高熔点脂肪对凝胶油基人造奶油品质的影响

齐 创，秦乐蓉，李志超，韩立娟*，贺军波，张维农

（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023）

随着生活水平的提高，人造奶油的消费量逐年提高。不同需求的人造奶油评价标准也不同，家庭用人造奶油强调保形性、延展性、口溶性、风味、营养价值等；对于食品工业生产专用油脂产品而言，其应用性能包括硬度、可塑性、酪化性、起酥性、乳化性、稳定性等[1]。其中硬度作为人造奶油最重要的品质之一，对其工业化应用有较大影响。硬度过大的人造奶油结构不均一、结晶不能互相黏连，脆度增加，不宜保存；硬度较小的人造奶油，保形性差，应用范围较窄[2]。传统人造奶油是通过甘三酯结晶网络固化油水两相维持人造奶油的骨架结构，而人造奶油的硬度与甘三酯结晶的晶型和数量关系密切，可以通过分提、氢化和酯交换等油脂改性方法实现甘三酯结晶状态的改变[3-5]。

凝胶油基人造奶油是本实验室近年来关注的一种新型人造奶油[6]，原理是利用凝胶剂自组装或者结晶形成的网络结构，将油水两相均匀包裹在该网络结构中[7-9]，形成均相体系。该人造奶油制备工艺简便、成本低廉，同时避免了传统人造奶油的反式脂肪酸和饱和脂肪酸对人体健康造成的负面影响[10-12]。选择卵磷脂和菊粉作为凝胶剂固定油水两相，制备出了体系均一、口感细腻的凝胶油基人造奶油[13]。但是这种人造奶油存在硬度和可塑性方面的不足，目前尚在实验室制备。

高熔点脂肪，如经过氢化的椰子油、棕榈油，在人造奶油工艺中通常被应用于对原料油的改性，以适应工业生产[14-15]，而直接与其他油脂调配制备人造奶油的研究鲜见报道。Liu Yuanfa等[16]认为人造奶油的硬度是固体脂肪含量、同质多晶和微观结构等结晶特性共同作用的结果，可通过添加高熔点脂肪提升人造奶油相关性质。油脂调配是一种改变油料应用性质的有效方式，范林恩[17]将氢化油脂或棕榈硬脂等固态油脂与大豆油、葵花油等植物油调配后使用得到较为理想的烘焙食品；Ghosh等[18]通过增加连续相或油水界面的晶体数量，提升了晶体稳定化W/O型乳液体系的稳定性。

为提高凝胶油基人造奶油的品质，实现其商业化生产，本实验选取全氢化棕榈油（fully hydrogenated palm oil，FHPO）作为高熔点脂肪源，以不同比例分别与葵花籽油（sunflower oil，SFO）进行调配作为基料油，在安全添加量范围内，考察其对卵磷脂-菊粉基人造奶油硬度和可塑性的影响，同时观察其对人造奶油微观结构的影响，并与市售的植物淡奶油和喷射奶油进行部分性能比较，探究凝胶油基人造奶油商业化应用的可能性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

淡奶油、喷射奶油 市售。

福临门一级SFO 中粮集团公司；大豆卵磷脂（纯度＞70%） 美国嘉吉公司；菊粉膳食纤维（纯度＞90%） 比利时Orafti公司；尼罗红（nile red，NR）（纯度95%） 百灵威科技有限公司；异硫氰胺荧光素（fluorescein isothiocyanate，FITC）（纯度90%） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；FHPO 无锡市赛力威生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

7 8 9 0 A G C-5 9 7 5 C M S气相色谱-质谱（g a s chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用仪美国Agilent公司；Kinexuspro＋多功能流变仪 英国马尔文公司；TA.XT-plus主机-单臂机型 英国TA公司；FV1200-OSR激光共聚焦显微镜（confocal laser scanning microscopy，CLSM） 日本奥林巴斯公司；Empyrean X射线衍射仪 荷兰锐影公司；Lab expert稳定性分析仪 法国Formulaction公司；Stemi 305偏光显微镜德国Zeiss公司。

1.3 方法

1.3.1 凝胶油基人造奶油的制备

称取一定质量的卵磷脂于105 ℃的SFO中，添加一定质量的FHPO，不断搅拌直至透明，将其缓慢倒入预热的菊粉溶液中，以450 r/min搅拌15 min，得到不同的人造奶油样品。5 ℃熟化2 d，向卵磷脂-菊粉人造奶油中添加质量分数为0.0%～2.5% FHPO制备的人造奶油分别用0.0% FHPO～2.5% FHPO表示。100% FHPO表示完全为FHPO，不添加卵磷脂和菊粉。

市售淡奶油和喷射奶油在5 ℃放置2 d做对照实验。

1.3.2 脂肪酸组成测定

采用GC-MS法分析SFO和FHPO的脂肪酸组成。

样品采用三氟化硼甲酯化法处理后进行分析。GC条件：SUPELCO SP-2560石英毛细管柱（100 m×0.25 mm，0.2 μm），高纯氦气为载气，采用恒压模式。MS条件：GC-MS接口温度280 ℃，电子电离源，电离能量70 eV。通过标准质谱数据对脂肪酸组成进行定性分析，并采用面积归一化法对各脂肪酸进行定量分析。

1.3.3 稳定性分析

采用TURBISCAN Lab型稳定性分析仪测定人造奶油不稳定指数（turbiscan stability index，TSI）。将制备好的人造奶油趁热取30 mL注入仪器配套样品瓶中，在测量池中进行分析，每25 s测量。

1.3.4 人造奶油质构性质测定

将人造奶油样品趁热转移至铝盒（65 mm×35 mm）中，样品深度20 mm，然后置于5 ℃熟化2 d后进行测试。测试条件：P5探针，测前速率2 mm/s，测中速率1 mm/s，测后速率2 mm/s，触发力2 g，下压深度10 mm。

1.3.5 人造奶油熔点分析

采用SN/T 0801.5—2015《出口动植物油脂检验方法熔点检验方法》。

1.3.6 人造奶油流变性能分析

1.3.6.1 应变扫描与频率扫描

样品线性黏弹区（linear viscoelastic region，LVR）扫描测试条件：频率1 Hz，应变范围0.001%～100%，采集数据点10 个，测试温度5 ℃。

频率扫描测试条件：固定应变0.01%，进行0.1～100 Hz的频率扫描，数据采集点15 个，测试温度5 ℃。

1.3.6.2 表观黏度

扫描测试条件：固定应变0.01%，频率1 Hz，在0.01～200 s-1剪切速率进行扫描，样品测试时间为300 s，数据采集点10 个，测试温度5 ℃。

1.3.7 人造奶油微观结构分析

准确移取5 μL液态样品于预热的载玻片上，盖上经预热的盖玻片。置于5 ℃培养箱急冷24 h。熟化2 d后采用偏光显微镜（polarizing light microscope，PLM）观察样品微观形貌，并用随机图像处理软件进行处理。

采用5 g/L的FITC溶液和NR溶液分别对水相和油相进行标记。样品在5 ℃熟化2 d后，进行CLSM测定，采用随机图像处理软件进行处理。

1.3.8 人造奶油晶型分析

采用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪对样品进行晶型和结晶度分析。测试条件：Cu靶，工作电压45 kV，电流40 mA，发射狭缝1/32°，防反射狭缝1/8°，2θ角扫描范围为1°～30°，扫描步长0.026°。

1.4 数据处理

实验数据使用SPSS 16.0和Origin 9.1软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 基料油的脂肪酸组成

表1 基料油的主要脂肪酸组成Table 1 Fatty acid composition of base oils%

由表1可知，SFO主要成分是油酸（C18：1）和亚油酸（C18：2），而FHPO的主要成分是棕榈酸（C16：0），硬脂酸（C18：0）和花生酸（C20：0）。添加少量FHPO以后，既保留了SFO的必需脂肪酸，未改变其原有营养价值，又使得几种饱和脂肪酸比重略有增加，可间接带来甘三酯潜在结晶体数量的增加和体系熔点的提高。

2.2 高熔点脂肪对人造奶油外观和稳定性的影响

由图1可知，未添加F H P O的空白对照样品（0.0% FHPO）呈现均一的可自由流动状态，黏度较小；添加0.5% FHPO时，人造奶油依旧可以流动，但黏度较空白对照有所提升；添加0.5%～1.5%时，人造奶油硬度提升，倒置时不再流动；添加2.0%时，人造奶油体系开始出现裂纹，虽能够固化但品质已经发生劣变；添加2.5%时，体系崩坏，已不能够保持形状。因此，从外观上，1%～1.5% FHPO的添加可使体系均一和发生固化，实现可塑性的提升。

稳定性分析仪通过测量发射到样品上的背散射光，反映样品中液滴随时间变化的规律。背散射光变化值越小，TSI越低，说明乳状液越稳定，反之乳状液稳定性越差[19-20]。一般认为，乳液的TSI超过1，表示体系开始出现肉眼不可见的不稳定；超过3时就会出现肉眼可见的不稳定现象（宏观相分离）。与空白对照相比，添加0.5% FHPO时，样品的TSI值从0.26陡增到0.68，且随着FHPO添加量的逐渐增大，TSI也逐渐增大，表明样品稳定性逐渐降低，内部结构逐渐开始劣变。TSI值最大出现在FHPO添加量为2.5%时，这与宏观拍照结果一致。

图2 不同人造奶油的TSIFig. 2 Turbiscan stability index of different margarine samples

2.3 人造奶油质构性质

图3 不同人造奶油的质地指标Fig. 3 Hardness, plasticity and viscosity of different margarine samples

对于脂肪含量较高的食品，固体脂肪所形成的结晶网络的强度决定了这类食品硬度的60%～80%[21]；可塑性和黏度决定了人造奶油涂抹性的好坏，从而决定其在烘焙食品和起层食品中的应用[22]。

由图3A～C可以看出，在1.3.4节所述的检测条件下，未添加FHPO空白对照的硬度、可塑性和黏度非常低，而随着FHPO添加量的增加，三者逐渐增大，尤其是可塑性和黏度在FHPO添加量超过2%时增幅显著。由此可见，高熔点脂肪在低温下结晶，与体系中凝胶剂协同作用形成支撑人造奶油的骨架结构，起到提升硬度和可塑性的作用；但其添加量达到2%时，甘三酯结晶发挥的作用更加凸显，已影响到人造奶油的稳定性，同时硬度过大的人造奶油会出现颗粒感，黏度过大则会黏牙。

由图3D可以看出，将1.5% FHPO添加量的人造奶油与市售淡奶油和喷射奶油进行硬度、可塑性、黏度的对比，较流态的淡奶油而言，3 项指标均有大幅度的提升，而接近于固态的喷射奶油。后续实验选择FHPO添加量在1.5%以内进行分析。

2.4 人造奶油熔点分析

表2 不同人造奶油的熔点Table 2 Melting points of different margarine samples

熔点是人造奶油的一项重要物理指标，其数值越高，硬度越大，黏附性越小，因此实际应用中通常根据生产需求决定人造奶油的熔点，调节人造奶油的质构性质[23]。由表2可知，2 种市售人造奶油熔点分别为28.4 ℃和39.4 ℃，涂抹性人造奶油的熔点在1～23 ℃时可塑性范围较大；在27～42 ℃之间，既能在室温下保持形状，又具有较好的可熔性[1]。FHPO的熔点为59.1 ℃，远高于0.0% FHPO的11.0 ℃。随着FHPO添加量的增加，人造奶油的熔点随之增大。由此可见，添加少量的高熔点脂肪既可提高凝胶油基人造奶油的熔点，进而提升样品的硬度和可塑性，提升后样品的熔点也均未超过30 ℃，可保证在人体内能够充分融化[24]。其在室温下的应用仍待进一步探究。

2.5 人造奶油流变性质分析

2.5.1 LVR与频率扫描

LVR指样品在变化的应力或者应变下，弹性模量G’和黏性模量G’’保持不变的区域。通常选择样品的最大G’的90%对应的应变点为临界应变[25]。G’反映材料在发生形变时储存能量的能力和弹性大小，G’’反映材料在发生形变时释放能量的能力和黏性大小。体系的黏弹性由tanδ（G’’/G’）表示，tanδ＞1，体系中黏性成分占主导，表现流体的特征；tanδ＜1，体系中弹性成分占主导，表现固体的特征[26]。

图4 不同人造奶油的LVR（A）和频率扫描（B～D）Fig. 4 Linear viscoelastic regions (A) and frequency sweeping (B-D) of different margarine samples

图4 表明，FHPO添加量从0%增加到1.5%，人造奶油LVR范围有微弱的缩小，从10%降到4%左右（图4A）。与0.0% FHPO样品相比，FHPO的添加有利于G’和G’’的提高；且FHPO添加量越多，样品的G’和G’’值提高也越多，添加量1.5%的样品则介于淡奶油和喷射奶油之间（图4B、C）。

频率在0.1～10 Hz时，不同人造奶油样品均为G’＞G’’，即tanδ＜1，体系表现为胶体状态，而频率在10～100 Hz时，淡奶油和添加量较少（0%和0.5%）的样品tanδ值增加明显，已经超过1；添加量达到1.5%时，凝胶油基人造奶油和喷射奶油的tanδ值依旧稳定在小于1的范围内（图4D），表现为稳定的固体状态。这是因为高熔点脂肪含量越高时，体系内甘三酯结晶的数量也越多，这些甘三酯晶体与凝胶剂协同作用，进而提高了体系的弹性和黏性，食用时口腔的顺滑感也有所提升[27]。

2.5.2 表观黏度

根据物质的黏性流动行为可区分牛顿流体和非牛顿流体[28]。随着剪切速率的增加，表观黏度值减小是假塑性流体的典型特征[29]。

图5 不同人造奶油表观黏度Fig. 5 Apparent viscosities of different margarine samples

由图5可以看出，所有样品均表现出“剪切稀化”现象，为非牛顿流体中的假塑性流体，选择Ostwald de Waele模型描述其流动行为，模型公式为：

式中：τ为剪切应力/Pa，数值上τ＝ηgγ，η为表观黏度/（Pa·s）；γ为剪切速率/s-1；K为稠度系数；n为流动指数[30]。如表3所示，不同人造奶油的n值均小于1，说明这些人造奶油均为假塑性流体。随着FHPO添加量的逐渐增大，样品体系的K值逐渐增大，稠度不断增强，说明样品体系内甘三酯结晶与凝胶剂之间的相互作用逐渐增强，进一步佐证了黏弹性的分析结果。而1.5% FHPO添加量的人造奶油K值远高于淡奶油，接近喷射奶油，综合实验判断，该比例的凝胶油基人造奶油可部分替代市售塑性人造奶油。

表3 不同人造奶油的Ostwald-de Waele模型参数Table 3 Parameters of Ostwald-de Waele models for different margarine samples

2.6 人造奶油微观结构分析

图6 不同人造奶油样品的PLM图（A）和CLSM图（B）Fig. 6 PLM (A) and CLSM (B) of different margarine samples

在偏振光下，水和液态油脂由于光学各向同性，显示为暗场；而卵磷脂、菊粉和甘三酯晶体各向异性显示为亮白场[31]。相较于0.0% FHPO样品，1.5% FHPO中出现了少量的细小甘三酯晶体。CLSM下人造奶油水相标记为绿色，油相标记为红色[32]。从图6可以看出，0.0% FHPO样品中油水两相呈现双连续紧密网状结构，大量细小球状油滴分散在连续水相中，油水两相分界面明显。而添加了FHPO之后，人造奶油中网络结构连接变得松散，油相和水相均出现聚结，油滴由球状变为不规则形状。由此可见，与晶体稳定化的W/O型乳液体系不同，甘三酯晶体的存在会对原本卵磷脂-菊粉形成的网络结构有一定破坏作用，进而降低体系的稳定性，也使体系出现宏观相分离的可能性增加。

2.7 人造奶油晶型分析

图7 不同人造奶油的XRD谱图Fig. 7 XRD patterns of different margarine samples

由图7可以看出，100% FHPO在2θ分别为19.2°、20.8°、21.4°和23.0°，即短间距d值为4.6、4.2、4.15 Å和3.8 Å处有强衍射峰出现，表明100% FHPO内存在大量的甘三酯晶体，4.6 Å和3.8 Å为甘三酯的β晶型，4.2 Å和4.15 Å为甘三酯的β’晶型[33]。而SFO和两种凝胶剂在这个范围无衍射峰。0.0% FHPO和0.5% FHPO仅在2θ为20°附近呈现了一个弱的弥散峰，说明样品中可能存在少量弱的晶格结构，更多的是无定形结构[34]。但1.5% FHPO在4.6 Å处的衍射峰表明随着FHPO添加量的增大，样品内开始出现少量的β型甘三酯晶体。

3 结 论

高熔点脂肪FHPO在凝胶油基人造奶油制备过程中形成甘三酯晶体，从而提升了卵磷脂-菊粉凝胶油基人造奶油的熔点、质构性质和流变性质，使其固化。但与此同时，甘三酯晶体的存在会对卵磷脂-菊粉形成的网络结构有一定的破坏作用，当FHPO添加量过高时，人造奶油的稳定性降低，产品结构和品质发生劣变。因此FHPO添加量为1.5%时人造奶油的品质达到较为理想的状态，可部分替代塑性商品人造奶油。