单硬脂酸甘油酯对棕榈硬脂固体脂肪含量及硬度的影响

刘丽艳 李 琳 李 冰 万力婷 张 霞*

(1 华南理工大学食品科学与工程学院 广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室 广州 510640 2 东莞理工学院 广东东莞 523000）

随着我国经济及食品产业的快速发展，人均消费水平逐渐提升，人们对塑性脂肪的需求越来越大，对塑性脂肪产品的质量要求不断提高。由于棕榈油基塑性脂肪具有很好的稳定性和可塑性，易于形成β' 型晶体，且因其易被人体消化、吸收等特点[1]，而深得食品产业的厚爱，在我国塑性脂肪产业中占据了相当大的市场份额。棕榈油是塑性脂肪常用基料油之一，然而，由于其结晶较慢，所以贮藏运输过程中，温度的波动使产品品质劣变[2]。在冷链运输无法精确控制温度恒定的情况下，工业上主要使用乳化剂来改善塑性脂肪这一品质问题。

乳化剂是一类两亲性物质，具有不对称的结构，在分子的两端分别具有极性的亲水基团和非极性的疏水基团[3]。乳化剂通过改变脂肪的结晶特性，改善其物理机械性能，目前工业上常用的乳化剂有单甘酯、丙二醇酯、蔗糖酯、聚甘油酯等[4]。不同种类及用量的乳化剂对脂肪结晶过程影响不同，可能在成核阶段、结晶生长阶段或者晶型转变阶段，甚至会影响油脂同质多晶的晶型比例，起到抑制或者加速某种晶型形成的效果[4]。然而，关于乳化剂的使用尚处于经验阶段，乳化剂的作用机制尚不明确。

油脂样品的分子组成和结晶行为是影响其物理性质的重要因素，同时也影响其加工性能。甘油三酯混合时会发生团聚，从而影响塑性脂肪产品的加工特性[5]。研究表明，油脂体系的结晶速率常数与晶体微观结构密切相关，而晶体的微观结构与产品的机械性能密切相关[6]。了解乳化剂分子对塑性脂肪基料油结晶行为的影响，对研究塑性脂肪的物理机械性能具有十分重要的意义。

鉴于此，本文选择工业上应用较为广泛的乳化剂——单硬脂酸甘油酯（Glyceryl monostearate，GMS），以棕榈硬脂为基料油，采用气相色谱仪、液相色谱与质谱联用仪、脉冲核磁共振仪、物性测试仪等对棕榈硬脂分子组成，乳化剂对结晶性质及物理机械性能的影响进行研究，为棕榈油基塑性脂肪的品质改善提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料及试剂

棕榈硬脂，深圳精益油脂有限公司；GMS＞99%，天津市科密欧化学试剂有限公司。

37 种脂肪酸甲酯（FAME）混标（色谱纯级），Sigma-Aldrich（上海）公司；乙腈、甲醇、正己烷、乙醇、异丙醇均为色谱纯级，瑞典Oceanpak 试剂公司；其它化学试剂均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

6890N 气相色谱仪，美国安捷伦公司；LC-20AD 高效液相色谱，日本岛津公司；Minispec l20脉冲核磁共振仪，德国布鲁克公司；Qtrap-4000 质谱联用仪，美国SCIEX 公司；TA.XT-Plus 物性测试仪，英国Stable Micro System 公司；DC-3006 低温恒温水浴循环器，中国宁波新芝仪器制造厂；BS224S 电子分析天平，德国赛多利斯公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 试验样品以棕榈硬脂作为基料油，分别加入1%，2%，4%质量分数的单硬脂酸甘油酯，保持80 ℃搅拌加热30 min，使棕榈硬脂基料油与乳化剂完全熔解并混合均匀，待用。

1.3.2 脂肪酸组成 参考张霞[7]的方法，利用气相色谱法测定棕榈硬脂基料油的脂肪酸组成。结果表明，棕榈硬脂样品中饱和脂肪酸含量占57.91%，包括棕榈酸（49.61%）和硬脂酸（6.41%），不饱和脂肪酸的含量占41.3%，包括油酸（34.15%）和亚油酸（7.15%）。

1.3.3 甘油三酯组成 利用高效液相色谱与质谱联用的方法分离检测棕榈硬脂基料油的甘油三酯组成[8]。

前处理：称取约100 mg 油样，用6 mL 正己烷溶解，涡旋，取10 μL 至离心管中，加入10 μL 0.1 mg/mL 氘代内标，加氯仿450 μL，甲醇440 μL，过滤膜，加入100 μL 氨水（HPLC 级，10%）上机。

液相色谱条件：色谱柱：Zorbax Eclipse Plus phenyl-hexyl 4.6×250 i.d，5 μm；流动相A：乙腈；流动相B：0.5%氨水-异丙醇；梯度洗脱流速1 mL/min；进样量10 μL；0～20 min，30%～70%流动相B，保持3 min；23.1 min，30%B，保持5 min。

质谱条件：APCI 源，EMS（MRM）-IDA-EPI 正离子模式；EMS（MRM）扫描范围：甘油三酯：m/z 700～1 000；甘油二酯：450～750，单甘酯：200～500 u；EPI 扫描范围：m/z 100～1 000；扫描速度：1 000 u/s；去簇电压（DP）：84 V；碰撞电压（CE）：35 V。温度：450 ℃。

棕榈硬脂液相色谱及质谱图见图1 及图2。结果表明，棕榈硬脂中，主要甘油三酯为1-棕榈酸-2，3-二油酸（29.21%）、1，3-棕榈酸-2-油酸甘油酯（25.81%）、1-棕榈酸-2-油酸-3-硬脂酸甘油酯（11.44%）及三油酸甘油酯（6.98%）。

图1 棕榈硬脂基料油的HPLC 图Fig.1 HPLC chromatograms of palm stearin

图2 POO（a）、POP（b）、POS（c）、OOO（d）的HPLC/APCI-MS 图Fig.2 HPLC/APCI-MS mass spectra of POO（a），POP（b），POS（c），OOO（d）

1.3.4 固体脂肪含量（Solid fat content，SFC）测定参照张霞[7]的方法，利用脉冲核磁共振仪测定GMS 含量在1%，2%，4%质量分数的棕榈硬脂样品的固体脂肪含量。

1.3.5 硬度的测定 采用质构仪测定油脂样品的硬度。取15 g 样品装入25 mL 的小烧杯分别置于15，20，25，30 ℃下30 min 以确保油脂样品充分结晶，采用穿刺法测定硬度。物性测试仪条件：选用P2 探针，以2 mm/s 的速度下压，下压深度为10 mm，每个油脂样品重复测定5 次，分别取平均值。

1.3.6 微观结构的观察 利用偏光显微镜观察晶体微观结构。取完全溶解且混合均匀的油脂样品5 g 装入15 mL 的样品管中，分别放置在15，20，25，30 ℃的恒温水浴中，保持30 min，以确保油脂样品充分结晶，取少量油脂样品置于载玻片上，盖上盖玻片，压制成透明薄片状，使用偏光显微镜连接的Canon 数码相机拍摄油脂样品的结晶形态照片。

1.3.7 统计分析 采用IBM SPSS Statistics 25软件对所得数据进行方差分析，当P＜0.05 时，表明存在显著性差异。

2 结果与分析

2.1 GMS 对棕榈硬脂固体脂肪含量（SFC）的影响

对于油脂而言，SFC 具有重要意义，SFC 随温度的变化曲线可以衡量油脂的塑性范围，并进一步判断此基料油生产的塑性脂肪的应用领域，如起酥油、人造奶油、代可可脂等。SFC 反映的是一定温度下油脂样品中存在的结晶脂肪含量，受油脂分子组成及结晶速率影响[9]。乳化剂的添加会影响脂肪分子的结晶行为，GMS 的添加量对棕榈硬脂SFC 的作用效果如图3 所示。

图3 GMS 与棕榈硬脂混合油在不同温度下的SFCFig.3 SFC of PS and the mixture of PS with GMS at different temperatures

如图3 所示，棕榈硬脂及其与质量分数1%，2%，4%的GMS 混合物的SFC 随着温度的升高而降低，GMS 的添加量对棕榈硬脂SFC 的影响在较高的温度下更显著。当温度为0 ℃时，各样品间SFC 无差异，说明与GMS 相比，此时过冷度对SFC 起主导作用，GMS 的添加对棕榈硬脂中结晶脂肪含量影响不明显。当温度在21.1～33.3 ℃时，GMS 的添加量对棕榈硬脂的SFC 影响显著（P＜0.05）。在21.1 ℃和26.7 ℃时，当GMS 质量分数高于1%时，棕榈硬脂的SFC 值随GMS 质量分数的增加而增加（P＜0.05）；而质量分数低于1%时，GMS 的添加对棕榈硬脂的SFC 无显著影响（P＞0.05）。表明在21.1～26.7 ℃温度下，低质量分数（0～1%）的GMS 对棕榈硬脂的结晶脂肪含量没有显著性改变，高质量分数（＞1%）GMS 添加下的棕榈硬脂具有更高含量的结晶脂肪。当温度达到33.3 ℃时，棕榈硬脂的SFC 随着GMS 质量分数的增加而增大（P＜0.05），表明在此温度下，添加GMS均减少了棕榈硬脂的熔化程度，使结晶脂肪含量提高，这与Maruyama 等[10]的研究结果一致，其在研究单甘脂添加对可可脂的熔化行为时发现，在加热时相同温度下含有单甘脂的可可脂需要更多的能量。这是因为饱和单甘脂的添加会引起更多晶体的形成，从而更耐受温度的作用[11]。当温度超过33.3 ℃时，棕榈硬脂快速熔化，SFC 小于12%，GMS 的添加对SFC 影响不明显。

2.2 GMS 对棕榈硬脂硬度的影响

油脂硬度指其抗大形变的能力，是体现油脂产品起酥性、打发性及成型能力的重要指标，油脂硬度一般采用穿刺法测量[12]。在脂肪产品中，影响其硬度的因素主要有SFC、结晶网络形态等[13-14]。因已有研究发现各油脂样品在等温结晶30 min时基本接近SFC 终点，所以本研究在等温结晶条件下，考察添加质量分数1%，2%，4%的GMS 对棕榈硬脂硬度的影响，选择在15，20，25，30 ℃条件下等温结晶30 min 测定棕榈硬脂的硬度，结果见图4。

图4 添加1%，2%，4% GMS 的棕榈硬脂等温结晶30 min 的硬度Fig.4 Hardness of palm stearin with 1%，2%，4% GMS after iothermal crystallization for 30 minutes

由图4 可知，加入质量分数1%，2%，4%GMS的棕榈硬脂等温结晶30 min 后的硬度随着结晶温度的升高而显著降低（P＜0.05），这是由于油脂的硬度由体系内晶体骨架提供，而在较高温度下，只有少部分熔点更高的甘油三酯分子结晶，构成的晶体骨架结构较为松散，从而导致硬度降低。

如图4a、4b 所示，当等温结晶温度为15，20℃时，加入质量分数1%，2%GMS 的棕榈硬脂硬度与空白样品的硬度无显著差别（P＞0.05），然而，当GMS 的添加量达到4%时，样品的硬度显著大于空白样品（P＜0.05）。图4c 所示，等温结晶温度为25 ℃时，随着GMS 添加量的增加，棕榈硬脂样品硬度增大（P＜0.05），而加入1%的GMS 与空白棕榈硬脂的硬度之间无显著差异（P＞0.05）。图4d 所示，当等温结晶温度为30 ℃时，加入质量分数1%，2%GMS 的棕榈硬脂的硬度显著低于加入4%GMS 的样品（P＜0.05）。结合前文温度-SFC 的研究，发现棕榈硬脂硬度与其SFC 之间并非成正向对应关系，尤其在30 ℃附近，SFC 随着GMS 添加量的增加显著增大（P＜0.05），而添加0%，1%，2%（质量分数）GMS 棕榈硬脂的硬度之间无显著性差异（P＞0.05）。

通常认为，油脂的硬度与其SFC 有一定关系，即SFC 值在一定程度上可以反映油脂的硬度，这与油脂组成中的晶体特性有关[15]。研究表明，硬度的大小也与其晶型及微观结构有关[16]。因此，推测加入GMS 的棕榈硬脂硬度的增大与其结晶结构相关，添加GMS 使得棕榈硬脂形成了更加致密的晶体网络结构，这有待进一步用偏光显微镜验证。

2.3 GMS 对棕榈硬脂微观结构的影响

脂肪晶体的成核及生长方式直接关系到其结晶网络结构，包括脂肪微粒的尺寸、形状、空间分布和粒子间的交互作用力[17-18]。为进一步了解GMS对棕榈硬脂结晶形态的影响，使用偏光显微镜观察棕榈硬脂样品的晶体形态，添加不同质量分数GMS 的棕榈硬脂在15，20，25，30 ℃下等温结晶后的偏光显微镜图如图5 所示。

图5 添加1%，2%，4%（质量分数）GMS 的棕榈硬脂分别在15，20，25，30 ℃下等温结晶30 min 的偏光显微镜图Fig.5 Polarized light microscopy images of palm stearin with 1%，2%，4%（mass fraction）GMS after isothermal crystallization at 15，20，25 ℃and 30 ℃respectively for 30 minutes

如图5 所示，在15，20 ℃及25 ℃等温结晶时，空白棕榈硬脂结晶均呈雪花状，晶体尺寸最大，随着GMS 添加量的增加，棕榈硬脂中晶体更多，且晶体尺寸逐渐减小，这与Maruyama 及Basso 等[10-11]获得的单甘脂的添加导致形成更多细小的晶体的研究结果一致。当添加量达到4%时，晶体形态呈尺寸细小的针状，结晶网络结构更为致密。这与上文SFC 及硬度结果对应，致密的结晶网络结构赋予产品更高的硬度。

在30 ℃等温结晶时，添加1%，2%GMS 的棕榈硬脂与空白棕榈硬脂结晶形态相似，都为大尺寸的球晶，这是由于低过冷度导致油脂体系零星成核，晶体有足够的时间和空间在已形成的少量晶核上线性增长，最终形成大的有序晶体[19]。而加入4%GMS 的棕榈硬脂形成细小针状晶体，这是由于在低过冷度使得棕榈硬脂自身成核困难，添加GMS 可率先成核，甘油三酯分子在其周围迅速生长，使得结晶细小。所以，硬度大于其它油脂样品，这与结晶机制保持一致，表明GMS 通过改变油脂结晶网络结构影响其硬度。

3 结论

通过考察添加质量分数1%，2%，4%的GMS对棕榈硬脂在不同温度下的SFC、硬度及微观结构的影响，发现棕榈硬脂的SFC 随着温度的升高而降低，GMS 的质量分数对棕榈硬脂SFC 的影响在较高的温度下更显著。在21.1～33.3 ℃之间，当GMS 添加量高于1%时，棕榈硬脂的SFC 随GMS 添加量的增加而增加。棕榈硬脂硬度与其SFC 值之间并非成正向对应关系，尤其在30 ℃附近，SFC 随着GMS 质量分数的增加显著增大，而添加1%，2%GMS 的棕榈硬脂样品的硬度与空白油脂的硬度之间无显著性差异，偏光显微镜图表明，GMS 通过改变油脂结晶网络结构而影响其硬度。