的测定

脂肪酸组成使用配备有火焰离子化检测器的气相色谱仪测定。测定条件：TR-FAME毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；初始柱温130℃并保持3 min，然后以5℃/min的速率到175℃，保持10 min，然后以2℃/min的速率升至220℃，保持3 min；N2流速 2.0 mL/min；进样量1 μL。样品根据标样的保留时间定性，采用面积归一化法定量。

甘油三酯组成使用配备有蒸发光散射检测器的Agilent 1200高效液相色谱仪测定。测定条件： Nova-pak RP-C18色谱柱(150 mm×4.6 mm，4 μm)；流动相流速1.0 mL/min；进样量10 μL；流动相A为乙腈，流动相B为异丙醇-正己烷(体积比1∶1)，在最初的10 min内以流动相比例为60%溶剂A和40%溶剂B的线性梯度洗脱，然后以56%A、44%B洗脱40 min，再以60%A、40%B洗脱10 min，最后以60%A、40%B洗脱10 min。 根据Liu等[9]的方法鉴定甘油三酯。

1.2.3 结晶动力学的测定

使用低场脉冲式核磁共振仪测定结晶动力学。将约3 mL完全熔化的样品置于核磁管中并在120℃下储存20 min以消除结晶历史。以适当的时间间隔测量固体脂肪含量(SFC)直到达到平衡。然后将得到的数据通过非线性回归拟合Avrami方程(1)得到相关参数。

(1)

式中：C(t)为结晶时间t的固体脂肪含量；C(∞) 为平衡时的固体脂肪含量；K为结晶速率；n为Avrami指数。

结晶诱导时间(τSFC)定义为SFC曲线的线性生长区段的起始时间。结晶半数时间(t1/2)根据方程(2)计算。

(2)

1.2.4 晶体多态性和晶体域大小

采用X-射线衍射仪进行晶型分析。测定条件：铜靶Cu-Kα(λ=0.154 06 nm)，功率1 600 W，采用NaI晶体闪烁计数器测量X射线的强度，样品以0.01(°)/min的速度从0°～35°(2θ)扫描，总分析程序持续时间566 s。实验结果通过MDI Jade 6.0软件(Materials Data，Inc.，USA)分析。

晶体的厚度(ξ)根据Scherrer方程(3)计算。

(3)

式中:k为形状因子(无量纲)，提供关于颗粒“圆度”的信息，球形颗粒的形状因子为1，而其他颗粒小于1，通常计算晶体厚度时取值为0.9；λ为X射线的波长；H为以弧度表示的半峰宽；θ为衍射角。

1.2.5 热分析

采用差示扫描量热仪进行热分析。将5～10 mg完全熔化的样品称入铝盘中，并将空盘作为空白对照。DSC程序：首先130℃下保持5 min以确保样品完全熔化并清除所有晶体记忆，然后以5℃/min 的速率冷却至-20℃，在-20℃下平衡10 min，接着以5℃/min的速率线性升温至130℃。所有分析重复3次平行。

1.2.6 晶体形态

所有样品于120℃加热20 min，然后将完全熔化的样品(约15 μL)滴在预热的载玻片上。使用毛细管小心地在样品上覆盖预热的盖玻片，防止气泡进入。将玻片分别于4℃和20℃的恒温箱中储藏24 h后采用偏振光显微镜进行晶体形态的观察。获得图片使用Image J软件中的盒维数计数算法获得分形维数(Df)[3]。

2 结果与讨论

2.1 椰子油的脂肪酸和甘油三酯组成

椰子油的脂肪酸和甘油三酯的组成如表1、表2所示。

表1 椰子油的脂肪酸组成和含量 %

由表1可见，椰子油含有大量饱和脂肪酸，如月桂酸(C12∶0，43.02%)、肉豆蔻酸(C14∶0，20.18%)和棕榈酸(C16∶0，12.32%)。

表2 椰子油的甘油三酯组成和含量 %

由表2可见，椰子油中甘油三酯主要是中碳链甘油三酯，包括LLL(25.25%)、LLM (19.39%)、CLL(16.77%)、CCL(16.56%)、LMM(9.88%)。

2.2 椰子油及椰子油与L-AP混合物的结晶动力学

椰子油及椰子油与L-AP混合物的等温结晶曲线并通过 Avrami曲线拟合，结果如表3所示。

由表3可见，椰子油的结晶速率(K)随着温度的升高而降低，而结晶诱导时间(τSFC)和半数结晶时间(t1/2)随温度的升高而升高。同时，随着L-AP添加量的增大，τSFC和t1/2降低，K增大，这说明在椰子油中甘油三酯结晶之前，L-AP率先结晶并作为晶种诱导椰子油中甘油三酯的结晶，从而起到了促进结晶的作用，并且促进作用随着L-AP添加量的增大而更加明显。

成核生长维数可以用n表示，其反映了成核和生长的机理。其中：n为1代表了瞬时成核和线性生长；n为2表示存在瞬时或零星两种成核方式，以及线性和盘状生长方式；n为3表示瞬时或零星成核，晶核生长方式是盘状和球晶状生长；n为4表示零星的成核和球晶生长[10]。 由表3可见，随着温度的升高，n值呈上升趋势。对于椰子油，在5℃时，瞬时成核和线性生长(n～1)占主导地位；当温度升高到10℃时，瞬时和零星成核(n～2)同时存在，两种生长模式为线性和盘状生长；而温度为15℃时，n值在2和3之间，表明主要晶体生长机制为盘状和球形生长。这说明温度对椰子油晶体的成核和生长方式有重要影响。同一温度下，随着L-AP添加量的增大，n值增大。如在5℃下，n值由1.23±0.05(0%)变为1.36±0.05(1%)、1.63±0.06(3%)、1.70±0.02(5%)，说明L-AP改变了椰子油的成核和生长方式。

表3 不同温度下椰子油及椰子油与L-AP混合物的结晶速率(K)、Avrami指数(n)、结晶半数时间(t1/2)、结晶诱导时间(τSFC)

2.3 椰子油及椰子油与L-AP混合物的晶体多态性和晶体域大小

椰子油及椰子油与L-AP混合物的XRD图谱如图1所示。由图1可见，在长间距扫描过程中，所有样品均只有在4.6 Å附近有一个明显的特征峰，这说明椰子油的晶型主要是β晶型。短间距扫描显示在33 Å附近有一个特征峰，说明椰子油中甘油三酯为3倍长链堆积方式[11]。并且L-AP对椰子油的晶型以及堆积方式没有显著影响。

图1 椰子油及椰子油与L-AP混合物的XRD图谱

表4为椰子油及椰子油与L-AP混合物晶体的厚度。由表4可见，晶体的厚度随着L-AP添加量的增加而增加，说明L-AP参与了椰子油结晶过程，增加了晶体厚度。

表4 椰子油及椰子油与L-AP混合物晶体的厚度

2.4 椰子油及椰子油与L-AP混合物的热分析

图2显示了样品的结晶和熔化曲线，表5为样品对应的结晶/熔化起始温度(Toc/Tom)、结晶/熔化峰值温度(Tpc/Tpm)以及对应的结晶/熔化焓值(ΔHc/ΔHm)的变化。由图2、表5可见，在结晶过程中，椰子油存在两个吸收峰，一个是低熔点峰(0.21℃，ΔHc=119.01 J/g)，一个是高熔点峰(7.85℃，ΔHc=1.25 J/g)。随着L-AP的加入，Toc略微向高温区移动，如9.87℃(1%)、10.60℃(3%)和11.78℃(5%)。此外，加入L-AP后的椰子油只存在一个吸收峰，并且随L-AP添加量增大Tpc升高，如6.82℃(1%)、7.34℃(3%)和7.69℃(5%)，ΔHc同样增大，分别为124.07 J/g(1%)、130.08 J/g(3%)和137.70 J/g(5%)。在熔化过程中，随着L-AP添加量的增加，Tom、Tpm以及ΔHm均随之增大，这说明L-AP促进了椰子油的结晶过程[12]，这与之前的结晶动力学的测定结果是相照应的。

表5 椰子油及椰子油与L-AP混合物的结晶/熔化起始温度(Toc/Tom)、结晶/熔化峰值温度(Tpc/Tpm)、结晶/熔化焓值(ΔHc/ΔHm)

图2 椰子油及椰子油与L-AP混合物的DSC曲线

2.5 椰子油及椰子油与L-AP混合物的晶体形态及分形维数

椰子油及椰子油与L-AP混合物的晶体形态如图3所示。由图3可见，在4℃时，椰子油呈现的是细小的晶球结构，并且随着L-AP添加量的增大，晶体数量增多，展现出更加均匀和细小的形态结构。而20℃的样品呈现出明显的针状结构，L-AP的加入使该结构变得更密集。通常较高的分形维数(Df)对应于更有序的晶体结构，说明成核和生长过程同样是更加有序的[2,13]。随着L-AP添加量的增加，样品的Df值增大，说明L-AP参与了椰子油的结晶过程，促使其通过更为有序的结晶过程形成更为致密的晶体结构。

图3 椰子油及椰子油与L-AP混合物的晶体形态

3 结 论

本文主要研究了L-AP对椰子油结晶行为的影响。L-AP的添加促进了椰子油的结晶，提高了其结晶速率。L-AP发挥作用的机制主要是通过 “晶种”的形式，L-AP率先结晶形成细小的晶体，作为“晶种”诱导椰子油中甘油三酯的结晶。在分子角度层面，L-AP对椰子油的晶型和晶体堆积方式没有显著影响；在纳米层面，L-AP的加入增加了椰子油晶体纳米片层的厚度。同时，偏振光显微镜图片显示出更高的分形维数，说明L-AP促使椰子油的结晶过程中形成更为有序致密的结构。综上所述，L-AP对椰子油结晶特性产生了显著的影响。