核桃油基油凝胶的制备及特性研究

徐杰，孙浩，张国红，王丰俊

(北京林业大学 生物科学与技术学院，林业食品加工与安全北京市重点实验室，北京,100083)

核桃油营养价值丰富，不仅含有亚油酸、亚麻酸等人体必需脂肪酸，还含有DHA、EPA等微量脂肪酸，以及维生素E，甾醇，角鲨烯等营养成分，其黄酮含量明显高于花生油、玉米油等大众植物油[1-3]，由于核桃油易氧化，其本身不能经过长时间的高温处理(煎炸), 因此, 目前核桃油主要作为小包装保健油食用[4]，缺少深加工方面的研究。

油脂凝胶化是近年来植物油加工利用研究的热点之一，油凝胶是将凝胶剂添加到液体植物油中经加热、冷却所形成的具有三维网络结构的热可塑性高脂物[5]。目前有多项研究证明谷甾醇/卵磷脂[6]、谷维素/谷甾醇、单硬脂酸甘油酯、蜡及乙基纤维素[7]等均可凝胶化植物油，乙基纤维素玻璃化转变温度高达140 ℃，其凝胶过程往往会造成植物油品质变化，因此选用熔点较低的凝胶剂制备核桃油凝胶，相比于其他植物油加工方式，在保留其高不饱和脂肪酸，高营养价值的同时，还具有低反式脂肪酸，半固态油脂黏弹性等众多突出优点，可扩大核桃油在食品行业的应用[8]。

本文的研究目的是使用单硬脂酸甘油酯、谷维素/谷甾醇以及谷甾醇/卵磷脂等3种低熔点的凝胶剂体系凝胶化核桃油，通过研究凝胶体系的质构特性、流变性，分子间作用力以及色度，选出制备核桃油凝胶的良好凝胶体系，并探究制备过程中冷却温度对体系结构的影响，期望为核桃油的深加工提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料及设备

核桃油：云南会泽核桃基地采购的核桃仁，经实验室液压冷榨获得。

γ-谷维素(纯度99%)、β-谷甾醇(纯度98%)、单硬脂酸甘油酯，上海源叶生物科技有限公司；大豆卵磷脂，北京博奥拓达科技有限公司。

HJ-3恒温磁力搅拌器，常州国华电器有限公司；TVT 6700质构分析仪，澳大利亚Perten Instruments公司；傅里叶红外光谱，美国Perkin Elmer公司；流变仪，美国TA公司；NR60CP色差仪，深圳市三恩驰科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 油凝胶的制备

不同凝胶剂种类的油凝胶：A 谷维素/谷甾醇复合物[m(谷维素)∶m(谷甾醇)=3∶2]2.40 g(精确到0.01 g，下同)； B 单硬脂酸甘油酯(单甘酯)2.40 g；C 谷甾醇/卵磷脂复合物[m(谷甾醇)∶m(卵磷脂)=4∶1]2.40 g，置于50 mL烧杯中，添加20 g冷榨核桃油，设置加热温度为80 ℃，磁力搅拌20 min后转入4 ℃冰箱中至少保存5 d。

不同冷却温度的油凝胶：称取20 g冷榨核桃油于50 mL烧杯中，加入12%的凝胶剂，设置加热温度为80 ℃，磁力搅拌20 min，随后置于一定温度下至少保存5 d。

1.2.2 色度

色差仪经标准白板校准后对油凝胶样品进行测试[9]，测定不同凝胶样品时，色差仪镜头处于样品台同一高度，每次测试重复3次，记录样品L*、a*和b*值。

1.2.3 质构特性

取适量油凝胶样品于25 mL小烧杯中，保持凝胶体系均匀且与质构仪探头接触面平整，室温下放置24 h后测定。测定条件：探头673005，测前速度2 mm/s，测中速度1 mm/s，测后速度2 mm/s，下压深度15 mm，压缩比60%，触发应力5 g，取第1次下压过程中的峰值为硬度值；取第2次下压的高度与第1次下压高度的比值表征弹性；取2次压缩所做功的比值表征内聚力，各组样品至少测定3次，取平均值。

1.2.4 持油性

取适量油凝胶样品于10 mL离心管中，称量其质量记为m2,9 000 r/min离心15 min，将离心后的离心管倒置10 min，用滤纸吸干沥出的核桃油，称量其质量记为m3。 重复操作3次，取平均值。持油性按公式(1)计算：

(1)

式中：m1,离心管的质量，g；m2,离心前离心管与油凝胶体系的质量，g；m3,离心沥油后离心管与油凝胶体系的质量，g；ω,凝胶体系中凝胶剂的质量分数。

1.2.5 流变性质

取适量油凝胶置于流变仪温控底座上，测试温度为25 ℃，设置间隙为1 000 μm，夹具为40 mm平板。

研究表观黏度随剪切速率的变化关系：平衡时间60 s，持续时间180 s，剪切速率为0.1～200 s-1。

通过应变扫描探究核桃油凝胶的临界应变值和线性黏弹区。应变扫描程序：频率为1.0 Hz，应变范围为0.001%～10%。频率扫描程序：应变为0.1%，频率为0.01～100 Hz。

1.2.6 傅里叶红外光谱分析

取适量微熔的油凝胶样品，均匀涂抹在KBr压片表面，待形成稳定凝胶后放入红外光谱仪中检测，检测条件：25 ℃扫描，波数范围500～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描32次取平均值。

1.3 数据处理

所有实验均至少测定3次，选取平均值, 采用Origin 8.0和SPSS Statistics 22.0软件对数据进行整理分析。

2 结果与分析

2.1 核桃油凝胶表观形态及色度

如图1所示，3种凝胶体系均能使核桃油凝胶化，且能在环境温度下保持类固体状态。不透明度是油凝胶掺入食品中需要考虑的重要特征[10]，谷甾醇/谷维素凝胶体系作用于核桃油形成的凝胶不透明度低于另外两种体系形成的凝胶，这对其应用在食品加工中有一定的限制，而单甘酯和谷甾醇/卵磷脂油凝胶不透明度更大。

图1 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶表观形态

油凝胶的色度会影响其在食品中的应用，如图2所示，3种油凝胶的L*值(明暗度)均低于核桃油，且存在显著性差异(P<0.05)，即凝胶剂的添加增加了体系的浊度，YI等[11]在菜籽油中添加蜂蜡也证实这一现象。核桃油与3种油凝胶的a*值无显著性差异(P≥0.05), 单甘酯油凝胶的b*值显著高于核桃油和其他2种油凝胶(P<0.05)，体系更偏黄，这与油凝胶表观形态一致。

图2 核桃油与不同凝胶剂制备的油凝胶色度

2.2 核桃油凝胶的质构特性及持油性

油凝胶属于高脂制品，其涂抹性极大地影响其在食品中的应用，产品的硬度、弹力以及内聚力是评价自身是否具有良好涂抹性的重要指标，硬度越高时，其涂抹性越差[12]。如表1所示，不同凝胶剂所制备的核桃油凝胶硬度相差较大，谷维素/谷甾醇油凝胶的硬度显著高于其他2种凝胶剂制备的油凝胶(P<0.05)，这与不同凝胶油内部的晶体结构和分子间作用力有关，单甘酯凝胶的内聚力最大，涂抹性较好。谷甾醇/卵磷脂凝胶的各项质构指标均显著低于其他2种油凝胶，凝胶化核桃油能力较差，持油性是评价油凝胶宏观性质的重要指标之一[13]，谷维素/谷甾醇凝胶持油性最高，这是由于其凝胶剂分子自组装所形成的三维结构更加致密，被体系骨架结构束缚的液相油脂更多。

表1 不同凝胶剂制备的油凝胶质构特性及持油性

2.3 核桃油凝胶流变学特性

2.3.1 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶表观黏度

不同凝胶剂构筑的油凝胶内部网络结构不同会显著影响体系的黏稠度，如图3所示，在剪切速率低于50 s-1时，谷甾醇/谷维素的表观黏度最大，而谷甾醇/卵磷脂体系黏度最低。随着剪切速率逐渐增大，3种核桃油凝胶黏度均逐渐降低，这是由于剪切速率增大时，凝胶剂颗粒的解聚及沿流动方向定向排列以及大分子构型延长[14]，体系表现为剪切变稀的假塑性流体。

图3 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶的表观黏度

一般假塑性体表观黏度与剪切速率的关系符合幂律方程[15]：

η=Kγn

(2)

幂律方程中K表征液体黏稠度，K值越大，液体越黏稠。n值表征液体假塑性程度，n<1，流体变现为剪切变稀的假塑性，n值偏离1越大，体系越易剪切变稀，即假塑性程度越大[16]。流动曲线通过拟合之后得到的K值和n值的数值见表2。拟合函数的相关系数平方值(R2)均大于0.95，幂律方程拟合良好。实验结果表明3种凝胶体系中稠度系数的变化是：K(谷甾醇/谷维素)>K(单甘酯)>K(谷甾醇/卵磷脂)。稠度系数的增加说明体系具有更紧密的结构，即谷甾醇/谷维素油凝胶的内部三维结构最为稳定和坚固，交联最为紧密。

表2 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶的稠度系数和幂律指数

2.3.2 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶应变扫描

通过应变扫描可以得出凝胶体系的线性黏弹区和临界应变值，可进一步表征3种凝胶剂制备的核桃油凝胶的脆性。临界应变值越小即线性黏弹区范围越小，凝胶的脆性越大，体系的结构化程度越低[6],如图4所示。

图4 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶的储能模量

通过应变扫描确定谷甾醇/谷维素、单甘酯和谷甾醇/卵磷脂凝胶体系的线性黏弹区分别为0.001%～1%，0.001%～0.3%，0.001%～0.1%，3种核桃油凝胶体系中，谷甾醇/卵磷脂凝胶体系线性黏弹区最窄，脆性最大，体系不稳定易受破坏。储能模量(G′)的大小能表征凝胶体系的强度，谷甾醇/谷维素凝胶体系储能模量大于其他2种凝胶体系，凝胶强度最大，单甘酯凝胶体系次之，油凝胶的强度与凝胶内部的结晶单元数量以及交联程度有关。凝胶强度增大表明体系内部结晶结构增多，内部交联更加紧密，形成了更多结构化的网络结构。

2.3.3 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶频率扫描

G′表示剪切形变循环过程中能够恢复的能量，表征体系的固体性质；G″表示剪切形变循环过程中所消耗的能量，表征体系的液体性质。当G′>G″，体系发生弹性形变，呈固体状；反之，发生黏性形变，体系呈液体状[17]。如图5所示，谷甾醇/谷维素凝胶体系和单甘酯凝胶体系的储能模量(G′)始终大于损耗模量(G″)，即凝胶体系不受振荡频率的影响，体系内部形成稳定的三维网状结构，样品表现为真凝胶、类固体状态。谷甾醇/卵磷脂凝胶体系随着频率增大，储能模量降低，当频率继续增大，体系损耗模量(G″)大于储能模量(G′)，体系不再稳定，表现为“伪凝胶”状态。

图5 核桃油凝胶模量随振荡频率的变化

2.4 核桃油凝胶傅里叶红外光谱分析

傅里叶红外光谱能够根据分子特征吸收峰确定物质结构信息，是分析物质内部分子间作用力的重要手段[18]。如图6所示，核桃油在3 200～3 500 cm-1波数范围内没有形成特征峰，而3种核桃油凝胶在此区域均产生了比较明显的羟基吸收峰，单甘酯油凝胶在3 444 cm-1处存在甘油羟基峰，且在3 280 cm-1处存在一个更强的羟基吸收峰，这可能是凝胶剂单甘酯分子在形成凝胶过程中与核桃油相互作用形成了分子间氢键。谷维素/谷甾醇油凝胶在3 411 cm-1处形成羟基吸收峰，甾醇羟基峰向低波位移动，表明此凝胶体系中形成了分子间氢键，谷甾醇中的羟基可与谷维素的羰基氧原子形成分子间氢键，卵磷脂中也存在羰基基团以及电负性磷-氧键[19]，与谷甾醇/谷维素油凝胶相比，谷甾醇/卵磷脂油凝胶在3 432 cm-1处产生羟基吸收峰，向高波位移动，氢键减弱，分子间作用力降低，宏观现象表现为凝胶状态不稳定。综合以上各因素，考虑到核桃油凝胶可以作为涂抹型固体油脂食用，因此选择单甘酯作为制备核桃油基油凝胶的良好凝胶剂进行后续实验。

图6 不同凝胶剂制备的核桃油凝胶傅里叶红外光谱图

2.5 冷却温度对核桃油凝胶的影响

2.5.1 冷却温度对核桃油凝胶质构特性的影响

结晶温度能够改变凝胶体系中晶体的大小和含量而影响整个体系的机械强度，如图7 所示，不同温度冷却的核桃油凝胶体系的质构特性不同，超低温以及低温冷却环境下形成的凝胶体系的硬度和弹性显著低于4 ℃冷藏条件下形成的凝胶体系，这可能是由于凝胶体系急速冷却过程中形成了更小的结晶，晶体网络尺寸较小，而在较高的结晶温度(25 ℃)下，晶体成长的过程中发生溶化，导致体系结构松散，宏观表现为硬度、弹性降低[20]。

图7 不同冷却温度的核桃油凝胶的质构特性

2.5.2 冷却温度对核桃油凝胶黏度的影响

如图8所示，在剪切频率为0～50 s-1时，低温冷却环境下形成的油凝胶体系表观黏度较大，这是由于急促冷却导致体系发生重结晶现象，小晶体形成大的晶体簇增加了体系的抗剪切能力，宏观上表现为黏度增大，25 ℃冷却的油凝胶体系黏度最小，是因为温度较高导致部分晶体破坏，体系疏松。随着剪切速率的增大，油凝胶样品均表现为剪切变稀现象，即不同冷却温度不会改变核桃油凝胶假塑性流体特性。

图8 不同冷却温度的核桃油凝胶的表观黏度

不同冷却温度下制备的油凝胶体系表观黏度的稠度系数和幂律指数如表3所示，超低温冷却环境下形成的油凝胶体系的稠度系数最大，油凝胶最黏稠，4 ℃冷却环境下形成的油凝胶体系K值高于另外2种凝胶体系，黏稠度适中。

表3 不同冷却温度的油凝胶的稠度系数和幂律指数

2.5.3 冷却温度对核桃油凝胶持油性的影响

不同冷却温度下形成的油凝胶的持油性如图9 所示，随着温度升高，油凝胶的持油率逐渐增大，成胶温度为25 ℃时，体系的持油率显著降低(P<0.05)，这是由于较高的温度使部分晶体熔化，体系内部结构疏松[21]，与核桃油结合能力降低，而低温冷却促进了结晶网络的形成，束缚核桃油的能力更强。

图9 不同冷却温度的核桃油凝胶的持油性

3 结论

本研究以核桃油为基料油，选取3种熔点较低的凝胶剂体系制备油凝胶，谷维素/谷甾醇凝胶体系制备的核桃油凝胶持油性最高，但硬度及表观黏度太大，涂抹性较差。谷甾醇/卵磷脂凝胶剂制备的油凝胶硬度、持油性和凝胶强度均最低，体系稳定性差，单甘酯核桃油凝胶的质构特性和持油性较好，适宜作为涂抹性的固体脂肪食用。傅里叶红外光谱显示3种凝胶体系内部分子间作用力不同。研究冷却温度对油凝胶体系的影响，结果表明，4 ℃冷却环境下制备的油凝胶硬度和持油性均最大，体系内部结构最稳定。