成型温度对乙基纤维素凝胶化油脂结构和氧化特性的影响

戴美娜，罗 晶，林荣发，刘祖文，傅 红

（福州大学生物科学与工程学院 福州 350108）

乙基纤维素（Ethyl cellulose，EC）作为目前唯一已知的、可直接分散于油相中构筑三维液晶结构的有机凝胶剂[1-3]，是由天然纤维素分子葡萄糖单元3 个羟基中的1 个或多个被乙氧基化取代衍生而成的半结晶性聚合物[4]。EC 原料来源丰富，价格低廉，同时具备氢键和大分子缠结功能，在凝胶化油脂中提供类似于固体的质地和口感，具有在食品中降低饱和脂肪和反式脂肪的工业化应用潜力[5-6]。近年来，已应用于香肠[7]、巧克力[8]、冰淇淋[9]和汉堡肉饼[10]等产品。然而，EC 因较高的玻璃化温度范围（130～150 ℃）和高黏度等聚合物特性而导致产品容易褐变及氧化，影响了产品的品质安全[11-12]。目前，EC 影响油脂氧化的主要驱动力未被完全揭示，凝胶过程中，构象与功能的关系也未被清晰阐述，这极大地限制了其凝胶化油脂产品的进一步应用[13-14]。

EC 由“有序”晶体和“无序”非结晶区组成，其凝胶机理之一是乙氧基化葡萄糖单元中未被取代的羟基之间形成的氢键网络结构[15]。EC 在高于Tg时展开其部分结构并分散溶解于油相，在冷却过程中，通过氢键诱导聚合物链结合，构成三维网络结构将液态油脂截留其中[1]。围绕EC 的氧化机理，前期研究已证明EC 聚合物呈现的高黏度特性有助于大分子网络结构稳定，同时也成为影响凝胶化油脂氧化稳定的重要因素之一[16-17]。另外，有研究推测不同凝胶定型温度下形成的网络结构中的氢键重排能力不同[18]。然而，氢键强弱与凝胶化油脂氧化的关系及作用，还未见相关文献报道。本文着眼于EC 凝胶化油脂在Tg和Tm以及不同冷却方式下制备的凝胶特性、氧化特性及氢键效应，利用扫描电镜对EC 凝胶化油脂的内部结构进行成像，结合傅里叶红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）分析其羟基伸缩振动情况，研究EC 凝胶化油脂的力学特性、氧化特性与凝胶结构及氢键效应的内在关联，以期为提高EC凝胶化油脂的氧化控制和应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金龙鱼一级大豆油，上海嘉里特种油脂有限公司；乙基纤维素（黏度40～50 mPa·s），阿拉丁试剂有限公司；异丁醇等其它试剂均为国产分析纯级。

1.2 仪器与设备

DF-101S 集热式磁力搅拌器，巩义市予华仪器公司；MCR301 旋转流变仪，奥地利安东帕公司；TA.XT plus 质构仪，英国Stable Micro System公司；GC7890B 气相色谱仪（配有7697A 顶空进样器和CP7538 毛细色谱柱），美国Agilent 公司；Nicolet iS50 傅里叶变换红外光谱仪，美国Thermofisher 公司；BK-POLR 偏光显微镜，重庆奥特光学仪器公司；Nova Nano SEM 230 场发射扫描电子显微镜，捷克FEI CZECH REPUBLIC S.R.O.公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 不同制备温度的EC 凝胶化油脂：分别将大豆油加热至EC 的Tg（135 ℃）和Tm（187 ℃）[19-20]，加入质量分数为10%的EC 凝胶剂继续加热搅拌，加热总时长为20 min。将样品置于25 ℃恒温培养箱保存以形成凝胶。空白组不添加EC，其余处理步骤同上。

不同冷却方式的EC 凝胶化油脂：将大豆油加热至155 ℃后，分别添加4%，6%，8%，10%（质量分数）的EC 凝胶剂继续加热搅拌，加热总时长为20 min。加热完成后，分别将样品置于-40 ℃冰箱快速冷却和100 ℃烘箱缓慢冷却24 h 至凝胶形成，即制备得到快速冷却和缓慢冷却的样品。

1.3.2 流变特性测定 采用PP25 平行板测试样品的储能模量（G'）和损耗模量（G″）随角频率变化的曲线。测试参数：平板间距1.0 mm，测试温度25 ℃，应变0.1%（线性黏弹区内），角频率范围0.1～100 rad/s[21]。

1.3.3 质构特性测定 采用P0.5 探头测定样品的硬度、凝聚性及黏着性。测试参数：测前速度5.0 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，一次距离10.0 mm，二次距离10.0 mm，间隔时间5.0 s[22]。

1.3.4 传统氧化指标的测定 过氧化值的测定参照《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》（GB 5009.227-2016）[23]；茴香胺值的测定参照《动植物油脂 茴香胺值的测定》（GB/T 24304-2009）[24]。

1.3.5 顶空耗氧量的测定 气相色谱仪参数：TCD 检测器，检测器温度230 ℃，柱温25 ℃，进样口温度120 ℃，载气（He2）流速5 mL/min，尾吹气（He2）流速3 mL/min，分流比50∶1[11]。顶空耗氧量按公式（1）计算[25]。

1.3.6 偏光显微镜观察 取适量样品于载玻片上，盖上盖玻片并轻压成透明均匀的薄片，利用偏光显微镜观察样品的微观形态，放大倍数为100，并用TSView 记录图像[26]。

1.3.7 扫描电子显微镜观察 取适量平整的样品于载玻片上，经异丁醇溶剂浸泡除去凝胶表面大部分的油脂后，在不损伤样品表面的前提下去除溶剂。切取一小块处理过的样品，将其安装至插针上进行喷金溅射镀膜，随后在10 kV 的加速电压下获取图像[13]。

1.3.8 傅里叶红外光谱分析 采用透射方式测试，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率8 cm-1，扫描次数32 次[27]。

1.4 数据处理与分析

所有试验均重复测定3 次，利用SPSS 21 进行数据统计分析，P＜0.05 表明存在显著性差异；利用Image-Pro Plus 6 分析EC 凝胶化油脂的凝胶孔隙。

2 结果与分析

2.1 Tg 和Tm 制备EC 凝胶化油脂的流变特性和质构特性

图1 是10%（质量分数）的EC 凝胶剂分别在其Tg和Tm条件下制备的凝胶化油脂，储能模量（G'）和损耗模量（G″）随角频率的变化曲线。G' 通常表示样品的固体性质，G″表示其液体性质[28]。数据显示，在扫描频率10-1～102rad/s 范围内，Tg和Tm制备的EC 凝胶化油脂的G' 都远大于相应的G″，而且Tm制备样品的G' 值高于Tg。这表明虽然Tg和Tm制备的EC 凝胶化油脂都具有类固体行为，可以形成稳定的凝胶网络结构，但是Tm制备的样品呈现出更强的刚性特征[29]。

图1 Tg 和Tm 制备EC 凝胶化油脂的储能模量（实心）和损耗模量（空心）随角频率变化曲线Fig.1 The curves of storage modulus（solid）and loss modulus（hollow）of EC oleogels prepared at Tg and Tm with angular frequency

Tg和Tm制备的EC 凝胶化油脂的质构特性如表1 所示。与Tg相比，Tm制备的EC 凝胶化油脂的硬度、凝聚性和黏着性都显著提高。其中，凝胶化油脂在Tm时具有更强的硬度，这和Davidovich-Pinhas 等[18]的研究结果一致。硬度值越大表示凝胶网络越紧密，固体结构特征越强韧；凝聚性越大表示EC 的结晶区域在熔融后能形成更细腻的凝胶内部结构；黏着性越大表示各分子迁移的自由度越小。质构分析表明Tm的制备温度更有利于EC凝胶化油脂固态结构的形成，凝胶内部结合的更加紧密[30]，这与上述流变特性结果相对应。

表1 Tg 和Tm 制备的EC 凝胶化油脂的硬度、凝聚性和黏着性Table 1 Hardness，cohesiveness and adhesiveness of EC oleogels prepared at Tg and Tm

2.2 Tg 和Tm 制备EC 凝胶化油脂的氧化特性

Tg和Tm制备的EC 凝胶化油脂于25 ℃贮藏30 d 后，样品的一级氧化产物过氧化值、二级氧化产物茴香胺值和动态氧化值顶空耗氧量，如表2所示。顶空耗氧法作为动态反映油脂氧化过程中氧气消耗量的方法，可以准确直观地衡量有机凝胶化油脂的氧化速率[11，16]。数据显示，在Tg和Tm下，空白组样品的过氧化值、茴香胺值和顶空耗氧量都高于同等贮藏时间下的EC 凝胶化油脂样品，证明EC 凝胶网络的形成能够抑制油脂氧化。由表2 可知，虽加热至Tm油脂氧化程度有所提高，但Tg制备的EC 凝胶化油脂在25 ℃贮藏30 d后，其过氧化值和茴香胺值均显著增大，而Tm制备样品的过氧化值和茴香胺值的变化不明显。同时，Tm制备样品的顶空耗氧量为0.71%，低于Tg样品。以上数据表明，Tm制备的EC 凝胶化油脂在贮藏期间的氧化速率较低。

表2 Tg 和Tm 制备的EC 凝胶化油脂贮藏30 d 后的氧化情况Table 2 Oxidation of EC oleogels prepared at Tg and Tm after stored for 30 days

2.3 Tg 和Tm 制备EC 凝胶化油脂的微观结构

利用偏光显微镜观察Tg和Tm制备的EC 凝胶化油脂的结构分别如图2A1和图2B1所示，其中Tg样品含有较多的颗粒状EC 晶体，而Tm样品的晶体数量较少。Zetzl 等[20]研究表明EC 粉末在偏振光下显示出双折射现象，而加热后制成的EC 凝胶化油脂的该现象消失。偏光显微镜图像与Tg制备的样品相比，当温度升高至Tm时，EC 凝胶剂能更好地溶解于油脂体系。图2 的A2和B2是扫描电镜下Tg和Tm制备的EC 凝胶网络微观结构。经异丁醇溶解去除EC 凝胶网络结构中所截留的液态油脂后成像，得以清晰表征EC 在油相中形成的网络结构[13]。多孔状图像中的规则圆形是凝胶化油脂被去除的油相孔隙，围绕孔隙周围的即EC构成的大分子缠结网络。Tg制备样品（图2A2）截留油滴所形成的孔隙较大（平均孔径1.53 μm），而Tm制备样品（图2B2）所形成的孔隙大小仅为Tg样品孔径的38.56%（平均孔径0.59 μm），网络结构更致密。这表明当温度达到Tm时，液态油脂被更加致密的EC 聚合物网络包裹，增强了凝胶的力学特性，减少了分子迁移自由度，阻碍了油脂氧化的进程。

图2 Tg 和Tm 制备的EC 凝胶化油脂的偏光显微镜图A1、B1 和扫描电子显微镜图A2、B2Fig.2 Polarized light microscope images A1 and B1 and scanning electron microscope images A2 and B2 of EC oleogels prepared at Tg and Tm

2.4 Tg 和Tm 制备EC 凝胶化油脂的氢键特征

图3 为Tg和Tm制备的EC 凝胶化油脂的FTIR 图谱，其中3 300～3 600 cm-1范围内为羟基的弱吸收峰，代表-OH 伸缩振动和EC 分子间氢键[5，27]，吸收峰越向低波数位移，形成的氢键越强[31]。由图3 可知，当制备温度为Tg时，-OH 吸收峰在3 472.48 cm-1，制备温度为Tm时，-OH 吸收峰红移至3 468.48 cm-1，并且Tm下EC 的充分熔融使其样品更加均匀透光。图3 表明与Tg相比，Tm制备的EC 凝胶化油脂的分子间氢键增强，氢键效应更加明显。Laredo 等[27]通过ATR-FTIR 发现EC 凝胶化油脂的氢键仅在EC 聚合物之间形成，而EC 与大豆油之间不以氢键方式连接，仅靠物理截留的方式包裹油脂，FTIR 图中呈现的氢键为EC 聚合物的分子间氢键。EC 是半结晶性大分子聚合物，加热至Tg及以上温度时随着分子链在油脂中逐渐熔胀溶解，非结晶区的氢键沿着分子链犹如“拉链” 般逐渐向内层解开，当温度达到Tm时，EC 分子间氢键打开得更彻底，这有助于其在后期冷却过程中的氢键重排并形成新的有序凝胶结构[18]，增强凝胶网络的紧密性，最终抑制氧化产物的生成速率[16]。

图3 Tg 和Tm 制备的EC 凝胶化油脂-OH 伸缩振动峰的波数变化情况Fig.3 Wavenumber change of -OH stretching vibration peak of EC oleogels prepared at Tg and Tm

2.5 快速冷却和缓慢冷却的EC 凝胶化油脂的氧化特性及氢键特征

分别以快速冷却和缓慢冷却两种方式制备4%～10%不同添加量的EC 凝胶化油脂样品，于25℃经30 d 贮藏后测定样品的顶空耗氧量。图4 数据显示，随着EC 添加量的增加顶空耗氧量减少，缓慢冷却样品的顶空耗氧量小于快速冷却。例如，10%添加量的EC 样品，缓慢冷却时的顶空耗氧量仅为快速冷却的64.67%，说明缓慢冷却的制备方式具有更慢的氧化速率。同时，本研究在测定样品的力学特性时发现高EC 添加量及缓慢冷却制备的样品刚性更显著（数据未显示），这与上述Tg和Tm所得的结果一致，即力学特性越强贮藏期间氧化速率越低。

图4 不同添加量的EC 凝胶化油脂经两种冷却方式处理后在25 ℃下贮藏30 d 的顶空耗氧量Fig.4 The headspace oxygen consumption of EC oleogels with different additions prepared by two cooling methods after stored at 25 ℃for 30 days

以快速冷却和缓慢冷却制备的4%～10%EC添加量的凝胶化油脂样品显示出相同的氢键增强效应，其中6%和10%添加量的EC 凝胶化油脂的FTIR 图谱如图5 所示。数据显示，当EC 添加量从6%增至10%时，快速冷却的羟基吸收峰从3 531.56 cm-1红移至3 499.74 cm-1，缓慢冷却的羟基吸收峰从3 509.86 cm-1红移至3 471.78 cm-1，说明随EC 凝胶剂的增加，分子间氢键效应增强。同时，10%添加量的缓慢冷却样品比快速冷却样品的-OH 伸缩振动红移了27.96 cm-1，说明缓慢冷却比快速冷却的氢键效应强。这可能是不同的冷却速率导致氢键形成的有序性不同，缓慢冷却增加了样品在高温下的时间，使分子保持较高运动速率的时间延长[18]，降低空间位阻带来的影响，使EC 在凝胶形成过程中的氢键位点能更充分地结合，氢键排列更有序，氢键效应增强。由于EC凝胶化油脂的形成取决于分子链缠结和链间氢键交联度[20]，故氢键效应的增强导致其空间网络较为致密稳定，增强了样品的氧化稳定性。

图5 不同冷却方式制备EC 凝胶化油脂的-OH 伸缩振动峰的波数变化情况Fig.5 Wavenumber change of -OH stretching vibration peak of EC oleogels prepared by different cooling methods

3 结论

本文研究了EC 凝胶化油脂的制备温度（Tg和Tm）和冷却方式对凝胶力学特性及氧化特性的影响。结果表明，与Tg制备样品相比，Tm制备样品的储能模量较大，硬度值、凝聚性及黏着性更高；贮藏过程中Tm制备样品的过氧化值、茴香胺值变化不明显，并且顶空耗氧量较小，表示其氧化速率较低；偏光显微镜和扫描电镜观察到EC 在Tm下几乎全部溶解，所形成的凝胶网络孔隙也更为致密。FTIR 图谱显示当制备温度为Tg和Tm时，EC凝胶化油脂的羟基伸缩振动峰分别为3 472.48 cm-1和3 468.48 cm-1，表明Tm制备样品的氢键效应增强。另外，与快速冷却方式相比，缓慢冷却样品的顶空耗氧量仅为快速冷却的64.67%，FTIR 图谱显示其羟基伸缩振动峰从快速冷却的3 499.74 cm-1红移至3 471.78 cm-1，氢键效应增强。上述结果显示，EC 凝胶化油脂制备过程中氢键效应的增强导致液晶网络结构更加致密，降低了油脂的氧化速率。