不同凝胶剂对芝麻酱稳定性的影响

刘怡真，马传国,2,*，李婕妤

（1.河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州 450001；2.国家粮食局粮油食品工程技术研究中心，河南 郑州 450001）

我国是芝麻生产大国，产量居世界第二。芝麻酱是以芝麻为原料经清理、焙炒、去皮或不去皮、研磨制成的天然酱体产品。芝麻酱中含油58.9%、蛋白质24.7%、纤维2%～3%、灰分3%、水分1%以及钙、铁、钾和磷等矿物质、天然抗氧化剂、维生素等[1]。芝麻酱中蛋白质在人体内的消化率和利用率都较高，且含硫氨基酸含量高，满足人体营养均衡的需求[2]，因此，芝麻酱因其具有营养价值高、抗氧化、抗过敏、抗免疫调节作用等特点，广受人们的青睐[3]。芝麻酱是一种由悬浮在油相中的亲水固体组成的多相混合体系。在芝麻酱生产过程中，油自然释放并趋向于在相对干燥的固体混合物上方形成油层。由于密度的差异，芝麻油将随着贮存时间延长游离到酱体上部，而沉降下来的颗粒更加致密，造成芝麻酱中的油和固形物分离，降低了氧化稳定性，对其质地、感官特性、涂抹性、货架期、适销性产生不利的影响[4]。

目前，由于芝麻酱的不稳定性导致较短的货架期，制约了芝麻酱的生产规模和适销性，因此，也在一定程度上影响了我国芝麻酱产业的发展。目前对酱体稳定性的研究中，控制芝麻酱中油和固形物分离的方法主要有降低固相颗粒直径和添加稳定剂[5]。侯利霞等[6]通过将芝麻酱中位粒径降低至8.3 μm以下，改善了芝麻酱胶体稳定性。Iftçi等[7]用激光散射分析仪测定芝麻酱的多态粒径分布，并且通过将中位粒径降低至5 μm以下，使芝麻酱的稳定性得以改善。添加稳定剂的目的是使芝麻酱中的液体油相固定化，部分氢化植物油的添加可以达到一定的效果，但其中的反式脂肪酸含量较高，不利于人体健康[8]。凝胶油指的是将小分子的凝胶剂添加到植物油中，通过一定的加工使植物油形成凝胶状油。因其具有低反式脂肪酸和饱和脂肪酸等优点，成为近几年国内外研究的热点之一[9]。谢放华[10]研究表明在芝麻酱中添加0.1%的蔗糖酯和0.3%的单甘酯对其稳定性有明显改善且不影响芝麻酱的风味和口感。Al-Mahasneh等[11]研究在芝麻酱中加入8%蒸馏单甘酯使其出油率降低了50%。凝胶剂有较多种类，不同凝胶剂形成凝胶油的特性有一定差异，将对期望达到的效果产生影响。因此，选择适合的凝胶剂十分重要。目前研究人员已经证实天然蜡和单甘酯在食品中的应用前景较好[12]，Mustafa等[13]在芝麻糕中添加天然蜡可以有效地抑制油的析出同时不会对其质地特性产生负面影响。

本研究选择蜂蜡、米糠蜡和单甘酯作为凝胶剂添加到芝麻酱中，经过加热、搅拌和冷却等工艺制成含有有机凝胶的芝麻酱。研究表明在高速离心条件下析出的油量被视为芝麻酱在贮存期间能够分离的最大油量[14]，防止这部分油析出是改善芝麻酱稳定性的主要途径，同时要保持一定的硬度使其具有较好的涂抹延展性，因此，芝麻酱的离心出油率和硬度是本研究中评价芝麻酱稳定性和涂抹延展性的重要指标。实验对比不同凝胶剂对芝麻酱中油和酱分离的改善效果，同时测定了其流变特性和贮存过程中质构的变化情况，因此提高了芝麻酱的品质，为芝麻酱的加工提供了一种新方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

现磨芝麻酱 市购；单甘酯（纯度≥90%） 佳力士添加剂（海安）有限公司；米糠蜡（纯度≥90%）广州市铎峰化工有限公司；蜂蜡（纯度≥95%） 东光县东泰蜡制品厂。其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

XMTD-204数显搅拌水浴锅 常州丹瑞实验仪器设备有限公司；TGL-16C离心机 上海安亭科学仪器厂；TA-XT Plus质构仪 英国Stable Micro System公司；Rheostress60型哈克流变仪 美国赛默飞世尔科技公司；8400全自动凯氏定氮仪、FibertecTM2010全自动粗纤维仪 丹麦Foss公司；R-210旋转蒸发仪 瑞士步琦公司；SRJX-4-13高温箱式电阻炉 北京市永光明医疗仪器厂；FV3000共聚焦激光扫描显微镜 日本奥林巴斯公司。

1.3 方法

1.3.1 基本成分测定

芝麻酱的粗脂肪、粗蛋白、粗纤维和灰分含量分别参照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》、GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》、GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》和GB 5009.4—2016《食品中灰分的测定》的方法测定。

1.3.2 样品的制备

称取50 g芝麻酱，分别添加单甘酯、蜂蜡和米糠蜡（芝麻酱质量的2%、3%、4%、5%、6%）。在90 ℃的磁力搅拌水浴锅中搅拌加热50 min，冷却后室温放置24 h。

1.3.3 离心出油率的测定[15]

称取1.5 g的样品于1.5 mL离心管中，此时离心管和样品的总质量为m1。将离心管置于高速台式离心机中，以8 000 r/min离心15 min。离心后倒置5 min，使离心出的油析出，并用脱脂棉将管壁上残留的油擦除，称得质量为m2。离心出油率根据析出油的质量（m1－m2）与样品总质量的比值计算。

1.3.4 流变性质测定

使用哈克流变仪对芝麻酱样品进行静态（流动曲线、温度扫描）和动态流变性质（线性黏弹区、频率扫描）的测定，选择直径为40 mm的平行板测量系统，测量间隙为1 mm。

流动曲线：采用旋转连续扫描，固定温度25 ℃，剪切速率的范围为0.1～30 s－1。测定样品表观黏度随剪切速率的变化，判断流体类型。为对芝麻酱的流动行为进行定量比较，将其流动曲线拟合为幂律方程[16]（1）：

式中：η为表观黏度/（Pa·s）；γ为剪切速率/s－1；K为稠度指数；n为非牛顿指数。

温度扫描[17]：采用旋转温度连续扫描，固定剪切速率12.3 s－1，温度变化范围为4～30 ℃，模拟了样品在贮存过程中的温度变化，测定样品表观黏度随温度的变化。为更好地说明黏度与温度之间的关系，测定结果根据Arrhenius公式lgη=lgA＋Ea/2.303RT进行模型拟合。式中：A为频率因子；Ea为流动活化能/（kJ/mol）；T为热力学温度/K；R为气体常数。

线性黏弹区：在1 Hz的恒定频率和25 ℃恒定温度下，对芝麻酱进行应变扫描。应力τ的范围为0.001～100 Pa，获得弹性模量（G’）和黏性模量（G”）的变化。

频率扫描：在温度为25 ℃条件下，频率范围为0.1～10 Hz，测定弹性模量（G’）和黏性模量（G”）随振荡频率的变化情况。

1.3.5 质构测量

用质构仪进行硬度测定。质构仪参数：测前速率2 mm/s，测中速率1 mm/s，测后速率2 mm/s。探头感受到5 g力时下压10 mm，取下压过程峰值为硬度值。

1.3.6 微观结构分析

使用共聚焦激光扫描显微镜测量添加凝胶剂的芝麻酱样品的微观结构。将1 g芝麻酱用5 g/L的尼罗红染色液染色。静置30 min后，将一定量染色的样品置于载玻片上，盖上盖玻片，形成均匀的薄片，放大40 倍进行观察并拍摄显微图片[18]。

1.4 数据处理

所以实验进行3 次重复，数据以 ±s表示。采用Origin Pro 8.5对数据进行线性拟合分析并作图。

2 结果与分析

2.1 芝麻酱基本成分测定结果

表1 芝麻酱基本成分测定结果Table 1 Chemical composition of sesame paste

如表1所示，芝麻酱中粗脂肪（54.9%）和粗蛋白（40.11%）含量较高，水分、灰分以及粗纤维含量较少。

2.2 凝胶剂添加量对芝麻酱离心出油率及硬度的影响

图1 单甘酯（A）、蜂蜡（B）和米糠蜡（C）添加量对芝麻酱离心出油率和硬度的影响Fig. 1 Effects of addition of monoglyceride (A), beeswax (B) and rice bran wax (C) on centrifugal oil yield and hardness of sesame paste

由图1A可以看出，随着单甘酯的添加量增大，芝麻酱的离心出油率降低，硬度逐渐增大。凝胶剂固定液体油相是通过氢键力或范德华力等弱相互作用自组装或者通过结晶的方式，形成三维网络结构，从而阻止了液体油的流动[9]。不同凝胶剂凝胶化的方式有差别，因此固定油相的效果不同。单甘酯通过弱氢键作用形成环状结晶网络[19]，从而阻止了液体油的流动。随着添加量的增加，单甘酯在芝麻酱脂肪体系中的骨架作用逐渐增强，硬度随之增加。对若干市售花生酱的离心出油率和硬度进行了测定，得到离心出油率在9.41%～10.39%范围内，硬度在368.22～502.23 g范围内。作为对比，单甘酯的添加量为4%时可以稳定芝麻酱，同时不会对其涂抹延展性造成影响。

由图1B可以看出，随着蜂蜡添加量的增大，芝麻酱离心出油率降低，硬度增大。植物蜡通过将正构烷烃或蜡酯改变为微晶片，这些微晶片再聚集形成三维网络来固定液体油[20]，因此出油率降低。硬度的增大是由于随着蜂蜡在芝麻酱中添加量的增加，导致其中结晶因子数目的增加，从而形成更紧密的晶体网络结构。当蜂蜡添加量为5%时，出油率和硬度适中，有利于芝麻酱的使用。

由图1C可知，随着米糠蜡添加量的增大，芝麻酱的出油率降低，硬度逐渐增大。与单甘脂和蜂蜡相比，米糠蜡添加量在5%以下时，硬度和离心出油率的变化缓慢，可能是因为凝胶剂扩散较为缓慢，在低添加量的米糠蜡存在时芝麻酱中的液体油相处于溶胶状态[21]。随着添加量增加至5%以上时，硬度显著增加，这是因为米糠蜡形成纤维状的晶体，比晶片和环状晶体具有更大的表面积，使凝胶剂分子与油相之间的相互作用更大[20]。

2.3 凝胶剂对芝麻酱流变特性的影响

2.3.1 流动曲线

图2 添加单甘酯（A）、蜂蜡（B）和米糠蜡（C）的芝麻酱流动曲线Fig. 2 Flow curves of sesame paste added with monoglyceride (A),beeswax (B) and rice bran wax(C)

由图2A可以看出，当单甘酯添加量为2%时，芝麻酱表观黏度随剪切速率变化不显著。添加量大于2%时，随着剪切速率的增大，芝麻酱黏度减小，表现出剪切稀化的假塑性。假塑性是指流体的黏度随剪切速率的增加而减小的性质[22]。在剪切速率为1～5 s－1范围时，各添加量的芝麻酱的表观黏度呈下降趋势。剪切速率大于5 s－1时，各添加量的芝麻酱黏度的变化趋于平衡。

由图2B可以看出，剪切速率在1～2 s－1范围内时，随着剪切速率的增大，表观黏度减小，随着蜂蜡添加量的增加，芝麻酱的黏度增大。与添加单甘酯的芝麻酱相比，蜂蜡在较小的剪切速率下黏度发生显著变化，说明蜂蜡形成的晶体网络对剪切速率较为敏感。较小的剪切速率就能使其结晶颗粒分解，晶体结构受到破坏。

由图2C可以看出，剪切速率在2～4 s－1范围内时，随着剪切速率的增大，添加6%米糠蜡的芝麻酱黏度显著减小，而2%、3%和4%添加量的芝麻酱变化均不显著，且随着米糠蜡添加量的增大，表观黏度增大。植物蜡与单甘酯相比具有低触变恢复性，因此在较低的剪切速率下，芝麻酱的表观黏度降低到一定值并趋于平稳。芝麻酱的黏度随着剪切速率的增大而减小，这是因为凝胶剂结晶形成环状（单甘酯）和针状（蜡类）的晶型[19]，这些晶体组装成三维结构并将液体油相截留在其结构内。随着剪切速率的增加，凝胶体系中的结晶颗粒逐渐破裂或形成较小的晶体，流体动力引起晶体结构的变形与破裂，导致黏度的降低。随着凝胶剂添加量的增加而增大，这是由于分子运动以及晶体间膜的形成，较高的固体含量导致黏度的增加[23]。

表2 添加不同凝胶剂的芝麻酱幂律方程参数Table 2 Power law equation parameters of sesame paste with different gelation agents

不同样品拟合的幂律方程具有较高的相关系数R2，表明芝麻酱的流动行为服从幂律方程。由表2可以得出，芝麻酱的非牛顿指数n小于1，在0.12～0.68范围内，为假塑性流体，与其流动曲线剪切稀化的结果相符。对于同一种凝胶剂，非牛顿指数n随着凝胶剂添加量的增加而减小，偏离数值1的程度越大，说明芝麻酱的假塑性越强。同时，可以看出蜂蜡和米糠蜡在添加量为2%、3%和4%时，非牛顿指数n无显著性差异，这一结果与图2B、C的流动曲线结果相符。稠度指数K随着凝胶剂添加量的增大而增大，说明凝胶剂添加量越大，芝麻酱的表观黏度越大，这一结果与流动曲线测定的表观黏度变化趋势相符。

2.3.2 温度对黏度的影响

由图3A可以看出，在温度为4～6 ℃范围内，随着温度的升高，芝麻酱的黏度减小；随着单甘酯添加量增大，黏度增大。这是因为单甘酯添加量的增加，导致晶体的生长形成更密集的结晶网络，使芝麻酱的流动阻力增大，造成黏度的增大。当单甘酯添加量在3%及以下时，黏度随温度的变化不显著，是因为芝麻酱中的油未被完全固定化，凝胶网络未完全形成。

由图3B可以看出，随着温度的升高，添加蜂蜡的芝麻酱的黏度下降，温度在4～8 ℃范围内，黏度变化较显著。与单甘酯相比，蜂蜡添加量在2%以上时，黏度随温度有较显著的变化，说明蜂蜡的凝胶临界浓度小于单甘酯。Yilmaz等[19]研究了在榛子油中分别添加3%的单甘酯和蜂蜡，结果表明相同浓度下蜂蜡可以形成稳定的凝胶，而单甘酯形成不稳定的凝胶。

由图3C可知，米糠蜡添加量在5%～6%时，芝麻酱的黏度随温度的变化较显著，这是因为高浓度的凝胶剂形成更致密的晶体网络，固定大量的液体油，这一结果与图1C结果相符。在相同的温度范围内，可以看出添加单甘酯的芝麻酱比添加蜂蜡和米糠蜡的芝麻酱黏度大。所有芝麻酱样品的黏度随温度的升高而减小，这是由于温度升高加剧了分子间的布朗运动，导致分子间距增大，流动阻力减小，从而使链段更易于活动，因而黏度降低[24]。Arrhenius方程参数如表3所示。

图3 温度对添加单甘酯（A）、蜂蜡（B）和米糠蜡（C）的芝麻酱黏度的影响Fig. 3 Effects of temperature on viscosity of sesame paste added with monoglyceride (A), beeswax (B) and rice bran wax (C)

表3 添加不同凝胶剂的芝麻酱样品Arrhenius方程参数Table 3 Parameters of Arrhenius equation for sesame paste samples with different gelation agents

由表3中R2可知曲线拟合程度较高，大部分在0.9以上。流动活化能反映了流体流动所需克服的能量，一般分子间相互作用力越大，流动所需的活化能越高，黏度对温度的敏感性越大。添加单甘酯的样品流动活化能在1 000～2 500 kJ/mol范围内，添加蜂蜡的活化能在1 800～2 500 kJ/mol范围内，添加米糠蜡的活化能在780～5 800 kJ/mol范围内。添加米糠蜡的样品流动活化能范围较大，且添加6%时活化能达到了5 749 kJ/mol，表明米糠蜡稳定的芝麻酱黏度受温度影响变化最大，这与图3C黏度随温度变化的结果一致。添加单甘酯的芝麻酱黏度随温度变化缓慢，其次是蜂蜡，添加米糠蜡的芝麻酱变化最大。

2.3.3 线性黏弹区的确定

图4 3 种凝胶剂稳定的芝麻酱的线性黏弹性区域Fig. 4 Strain scanning curves of sesame paste stabilized by three gelatin agents

线性黏弹区是指弹性模量（G’）和黏性模量（G”）不随振荡应力变化的区域[25]。由图4可以看出，在振荡应变为0.001%～0.1%的范围内，G’和G”与其呈线性关系，即此范围为测得的线性黏弹区，临界应变约为0.1%。G’和G”与凝胶网络的强度有密切的联系，对于同一种凝胶剂，随着添加量的增加，G’和G”的值增大。这是因为结晶网络变得更加密集，晶体间的交联点增加，凝胶强度增大[26]，说明酱体不易发生形变但存在硬度过大的问题。这与图1的硬度测定结果一致。此外，还可以看出，3 种凝胶剂稳定的芝麻酱G’和G”的大小顺序为：单甘酯＞米糠蜡＞蜂蜡。

2.3.4 动态频率扫描

图5 3 种凝胶剂稳定的芝麻酱的频率扫描曲线Fig. 5 Frequency sweep curves of sesame paste stabilized by three gelatin agents

如图5所示，通过对其G’和G”进行比较，可以得到其流变学强度[27]。可以看出随着凝胶剂添加量的增加，G’和G”的值增加，流变学强度增大。弹性模量是指流体在发生弹性形变时贮存的能量，黏性模量是指流体在发生黏性形变时损耗的能量。对比使用同一种凝胶剂的芝麻酱样品，G’均大于黏性模量G”，说明芝麻酱样品中弹性成分大于黏性成分，呈现出类固体性质。G’与G”随振荡频率的变化不大，说明芝麻酱中凝胶剂形成的晶体网络结构较稳定。

2.4 微观结构测定结果

图6 不同凝胶剂添加量的芝麻酱共聚焦激光扫描显微图Fig. 6 CLSM images of sesame paste prepared with different amounts of organogelators

为表征油相的分散状况，通过共聚焦激光扫描显微镜观察制备的芝麻酱样品的微观结构。图6分别是添加4%的单甘酯、蜂蜡、米糠蜡以及未添加凝胶剂的芝麻酱的显微图片。尼罗红是一种染色油相的染料，因此可以观察凝胶剂对芝麻酱中油相分布的影响。由图6A可以看出，添加单甘酯的样品中油相分布均匀，并且形成了紧密的联结区包裹着未染色的其他物质，同时与图6D比较可以观察到油相更明亮，这是因为油滴（亮点）在油相中联结形成片状难以区分，说明这些油滴排列形成了更紧凑的结构，而未添加凝胶剂的芝麻酱中的油滴是分散的且没有联结。添加蜂蜡和米糠蜡的样品与添加单甘酯的样品相比，油滴联结较为疏松，油相颜色较暗。添加凝胶剂诱导油滴之间通过较强的相互作用联结，从而可以固定液体油相[28]。

2.5 贮存期间凝胶剂对芝麻酱硬度的影响

将添加不同凝胶剂的芝麻酱样品放入50 mL烧杯中，室温下贮存。每隔10 d进行一次硬度值测定。在30 d贮存期间芝麻酱硬度变化如表4所示。

表4 添加不同凝胶剂的芝麻酱在贮存期间的硬度值Table 4 Hardness of sesame paste with different gelation agents during storage

由表4可以看出，添加单甘酯的芝麻酱样品硬度在贮存时间为0～20 d时呈下降趋势，这一结果与Fayaz等[29]研究的添加单甘酯的巧克力酱在贮存期间硬度减小相同，是单甘酯的氢键和多晶型的变化导致了硬度减小。蜂蜡和米糠蜡的添加量在5%和6%时的芝麻酱硬度在贮存20 d时增大，是因为蜡晶体在贮存过程中的重组提高了网络硬度[30]。随着凝胶剂添加量的增大，芝麻酱的硬度随之增大，且不同添加量之间具有显著性差异（P＜0.05），说明凝胶剂的添加量对芝麻酱的硬度有影响。硬度开始时减小是因为凝胶剂分散较为缓慢，结晶网络未完全形成，其中的游离油未被完全固定。高浓度的凝胶剂导致更强的网络，因此芝麻酱的硬度随着添加量的增大而增大。蜂蜡与米糠蜡和单甘酯相比，芝麻酱的硬度开始下降后没有显著的增加，可能是因为蜂蜡在形成凝胶网络时，晶体较为粗疏，通常具有粗晶体结构的凝胶网络比具有精细晶体的凝胶网络硬度小[31]。

3 结 论

在芝麻酱中添加适量的单甘酯、蜂蜡、米糠蜡可以有效地降低出油率，提高芝麻酱的稳定性。通过对样品的流变特性和硬度进行测定，对比3 种凝胶剂稳定芝麻酱的效果。由实验结果可以看出，凝胶剂添加量对芝麻酱的稳定性有显著影响，但如果添加量过大对芝麻酱的质构有一定影响，在实际应用中会导致涂抹性和延展性均变差。为使芝麻酱中游离的油被最大限度地固定，同时还要尽可能保证质地与未添加凝胶剂的芝麻酱相似，单甘酯在添加量为4%时可以稳定芝麻酱，且硬度在合适的范围内。由温度扫描结果可以得出，添加单甘酯的芝麻酱的黏度随温度变化较慢，在贮存期间可以保持稳定的流变性质。根据贮存期间芝麻酱硬度的变化可以得出，添加适量有机凝胶剂的芝麻酱在室温下结构较稳定，且保持有较好的涂抹延展性，可以延长芝麻酱的货架期和适销性，为芝麻酱生产企业提供指导。本研究使用的凝胶剂种类和添加量均符合国家有关标准。目前，凝胶剂在食品专用油脂、食品乳液等领域研究广泛，不同凝胶剂适用于食品加工业及制品的作用和效果也不同，因此，研究开发新型凝胶剂将会对相关食品工业的发展提供一定帮助。