乳化剂对富含甘油二酯的人造奶油乳化体系结晶行为的影响

郭雅佳，刘 尊，宋 佳，仇超颖，汪 勇

(1.暨南大学 食品科学与工程系，广东高校油脂生物炼制工程技术研究中心，广州510632；2.广东省粮油副产物生物炼制工程技术研究中心，暨南大学-萨斯喀切温大学“油料生物炼制与营养”联合实验室，广州510632)

油脂化学

乳化剂对富含甘油二酯的人造奶油乳化体系结晶行为的影响

郭雅佳1,2，刘 尊1,2，宋 佳1,2，仇超颖1,2，汪 勇1,2

(1.暨南大学 食品科学与工程系，广东高校油脂生物炼制工程技术研究中心，广州510632；2.广东省粮油副产物生物炼制工程技术研究中心，暨南大学-萨斯喀切温大学“油料生物炼制与营养”联合实验室，广州510632)

以饱和单甘酯和棕榈油(24.℃)为原料，采用脂肪酶 Lipozyme TL IM催化酯交换反应制备含甘油二酯(31.2%)的人造奶油基料油。利用差示扫描量热仪(DSC)、核磁共振分析仪、偏光显微镜(PLM)和X-射线衍射仪(XRD)等研究不同乳化剂(单硬脂酸甘油酯、蔗糖酯、大豆卵磷脂)对甘油二酯基料油制备的人造奶油结晶行为的影响。结果表明：单硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂和蔗糖酯复配质量比为1∶1∶1(乳化剂含量为1%)时，制得的人造奶油熔点较低，固体脂肪含量满足食品工业人造奶油的要求，在45.℃条件下可全部熔化，且晶体细腻均匀，能较好地包裹液油。

乳化剂;棕榈油(24.℃)；甘油二酯;人造奶油；结晶行为

Abstract：Lipase Lipozyme TL IM was used to catalyze transesterification between saturated monoglyceride and palm oil (24.℃) to prepare margarine based oil containing 31.2% of diacylglycerol.The effects of different emulsifiers (glyceryl monostearate,sucrose ester,soybean lecithin) on crystallization behaviors of the margarine were studied by differential scanning calorimeter (DSC),pulsed nuclear magnetic resonance (pNMR),polarized light microscope (PLM) and X-ray diffractometer (XRD).The results showed that when the mass ratio of glyceryl monostearate,soybean lecithin and sucrose ester was 1∶1∶1(emulsifiers content 1%),the melting point of margarine was low,and the solid fat content could meet the requirements of margarine in food industry,and the product completely melted at 45.℃.Also,the crystal was fine,smooth and evenly distributed.Therefore,it could wrap the fluid oil well.

Keywords：emulsifier; palm oil (24.℃); diacylglycerol; margarine; crystallization behavior

随着经济的快速发展和饮食结构的变化，油脂在烘焙、冷饮、糖果等行业中的应用增加，过高饱和脂肪酸摄入引起的肥胖问题也日趋严重。研究表明，甘油二酯 (Diacylglycerol,DAG)经食用后不易引起肥胖，能有效地抑制实验小鼠血清脂质的升高，减少脂肪的蓄积，可用于与高脂血症密切相关的心脑血管疾病的预防与治疗，如动脉粥样硬化、脂肪肝、冠心病、脑血栓等[1]，因此将DAG油脂用在食品工业中具有广泛的前景。

棕榈油由于其高产量、低价格及良好的热稳定性、抗氧化性和可塑性等优点，作为基料油被广泛用于起酥油、人造奶油等产品中。但棕榈油基在加工过程中结晶缓慢，极易形成大的球晶导致其直接应用困难[2]。而乳化剂可作为晶型调节剂通过加快或延缓油脂结晶速度来改变晶体形态，以改善这些缺陷[3-4]。此外，有研究表明，添加乳化剂可降低人造奶油乳化体系的熔点[5]，低熔点可赋予产品良好的口融性。

本文以饱和单甘酯和棕榈油(24.℃)为原料，采用脂肪酶 Lipozyme TLIM催化酯交换反应制备DAG含量达到31.2%的人造奶油基料油。选用单硬脂酸甘油酯、蔗糖酯和大豆卵磷脂制备不同乳化剂配比的人造奶油，对比分析不同乳化体系的结晶行为，确定制备人造奶油的最佳乳化剂复配配方。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

饱和单甘酯(≥94%):广州美晨集团股份有限公司；棕榈油(24.℃):广州至润油脂食品工业有限公司；单硬脂酸甘油酯(≥90%):佳力士添加剂有限公司；蔗糖酯：柳州高通食品化工有限公司；大豆卵磷脂；Lipozyme TL IM脂肪酶：诺维信(中国) 生物技术有限公司；正己烷、丙酮，分析纯。

1.1.2 仪器与设备

GC-7820A气相色谱仪：美国Agilent公司；MP502B电子天平；SHZ-D (Ⅲ)循环水式真空泵；RE-52AAAA旋转蒸发仪；DSC1差示扫描量热仪：梅特勒-托利多(中国)；NM-2 型核磁共振分析仪；DH-100型超级恒温槽；MSALXD-2型全自动 X-射线衍射仪；SMART-POL偏光显微镜；MD-80分子蒸馏设备；T10B均质机：IKA公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酯交换制备含DAG的基料油

按照混合油脂中饱和单甘酯与棕榈油(24.℃)质量比 2∶8，称取总质量为 300.0 g 的混合油脂，加入5% Lipozyme TL IM脂肪酶作为催化剂，放于旋转蒸发仪真空条件反应，温度设定为65.℃，转速100 r/min 反应3 h。反应结束后，过滤除去脂肪酶，酯交换油脂再经过分子蒸馏(190.℃、绝对压力0.1 Pa)得到重相富含DAG的基料油(气相色谱测定DAG含量为31.2%)。

1.2.2 人造奶油的制备

按照质量比为84∶1∶15，称取含DAG基料油、乳化剂和蒸馏水，含DAG基料油在60.℃熔化，加入乳化剂在油相中至均匀溶解，在均质机搅拌(转速3 000 r/min)下缓慢加入蒸馏水，60.℃下搅拌 30 min 形成均一乳状液，而后浸入0.℃冷却液(冰块+乙醇)，持续搅拌5 min，放入25.℃培养箱熟化48 h最终得到人造奶油乳化体系。

1.2.3 复配乳化剂配方组成

在复配配方中每种乳化剂不能为零，所以本设计为有下界约束的混料回归设计。设定每种乳化剂含量都不小于10%，并设蔗糖酯、大豆卵磷脂、单硬脂酸甘油酯的含量分别为Z1、Z2、Z3则Z1>0.1，Z2> 0.1，Z3>0.1，且Z1+Z2+Z3=1，变换Z1=0.7X1+0.1，Z2=0.7X2+0.1，Z3=0.7X3+0.1，乳化剂复配回归设计见表1。

表1 乳化剂复配回归设计

1.2.4 脂肪酸组成分析

脂肪酸甲酯化参照 GB/T 17376—2008，采用三氟化硼-甲醇快速甲酯化方法。通过气相色谱分析脂肪酸组成[6]。色谱条件：DB-Wax 毛细管柱(10 m × 0.1 mm，0.1 μm)；进样量0.5 μL；进样口温度和检测器温度均为 240.℃；分流比 40∶1；载气为高纯 N2；程序升温条件为初始温度100.℃，以 10.℃/min 升温至 220.℃后保持 2 min，再以40.℃/min升温至 240.℃并保持 4 min。根据峰面积用归一化法计算各组分的相对含量。

1.2.5 甘油酯组成分析[7]

通过气相色谱分析甘油酯组成。取 50.0 mg 油脂样品溶于 5.0 mL 丙酮和正己烷体积比为1∶1的复合溶剂中，采用 0.45 μm 过滤膜进行过滤后待测。色谱条件为：DB-1ht 毛细管柱(15 m × 0.25 mm，0.1 μm)；进样量0.5 μL；进样口温度和检测器温度均为 380.℃；分流比 40∶1；载气为高纯 N2；程序升温条件为50.℃保持1 min，以50.℃/min 升温至100.℃，以80.℃/min升温至220.℃，以 30.℃/min 升温至290.℃，以 50.℃/min 升温至330.℃后保持 2 min，最后以 50.℃/min 升温至380.℃后保持3 min。根据峰面积用归一化法计算各组分的相对含量。

1.2.6 热力学性质分析

依次准确称取8.0～12.0 mg样品平铺于铝坩埚内并加盖密封，空坩埚作参比，每个样品重复测试2次。DSC参数：高纯N2，流速45 mL/min；机械制冷降温；温度程序为初始温度25.℃，以 40.℃/min 升温至 80.℃并保持 10 min，以-5.℃/min冷却到-50.℃并保持 10 min，再以 5.℃/min 的速率升温到 80.℃。通过动态的升降温过程，得到熔融曲线和结晶曲线。

1.2.7 固体脂肪含量(SFC)的测定

采用核磁共振分析仪测定不同温度下样品的SFC。称取 3.0 g 左右的样品于 pNMR 专用玻璃管中，80.℃水浴加热30 min以消除结晶记忆，然后转移至0.℃恒温槽中保持90 min，测得其SFC。样品在 5～55.℃温度范围内，每 5.℃恒温30 min，依次测定其SFC，绘制SFC与温度关系曲线。

1.2.8 晶型分析

采用 X-射线衍射仪分析样品的晶型并计算d值。取适量的样品平铺于检测片上，室温条件下检测。条件如下：Cu 靶，工作电压 36 kV，电流 20 mA，扫描步长 0.02°，扫描范围 2θ为5°～30°，扫描速度 2(°)/min。

d值为两个衍射晶面之间的间隔，不同的晶型具有不同的d值参数，通过d值的差异即能反映不同的晶体类型[8-9]。当短间距d=4.15 Å出现吸收峰则说明存在α晶型；当短间距d=3.8 Å或4.2 Å出现吸收峰时，表明存在β′晶型；而当短间距d=4.6 Å出现吸收峰时，表示有β晶型存在[10]。

1.2.9 晶体微观形态分析

取适量样品于载玻片上，盖上盖玻片轻压成透明薄片，置于80.℃操作台保持15 min 消除结晶记忆，连接配有Canon数码相机的偏光显微镜观察样品的结晶形态,放大倍数为 40×10，并拍照记录。

2 结果与讨论

2.1 脂肪酸和甘油酯组成

原料和基料油的脂肪酸和甘油酯组成见表2。

由表2中脂肪酸组成可知，与主要原料棕榈油(24.℃)相比，经酯交换反应和分子蒸馏后得到的基料油，表现为饱和脂肪酸含量上升，不饱和脂肪酸含量下降的趋势，该趋势表明在脂肪酶的催化下，棕榈油与饱和单甘酯发生了酯交换。酯交换后基料油的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的含量分别为57.4%和42.6%，基料油中主要不饱和脂肪酸为原料棕榈油(24.℃)中的油酸，含量为35.2%。由甘油酯组成可以发现，棕榈油(24.℃)和饱和单甘酯中的DAG含量分别为4.2%和2.9%，而经过酯交换反应和分子蒸馏后所得的基料油，其DAG含量达到了31.2%，同时MAG的含量从原料饱和单甘酯中的97.1%下降至3.2%,TAG含量从原料棕榈油(24.℃)中的95.8%下降至65.6%，证实二者发生了酯交换反应。说明经过酯交换及分子蒸馏可以得到富含DAG的油脂，符合本实验对人造奶油基料油的需求。

表2 原料和基料油的脂肪酸和甘油酯组成 %

2.2 结晶和熔化特性分析

图1和图2分别为添加单一乳化剂和复配配方的人造奶油熔融曲线和结晶曲线，表3为人造奶油乳化体系初始结晶温度、熔点和相对应的焓值。

由图1a可知，除基料油外各乳化体系在0.℃左右有熔化峰，这是因为冰的熔点为0.℃，各样品在0.℃左右的熔化峰为水峰。另外，从含单一乳化剂样品的熔融曲线中可以发现添加单硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂的样品在16.℃左右的吸热峰消失。图2a熔融曲线中，与基料油的吸热曲线相比，2号～7号样品在16.℃左右的吸热峰也消失，因此可以推断单硬脂酸甘油酯和大豆卵磷脂更有利于在该温度下熔化的晶型转化[11]，变为熔点更高、更稳定的晶型。1号配方中蔗糖酯含量最高，为乳化剂总含量的80%，因此可以推断蔗糖酯作用效果并不明显。

油脂中添加乳化剂对油脂结晶峰出现的时刻有影响，可以根据此判断乳化剂对油脂成核的促进与减缓作用[4]。通过对比基料油和添加复配乳化剂的乳化体系结晶曲线的第一个主要结晶峰，可以发现乳化体系的结晶峰初始温度降低，从35.33.℃降低至32.℃左右(见图2b)，表明添加的乳化剂对含饱和脂肪酸的甘油酯成核起到减缓作用，而对比第二个主结晶峰发现，乳化体系的结晶峰温度要高于基料油，由此表明添加乳化剂对含不饱和脂肪酸的甘油酯成核起到促进作用。

图1添加单一乳化剂的人造奶油熔融曲线(a)和结晶曲线(b)

表3 人造奶油乳化体系初始结晶温度、熔点和相对应的焓值

由表3可知，与基料油相比，添加单硬脂酸甘油酯或大豆卵磷脂的人造奶油样品熔点均有降低(分别为43.84.℃和43.50.℃)，添加单一蔗糖酯的样品熔点则有所升高 (57.06.℃)。在复配样品中，添加2号、3号、5号、7号配方乳化剂熔点降低程度最大，约为3～4.℃，而添加1号、4号、6号配方乳化剂的样品，熔点降低并不明显，甚至高于添加单一单硬脂酸甘油酯和大豆卵磷脂样品的熔点。由于添加单一蔗糖酯的样品在较高温度57.06.℃有1个熔化峰(见图1a)，且1号、4号、6号配方中含有分别为80%、45%、45%的蔗糖酯，可以推断出蔗糖酯含量过高不利于降低基料油熔点。此外由于蔗糖酯本身熔点高，无法充分混合于乳化体系，同样会影响样品的熔化温度。

综上所述，2号、3号、5号、7号配方中乳化剂结晶过程中对含饱和脂肪酸的甘油酯成核起到减缓作用，对含不饱和脂肪酸的甘油酯成核起到促进作用，同时能促进晶体转化为更稳定的晶型，人造奶油熔点降低约3～4.℃，符合人造奶油对熔点的要求。

2.3 固体脂肪含量(SFC)

图3和图4分别为添加单一乳化剂和复配配方的人造奶油的SFC与温度关系曲线。

SFC在 4～10.℃体现产品在冷藏温度下的涂抹性；在20～22.℃可分析产品在室温条件下的油脂稳定性和抗渗油能力；在35～37.℃则体现口融性方面的品质[12]。

由图4可知，3号样品在5.℃条件下的SFC较高，表明冷藏温度时3号样品涂抹性较差。在20.℃时，2号、5号、7号样品的SFC为17%～19.5%，3号样品的SFC大于20%，而2号、5号、7号在食品工业用人造奶油的SFC范围内(10%～20%)，说明这3个样品在室温条件下不会发生渗油现象，也不会过软，符合食品工业用人造奶油的要求。同时，这3个样品在37.℃条件下的SFC低于5%，说明这3个样品的口融性符合要求[13]。且三者均在45.℃可全部熔化。结合热性质分析，可进一步得出2号、5号、7号配方更佳。

图3 添加单一乳化剂的人造奶油的SFC与温度关系曲线

图4 添加复配配方的人造奶油的SFC与温度关系曲线

2.4 晶型

图5、图6分别为添加单一乳化剂和复配配方的人造奶油的XRD图谱。

由图5和图6可知，基料油在短间距d为 4.6、4.2、4.15 Å和3.8 Å都有衍射峰出现，说明基料油混合了α、β、β′3种晶型；d为4.6 Å和3.8 Å处的衍射峰强度较强，表明β和β′型为主要晶型。对于含有乳化剂的基料油样品，添加单一单硬脂酸甘油酯的样品以及1号、6号和7号样品在d为4.6、4.2、4.15 Å和3.8 Å处都有衍射峰，表明这4种乳化体系中同样含有α、β、β′3种晶型，而添加单一大豆卵磷脂、蔗糖酯的样品以及2号～5号样品在短间距为4.2 Å的衍射峰消失，可能是由于过多的大豆卵磷脂或蔗糖酯会使部分晶型更容易发生转化，由β′转化为β[14]。

图5 添加单一乳化剂的人造奶油的XRD图谱

图6 添加复配配方的人造奶油的XRD图谱

对于人造奶油而言，β′晶型晶体颗粒相对较小，可形成精细的晶体网络，能较好地包裹液油，使产品质构柔软，口感细腻；而β型结晶颗粒较大，造成产品质地粗糙，具有颗粒感，包裹液油的能力差[15]。其中1号、6号、7号配方样品在短间距为4.2 Å的衍射峰强度较其他样品强，说明1号、6号、7号配方更加适合用作人造奶油。

2.5 晶体微观形态

图7为基料油及人造奶油在偏光显微镜400倍视野下观察得到的晶体形态图像。

由图7可知，基料油、添加了单一单硬脂酸甘油酯、大豆卵磷酯的样品均为尺寸较大的针状晶体，1号样品晶体为稀疏的球状晶体，2号、3号和5号样品晶体为絮状，而添加单一蔗糖酯、4号、6号、7号配方的样品晶体则为细小的针状晶体。其中4号配方样品结晶分布均匀、细腻，但晶体分布过密,6号配方样品晶体稀疏，不能很好地包裹液油和水分，只有7号配方样品结晶最为细腻，且分布均匀、不会太疏或太密，能更好地包裹液油，更符合人造奶油对脂肪晶体形态的要求。

图7基料油及人造奶油的PLM图像

3 结 论

通过添加不同乳化剂(单硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂和蔗糖酯)制备了富含甘油二酯(31.2%)的人造奶油。研究添加不同乳化剂对人造奶油熔融结晶性质、固体脂肪含量、晶型和晶体形态的影响。结果表明：当乳化剂含量为1%，单硬脂酸甘油酯、大豆卵磷脂和蔗糖酯按质量比为1∶1∶1的比例复配时，所制得的人造奶油熔点较低，固体脂肪含量符合食品工业用人造奶油的要求，涂抹性、口融性好，在45.℃时可全部熔化；且含有较多β′晶型的结晶，晶体形态为细小针状，分布均匀，颗粒较小，晶体细腻，能更好地包裹液油。该乳化剂复配配方可用于制备专用型食品工业人造奶油。

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Effectofemulsifiersoncrystallizationbehaviorsofdiacylglycerol-enrichedmargarineemulsion

GUO Yajia1,2,LIU Zun1,2,SONG Jia1,2,QIU Chaoying1,2,WANG Yong1,2

(1.Guangdong Engineering Technology Research Center for Oils and Fats Biorefinery,Department ofFood Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China; 2.Guangdong Saskatchewan Oilseed Joint Laboratory,Guangdong Engineering Technology Research Center for Cereals and Oils Byproducts Biorefinery,Guangzhou 510632,China)

TS225.6;TQ641

A

1003-7969(2017)09-0060-06

2016-12-20;

2017-04-20

国家自然科学基金项目(31371785,31601503);广东省科技计划项目(2013B090800009);教育部“新世纪优秀人才”支持计划(NCET-12-0675)；广州市科技计划项目(2014Y2-00192)

郭雅佳(1994)，女，在读本科，研究方向为功能油脂(E-mail)1434718704@qq.com。

仇超颖，讲师，博士(E-mail)tcyqiu@jnu.edu.cn；汪 勇，研究员，博士(E-mail)twyong@jnu.edu.cn。