乳脂肪结晶机理研究进展

王筠钠 李 妍 李 扬 韩 洁 尹未华 张列兵*

（1 中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京100083 2 北京工商大学 北京市食品添加剂工程技术研究中心 北京100037）

随着西方饮食文化的融合和大众对营养健康的关注，乳制品品种不断增多，应用范围不断拓宽。目前由于原料乳来源、乳脂肪化学组成结构及加工工艺不同，使得乳制品产品质量参差不齐。本文阐述脂肪结晶机理与产品性能的关系，发现脂肪结晶与产品硬度、可塑性等性能变化规律，为乳品科学的深入研究提供一定的理论指导[1-2]。

1 乳脂肪结构与性能

乳脂肪一般以MFG 的形式分散于乳的水相中，尺寸范围为0.1 μm 至10 μm 或更大（平均粒径3～4 μm），外层有脂肪球膜 （Milk fat globule membrane，MFGM）包裹。虽然乳脂肪球（Milk fat globule，MFG）相对较小，但是它们数量庞大，在1mL 乳中平均约15×109个，意味着它们有相当大的比表面积。MFG 中约98%为甘油三酯（Triacylglycerol，TAG），通式为CH（OOCR1）（OOCR2）（OOCR3），R1～R3为烷烃或烯烃。超过400 种FA 可随机组合出600 万种TAG，其关系如图1所示。TAG 中脂肪酸（Fatty acid，FA）种类及含量、碳链长度、双键位置及不饱和度决定了固体脂肪含量（Solid fat concentration，SFC），从而影响脂肪结晶和熔化性能。

图1 TAG 分子结构（R 代表不同烃基脂肪酸）Fig.1 Molecular structure of triacylglyceride（R is for different alkyl fatty acid）

乳脂肪中FA 大多数为偶碳直链，极少数为奇数碳链和具有支链的酸，主要种类见表1。区分MF 与其它来源脂肪可根据短链FA （C4-C10）的比例相对较高这一特征。其它2%左右非脂成分为甘油一酯、甘油二酯、脂肪酸、磷脂等[3]。

TAG 化学组成和性质是决定乳制品性能及产品质量的关键。以Christelle Lopez[4]通过干法分提在21℃分馏获得不同熔点组分的乳脂肪为例，其TAG 种类及含量见表2。乳脂肪是由不同含量、不同结构的TAG 组成的混合体，碳链化学组成结构对油脂熔沸点、硬度、结晶等性能起着决定性作用，其规律为：①若主链均由单可内旋转的单键组成，因不同的单键键长、键角、取代基而使旋转内阻不同，故脂肪的硬度也随之不同。由此可知，饱和脂肪酸碳链越长，分子间作用力就越大，旋转内阻越大，硬度和熔点升高，即长链脂肪酸＞短链脂肪酸。②若体系中含不可旋转的非共轭双键，使非键合原子间距离、键角和键长增大，易内旋，熔点和硬度因此降低。③若体系含有共轭双键，则电子云相互交盖形成大π 键，在同等情况下，与非共轭双键相比，硬度和熔点均提高。综上所述，在碳链长度相同的情况下，熔点由大到小依次为饱和脂肪酸＞共轭三烯酸＞单烯酸＞双烯酸＞非共轭三烯酸。另外，碳链越长疏水性越好，在制备稀奶油时乳化剂用量越高[5]。

表1 乳脂肪中主要脂肪酸组成Table 1 Main fatty acid composition in milk fat

表2 乳脂肪及其分提组分甘三酯组成Table 2 Triacylglycerol composition （mass%） of milk fat and its primary fractions，olein and stearin fractions from main fatty acids

（续表2）

因受季节性影响，乳脂肪熔程范围-40～50 ℃，5 ℃时只有30%为液态脂肪，近50 ℃时才完全熔化[6-7]。（33±2）℃熔点乳脂肪常温下为半固态，体温下熔化，可快速释放风味物质而不产生腻口感，既能建立结构又有润滑作用；（43±2）℃的硬脂常温为固态，可作为晶种并担当脂肪晶体骨架；（21±2） ℃的软脂可提供产品室温下的润滑性；而熔点低于10 ℃的组分提供冷藏温度下的流动性和可操作性[8]。

2 脂肪晶体结构及晶体间相互作用

塑性脂肪由液体油和固体脂组成，SFC 可决定其在一定外力下具有的抗变形能力。当SFC 较大时，塑性脂肪会因硬度过大而导致塑性变差；当SFC 较小时，塑性脂肪会因硬度过小而导致结构松软，塑性变差，易变形[9]。有研究向乳脂肪中添加了具有长链脂肪酸的葵花籽油，结果表明混合乳脂肪诱导的结晶行为使得体系具有更高的SFC 和更大的硬度[10-11]。同时，塑性脂肪也因热力学温度范围的变化而有所不同。温度越宽，塑性脂肪从熔化开始到结束温差越大，反之越小。如果塑性脂肪的硬度变化随温度变化较明显，说明该产品可塑性差；反之，则可塑性较好[12]。通过X-射线晶体衍射（XRD）和差示扫描量热仪（DSC）证明，塑性脂肪中同种油脂在外界因素影响下形成不同晶型，从而导致同质多晶现象[13]。由表3可知，典型的晶型主要有α，β′和β，其中α 型最不稳定，熔点最低，通常由熔融的油脂经过快速冷却得到，在塑性脂肪加工初始阶段短暂存在，之后迅速转变为β′和β 型[14]。β′型为α 和β 晶型间的介稳态，熔点高于α 型，通常呈细针状，晶体晶粒细腻，使得产品表面光洁，质构柔软，有较好的可塑性、涂抹性及口感；β 型紧密粗大，稳定性最大，相应的熔点最高，易形成大的板状结晶体，且随着时间的延长而增大，因此其包裹液油的能力比β′差[15]。3 种晶型间的转变顺序是α→β′→β，该过程是由非稳态向稳态晶型转变的不可逆过程[14]。乳脂肪的结晶行为主要由成核速率决定，同时受热力学和动力学因素控制。同质多晶成核的关键是Ostwald 规则，该规则指出相变可能会发生在更稳定的阶段[16-17]。当在动力学各因素下诱导成核时，亚稳态晶型先于稳态晶型成核；当动力学或其它外界因素影响最小化时，该规则不成立，稳态晶型随着动力学因素的减弱逐渐成核[18]。在实际生产中，乳脂肪的同质多晶现象使得此类产品必须冷藏以减缓晶型转变速度，该转变主要发生在生产与储藏阶段，受温度、时间等因素的影响[14-15，19-23]。

除同质多晶外，FA 碳链间的相互作用也会对脂肪结晶产生关键影响。TAG 晶体是通过分子层堆叠而成，其分子层厚度取决于FA 链长度、不饱和度及相对于由TAG 的甲基端基形成的基底面的倾斜角。TAG 纵向堆叠厚度可以通过XRD 小角度0°<θ<5°测量，称为长间距（LS）。它们主要与在晶体上堆叠并排的链长结构有关 （图2）。对于TAG，该取值通常为2（2L，40～50Å）或3（3L，55～70Å）。一般情况，三链长度（3L）形式通常与低熔点，长链单不饱和或长链与短链混合TAG 相关。双链长度（2L） 结构主要由长链，高熔点三饱和TAG 产生。由于链长结构不同的混合TAG 易在结晶期间或结晶后储存期间发生分离，所以同时含有3L 和2L 结构的TAG 是无法稳定互熔的[24]。此外，根据TAG 同质多晶转化，链长结构最终会从双链转化为三链。当用较短或更长碳链的FA 或多不饱和FA 代替3 条FA 链中的两条，并将它们与其它脂肪混合时，很可能会发生同质多晶现象和链长结构的转化，从而影响晶体形态，脂肪混合性能和晶体网络的形成[25]。脂肪碳链的横截面的特征由短间距（SS）决定，与链长无关，并且在广角范围内可观察到在8.5°<θ<13°的范围内[26]。长间距广泛应用于鉴定乳脂肪同质多晶晶型。当TAG 3条羧酸碳链的化学性质相同或非常相似时可形成双链长结构，如三癸酸β 形式[27]。若3 条链中的一条或两条链的化学性质与其它部分的大不相同时，链排序而形成三链长结构，如sn-1，2-二棕榈酸-3-乙酸（PP2）的β 形式[28]。在三饱和棕榈酸TAG（PPP）中，脂肪酸碳链长度均匀，称为同酸TAG。PPP 的3 种形式的分子结构简要说明如下：无序的脂肪链构象形成α 晶型，中间部分形成β′晶型，最密集部分形成β 晶型。α 晶型吉布斯自由能最高，其衍射角为4.15Å；β′晶型次之，且两个频率相似的衍射角，分别为4.2Å 和3.8Å；β 晶型最低，其衍射角为4.6Å[20]。

表3 甘油三酯3 种晶型特征Table 3 The characteristics parameters of the three polymorphs of triglycerides

图2 脂肪链长结构Fig.2 Fatty acid chain length structure

3 脂肪结晶机理及其网络结构特征

3.1 结晶脂肪润湿性

乳脂肪作为分散相可以在特定温度下部分结晶，脂肪晶体对乳状液稳定性的影响取决于连续相或分散相润湿性[29]，胶体粒子的润湿性决定在乳液中的最终位置，结晶过程见图3。

当乳液冷却时，剪切力使MFG 间的界面膜被相互接近的MFG 内部晶体刺破，当结晶脂肪碰到其它MFG 的液态油相时，不可避免地发生部分聚结导致最终相转化。根据相似相容原理，结晶脂肪相比水而言能够更好地被油润湿，MFG 中多面体结晶的突起刺破界面膜，作为晶核诱发相邻脂肪液滴形成晶体[30-31]。随着MFG 粒径的增加，结晶温度升高的趋势遵循幂律模型，晶核尺寸宜为微米级（～0.50 μm），若＞1 μm 便类似物理屏障，约束和延缓结晶过程，影响结晶行为。而纳米级因尺寸过小而不易诱发结晶[32-33]。

图3 脂肪球部分聚结过程Fig.3 Partial coalescence of partially crystallized milk fat globule

乳脂肪结晶的位置十分重要。结晶脂肪可以在分散相/连续相内或界面内，而脂肪部分聚结发生的先决条件是结晶脂肪必须存在于界面处，吸附原理见图4。

图4 结晶脂肪在油-水界面的吸附和接触角Fig.4 Adsorption and contact angles of fat crystals at the interface of an oil-in-water emulsion

图4中水为连续相，MFG 和结晶脂肪为分散相，结晶脂肪嵌入O/W 界面聚结并使乳状液体系稳定[34]。当MFG 与结晶脂肪间距离＜平衡距离时，结晶脂肪嵌入油-水界面内并发生部分聚结[31]。界面处结晶脂肪的润湿行为可由杨氏方程的界面张力与接触角描述：

式中：θ——水相接触角，γ（O/W），γ（O/S），γ（W/S）——油/水，油/固体和水/固体界面的表面张力，γ（O/W）cosθ——粘附张力。

接触角的变化表明乳状液稳定性，可通过使用表面活性剂来调节。提高表面活性剂浓度会降低油-水界面张力和水相与结晶脂肪间的接触角，从而降低MFG 对结晶脂肪的润湿性[35]。结晶脂肪在固-水-油界面处的接触角＜90°，可获得稳定的O/W 乳状液体系，较佳接触角应为60～70°。当接触角＞90°，可获得稳定的W/O 乳状液体系。如果接触角为180°或0°时，则结晶脂肪完全被润湿或不润湿。当接触角=90°，结晶脂肪可被油相和水相同等程度润湿[35]。由不润湿至完全润湿，由冷却速率及保持温度所决定，见图5。

结晶脂肪刺破MFG 液滴界面的方向对脂肪部分聚结尤为重要。当尖端正对界面突出时，脂肪晶体更易刺穿MFG 界面膜，见图6。

结晶脂肪刺穿相邻脂肪球的前提条件有两个：一是结晶脂肪的化学结构组成，二是脂肪球与结晶脂肪间距离，倘若两者距离＜0.1 μm，结晶脂肪可在数秒内吸附于界面上。Boode 等[36]使用t 来确定结晶脂肪从界面迁移到MFG 液滴中心所需的平均时间。

图5 粘附张力图（表明油-水界面上的结晶分配取决于表面活性剂的吸附）Fig.5 An adhesion tension diagram indicating crystal partitioning at an oil-water interface depending on surfactant adsorption

图6 结晶脂肪方向对油滴聚结及相转变的重要性Fig.6 Importance of crystal orientation on droplet caolescence and phase inversion

式中：rc——结晶脂肪直径；rd——MFG 液滴直径，η0——脂肪液滴黏度。

3.2 乳脂肪结晶网络

液油在过冷、过饱及外力作用下产生初级及次级晶核，通过传质传热形成微晶（～2～4 μm），并在其表面连续生长[9]，同质多晶行为也在此期间发生[15-18]。在范德华力等作用力下进一步聚集成微晶束（～20～100 μm），各晶束相互聚集、交织，形成聚结块，并按一定方式排列充填，最终形成类似凝胶的三维结晶网络，构成宏观结构体系[37-40]，见图7。

在晶体成长过程中，还会受诸多因素影响，包括TAG 结构及组成、双键位置和数量等内因及温度、压力、搅拌以及乳化剂种类和用量等外因。乳脂肪的脂肪结晶网络多以固体或半固体状态存在，不同形态结晶严重影响产品的结构及打发性、可塑性、硬度、脆性等功能特性。大部分对脂肪结晶网络结构和性质的研究主要集中在脂质组成、同质多晶和SFC 上，而很少研究这些因素与外在物性间的关系。

图7 结晶脂肪网络形成过程Fig.7 Structure hierarchy of fat crystal networks

3.3 脂肪结晶网络结构特性

具有屈服应力和黏弹性质的宏观可塑性源于脂肪结晶三维网络结构，对塑性脂肪宏观流变学性质有显著影响[29，41-43]。脂肪结晶网络结构的机械强度受原料来源、组成、结构、温度、外力等因素的影响，从而决定塑性脂肪的口感、延展性、打发性等品质特性[40]。MF 结晶网络机械性能主要通过硬度和黏弹性表征，硬度常用穿刺法测定。该方法存在一定局限性，测定时脂肪结晶网络结构遭到破坏，无法准确测量未受到破坏的脂肪结晶对硬度的影响。不能准确表达硬度与脂肪结晶网络的关系[44]。而采用小形变方法测定，因对脂肪结晶网络不产生破坏，故能准确反映两者关系[45]。

生活中不难发现，体系的部分结构与整体结构在形态、功能和信息等方面具有极大的相似性，研究部分结构性能即可推断整体结构性能[46]。1982年Mendelbret 教授提出分形理论[47]，鉴于分形体系在任何放大倍数下部分与整体均具相似性，结晶网络结构便可运用该理论进行分析研究。采用激光共聚焦显微镜 （CLSM）、偏光显微镜（PLM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X-射线晶体衍射（XRD）等图片学或波谱学方法对结晶网络进行不同结构层面的观察，获取微观形貌结构信息[39-41]。科研人员发现在分形聚集体中，MFG及脂肪结晶网络的尺寸及微观结构的尺寸以分形方式呈一定比例[48-49]：M～RD，其中M-微观结构质量，R-MFG 半径。Marangoni 等对塑性脂肪产品黏弹性与结晶网络结构的关系进行研究，确定杨氏模量与结晶网络的关系[50]：

式中：Es——杨氏模量；l0——平衡距离；a——粒径；ε——应力应变；φ——固体体积分数；D——分形维数。

由于该模型的分形维数被假设为定值，所以被Awad 等[51]推翻。Tang 等[52]继续改进该模型为：

式中：k、b 为常数。

然而，此模型仅用于高 SFC 体系，亦具有局限性。探索机械性能与脂肪结晶网络结构间关系的新方法一直在进行，其理论还有待完善。

在脂肪体系中根据脂肪状态大致分为两种流变体系：一种是以液态脂肪为主的强分子间作用力的流体体系，另一种是以高SFC 为主的低分子间作用力的固态/半固态体系[53]。随着温度降低，微晶束不断增大，聚结体随之增多，分子间作用力减弱，两种体系可以相互转化。流体体系中，结晶网络结构与黏弹性模量的关系表达式为：

式中：G’——弹性模量；φ——SFC/100；D——分形维度；d——晶体簇几何直径；x——化学键长度指数。

计算表明G’ 随着晶体簇及晶体颗粒的大小按照[（d+x）/（d-D）]指数增加。在固态/半固态体系中，结晶脂肪含量高，易形成结晶簇，晶簇间作用力降低。据此，两者关系可以表达为：

式中：K——弹性常数。

计算表明G’随着晶体簇及晶体颗粒的大小按[（d-2）/（d-D）]指数增加[39-54]。由此可知，脂肪结晶网络具有相似性和分形性，分形理论的提出和脂肪结晶模型的建立为探究晶体网络结构与性能的关系提供新思路。

4 展望

随着人们对食品安全和质量的关注，天然、健康的饮食理念逐渐深入人心。在乳制品生产、销售、运输的过程中，如果乳脂肪类型和工艺选择不当，易发生各种不稳定现象。如何控制脂肪结晶程度，提高乳品品质是食品工作者亟待解决的问题。本文对乳脂肪结晶行为的探究，有利于行业技术水平和产品质量的提高，具有重要的理论指导意义。