单月桂酸甘油酯强化羟丙基甲基纤维素油凝胶制备工艺条件优化

张永涵，唐月梅，董世容，贾银花，黄小清，杨希，邹强*

(1.成都大学 食品与生物工程学院, 成都 610106；2.四川饭扫光食品集团股份有限公司,成都 611730)

油凝胶技术是通过油脂凝胶剂所形成三维网络结构固定液体油的新技术[1]，可以使液体植物油具有类似固体动物油脂的特性，从而减少饱和脂肪酸摄入，实现健康饮食。现有研究中发现多种物质能够作为油脂凝胶剂、植物甾醇[2]、植物蜡[3]、乙基纤维素[4]、单甘酯[5]等，羟丙基甲基纤维素(HPMC)是一种水溶性纤维素衍生物，被广泛用于药品、化妆品和食品行业[6-7]。通过高速搅拌充气产生泡沫，然后冷冻干燥脱水形成多孔材料用于构建油凝胶体系，无需热相变，完整地保留植物油中的不饱和脂肪和热敏性成分[8]。例如，Oh Imkyung等[9]制备菜籽油基的HPMC油凝胶代替肉饼中的牛脂，在改善了肉饼质量的同时，还提高了其营养价值。Naeli等[10]开发了乙基纤维素和HPMC复配的油凝胶，可有效作为动物脂肪的替代品。Meng等[11]添加不同增稠剂研究对HPMC油凝胶凝胶性能的影响，并发现了多糖之间通过分子内或分子间氢键相互作用形成聚合物油分子的机制,但形成单一HPMC油凝胶的持油性较差，凝胶强度较低。

单月桂酸甘油酯(GML)是一种亲脂性非离子表面活性剂，兼具良好的乳化性和防腐性[12]，价格低廉，食用安全性较高，广泛用于食品工业中。例如，Pan等[13]将GML作为凝胶剂制备山茶油凝胶及其乳剂，具有较好的抗氧化性。余立意[14]构建GML微乳体系调控微生物细胞的基因表达，达到抑制食品中细菌活性的目的。

本课题组通过前期预试验发现在HPMC油凝胶中加入GML，能够提高HPMC油凝胶的凝胶强度，可作为潜在的HPMC油凝胶强化剂。因此，本研究以葵花籽油为基料油，GML作为凝胶强化剂，HPMC作为凝胶剂，研究油凝胶制备过程中GML添加量、HPMC黏度、HPMC添加量对形成的油凝胶持油性和凝胶强度的影响，在单因素试验的基础上，选取持油性和凝胶强度为优化目标，采用Box-Behnken响应面法对油凝胶制备进行优化，以期获得具有较好持油性和凝胶强度的固态植物油脂产品，能进一步应用于食品工业中。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

一级葵花籽油：益海嘉里食品营销有限公司；羟丙基甲基纤维素(HPMC)：上海麦克林生化科技有限公司；单月桂酸甘油酯(GML，食品级)：河南奥尼斯特食品有限公司。

DZKW-4型电子恒温水浴锅 北京中兴伟业仪器有限公司；JA2003N型电子分析天平 上海佑科仪器仪表有限公司；A11 basic型分析研磨机 德国IKA公司；FJ200-SH型高速分散均质机 上海标本模型厂；3k15型超速离心机 美国Sigma Aldrich公司；LGJ-10E型真空冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司；TA-XT Plus型物性分析仪 英国SMS公司；RWD100型顶置式搅拌器 上海沪析实业有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 GML强化HPMC油凝胶(GEHO)的制备

参照Oh Imkyung等[15]、Schlievert等[16]的方法并稍作修改，将2%(W/W)HPMC溶于蒸馏水中放置12 h，然后将HPMC溶液在13000 r/min下均质15 min，并进行冷冻干燥，放入冰箱中储存备用。取出制备好的HPMC泡沫，将其研磨后与GML混合加入葵花籽油中，使用顶置搅拌器以200 r/min剪切10 min，然后将其于4 ℃放置过夜。

1.2.2 持油性的测定

参照徐杰等[17]、Meng等的方法并稍作修改，取适量的HPMC油凝胶置于10 mL离心管中，称其质量记为m2，以9000 r/min高速离心10 min，将离心后的离心管倒置10 min，用滤纸吸干沥出的植物油，称量其质量记为m3。持油性按下式计算:

式中：m1为离心管质量，m2为未离心的管和油凝胶质量，m3为已离心的管和油凝胶质量，ω为油凝胶体系中凝胶剂的质量分数。

1.2.3 凝胶强度的测定

参照张芷芸等[18]的方法并稍作修改，采用TA-XT Plus物性分析仪测定凝胶强度。质构仪测定条件：探头P/0.5；测前速度为1.5 mm/s；测中速度为1 mm/s；测后速度为1 mm/s；探头下压距离为15 mm；采用自动触发，触发力为5 g。压缩变形4 mm所需的最大应力为凝胶强度，单位为g。

1.2.4 单因素试验设计

1.2.4.1 GML添加量对持油性和凝胶强度的影响

固定HPMC黏度4000 mPa·s，HPMC添加量4%(W/W)，GML添加量分别设定为0%、1%、3%、5%、7%、9%，在上述条件下制备GML强化的HPMC油凝胶(GEHO)，测其持油性和凝胶强度。

1.2.4.2 HPMC黏度添加量对持油性和凝胶强度的影响

固定GML添加量7%，HPMC添加量4%(W/W)，HPMC黏度分别设定为30，50，100，400，4000 mPa·s，在上述条件下制备GEHO，测其持油性和凝胶强度。

1.2.4.3 HPMC添加量对持油性和凝胶强度的影响

固定HPMC黏度4000 mPa·s，GML添加量7%，HPMC添加量分别设定为1%、2%、3%、4%、5%，在上述条件下制备GEHO，测其持油性和凝胶强度。

1.2.5 响应面试验设计

表1 响应面试验因素水平设计Table 1 The factors and levels of response surface test

1.3 数据分析

每组试验做3次平行，结果用平均值±标准差表示。采用SPSS软件对单因素试验数据进行方差分析，通过Tukey检验法比较平均值的显著差异性(P<0.05)；采用OriginPro 2019b软件处理单因素试验所得数据及画图；采用Design-Expert 8.0软件中拟合二阶多项式方程，并形成响应曲面，分析试验因素和水平交互作用对响应值的影响。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 GML添加量对GEHO品质的影响

由图1可知，随着GML添加量的增加，GEHO的凝胶强度持续增加，在GML添加量为7%时趋于平缓，而持油性呈先上升后下降的趋势，在GML添加量为5%时达到最大值。随着GML添加量的增加， GEHO网状结构更紧密，凝胶强度增加。当GML添加量达到5%时，持油性为94.40%，再增加GML的添加量，持油性缓慢下降，可能是因为GEHO结合油的能力已达到最大，多余的GML发生了相分离。因此，综合分析确定GEHO中GML最适添加量为7%。Zhao等[20]研究也发现，GML添加量的增加会在油相产生更致密的网状结构。还有研究发现，GML能够改性阿拉伯胶，达到提高其凝胶稳定性的目的[21]。

图1 GML添加量对GEHO持油性和凝胶强度的影响Fig.1 The effect of GML additive amount on oil holding capacity and gel strength of GEHO

2.1.2 HPMC黏度对GEHO品质的影响

由图2可知，随着HPMC黏度的增大，持油性和凝胶强度总体呈上升趋势，在HPMC为4000 mPa·s时，GEHO达到最佳的持油性(93.71%)和凝胶强度(91.33 g)。Patel等[22]也研究发现，较高黏度的HPMC能形成较稳定的泡沫，增加其持油性。而通常食品生产研究中使用的HPMC黏度范围≤4000 mPa·s(食品级)[23]，因此，结合后面的响应面试验，选取400 mPa·s HPMC作为响应面试验的中间值。

图2 HPMC黏度对GEHO持油性和凝胶强度的影响Fig.2 The effect of HPMC viscosity on oil holding capacity and gel strength of GEHO

2.1.3 HPMC添加量对GEHO品质的影响

由图3可知，随着HPMC添加量的增加，GEHO的凝胶强度持续增加，而持油性呈先上升后下降的趋势。在HPMC添加量为1%～4%时，持油性逐渐提高，在HPMC添加量为4%时达到最大值，凝胶强度持续增加，在HPMC添加量为2%～4%时，凝胶强度显著提升(P<0.05)。在HPMC添加量为5%时，持油性开始下降，凝胶强度小幅增加，但无显著变化。综合评定分析，确定HPMC的最适添加量为4%。

③徐俯《卜算子》(胸中千种愁)：双调45字，上阕4句22字2仄韵，下阕4句23字3仄韵。句式：5575。55733。

图3 HPMC添加量对GEHO持油性和凝胶强度的影响Fig.3 The effect of HPMC additive amount on oil holding capacity and gel strength of GEHO

2.2 响应面分析法优化试验结果

由表2可知，采用Design Expert软件对持油性(Y1)和凝胶强度(Y2)进行拟合，得到二次多项回归方程：Y1=91.85-12.85A+18.48B+17.61C-1.44AB-0.68AC-0.91BC+1.1A2+0.48B2-1.35C2，Y2=-217.32+52.65A-9.5B+36.61C+0.23AB+0.15AC+3.47BC-3.3A2+1.46B2-2.87C2。

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 The design and results of Box-Behnken experiments

续 表

2.2.1 GEHO持油性响应面优化试验结果分析

2.2.1.1 GEHO持油性回归方程的方差分析

由表3可知，F值为37.66，显著性检验P<0.0001，表明模型拟合性极显著；失拟项的P=0.2588>0.05，说明拟合的模型纯误差不显著，可预测实际值；相关系数R2=0.9798，表明97.98%的数据可用此回归方程解释，该模型具有良好拟合度，可代替试验真实点分析和预测制备条件对GEHO持油性的影响[24-25]。

表3 持油性回归方程方差分析表Table 3 The variance analysis results of oil holding capacity regression equation

由F值可知，各因素对GEHO持油性影响的大小顺序为B(HPMC黏度)>C(HPMC添加量)>A(GML添加量)。回归模型系数的显著性分析表明，B、C对GEHO持油性的影响极显著(P<0.01)，A2、C2和交互项AB对GEHO持油性的影响显著(P<0.05)，其余项对持油性的影响不显著。

2.2.1.2 因素交互作用对GEHO持油性的影响

响应曲面图可直观地反映各因素交互作用对持油性的影响，曲面越陡，交互作用影响越显著。等高线越接近椭圆形，两因素的交互作用越强[26]。由图4中a可知，响应面的坡度较为陡峭，表明GEHO的持油性对HPMC黏度和GML添加量的变化较敏感。由图4中b可知，HPMC添加量与GML添加量之间的交互作用较弱，HPMC添加量对持油性的影响略大于GML添加量。由图4中c可知，持油性随着HPMC黏度的增大呈上升趋势，随着HPMC添加量的增加先上升后保持不变。上述结果均与回归分析结果相一致。

a

2.2.2 GEHO凝胶强度响应面优化试验结果分析

2.2.2.1 GEHO凝胶强度回归方程的方差分析

由表4可知，F值为37.22，显著性检验P<0.0001，表明模型拟合性极显著；失拟项的P=0.1860>0.05，说明拟合模型纯误差不显著，可预测实际值；相关系数R2=0.9795，表明97.95%的数据可用此回归方程解释，该回归模型具有良好拟合度，可代替试验真实点分析和预测制备条件对GEHO凝胶强度的影响。

表4 凝胶强度回归方程方差分析表Table 4 The variance analysis results of gel strength regression equation

由F值可知，各因素对GEHO凝胶强度影响的大小顺序为C(HPMC添加量)>B(HPMC黏度)>A(GML添加量)。回归模型系数的显著性分析表明，A、B、C对GEHO凝胶强度的影响极显著(P<0.01),A2、C2和交互作用项BC对GEHO凝胶强度的影响显著(P<0.05)，其余项对凝胶强度的影响不显著。

2.2.2.2 因素交互作用对GEHO凝胶强度的影响

由图5中a可知，HPMC黏度与GML添加量之间的交互作用较弱，HPMC黏度对凝胶强度的影响略大于GML添加量。由图5中b可知，GEHO的凝胶强度随着HPMC添加量和GML添加量的增加均呈现上升趋势，但HPMC添加量对凝胶强度的影响较强于GML添加量。由图5中c可知，响应面的坡度较为陡峭，表明GEHO的凝胶强度对HPMC添加量和HPMC黏度的变化较敏感。上述结果均与回归分析结果相一致。

a

2.2.3 GEHO最佳制备条件的确定

采用Design-Expert 8.0软件分析各因素对HPMC油凝胶持油性和凝胶强度的影响，确定GEHO制备的最佳条件为：GML添加量为6.46%，HPMC黏度为4000 mPa·s，HPMC添加量为5%，理论HPMC油凝胶的持油性为92.20%，凝胶强度为102.45 g。考虑实际可操作性，调整最优条件为：GML添加量为6.5%，HPMC黏度为4000 mPa·s，HPMC添加量为5%，此时GEHO的持油性为(91.42±1.21)%，凝胶强度为(100.47±2.36) g，与理论值基本一致。GEHO的持油性相比Meng等制备的HPMC油凝胶 (83%～88%)提高了约4%～8%，凝胶性能相比张翠平[27]制备的羟基类油凝胶(96.86, 98.96 g)略有提升(3.6%、1.6%)，说明优化制备的GEHO持油性和凝胶性能较好，具有实际意义。

3 结论

通过GML强化HPMC油凝胶，采用响应面分析GML添加量、HPMC黏度和HPMC添加量对GEHO持油性和凝胶强度的影响，并优化处理条件。单因素试验结果表明，GML添加量、HPMC黏度和HPMC添加量对GEHO持油性和凝胶强度的影响均较为显著。以此为基础，建立Box-Behnken响应面试验对GEHO持油性和凝胶强度进行条件优化。最佳制备条件为：GML添加量为6.5%，HPMC黏度为4000 mPa·s，HPMC添加量为5%。在最佳工艺条件下，HPMC油凝胶实际持油性为(91.42±1.21)%，凝胶强度为(100.47±2.36) g，与预测值偏差较小，略优于现有研究。本研究提升了原HPMC油凝胶的持油性和凝胶强度；拟合的方程模型能较好预测各因素与目标值的变化关系，为HPMC油凝胶能进一步应用于食品工业中提供了一定的理论参考。