薯蓣皂素在食用油脂中有机凝胶性能和氧化特性研究

郑丽婷 傅 红 肖紫芬 叶秀云,2

(福州大学生物科学与工程学院1，福州 350108)(福州大学酶工程研究所2，福州 350108)

薯蓣皂素在食用油脂中有机凝胶性能和氧化特性研究

郑丽婷1傅 红1肖紫芬1叶秀云1,2

(福州大学生物科学与工程学院1，福州 350108)(福州大学酶工程研究所2，福州 350108)

研究了薯蓣皂素在油相中的有机凝胶性能及其氧化特性。质构分析表明薯蓣皂素在浓度低至3%时即可在油相中形成有机凝胶，硬度相当于三硬脂酸甘油酯的1.6倍左右。偏光显微镜观察出油相中的薯蓣皂素可自组装成簇状晶体网络结构。红外光谱图显示，样品在未完全融化时，羟基伸缩振动特征峰从3 452.44 cm-1红移到3 395.23 cm-1，谱带变宽，显示形成分子间氢键；完全融化时，羟基伸缩振动特征峰发生蓝移，并在1 720.99 cm-1波数处出现新的官能团酮基，显示氢键效应减弱。快速液相色谱串联四极杆飞行时间质谱法证明了其融化样品中有环己烯酮和环己酮结构的氧化产物出现，影响到原薯蓣皂素分子间形成的氢键。随着融化时间的延长，质构分析表明薯蓣皂素油相样品的硬度下降。

薯蓣皂素 液晶网络 酮基 红外光谱 液质联用

近十年来，食品中减少饱和脂肪和消除反式脂肪的需求，使油脂有机凝胶剂的研究日益活跃。分子量较小及浓度较低的有机凝胶剂，可以在液态油脂中自组装成晶体网络结构，代替固态脂肪，增强液体油脂的固化性能[1]。自2002年Bot工作组研究β-谷甾醇和γ-谷维素混合物在植物油中的凝胶性能以来[2-4]，植物甾醇型有机凝胶剂的凝胶行为及机理成为关注的焦点之一[5-6]，池建伟等[7]利用傅里叶红外光谱法证明了β-谷甾醇和γ-谷维素能够形成分子间氢键，揭示了植物甾醇有机凝胶网络结构形成的本质规律。

甾族皂素属于C-27甾族化合物，在大豆、豌豆、花生中含量较高。甾族皂素有强的表面活性，可用于饮料、啤酒等食品中，并是合成性激素、肾上腺皮质激素等药物的重要原料[8-9]，具有抗衰老、改善心血管功能、调节机体免疫功能及抗肿瘤等多种药理作用，因此在保健品、化妆品等外延领域具有广阔的应用前景[10]。薯蓣皂素是一种能够溶解在油脂中的甾族皂素，其熔点范围为195～205 ℃。薯蓣皂素主要是从山药、盾叶薯蓣、穿龙薯蓣等的块茎中提取出来。目前，大多数厂家使用直接酸水解—有机溶剂提取的方法提取薯蓣皂素[9-10]。中国是薯蓣皂素的主要生产国，产量占全球的60%[11]。目前，学术界对薯蓣皂素的研究主要围绕其分离纯化及药用功能而展开，对于毒理学的研究尚未明确，鲜见其在油相中的有机凝胶特性及其构建机理等报道。通过红外光谱法、质构分析及快速液相色谱串联四极杆飞行时间质谱(LC-QTOF-MS)等技术，开展薯蓣皂素的凝胶性能、氧化特性及其在液态油相中构筑网络结构机理的基础理论研究，期望探索薯蓣皂素作为食用油脂质构剂应用的可行性。

1 材料与方法

1.1 试剂和原料

一级大豆油：嘉里特种油脂(上海)有限公司，熔点范围：2～13 ℃；棕榈油：上海丰益有限公司，精炼油，熔点：40 ℃；薯蓣皂素标准品：上海一基有限公司，纯度99%；薯蓣皂素样品：阿瑞斯生物科技有限公司，纯度95%；三油酸甘油酯、三硬脂酸甘油酯、KBr：阿拉丁试剂有限公司，均为AR。

1.2 主要仪器与设备

TA-XT2质构仪：英国Stable Micro System公司；尼高力360智能型傅里叶红外光谱仪：美国尼高力仪器公司；HJ-4A多头加热磁力搅拌器：国华仪器有限公司；QTOF 6520四级杆-飞行时间质谱液质联用仪：美国Agilent公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

1.3.1.1 薯蓣皂素的油相样品的制备

选取大豆油和棕榈原油，混合调配得到饱和脂肪为30%的油脂基料，向其中添加不同质量分数的薯蓣皂素，样品总质量为15 g，将其置于多头加热磁力搅拌器下100～120 ℃加热搅拌至完全溶解，放置在25 ℃的恒温培养箱中48 h。

1.3.1.2 薯蓣皂素代替三硬脂酸甘油酯硬度的样品制备

以三油酸甘油酯为油脂基料，分别在其中添加不同质量分数的薯蓣皂素、三硬脂酸甘油酯，样品总质量为15 g，将其置于多头加热磁力搅拌器下加热搅拌至完全溶解，放置在25 ℃的恒温培养箱中24 h。

1.3.1.3 薯蓣皂素样品融化状态的制备

称取一定质量的薯蓣皂素粉末于25 mL小烧杯中，将其置于烤炉中，逐渐升温将样品加热至未完全融化状态、完全融化状态，于室温条件下冷却，备用。

1.3.2 质构分析[7]

用质构仪TPA2模式，以直径为5 mm的探头(P/5)测样品硬度值。测试前速度:1.0 mm/s；测试速度:3.0 mm/s；测试后速度：3.0 mm/s；一次距离:10.0 mm；二次距离 10.0 mm；间隔时间:5.00 s。

1.3.3 偏振光显微镜观察样品结晶形态

取适量薯蓣皂素的油相溶液置于载玻片上，盖上盖玻片，轻压成透明薄片，放置在25 ℃恒温培养箱中48 h后，用连接Canon数码相机的偏振光显微镜观察样品的结晶形态。显微镜放大倍数为100倍。选择有代表性的区域拍照3次，取其中较清晰的图片进行比较。

1.3.4 傅里叶红外光谱分析键合特征

研磨粉末状薯蓣皂素以及1.3.1.3中制备的干燥样品，与200 mg纯KBr研细混合至粒度小于2 μm，在油压机上压成透明薄片，用于傅里叶红外光谱仪分析。

1.3.5 LC-QTOF-MS分析薯蓣皂素氧化产物

1.3.5.1 样品预处理

称取一定量的薯蓣皂素标准品，按照1.3.1.3的方法将样品完全融化，取出溶于乙腈中，配制成10 mg/kg的溶液，备用。

1.3.5.2 仪器分析条件

色谱柱：Agilent SB-C18(4.6×150 mm，5 μm)，流动相为甲醇：水(80:20)，流速1.0 mL/min，柱温30 ℃，时间45 min。

ESI源，正模式，扫描范围：300～800 m/z，扫描频率1 spectra/s，干燥气温度：350 ℃，干燥气流速：10 L/min，雾化气压力：40 spi，毛细管电压：3 500 V，破裂电压：135 V。

2 结果与讨论

2.1 薯蓣皂素在油相中的有机凝胶性能

大部分有机凝胶属于非聚合体化合物，具有“低分子质量、低凝胶浓度”的“两低”特性，这和传统的凝胶体系有本质区别[12,13]。通常，产生凝胶的分子数量相对较低，小于质量分数10%就足以形成凝胶质构。本研究考察了薯蓣皂素在油相中的硬度等质构特性及其晶体形态。

2.1.1 质构特性

根据1.3.1.1的样品制备方法，研究不同质量分数的薯蓣皂素在饱和脂肪为30%的液态油脂基料中的质构特性。结果如表1和图1所示。

表1 不同质量分数的薯蓣皂素油相样品质构特性

注：“ND”表示质构值<5g，不在TA-XT2质构仪设定的检测范围内。

图1 不同质量分数薯蓣皂素有机凝胶样品

从表1的结果可知，添加质量分数为3%～8%的薯蓣皂素，在油相中能够形成具有一定硬度的凝胶体系，其硬度随着添加浓度的增加而增加。特别是当薯蓣皂素的质量分数为6%～7%时，样品的硬度增加较快，从69.79 g增加到105.67 g。图1为不同质量分数(1%～4%)薯蓣皂素的有机凝胶样品，可以看出，薯蓣皂素在低浓度下可在油相中形成有机凝胶。

2.1.2 晶体形态

用偏光显微镜观察不同质量分数(0%、3%、7%、8%)的薯蓣皂素在低饱和脂肪油脂基料中的结晶形态。图2显示，未添加薯蓣皂素的饱和脂肪为30%的大豆油和棕榈油，其晶体形态为细小的点状晶型；当薯蓣皂素质量分数达到3%时，在油脂基料中出现了大量的、均匀分布的细长型纤维状晶体；当薯蓣皂素质量分数为7%时，细长型纤维状晶体聚集成较规则的簇状结晶，和3%质量分数相比，其纤维状晶体的长间距缩短；当薯蓣皂素达到8%质量分数时，簇状晶型开始变得粗大并集聚成块。从图2系列偏振光显微镜中可看出，薯蓣皂素能够形成有别于甘油三酯晶型的细长型纤维状晶体，并在低浓度下自组装成规则的簇状晶型。

图2 不同质量分数(0%、3%、7%、8%)的薯蓣皂素偏光显微镜图片

2.1.3 薯蓣皂素对油脂硬度的影响

以三油酸甘油酯为油脂基料，观察薯蓣皂素代替饱和脂肪三硬脂酸甘油酯所提供的硬度。结果如图3所示。

图3 油脂硬度与薯蓣皂素及三硬脂酸甘油酯添加量的关系

由图3可知，在三硬脂酸甘油酯添加量为8%～24%时，同等硬度区间饱和脂肪三硬脂酸甘油酯添加量x1与油脂硬度y的关系为：y=exp[(x1+0.020 7)/0.043 6](R2=0.982 6)，而薯蓣皂素添加量x2与油脂硬度y的关系为：y=exp[(x2-0.000 5)/0.026 9](R2=0.992 0)。可以推出，薯蓣皂素添加量x2与三硬脂酸甘油酯添加量x1的关系：

x2=0.617 0x1+0.013 3

因此可推算出，当饱和脂肪为8%～24%时，薯蓣皂素所提供的硬度相当于三硬脂酸甘油酯的1.6倍左右。

2.2 薯蓣皂素晶体形成的键合机理

图5 薯蓣皂素不同状态的红外光谱图

2.3 薯蓣皂素油相样品在融化过程中的质构变化

当薯蓣皂素质量分数为6%时，以大豆油为油脂基料，观察样品在初始融化温度120 ℃下，加热时间对薯蓣皂素油相样品质构的影响。从表2可以看出，随着加热时间的延长，油相的硬度呈现下降趋势，这可能是因为样品融化时间增加，导致薯蓣皂素的氧化程度加深，并伴随着新的氧化产物的生成，最终使得薯蓣皂素分子间氢键效应减弱，由此降低了自组装的簇状晶体网络结构的形成，这和前述红外图谱结果中未完全融化样品和完全融化样品分子特征吸收峰的变化情况相应证。

表2 不同氧化时间薯蓣皂素油相样品质构分析

2.4 液质联用法验证薯蓣皂素的氧化产物

薯蓣皂素的相对分子质量为414.62。从图4的薯蓣皂素分子中官能团的氧化特征看，由于其分子结构B环中的环己烯双键氧化后可能生成环己烯酮或环己烯醇[18]，而环己烯醇很不稳定，会自发转变成环己酮[19]。这2种氧化产物的分子结构如图6a和图6b所示，其相对分子质量分别是428和430。

图6 薯蓣皂素氧化产物分子结构图

将薯蓣皂素标准品加热至完全融化，再通过LC-QTOF-MS分析薯蓣皂素氧化产物的保留时间和质谱信息，对样品成分进行鉴别。氧化产物提取后的离子流图，如图7a和图8a所示，可以分别在保留时间为13.724 min的正模式下得到m/z为429.297 9的离子峰，保留时间为16.948 min的正模式下得到m/z为431.313 1的离子峰，这表明氧化产物中分别含有环己烯的氧化结构环己烯酮和环己酮。

从图7、图8可以推测，当薯蓣皂素分子氧化为含有环己烯酮结构和环己酮结构的氧化产物时，其分子空间结构会发生显著变化，并且酮基的生成会进一步影响原薯蓣皂素分子中由羟基所形成的分子间氢键，这在很大程度上可能是改变薯蓣皂素在油相中凝胶硬度的重要原因。

图7 生成环己烯酮的LC-QTOF-MS正模式子扫描下的选择离子图和MS图

图8 生成环己酮的LC-QTOF-MS 正模式子扫描下的选择离子图和MS图

3 结论

低质量分数的薯蓣皂素可以在液体油脂中形成有机凝胶体系，偏振光显微镜显示其在油相中可以自组装成晶体网络结构。红外光谱法验证了薯蓣皂素可以形成分子间氢键，但在样品融化过程中，分子中有羰基产生，氢键效应减弱。LC-QTOF-MS证明了其融化样品中有环己烯酮和环己酮结构的氧化产物出现，影响到原薯蓣皂素分子间形成的氢键。随着融化时间的延长，质构分析表明薯蓣皂素油相样品的硬度下降。

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Organogel Properties and Oxidation Characteristics of Diosgenin in Edible Oil

Zheng Liting1Fu Hong1Xiao Zifen1Ye Xiuyun1,2

(College of Biological Science and Technology, Fuzhou University1, Fuzhou 350108)(Enzyme Engineering Research Institute, Fuzhou University2, Fuzhou 350108)

The organogel properties and oxidation characteristics of diosgenin in the oil phase are investigated. Texture analysis (TA) shows that diosgenin can form organogel at concentrations as low as 3% wt/wt, and the hardness provided by diosgenin is equivalently 1.6 times as that of tristearin. The diosgenin in the oil phase presents a new kind of self-assembly crystal structure in turfed shape, which was observed by polarized light microscopy. The hydroxyl bond is broaden and red-shifts from 3 452.44 cm-1to 3 395.23 cm-1when the diosgenin is not completely melt, which indicates the formation of intermolecular hydrogen bonds. While the diosgenin is completely melt, the stretching vibration of hydroxyl groups result in blue-shift, and keto group appears at 1 720.99 cm-1, indicating hydrogen bond effect is weakened Rapid liquid chromatography quadrupole time of flight mass spectrometry (LC-QTOF-MS) verifies that oxidation products generate cyclohexenone and cyclohexanone structure, which affects intermolecular hydrogen bonds. With the extension of the melting time, texture analysis shows that the hardness of diosgenin in the oil phase is reduced.

diosgenin, lipid-crystal networds, keto group, fourier transform infrared spectrometer, liquid chromatography mass spectrometer

TS221

A

1003-0174(2016)06-0103-06

国家自然科学基金(31271882/C200201)，福建省自然科学基金(2013J01131)

2014-10-14

郑丽婷，女，1989年出生，硕士，食品资源开发与利用

傅红，女，1970年出生，教授，食品脂质开发与应用