基于蜂蜡油凝胶的植物奶油制备与性质表征

王一川，邓梓萌，毛立科

（中国轻工业健康饮品重点实验室，中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

奶油可分为动物奶油和人造植物奶油两大类。动物奶油价格偏高，且胆固醇含量与卡路里较高，在现代食品工业中存在一定限制。传统植物奶油的制造基于氢化反应，容易产生大量反式脂肪酸，给人体健康带来风险。因此，开发不含反式脂肪酸、低饱和脂肪酸的植物奶油是奶油生产加工亟待解决的问题。目前，研究者们己经提出了一些可以降低食品原材料油中反式脂肪酸浓度的方法。例如，在进行油脂氢化的生产过程中，采取低温高压的方式进行氢化生产，可以显著降低植物油中反式脂肪酸的浓度。但是这种新工艺成本高，对设备要求高，很难投入到实际的生产应用中。

植物油的油凝胶因其具有零反式脂肪酸、低饱和脂肪酸的特殊优点，被广泛认为是一种可以代替传统塑性脂肪的新兴油脂。常见的凝胶剂包括单硬脂酸甘油酯、植物甾醇、蜂蜡、脂肪醇等。其中，天然产物蜂蜡对提升血清中高密度脂蛋白，降低低密度脂蛋白和胆固醇效果显著。近年来，一些科学家开始把油凝胶领域的研究重点放在油凝胶在食品方面的应用上。Hwang等发现用葵花籽蜡作为奶油的结构剂制备奶油可模拟市售奶油的色泽、结构质地以及滋味气味等性能。南阳利用单甘酯作为凝胶剂制备油凝胶，并在此基础上制备植物奶油，对比市售奶油后发现，该奶油不饱和脂肪酸含量更高，涂抹性能更佳。

大豆卵磷脂是一种天然的乳化剂，其亲水亲油平衡值（hydrophilic-lipophilic balance，HLB）在3～6之间，具有良好的乳化、分散和渗透性能，在人造奶油的制备方面应用广泛。由于自身的两亲性，它通过自身的亲油性能以薄膜状包裹住油滴，同时亲水的部分与水分子结合，从而降低油水界面的张力，起到乳化的作用。司盘40作为人工合成的亲脂型乳化剂，HLB值为6.7，它可防止饮料的脂肪上浮形成油圈，也可防止糕点中的油脂析出，在人造奶油的制备方面同样应用广泛。研究表明，向蜂蜡油凝胶中添加其他凝胶因子或小分子乳化剂可以改善蜂蜡油凝胶的理化性质：仝桐等将蜂蜡和蔗糖酯复配制备油凝胶，结果表明，蔗糖酯对蜂蜡油凝胶的结晶有一定影响，可以改善油凝胶的理化性质。Zhuang Xiaoqing等将卵磷脂和蜂蜡复配制备油凝胶，结果表明，卵磷脂的加入能延迟油凝胶中的油脂氧化。

为探究小分子乳化剂对蜂蜡油凝胶理化性质的改善作用，并在此基础上制备新型、健康的植物奶油，本课题以玉米油为油相，将小分子乳化剂和蜂蜡复配制备油凝胶，在油凝胶的基础上通过乳化法制备植物奶油，探究小分子乳化剂的浓度、种类及贮藏温度等因素对油凝胶及植物奶油理化性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

长寿花金胚玉米油 山东三星玉米产业科技有限公司；蜂蜡 天津市光复科技发展有限公司；大豆卵磷脂（磷脂酰胆碱质量分数≥10%） 上海源叶生物科技有限公司；失水山梨醇脂肪酸酯（司盘40） 上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

YP5002电子天平 上海越平科学仪器有限公司；S22-2恒温磁力搅拌器 上海司乐仪器有限公司；HW·SY21-K电热恒温水浴锅 北京市长风仪器仪表公司；CT3物性分析仪 美国Brookfield公司；DHR-2旋转流变仪美国TA仪器公司；3k15超速离心机 美国Sigma-Aldrich公司；Leica-DM2000光学显微镜 瑞士Leica-Microsystems公司。

1.3 方法

1.3.1 油凝胶的制备与表征

1.3.1.1 油凝胶样品的制备

称取一定质量的蜂蜡、玉米油（7%）于100 mL的烧杯中，使用恒温磁力搅拌器边升温边搅拌，将温度提高到90 ℃，350 r/min保持10 min加热至蜂蜡完全熔化后，加入一定量的卵磷脂（或司盘40）（质量分数0%、0.5%、1%、1.5%、2%），待卵磷脂熔化后，继续加热10 min，冷却至室温，分别在4 ℃和25 ℃保存24 h，制得油凝胶。

1.3.1.2 油凝胶持油力的测定

称量空离心管（10 mL）的质量，在油凝胶冷却成胶之前加入8 g油凝胶，再次称量，在4 ℃和25 ℃静置2 h。将离心机的最高工作转速设定为10 000×，温度设定为25 ℃，离心15 min。离心结束后，将离心管取出，倒置2 h，使游离的液态油脂完全从样品中析出，称取离心管和剩余样品的质量。各个样品均测定3 次，取平均值。

持油力按式（1）计算：

式中：为空离心管的质量/g；为离心管及油凝胶样品的总质量/g；为油排出后离心管及油凝胶样品的总质量/g；为样品中植物油含量百分比（＝100%）。

1.3.1.3 油凝胶质构特性的测定

使用物性分析仪测定油凝胶的质构性质。将油凝胶样品提前3 h从冰箱取出，保持整个凝胶体系均匀并且与质构仪探头之间的接触面平整。测定条件：TA5圆柱形（直径=12.7 mm）柱塞探头，压缩模式，下压深度12 mm，测后速率1 mm/s，触发点负数0.035 N，测试速率1 mm/s，取下压过程中的受力峰值为硬度值。

1.3.1.4 油凝胶X射线衍射分析

将样品均匀、光滑、平整地铺在测试片中央的圆孔上，用X射线衍射仪在20 ℃条件下进行测定。测定条件为：Cu靶，工作电压40 kV，电流40 mA，发射及防反射狭缝1.0 mm，接受狭缝0.1 mm，室温25 ℃，扫描范围（2）5°～45°，扫描速率4 °/min。

1.3.2 油凝胶植物奶油的制备与表征

1.3.2.1 油凝胶植物奶油样品的制备

称取一定量的玉米油、蜂蜡（7%）于100 mL烧杯中，加入转子，盖上锡纸，于90 ℃、350 r/min下加热至蜂蜡完全熔化，再加入一定量的卵磷脂（或司盘40）（质量分数0%、0.5%、1%、1.5%、2%），待卵磷脂熔化后，继续加热10 min。向90 ℃蒸馏水逐滴加入90 ℃的油凝胶，于一定转速下搅拌5 min，分别于4 ℃和25 ℃贮存24 h，制得植物奶油。

1.3.2.2 植物奶油微观形态的观察

使用与数码相机连接的偏振光显微镜分析含有不同种类、不同质量分数乳化剂的奶油的微观结构。观察方法为：将一滴刚制备完成的奶油滴于载玻片的中央，再轻轻地盖上盖玻片，同时避免气泡的产生。在10 倍放大条件下观察样品，使用应用软件Leica Suite LASEZ（Leica Microsystems）获取和处理图像。

1.3.2.3 植物奶油流变特性的测定

使用旋转流变仪研究植物奶油的流变学性质。在25 ℃采用平行板（直径40 mm）测定，将植物奶油样品置于平板间，刮除多余样品，设置间隙为1 000 μm。

固定角频率10 rad/s，应变扫描范围为0.01%～100%，以确定植物奶油的线性黏弹区。

固定应变0.1%，频率扫描范围0.01～10 Hz，预平衡时间10 s，得到样品储能模量（’）与耗能模量（”）随频率增加的流变曲线。

固定振荡应力0.4 Pa，预平衡时间10 s，蠕变时间200 s，回复时间400 s，得到应变随时间变化的曲线。

剪切速率范围0.01～1.0 s，预平衡时间10 s，得到黏度随剪切速度变化的曲线。

1.3.2.4 植物奶油持水持油力的测定

称量空离心管（10 mL）质量，加入8 g奶油，再次称量，在4 ℃和25 ℃静置2 h。将离心机的最高转速设定为10 000×，温度为25 ℃，离心15 min。离心结束后，取出离心管，倒置2 h，使游离的液态油脂完全析出，称取离心管和剩余样品的质量。使用配有直径1 mm针头的针管将离心管底部多余水分吸出，再次称质量。各个样品均测定3 次，取平均值。

持油力、持水力按式（1）、（2）计算：

式中：为空离心管质量/g；为离心管和植物奶油样品总质量/g；为油排出后离心管和植物奶油样品的总质量/g；为水排出后离心管和植物奶油的总质量/g；为样品中植物油含量百分比（=80%）；为样品中水含量百分比（=20%）。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2010软件进行数据分析，采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，分析数据差异显著性。＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 油凝胶的持油力分析

持油力是用于评价油凝胶宏观性质的一个重要指标。由图1A可知，蜂蜡-卵磷脂油凝胶的持油力均在99%以上，表明蜂蜡-卵磷脂油凝胶的持油力较好，且卵磷脂质量分数及贮藏温度对蜂蜡-卵磷脂油凝胶的持油力影响不显著（＞0.05），可认为蜂蜡-卵磷脂油凝胶在常温下可维持结构的稳定。由图1B可知，蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力均在95%以上，蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力同样较好。随着司盘40质量分数的增大，蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力显著降低（＜0.05），可能是由于司盘40和蜂蜡之间形成结晶，破坏了蜂蜡油凝胶晶体紧密的堆积结构。当不添加司盘40时，常温条件下蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力高于冷藏条件下蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力（＜0.05）；当司盘40质量分数为0.5%时，常温条件下蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力和冷藏条件下蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力差异不显著（＞0.05）；当司盘40质量分数分别为1%、1.5%或2%时，常温条件下蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力低于冷藏条件下蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力（＜0.05），特别是当司盘40质量分数为2%时，蜂蜡-司盘40油凝胶在冷藏条件下的持油力远高于其在常温条件下的持油力。由此可知，随着司盘40质量分数的增大，冷藏条件更有利于保持蜂蜡-司盘40油凝胶结构的稳定。综合图1可知，蜂蜡-卵磷脂油凝胶的持油力高于蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力，蜂蜡-卵磷脂油凝胶的结构更稳定。

图1 卵磷脂（A）和司盘40（B）质量分数对蜂蜡油凝胶持油力的影响Fig.1 Effects of mass fraction of lecithin (A) and Span 40 (B) on the oil-holding capacity of beeswax oleogels

2.2 油凝胶的质构分析

由图2可知，卵磷脂的加入显著降低了蜂蜡-卵磷脂油凝胶的硬度（＜0.05），在常温条件下，司盘40的加入也显著降低了蜂蜡-卵磷脂油凝胶的硬度（＜0.05）。油凝胶的涂抹性对其在各类食品中的实际使用情况会产生很大的影响，而产品的硬度是衡量其本身涂抹性能与效果是否良好的一个重要指标，当油凝胶的硬度越高时，涂抹性就越差。因此，卵磷脂、司盘40的加入大大改善了蜂蜡油凝胶的涂抹性，这可能是由于卵磷脂在油凝胶中自组装成球形反向胶束，破坏了蜂蜡油凝胶的内部结构，使蜂蜡油凝胶的硬度降低。同时，由图2可知，冷藏条件下蜂蜡油凝胶的硬度显著低于常温条件下蜂蜡油凝胶的硬度（＜0.05）。因此，低温也可以在一定程度上改善蜂蜡油凝胶的涂抹性。另外，常温条件下，随着卵磷脂和司盘40质量分数的增加，蜂蜡油凝胶的硬度呈现出先降低再升高的趋势。不同质量分数凝胶剂所制备的蜂蜡油凝胶的硬度相差较大，这可能是由于卵磷脂、司盘40的质量分数不同，对蜂蜡油凝胶内部的分子间作用力及晶体结构的改变程度不同。综合考虑蜂蜡油凝胶的质构特性以及持油力，冷藏条件下，卵磷脂、司盘40质量分数为1%的蜂蜡油凝胶综合性能较好。

图2 卵磷脂（A）和司盘40（B）质量分数对蜂蜡油凝胶硬度的影响Fig.2 Effects of mass fractions of lecithin (A) and Span 40 (B) on the hardness of beeswax oleogels

2.3 油凝胶的X射线衍射分析

X射线衍射中，短间距值指的是2 个衍射晶体平面之间的间距，每种类型的晶体都具有其特定的值。、型晶体的特征峰的短间距分别在0.41 nm和0.46 nm左右，’型晶体的特征峰的短间距在0.38 nm和0.42 nm左右。由图3可知，所有油凝胶样品表现出相似的曲线，在蜂蜡油凝胶样品中，0.42 nm和0.38 nm附近的晶体呈现出一个较强的衍射峰，对应于’型晶体，在0.46 nm附近的衍射峰是一种类似于甘油三酯的晶型的结构。研究表明，3 种结晶型中’晶型的可塑性最强，表现出较好的涂抹性和口感，本实验的油凝胶表面光滑均匀，表明油凝胶可部分替代人造黄油和起酥油使用。从X射线衍射图谱中可以计算得到半峰全宽（full width at half maxima，FWHM），FWHM是指从峰高的中点处做平行于峰底的一条直线，该直线与曲线的2 个交点之间的距离。FWHM和结晶度相关，一般来说，FWHM值越大，结晶度越小。不同蜂蜡油凝胶的FWHM值见表1、2。结果可知，7 种蜂蜡油凝胶的FWHM较接近，说明结晶度较一致，随着乳化剂含量的增加，形成的油凝胶结晶度变化较平缓。

图3 含卵磷脂（A）和司盘40（B）蜂蜡油凝胶的X射线衍射图谱Fig.3 XRD patterns of beeswax oleogels with lecithin (A) or Span 40 (B)

表1 含有不同质量分数卵磷脂的蜂蜡油凝胶FWHMTable 1 FWHM of beeswax oleogels with different concentrations of lecithin

表2 含有不同质量分数司盘40的蜂蜡油凝胶FWHMTable 2 FWHM of beeswax oleogels with different concentrations of Span 40

2.4 植物奶油的微观结构

由图4可知，卵磷脂和司盘40的加入使奶油内部的水滴数量减少，水滴形态变得不规则且体积减小。随着乳化剂质量分数的增加，水滴越少，形态越不规则，体积越小。这可能是由于乳化剂的加入，使得水在整个油凝胶的凝胶体系中更分散，和整个凝胶体系相容得更好。与市售植物奶油和动物奶油相比，实验室制备的油凝胶植物奶油的微观结构和市售动物奶油更相似。

图4 油凝胶植物奶油及市售奶油微观结构（×10）Fig.4 Microstructure of oleogel-based margarine and commercial cream (× 10)

2.5 植物奶油的流变分析

线性黏弹区（linear viscoelastic region，LVR）是指样品在应力变化或者应变条件变化的情况下，样品的’和”维持不变的区域。经测量，2 种奶油的LVR均为0.01%～0.1%，小分子乳化剂质量分数和温度均对LVR无显著影响，说明小分子乳化剂质量分数和温度对体系的物理强度影响不显著。从图5可以看出，在扫描范围内，奶油体系的’均明显大于”，说明样品形成较为紧密的凝胶状结构，表现出类固体的弹性性质。如图6所示，随着卵磷脂和司盘40质量分数的增加，’增加，说明卵磷脂和司盘40质量分数越大，奶油的网络结构越紧密。此外，冷藏条件下，油凝胶奶油的’大于常温条件下油凝胶奶油的’，这可能是低温使油凝胶奶油的网络结构更为舒展，大大增强了油凝胶奶油的黏弹性。

图5 卵磷脂（A）和司盘40（B）油凝胶植物奶油频率扫描图谱Fig.5 Frequency sweep spectra of margarine based on oleogel with lecithin (A) or Span 40 (B)

图6 频率为1 Hz时卵磷脂（A）和司盘40（B）油凝胶植物奶油的G’Fig.6 Storage modulus of oleogel-based margarine with lecithin (A) or Span 40 (B) at 1 Hz frequency

如图7所示，随着卵磷脂和司盘40质量分数的上升，奶油的黏度逐渐上升，这可能是由于乳化剂的乳化作用，乳化剂的质量分数越高，乳化效果越好，奶油的黏度越高。同时，冷藏条件下，油凝胶奶油的黏度高于常温条件下油凝胶奶油的黏度，且对于蜂蜡-司盘40油凝胶奶油而言，冷藏条件下，油凝胶奶油的黏度受司盘40质量分数的影响程度比常温条件下小，冷藏条件下蜂蜡-司盘40油凝胶奶油更稳定。当剪切速率发生变化时，牛顿流体的黏度保持不变，而非牛顿流体则正好相反。在非牛顿流体中，当剪切速率从低逐渐增加到高时，流体黏度呈现下降趋势的流体是假塑性流体。由图7可知，随着剪切速率的增加，所有样品的黏度均逐渐下降，因此该奶油属于典型的假塑性流体，这是因为在剪切作用下，奶油内部的网络结构被破坏或者发生重组，导致黏度下降。

图7 卵磷脂（A）和司盘40（B）油凝胶植物奶油剪切黏度对剪切速率的变化Fig.7 Variation in viscosity with shear rate of oleogel-based margarine with lecithin (A) or Span 40 (B)

蠕变反映的是一种物质内部结构强度的大小，回复则反映的是一种物质内部结构抵抗滑移和变形的能力。如图8所示，在前200 s，保持0.4 Pa恒定压力的条件下，奶油的应变值逐渐增加，后400 s撤除0.4 Pa的恒定压力，奶油的应变值逐渐减小。在蠕变阶段，添加乳化剂的植物奶油的最大应变量均比对照组小。由于乳化剂强度高的植物奶油抵抗形变的能力远大于乳化剂强度低的植物奶油，因此添加乳化剂会使得植物奶油的内部结构强度提高，能够更加有效地防止和抵抗植物奶油的变形。在一定的应力作用下，蠕变过程达到平衡状态时的弹性形变是平衡弹性形变，它可以反映出物质内部结构的强度。当乳化剂添加量增加时，平衡弹性形变逐渐减小。当储存温度降低时，平衡弹性形变同样逐渐减小。弹性模量的倒数是蠕变柔量，样品的柔量越低，内部结构越强。由此可知，随着乳化剂的添加量增多或贮存温度的降低，平衡弹性形变减小，柔量减小，奶油体系凝胶网络的三维结构增强。回复过程中，添加不同比例乳化剂的植物奶油的回复率不同。乳化剂质量分数为2%时，植物奶油的应变量最小，应变的变化速率最慢，植物奶油的回复率最大。说明当乳化剂质量分数为2%时，植物奶油拥有强度最大的内部结构，在撤去外力后，植物奶油有很好的恢复力，此质量分数对植物奶油的内部结构有良好的改善作用。

图8 卵磷脂（A）和司盘40（B）油凝胶植物奶油蠕变-回复特性Fig.8 Creep-recovery characteristics of oleogel margarine with lecithin (A) or Span 40 (B)

2.6 油凝胶植物奶油持油持水力

2.6.1 油凝胶植物奶油的持油力

由图9可知，随着卵磷脂质量分数的上升，蜂蜡-卵磷脂油凝胶植物奶油的持油力显著下降（＜0.05）；随着司盘40质量分数的上升，蜂蜡-司盘40油凝胶植物奶油的持油力先显著下降（＜0.05），后变化不显著（＞0.05）。研究表明，结晶的数量、空间分布、尺寸、形态等是测量持油能力的关键因素，表面积与体积相对较高的纤维状、针状晶体可以与更多的结构单体形成相互作用力，因而有助于提高油凝胶的物理稳定性。由此推测，卵磷脂或司盘40的加入改变了奶油三维网络体系的结晶形态，使整个体系的持油性下降。卵磷脂和水的相互作用对于凝胶体系的结晶形态改变程度高于司盘40和水的相互作用对凝胶体系的结晶形态改变程度。同时，实验结果表明，温度对于油凝胶植物奶油持油力的影响不显著（＞0.05）。

图9 卵磷脂（A）和司盘40（B）油凝胶植物奶油持油力Fig.9 Oil-holding capacity of oleogel-based margarine with lecithin (A) or Span 40 (B)

2.6.2 油凝胶植物奶油的持水力

由图10可知，随着卵磷脂质量分数的上升，蜂蜡-卵磷脂油凝胶奶油的持水力先逐渐上升（＜0.05）后变化不显著（＞0.05）。另外，司盘40的加入大大改善了蜂蜡-司盘40油凝胶奶油的持水力（＜0.05），但不同质量分数的司盘40对油凝胶植物奶油持水力的影响不显著（＞0.05）。这可能是由于乳化剂的加入，水分子分散在整个油凝胶网络中，乳化剂的质量分数越高，水分子的分散程度越高，持水性越好。整体而言，温度对蜂蜡-卵磷脂油凝胶奶油持水力的影响不明显（＞0.05）。

图10 卵磷脂（A）和司盘40（B）油凝胶植物奶油持水力Fig.10 Water-holding capacity of oleogel-based margarine with lecithin (A) or Span 40 (B)

3 结论

探究了卵磷脂和司盘40的添加对蜂蜡油凝胶及植物奶油理化性质的影响，考察不同乳化剂种类、含量及贮藏温度对油凝胶和植物奶油硬度、涂抹性、微观结构、黏弹性以及持油持水性能的调控效果。研究结果表明，在常温条件下，卵磷脂和司盘40的加入显著降低了蜂蜡油凝胶的硬度，使蜂蜡油凝胶的涂抹性增强，且蜂蜡油凝胶中含有可塑性较强的’晶型，涂抹性和口感较好，综合考虑蜂蜡油凝胶的质构特性以及持油力，冷藏条件下，卵磷脂、司盘40质量分数为1%的蜂蜡油凝胶综合性能较好；随着卵磷脂和司盘40质量分数的增加，奶油的网络结构变得紧密，添加乳化剂可使奶油内部强度增大，能更加有效地抵御植物奶油变形；同时低温使油凝胶奶油的网络结构更为舒展，大大增强了奶油的黏弹性；另外，蜂蜡-卵磷脂油凝胶和蜂蜡-司盘40油凝胶的持油力均能达95%以上，持油效果较好，乳化剂的加入也可以大大改善奶油的持水力。整体而言，冷藏条件下，乳化剂质量分数为2%的植物奶油综合性能较好。未来研究中，可以通过添加功能因子、不同比例的的调味剂等改善油凝胶和奶油的颜色和口味，满足不同消费群体的营养和消费需求，使其成为黄油及奶油的良好替代品，为开发新型健康配方食品提供参考。