菜籽油凝胶的质构特性及形成机理研究

王家镔 刘龙龙 陈致羽 仇宏图 张 华，2 崔福顺，2 李官浩，2

(延边大学农学院食品与生物科学系1，延吉 133002)(东北寒区肉牛科技创新教育部工程研究中心；延边大学2，延吉 133002)

菜籽油含有α-亚麻酸等不饱和脂肪酸较高的食用植物油，天然维生素含量是橄榄油的三倍。另外菜籽油还含有多酚、类胡萝卜素、钙、铁等营养成分，其营养价值高、生理活性强，利于心脑血管，可有效预防和减少慢性疾病的发生[1]，在目前国内生产的食用植物油中菜籽油被称为“最健康的食用植物油”。谷甾醇与卵磷脂可作为食品级凝胶剂，被誉为生命的“钥匙”的谷甾醇，是许多食物中重要的生理活性物质，也是真核生物细胞膜的重要组分，广泛参与机体的生命活动[2]。卵磷脂其用途广泛，比如医药、食品工业的应用。食品工业中，可发挥促进溶解的作用，助于食品中脂肪均衡的分散等[3]。开发低饱和脂肪酸和低反式脂肪酸的食品，用低分子量凝胶剂自我构建形成网络结构来使植物油凝胶化，以此替代传统固态油脂的课题已引起人们广泛关注[4]。卵磷脂和谷甾醇对人体具有益处。其他使油脂凝胶化的物质还有羟基脂肪酸、蜡及蜡酯和卵磷脂/山梨醇单硬脂酸酯等，但是它们都有一定的缺点，如羟基脂肪酸、蜡及蜡酯不被允许添加到食品中，不具有安全性；卵磷脂/山梨醇单硬脂酸酯添加量需要达到很高的浓度才能将油脂凝胶化，从而提高了生产的成本。相比于其他油脂凝胶，添加卵磷脂/谷甾醇复合凝胶剂制备菜籽油凝胶的优势在于其营养价值极高，并且更具有安全性，可用于食品中[5]。

Han等[5]也成功利用谷甾醇和卵磷脂结构化了植物油，其结构稳定，长时间储藏不会塌陷。殷俊俊等[6]利用谷维素与谷甾醇成功制备葵花油凝胶，得出了影响葵花油凝胶硬度的因素的主次顺序，其顺序为：冷却温度>γ-谷维素:β-谷甾醇添加比例>加热时间>加热温度。Zetzl等[7]将乙基纤维素油脂凝胶替代动物油脂添加于法兰克福香肠中，使得香肠感官品质得到极大改善的同时，还有效降低饱和脂肪酸含量，让产品更加健康。

目前，利用X-射线衍射(X-ray diffraction ，XRD)与核磁共振氢谱(1H nuclear magnetic resonance，1HNMR)结合，通过官能团的变化了解形成机理，利用油脂凝胶质构特性分析相关性的研究甚少。因此，本研究首先从蛋黄中提取卵磷脂与谷甾醇作为凝胶剂，以营养丰富的菜籽油为载体油，为制备出绿色、健康的可食用油脂凝胶进行优化实验，同时探讨了油脂凝胶形成机理和质构相关性。为该类型的凝胶油的物理性质提供依据，可为菜籽油凝胶的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

菜籽油、卵磷脂、卵磷脂标准品、β-谷甾醇、氘代甲醇(TMS 0.03%)、氘代氯仿；氯仿、95%乙醇、丙酮等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

D/Max 2200VPC X-射线衍射，AV-600核磁共振仪，ME104电子分析天平，SY-2000旋转蒸发仪，IT-09B15磁力搅拌器，TMS-Pro型质构仪。

1.3 实验方法

1.3.1 卵磷脂的制备

新鲜鸡蛋→蛋黄分离→蛋黄加入具塞锥形瓶→加乙醇(95%)，按乙醇体积与蛋黄的克数(mL/g)比例为10∶1添加→常温下磁力搅拌1 h→提取液收集于50 mL离心管中→以4 000 r/min，离心15 min →取上清液，沉淀物再加95%乙醇提取，离心后合并两次上清液→抽滤→旋蒸浓缩→取出浓缩物后加入丙酮，用振荡器浸洗至丙酮接近无色→真空冷冻干燥→称重，算得率。

1.3.2 卵磷脂定性

参考刘颖等[8]方法稍作修改。取鲜蛋蛋黄卵磷脂提纯物和卵磷脂标品各0.1 g溶于1 mL氯仿，点样待用。按氯仿∶甲醇∶水=65∶25∶4配制展开剂。层析前要进行预饱和，饱和时间30 min。取已活化完毕的硅胶G板，在距硅胶板2 cm用铅笔画出一条线，用毛细管取卵磷脂样品和卵磷脂标品各10 μL，点在同一底线上。将点好样的硅胶板放入展开剂中展开，当展开一定距离后，取出晾干，让展开剂挥尽。最后通过碘缸显色。

1.3.3 油脂凝胶的制备

以菜籽油为原油材料，称取20 mL菜籽油，添加油脂质量为12%的谷甾醇与卵磷脂形成的低分子量复合凝胶剂(谷甾醇与卵磷脂质量比为6∶4)，100 ℃下磁力搅拌30 min使其凝胶剂充分溶解于菜籽油中。将磁力搅拌后的样品放入5 ℃冰箱中储藏24 h，然后置于恒温培养箱中25 ℃放置3 d。

1.3.4 凝胶强度测定

参考ISO 9665—1998[9]方法，取油脂凝胶样品进行前处理后即可进行测定。实验做3次平行，取平均值。质构仪测定条件为P/3.5探头，力量元感应力量元感应量程900 N，触发力1N，检测速度60 mm/min，穿刺距离0.3 mm，回程速度60 mm/min回程距离20 mm。分析不同条件所制备的油脂凝胶样品凝胶强度的变化趋势。

1.3.5 凝胶X-射线衍射(XRD)测定

取适量的凝胶样品平铺在检测片上，仪器测试条件设定为：Cu-Kα 放射源(波长λ=1.540 56 Å)，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，2θ角扫描范围10.0°～30.0°，扫描步长为0.02°，扫描速率为2 ℃/min,发射和防反射狭缝1.0 mm，接受狭缝0.1 mm，测试温度为25 ℃[10]。

1.3.6 凝胶核磁共振氢谱(1HNMR)测定

称取5～6 mg的样品，将其溶解于0.5 mL氘代甲醇，β-谷甾醇、菜籽油、菜籽油凝溶于氘代氯仿转移至直径为3 mm的玻璃核磁管中待用。

1.4 数据统计分析

采用SPSS Statistics 20软件进行数据的统计分析，进行相关性分析(P<0.5)。

2 结果与分析

2.1 卵磷脂定性分析

从图1中可知，将卵磷脂标准品与蛋黄中提取的鲜蛋蛋黄卵磷脂提纯物在硅胶板上展开显色[11]，实验室鲜蛋蛋黄卵磷脂提纯物Rf值为0.371，卵磷脂标准品Rf值为0.370，两者Rf值基本相同，且无其他斑点，表明提取物纯度较高，进一步利用1H-NMR进行了定量分析。

图1 卵磷脂定性分析

2.2 凝胶剂添加量对油脂凝胶的影响

图2为凝胶剂添加量对油脂凝胶的强度暨质构特性影响的分析结果。从图2中可看出，添加量在8%至16%时，凝胶强度呈先上升再下降趋势，在12%时达最大值。添加量为6%测不出强度，原因可能是凝胶剂添加量不足，无法形成凝胶网络结构，不能使液态植物油结构化。周玉娇等[1]研究表明随着凝胶剂添加量的增加，油脂凝胶强度也随之增大，凝胶网络结构逐渐稳定，对油脂固化能作用也越强。但是本实验结果显示凝胶强度与凝胶剂添加量并不完全成正比，添加14%和16%时凝胶强度低于12%，原因可能是添加量过高，使过多的谷甾醇或卵磷脂在植物油中溶解，导致网络结构破坏[12]。

注：a～d表示不同样品之间的显著性差异(P<0.05)。图2 凝胶剂添加量对菜籽油凝胶的影响

2.3 凝胶剂添加比例对油脂凝胶的影响

适当比例添加谷甾醇和卵磷脂，两者可通过氢键等分子间作用力结合形成纳米小管结构，经碰撞、粘附、交联进一步形成三维网络固定住液体油相[13]。从图2中可看出，添加比例为6∶4的凝胶强度显著大于其他五种条件的凝胶强度，凝胶剂的添加比例，也就是谷甾醇与卵磷脂两者之间添加的比例对油脂凝胶造成极大的影响。

2.4 时间、温度对油脂凝胶的影响

图3是时间、温度双因素对油脂凝胶的强度及质构特性影响的累加柱形图，凝胶强度在70～100 ℃时虽温度升高而上升，其原因是随着搅拌温度的上升，对凝胶剂在植物油中的溶解具有的作用。搅拌温度为110 ℃时，强度降低，温度为120 ℃时，强度再次上升且凝胶颜色发生变化。结合Szczeniak[14]质地多面剖析法、GB/T 16860—1997[15]分析得出，比较其他不同时间和温度制成的凝胶，条件在100 ℃，30 min时，其凝胶强度最好，表明口感良好，有一定胶性，易粘舌头，易被破碎。外表呈糊状，极具弹性，凝胶较嫩。

注：a～d表示不同样品之间的显著性差异(P<0.05)。图3 时间、温度对菜籽油凝胶的影响

2.5 X-射线衍射(XRD)分析

从图4中可看出，油脂凝胶样品在不同区域出现了不同的衍射峰，在0.42 nm附近出现α型晶体特征峰，0.38 nm和0.42 nm附近出现β′型晶体特征峰，0.46 nm附近出现β型晶体特征峰。说明油脂凝胶存在同质多晶现象[16]。第30天的菜籽油脂凝胶β′型、β型衍射峰强度大于第1天菜籽油凝胶。油脂凝胶衍射强度越大，形成的晶体就越能固定住液态油脂，其内部三维网状结构就越稳定[17]。α型晶体衍射强度极弱，其原因是在油脂凝胶在凝胶剂作用下，α型晶体以大部分转化为β′和β型晶体，α晶型向β、β′晶型的转变也是油脂凝胶形成的必要条件。

注：图4是菜籽油及以最佳条件(添加量12%、β-谷甾醇:卵磷脂添加比例6∶4、时间30 min、温度100 ℃)制备油脂凝胶的第1天和第30天的XRD图谱。图4 菜籽油及其凝胶XRD图

2.6 菜籽油、凝胶剂及菜籽油凝胶1H-NMR图谱分析

结合图5和表1对卵磷脂标品与鲜蛋蛋黄卵磷脂提纯物PC进行对比分析得出，卵磷脂标准品的磷脂酰胆碱(PC)主要出现在化学位移3.2～5.4之间[18]，鲜蛋蛋黄卵磷脂提纯物PC也出现在该区域，且δ=4.40～4.50处2号质子峰可与甘油磷脂酰胆碱(L-α-GPC，简称 GPC)，溶血磷脂(LPC)区分[19]。则可作为PC定量分析的特征性质子峰。通过定量分析得，鲜蛋蛋黄卵磷脂提纯物PC含量为4.014 mmol/kg。

对添加至凝胶中的鲜蛋蛋黄卵磷脂 1H-NMR谱图(图5b)、谷甾醇1H-NMR谱图(图5c)、菜籽油1H-NMR谱图(图5d)和菜籽油凝胶1H-NMR谱图(图5e)中化学位移进行对比，位于卵磷脂的长烃基链上1号特征峰为甘油基中的亚甲基质子，具有功能性，未出现在凝胶中；β-谷甾醇结构含有羟基基团和萜环，是主要结合位点。凝胶中并未出现7号和8号特征峰，7号特征峰为连氧次甲基质子，而8号特征峰为烯氢质子，都具有功能性。说明了卵磷脂可能与谷甾醇发生分子间作用力(氢键力、静电力、疏水力、范德华力等)，通过氢键可能与卵磷脂的长烃基链发生结合，形成了复合凝胶剂，不溶于检测溶剂被过滤，但是未发现菜籽油发生了官能团结构变化形成的新物质特征峰。

表1 卵磷脂特征峰解析

表2 β-谷甾醇特征峰解析[20，21]

注：a 卵磷脂标品，b 鲜蛋蛋黄卵磷脂提纯物，c β-谷甾醇，d 菜籽油，e 菜籽油凝胶。 图5 卵磷脂、谷甾醇、菜籽油和菜籽油凝胶1HNMR图谱

表3 菜籽油特征峰解析[22]

3 结论

凝胶剂添加量12%，凝胶剂添加比例为6∶4、100 ℃、30 min时，其凝胶强度最佳，口感良好，有一定胶性，易粘，外表呈糊状，黏性变强，从最初的不可塑性质变成了可塑性，甚至极具弹性，同时具有一定的咀嚼性。

通过分析卵磷脂、β-谷甾醇、菜籽油及其这三种物质形成的菜籽油凝胶的1H-NMR谱图发现，是位于卵磷脂的长烃基链上的甘油基中的亚甲基质子与β-谷甾醇结构中所处在羟基基团的连氧次甲基质和烯氢质子通过分子间作用力发生结合形成三维网络结构荷载了菜籽油，菜籽油的官能团没有发生变化，判定菜籽油油脂凝胶为物理结合非化学合成。