小烛树蜡棕榈凝胶油的制备及其在面包中的应用

张 静, 刘 平

(1. 江苏农牧科技职业学院 食品科技学院,江苏 泰州 225300; 2. 西华大学 食品与生物工程学院,四川 成都 610039)

凝胶油脂是利用少量凝胶因子的结晶作用、自组装方式等,将液态植物油束缚在网络结构中,使液态油失去流动性,呈现半固体或固体的油脂体系[1]。凝胶油体系中仅含有凝胶因子和液态油脂,具有低饱和脂肪和零反式脂肪,受到众多研究者的广泛关注[2-3]。大量研究结果表明[4-5],凝胶油可以作为新型的油脂原料或者替代传统固态脂肪应用于药品、食品及化妆品行业,特别是在防止油脂迁移及替代人造奶油、牛油方面的应用。

目前,制作凝胶油脂常用的凝胶因子包括单苷酯、植物蜡和长链脂肪酸等[6],其中天然植物蜡来自油脂加工的副产品。不同种类的天然蜡由于成分和来源的差异,具有不同的结晶形态和结构,因而具有不同的凝胶能力和机械性能[7]。小烛树蜡主要产自美国南部和墨西哥北部地区,主要成分为烃类、蜡酯及少量醇类和甾醇类,是被美国食品及药物管理局(FDA)批准的一种新型食品添加剂。国内外均存在小烛树蜡凝胶油的制备及性质的相关研究[8-11],结果表明,其作为凝胶因子具有独特的结晶特性。

棕榈油是世界上最重要的植物油品种,与其他植物油相比,在抗氧化性、耐高温性等方面具备独特的优势。棕榈油中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸含量均衡,且对人体健康十分有利的天然维生素E、三烯生育酚、类胡萝卜素和亚油酸等营养素的含量也十分丰富,因此棕榈油多直接应用于食品、化工和饲料等行业[12]。齐创[13]等研究了棕榈油、葵花籽油混合油基凝胶人造奶油,结果表明,其性质与人造奶油无异。

基于此,本文选用小烛树蜡作为凝胶分子,棕榈油为基料油,通过添加小烛树蜡来研究棕榈油基凝胶油的硬度、持油性和固态脂肪含量(SFC)等特性。将制备的凝胶油应用于面包制作中,并以黄油为对照组,研究凝胶油对面包品质的影响,从而为棕榈基凝胶油在食品中的应用提供数据支撑,扩展棕榈油在食品工业中的应用范围。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

K-70型高速冷冻离心机;H97型恒温加热磁力搅拌器;MQC型核磁共振仪;安捷伦1200型高效液相色谱仪;G1314B型紫外检测器;G1321A型荧光检测器。

棕榈油、食品级小烛树蜡、高筋面粉、鸡蛋、白砂糖、酵母等。

1.2 棕榈油基凝胶油脂的制备

按照文献[14]方法并对其进行修改来制备棕榈油基凝胶油脂。具体方法为:称取总质量100.00 g的烛树蜡(5.00、 6.00、 7.00、 8.00和9.00 g)与棕榈油(95.00、 94.00、 93.00、 92.00和91.00 g)并置于250.00 mL烧杯中,在恒温加热磁力搅拌器下加热搅拌至完全溶解。之后置于25 ℃培养箱中培养24 h,取出后测定凝胶油脂的硬度、粘附力及持油率。

1.3 测定方法

(1) 质构特性的测定

质构特性的测定参考文献[15]并对其进行修改。具体方法为:称取质量相同的棕榈油基凝胶油样品分别置于5个250.00 mL的烧杯中,形成3.00 cm以上厚度的样品凝胶油层。对样品凝胶油的硬度、粘附力和持油率进行测定。质构仪硬度、粘附力测定条件:球型探头,测试前速度100.00 mm/min,测试中速度30.00 mm/min,起始力0.15 N,穿刺距离10.00 mm,测后速度100.00 mm/min,回程距离50.00 mm,各组样品均在25 ℃下测定3次,取平均值。

(2) 持油性测定

持油性的测定参考刘日斌等[14]的持油性测定方法并对其进行修改。具体方法为:称取约15.00 g棕榈油基凝胶油于45.00 mL离心管(空管称重)中,将离心管置于高速冷冻离心机中,离心条件：转速80.00 r/min,温度25 ℃,时间15 min。取出离心管,倒置于桌面,以保证游离态油完全沥出,称重,重复3次,取平均值。并计算棕榈油基凝胶油脂的持油率。

1.4 单因素试验设计

(1) 小烛树蜡添加量对棕榈油基凝胶油的影响

以棕榈油基凝胶油总质量100.00 g为基准,分别添加5.00%、 6.00%、 7.00%、 8.00%和9.00%的小烛树蜡,在95 ℃、 80.00 r/min条件下恒速磁力搅拌,待完全溶解后加热5 min,于25 ℃恒温培养箱中放置培养24 h,以硬度、粘附力和持油率为指标,确定最佳的小烛树蜡添加量。

(2) 溶解时间对棕榈油基凝胶油的影响

以棕榈油基凝胶油总质量100.00 g为基准,添加8.00%的小烛树蜡,在95 ℃, 80.00 r/min条件下恒速磁力搅拌,待小烛树蜡溶解至肉眼不可见，为保证其充分溶解并均匀分散在棕榈油体系中,分别再持续加热5、 10、 15、 20和25 min,随后置于25 ℃恒温培养箱中培养24 h,以硬度、粘附力和持油率为指标,确定最佳的溶解时间。

(3) 溶解温度对棕榈油基凝胶油的影响

以棕榈油基凝胶油总质量100.00 g为基准,添加8.00%的小烛树蜡,分别在85、 95、 105、 115和125 ℃, 80.00 r/min条件下恒速磁力搅拌,待完全溶解后加热5 min,随后置于25 ℃恒温培养箱中培养24 h,以硬度、黏附力和持油率为指标,确定最佳的溶解温度。

(4) 培养时间对棕榈油基凝胶油的影响

以棕榈油基凝胶油总质量100.00 g为基准,添加8.00%的小烛树蜡,在95 ℃、 80.00 r/min下恒速磁力搅拌,待完全溶解后加热5 min,随后置于25 ℃恒温培养箱中分别培养12、 24、 36、 48和60 h,以硬度、粘附力和持油率为指标,确定最佳的培养时间。

(5) 搅拌速率对棕榈油基凝胶油的影响

以棕榈油基凝胶油总质量100.00 g为基准,添加8.00%的小烛树蜡,保持温度为95 ℃,分别调整转速为40.00、 60.00、 80.00和100.00 r/min,待完全溶解后继续加热5 min,将样品于25 ℃恒温培养箱中恒温培养24 h,以硬度、粘附力和持油率为指标,确定最佳的搅拌速率。

1.5 正交试验设计

基于单因素试验,综合考虑小烛树蜡作为凝胶因子对凝胶油脂特性的影响。选择小烛树蜡的添加量为8.00%,以溶解温度、溶解时间、搅拌速率和培养时间为考察因素,以棕榈油基凝胶油的持油率为指标,设计正交试验,正交试验因素水平见表1。

1.6 固体脂肪含量测定

小烛树蜡凝胶油脂的固体脂肪含量采用NMR法检测[12]。将熔融样品注入NMR管并在恒温0 ℃条件下水浴放置90 min,之后在5.0、 10.0、 21.1、 26.7、 33.3、 40.0和45.0 ℃条件下保持30 min,测试固体脂肪含量。

表1 正交试验因素水平试验

1.7 脂肪酸含量的检测

依据GB5009.168-2016《食品中脂肪酸的测定》方法测定凝胶油中脂肪酸组成含量。对样品进行甲酯化处理后,用气相色谱仪进行分析。色谱条件为:采用CP-Sil88毛细管柱(100.00 m×0.25 mm, 0.20 μm)FID检测器,进样口温度为160 ℃,柱温为160 ℃,保持5 min后以10 ℃/min程序升温法升至210 ℃,检测温度为240 ℃,载气为氦气,载气流速为1.3 mL/min,氮气流速为40 mL/min,分流比为50 ∶1(V∶V),进样量为1.00 μL。采用面积归一法计算脂肪酸的组成含量。

1.8 小烛树蜡凝胶油在面包中的应用

(1) 小烛树蜡凝胶油面包的制备

面包的配方及加工方法参照文献[16]并加以改进,具体操作如下:基本配方为高筋面粉(2.00 kg)、水(0.90 kg)、鸡蛋(90.00 g)、酵母(40.00 g)、盐(20.00 g)、白砂糖(300.00 g)、奶粉(200.00 g)和小烛树蜡凝胶油(100.00 g),黄油作为对照品。制作的工艺流程:原料称量→调制面团→第1次松弛→分割、搓圆→第2次松弛→整形→醒发→烘烤→冷却→包装→成品。

(2) 面包的感官评定

选10个身体健康、无特殊嗜好对色香味敏感的人,要求感官评定之前不能饮酒、抽烟或食用辛辣食物,以免影响感官评定。样品评定之前用清水漱口,保持口腔干净,进行感官评定,记录评定结果。评定分值总分为100分,评分结果如表2所示。

(3) 面包的品质测定

按照《GB 5009.3-2016食品中水分含量的测定》方法对面包水分含量进行测定,本文以直接干燥法测定。面包质构参照文献[17]并加以调整,具体为:探头P/36R,采用压缩比列模式,测试速度均为60.00 mm/s,压缩比例为70%,感应力度为2.00 N,时间间隔为2.00 s,压缩次数为2次。每个样品进行3次平行实验并求平均值。按照《GB5009.9-2016 食品中淀粉的测定》方法测定面包中可溶性淀粉的含量。

表2 凝胶油面包感官评定表

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果与分析

(1) 小烛树蜡添加量的影响

不同小烛树蜡添加量与棕榈油基凝胶油硬度、黏附力和持油率之间的关系如图1所示。由图1可知,小烛树蜡的硬度、粘附力和持油率均随着小烛树蜡添加量的增大而增大,这是由于小烛树蜡凝胶含量的加大使得其网络结构更加紧致稠密,支撑力作用越强,对液体油的固化作用更强[18]。当小烛树蜡添加量从5.00%增加到9.00%时,棕榈油基凝胶油的硬度从0.23 N增加到9.48 N,粘附力从0.08 N增加到1.40 N,持油率从64.00%增加到95.40%。当小烛树蜡的添加量从8.00%增加到9.00%时,凝胶油的粘附力急剧增大,而持油率仅从95.30%增加到95.40%,未发生显著变化,这可能是小烛树蜡作为凝胶剂在新的半固体状态体系中形成了网络骨架结构[14]。考虑到凝胶油的制备主要是用来将液态油脂转变为塑性脂肪,即以持油率为主要参考指标,因此选择小烛树蜡适宜的添加量为8.00%。

小烛树蜡的添加量/%图1 小烛树蜡添加量对棕榈油基凝胶油的影响Figrue 1 The effect of the Candelilla wax content on palm oil-based gel oil

(2) 溶解时间的影响

溶解时间与棕榈油基凝胶油硬度、黏附力和持油率之间的关系如图2所示。由图2可知,溶解时间为5～20 min时,棕榈油基凝胶油的硬度、粘附力和持油率均呈现上升的趋势,且在20 min时硬度达到最大值。当溶解时间超过20 min后,硬度和粘附力继续增大,但持油率由96.60%下降为93.50%,这可能是由于凝胶油的硬度过硬,导致其形成凝胶网络的韧性变弱,锁住液态油的能力变小[19],持油率下降。因此选择20 min为适宜的溶解时间。

溶解时间/min图2 溶解时间对棕榈油基凝胶油的影响Figrue 2 The effect of the dissolution time on palm oil-based gel oil

(3) 溶解温度的影响

溶解温度与棕榈油基凝胶油硬度、粘附力和持油率之间的关系如图3所示。由图3可知,随着溶解温度的升高,凝胶油的持油率和粘附力变化平稳,但硬度随着温度的升高先增加而后变化平缓,该现象与已有研究的凝胶油加热特点相符合[20]。由于持油率变化趋势平缓,温度升高将增加能耗,因此选择95 ℃为适宜的溶解温度。

(4) 培养时间的影响

培养时间与棕榈油基凝胶油硬度、黏附力和持油率之间的关系如图4所示。由图4可知,随着培养时间的延长,棕榈油基凝胶油的硬度与粘附力均呈上升趋势。而持油率随培养时间的增大先缓慢增大而后减小,持油率在培养时间为36 h时达到最大值96.90%。由于硬度过硬将导致凝胶油的韧性变弱,锁住液态油的能力下降[19],因此在培养时间为24～36 h时,凝胶油的持油率仅从95.70%增加至96.90%。考虑到能耗问题,因此选择适宜的培养时间为24 h。

溶解温度/℃图3 溶解温度对棕榈油基凝胶油的影响Figrue 3 The effect of the dissolution temperature on palm oil-based gel oil

培养时间/h图4 培养时间对棕榈油基凝胶油的影响Figrue 4 The effect of the culture time on palm oil-based gel oil

(5) 搅拌速度的影响

搅拌速度与棕榈油基凝胶油硬度、粘附力和持油率之间的关系如图5所示。由图5可知,随着搅拌速率的增大,棕榈油基凝胶油硬度、粘附力和持油率也随之增大。然而在搅拌速度大于80.00 r/min时,凝胶油的硬度开始略有降低,而持油率的增大趋势变缓,这可能是因为较高的搅拌速率虽促进了油脂凝胶的形成[14],但在一定程度上油脂体系的松弛程度也受到微观结构碳链间相互作用的影响,因此较高的搅拌速率可能会影响相邻碳链结构的交联作用[21],从而影响凝胶油的品质。考虑过高的搅拌速度导致耗能大,因此,选择适宜的搅拌速度为80.00 r/min,此时凝胶油的持油率为95.20%。

搅拌速度/r/min图5 搅拌速率对棕榈油基凝胶油的影响Figrue 5 The effect of the stirring rate on palm oil-based gel oil

2.2 正交试验结果与分析

为了优化棕榈油基小烛树蜡凝胶油脂的加工工艺,以溶解温度、溶解时间、搅拌速率和培养时间为考察因素,棕榈油基凝胶油的持油率为指标,采用L9(34)设计正交试验,正交试验结果与分析见表3。由表3可知,影响棕榈油基凝胶油持油率的主次顺序为:搅拌速率>溶解温度>培养时间>溶解时间。最优工艺条件组合为A1B3C3D2,即棕榈油基凝胶油的最优制备工艺条件为:溶解时间15 min,溶解温度105 ℃,培养时间36 h(25 ℃),搅拌速率80.00 r/min。

表3 正交实验结果与分析

2.3 验证试验

将小烛树蜡(8.00%)、溶解温度为105 ℃、溶解时间为15 min、搅拌速率为80.00 r/min，温度为25 ℃条件下培养36 h制备棕榈基小烛树蜡凝胶油,并对油脂样品特性进行分析,结果如表4～6所示。表4显示了棕榈油凝胶油的硬度、黏附力及持油率。由表4可以看出,经过凝胶后,油脂硬度为4.87 N,油脂的硬度大小与固体脂肪含量有存在一定程度的相关性[22],但也可能与油脂的晶体结构相关[18]。经过工艺优化后,油脂的持有率达到97.00%以上,即基本上所有的液态油都被凝胶剂形成的网络稳定,油脂由液体状态形成了较稳定凝胶状态。

表4 硬度、粘附力、持油率分析结果

表5为棕榈油在凝胶前后的固体脂肪酸含量分析。由表5可以看出,棕榈酸(C16 ∶0)、油酸(C18 ∶0)和亚油酸(C18 ∶2)占棕榈油脂肪酸的94.00%以上,不饱和脂肪酸含量均在50.00%以上,其脂肪酸组成在凝胶前后含量基本一致。因此小烛树蜡作为凝胶剂,对棕榈油脂肪酸的组成影响不显著。

凝胶前后棕榈油的固体脂肪含量结果如表6所示。由表6可以看出,棕榈油在凝胶前后的固体脂肪酸含量在10.00 ℃之前未发生明显变化。油脂的固体脂肪含量表征油脂在不同温度下内部脂肪的熔化程度。棕榈油在温度高于21.10 ℃时,存在约8.00%的脂肪没有熔融,这可能是凝胶剂使得油脂的结晶较为细腻,从而导致油脂硬度增大[16]。而凝胶油相对稳定,这为液态油的应用开发提供了新的发展空间,即液态油可能会被用于固态油脂或者部分替代固态油脂。

表5 脂肪酸含量分析结果

表6 固体脂肪(SFC)含量分析结果

表7 面包的感官评分/分

表8 面包品质在储藏期内的变化

2.4 凝胶油对面包品质的影响

(1) 凝胶油对面包感官的影响

凝胶油面包和黄油面包的感官评分结果如表7所示。由表7可以看出,两种面包感官上无明显区别。面包的组织形态符合组织均匀、细腻、弹性好且无皱纹,面包表面色泽均匀、有光泽。凝胶油面包有麦粉的纯正香气,而黄油面包带有黄油特有的香气。面包的口感好,柔软适口、甜味适当、不黏牙,表皮柔软且表皮较薄。

(2) 面包品质的测定

面包水分含量、质构和可溶性淀粉含量随时间的变化如表8所示。由表8可以看出,在水分含量方面,与黄油面包相比,凝胶油面包水分含量较高。随着时间的延长,两种面包的水分含量均呈下降趋势,但小烛树蜡凝胶油面包比黄油面包的水分不容易散失。在质构方面,与黄油面包相比,小烛树蜡凝胶油面包的硬度小,弹性大,咀嚼性低,其它指标未存在显著差异。

面包老化与面包中可溶性淀粉含量有关,可溶性淀粉含量随着淀粉老化而降低。因此,可溶性淀粉含量在一定程度上可以表征面包的老化程度。从表8中可以看出,小烛树蜡凝胶油面包中的可溶性淀粉含量比黄油面包中含量稍高,该现象说明凝胶油面包的老化速度较慢,这可能是由于小烛树蜡凝胶油形成的网络状结构,有助于面团内部网络结构的稳定,从而减缓了面包水分含量的降低速度,抑制了淀粉的老化速度[6],导致面包老化延缓。

本文以小烛树蜡为凝胶因子,棕榈油为原料,制备棕榈油基凝胶油。通过单因素实验和正交实验,制备优化后的棕榈油基凝胶油的最佳工艺条件为:小烛树蜡添加量为8.00%,溶解温度为105 ℃,溶解时间为15 min,培养时间为36 h(25 ℃),搅拌速率为80 r/min。在此条件下制备的棕榈油基凝胶油产品的硬度为4.87 N、粘附力为1.20 N、持油率为97.10%。形成的凝胶油在脂肪酸组成等性质上没有显著变化,但油脂硬度的增加可能会增加油脂的稳定性和塑性。凝胶油制作的面包与黄油面包相比,可以增强面包的持水能力,延长面包的老化。因此,凝胶油的开发有望应用在巧克力、焙烤等食品中,从而改善食品油脂迁移的特点,替代高饱和脂肪酸含量的塑性脂肪,提高产品品质。