单甘酯和豆甾醇混合物固化葵花籽油的规律

蒋兆景,刘忠博,马汉军,刘本国

（河南科技学院食品学院,河南 新乡 453003）

随着人们生活水平的提高以及生活节奏的加快,各类新兴食品层出不穷。大众对于食品的质地、风味、口感、安全性和营养性提出了更高的要求。油脂作为人体重要供能物质、脂溶性维生素和风味物质的载体,在日常膳食和食品工业中都占有重要的地位[1]。塑性脂肪对于维持和改善产品的质地、脆性和硬度有至关重要的作用,其在化妆品、医药、农药领域也具有广泛的应用。塑性脂肪的显著特点是在一定外力范围内,具有抗形变的能力,但是形变一旦发生,又不容易恢复原状。传统的塑性脂肪生产主要使用动物油脂或氢化植物油,前者饱和脂肪酸含量高,而后者含有大量的反式脂肪酸,过多地摄入会增加冠心病、糖尿病和癌症的患病几率[2]。美国食品药品监督管理局在2015年6月已经将氢化油移除公认安全状态,并于2018年6月后禁止向任何加工食品中添加反式脂肪酸[3]。

现阶段,食品工业正在积极寻找塑性油脂的替代品,相较于简单地用液体油代替固体脂肪,食品工业更倾向于用油脂改性或固化的方式生产塑性脂肪。油凝胶作为塑性脂肪最具潜力的替代品受到了越来越多的关注,在保持固态性状的同时赋予产品更加健康的特征（高含量的不饱和脂肪酸和低含量饱和脂肪酸）[4]。诱导油脂固化的凝胶剂包括以下4 类：1）小分子凝胶剂,如烷烃、蜡酯、脂肪酸、脂肪醇、羟化脂肪酸、脂肪酸甘油酯、豆甾醇（stigmasterol,ST）+谷维素、卵磷脂类、丙氨酸衍生品等,其可通过在油中自组装形成的三维网络结构实现对油脂的固化。2）固体粒子,如二氧化硅等,通过高浓度的固体粒子填充,也可形成油凝胶。3）聚合物,如乙基纤维素、甲基纤维素、甲壳素、壳聚糖及其酰化衍生物等,可以通过其高分子长链的相互缠绕来固化油脂[5-6]。4）其他,如虫胶,或者利用蛋白、多糖乳液为模板通过冷冻干燥或者喷雾干燥来固定油脂[7-8]。

单甘酯（monoglyceride,MG）是食品中常用的乳化剂,也被广泛用于油凝胶制作。Palla等以MG为凝胶剂,通过控制生产条件从而生产出与黄油质地相似的油凝胶产品[9]。然而MG单独用作凝胶剂使用时,随贮藏时间延长,油凝胶内部晶体会快速转变为β-晶型,造成晶体聚集持油能力下降[10]。但通过与其他凝胶剂（如乙基纤维素[11]、峰蜡[12]等）复配使用可有效控制MG的晶态转变,提高油凝胶的稳定性。植物甾醇是一种天然生物活性物质,具有良好的抗氧化以及维护心血管的作用[13],其主要包括β-谷甾醇、谷甾烷醇、菜油甾醇、ST、燕麦甾醇、芦竹甾醇、甲基甾醇和异岩藻甾醇等。本实验拟考察MG和ST混合物对葵花籽油的固化效果,系统研究MG/ST配比、质量分数及贮藏温度对葵花籽油基油凝胶的质构、流变、热力学性质及叶黄素保护的影响,以期丰富油凝胶研究,推动油凝胶在食品领域的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葵花籽油 益海嘉里食品营销有限公司；ST 上海源叶生物有限公司；MG 上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

HAAKE MARS III型旋转流变仪 美国Thermo Scientific公司；TA-XT Plus型质构仪 英国Stable Micro Systems公司；Q200型差示扫描量热仪 美国TA公司；D8Advance型X射线衍射仪 德国Bruker公司；LC-MSH-pro型磁力搅拌器 上海邦西仪器科技有限公司；UT-1810型紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限公司；ME104E/02型电子天平、PL1001-L型电子天平梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；DZKW-D-2型电热恒温水浴锅 北京市永光明医疗仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 油凝胶的制备

葵花籽油基油凝胶的制备按照文献[6]的方法并稍作修改。MG和ST按照一定配比（0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0,质量比,后同）混合后加入到葵花籽油中,使MG-ST混合物在葵花籽油中的最终质量分数分别达到2%、4%、6%、8%、10%。而后将油置于120 ℃油浴条件下加热搅拌15 min,搅拌速率为500 r/min。加热结束后分别转入5 ℃和20 ℃恒温培养箱中静置贮藏24 h,从而得到一系列样品。样品的成胶性采用倒瓶法进行观察[14]。

1.3.2 质构特性的测定

油凝胶样品的质构特性使用TA-XT Plus质构仪进行测定,质构测试温度与样品的贮藏温度保持一致。测试选用TPA方法,使用P0.5R探头（直径0.5 英寸、高度40 mm）,测前、测中、测后速率均为1 mm/s,压缩样品两次,两次压缩之间停滞5 s,压缩程度75%,触发力为5 g[15]。

1.3.3 流变特性的测定

油凝胶样品的流变学特性使用HAAKE MARS III旋转流变仪进行测试,使用平板夹具P35TiL（直径35 mm）,测量平板间距为1.000 mm。测量时取1 g左右油凝胶小心置于流变仪控温底盘上避免破坏其结构,样品需在测试温度下平衡10 min。

首先进行动态扫描,剪切速率（γ/s-1）设置为0.1～100 s-1,剪切应力（τ/Pa）固定为1 Pa,得到表观黏度（η/（Pa·s））随剪切速率变化的曲线,并使用Ostwald方程对曲线进行拟合[16-17]。

通过应力扫描来确定油凝胶的线性黏弹区（linear viscoelastic region,LVR）,剪切应力范围设置为0.1～100 Pa对数变化,固定频率1 Hz[18-19]。

最后通过升降温程序测定油凝胶凝胶温度,测试在动态模量扫描程序下进行,首先将油凝胶加热至120 ℃保持10 min,清除油凝胶结晶记忆,然后以3 ℃/min的冷却速率从120 ℃降至0 ℃,频率固定为1 Hz,剪切应力为1 Pa,应变设置为0.1%[20]。

1.3.4 热力学参数测定

热力学测定参考Martín-Alfonso等的方法[21]进行。凝胶剂总质量分数为8%,考察凝胶剂组成对热力学行为的影响。使用Q200差示扫描量热仪进行测量,称取约10 mg样品置于铝盘中,以空铝盘作为参考。样品首先加热至120 ℃保持10 min以消除记忆结晶,然后以10 ℃/min冷却至10 ℃并保持10 min,最后以10 ℃/min再次升温至120 ℃。测定结束后使用TA Universal Analysis软件分析并记录样品初始结晶温度（Tc,onset）、初始熔化温度（Tm,onset）、熔化峰值温度（Tm）和结晶峰值温度（Tc）[18]。

1.3.5 叶黄素保护效果测定

将凝胶剂质量分数固定在8%,考察凝胶剂组成对其所负载的叶黄素的保护效果。将30 g含有叶黄素的葵花籽油和油凝胶样品置于6 W紫外灯下15 cm处,其中,以含有叶黄素的葵花籽油作为空白对照。在30 ℃下进行贮藏,采用紫外分光光度法每两天测定一次样品中叶黄素含量[22]。

1.4 数据处理与分析

实验结果基于3 次独立样品测定,结果表示为平均值±标准差,显著性分析使用Tukey法,置信水平区间为95%,数据统计分析使用SPSS 22.0软件。

2 结果与分析

2.1 成胶性分析结果

图1为不同制备条件下样品倒置照片。当凝胶剂质量分数大于4%时,所有样品均可形成凝胶。当质量分数为2%时,MG/ST的配比对成胶性有明显影响,且相同配比的样品在5 ℃和20 ℃也呈现不同的成胶情况,如6∶4、8∶2 MG/ST配比样品。这可能是贮藏温度不同造成样品冷却速率出现差异所致。研究表明,不同的冷却速率对于油凝胶的形成具有显著影响[23]。在色泽和透光性方面,油凝胶样品整体呈乳白色,不透明状态。在质量分数为2%时,随MG比例增加,油凝胶呈现一种透明的趋势,当质量分数大于2%时,各样品的色泽和透光性趋于稳定。Terech等也曾发现12-羟基硬脂酸固化的油凝胶会随凝胶剂质量分数的增加变得不透明,并推测油凝胶的光学特性与凝胶剂的结晶度有密切关系[24]。有研究表明,植物甾醇在单独使用时不能形成油凝胶[25-26],导致相分离[27]。本研究中,ST被发现可以固化葵花籽油,但长时间贮存后也出现相分离现象。根据成胶实验结果,从中选取凝胶剂质量分数分别为4%、8%,MG/ST配比分别为0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0,贮藏温度分别为5、20 ℃条件下的油凝胶样品进行进一步分析。

图1 凝胶剂的配比、质量分数及贮藏温度对葵花籽油成胶的影响Fig.1 Effects of gelator composition, concentration and storage temperature on structuring of sunflower seed oil

2.2 质构特性分析结果

本研究采用TPA法测试了凝胶剂质量分数、配比和贮藏温度对葵花籽油基油凝胶质构特性的影响,结果如表1所示。各样品的硬度、黏度和咀嚼性指标存在显著差异。

在相同贮藏温度下,油凝胶样品的硬度、黏度和咀嚼性均随着凝胶剂质量分数的增加而快速上升。MG-ST型油凝胶提高最为明显。20 ℃条件下,当质量分数从4%提高至8%时,MG/ST配比为6∶4时,油凝胶的硬度提高至原来的10.9 倍,黏度提高至原来的3.7 倍；MG/ST配比为8∶2时,硬度提高至原来的5.6 倍,黏度提高至原来的2.3 倍。

表1 凝胶剂质量分数、配比和贮藏温度对油凝胶质构特性的影响Table 1 Effects of gelator concentration, MG/ST ratio and storage temperature on texture properties of oleogels

值得注意的是,在5 ℃条件下,MG型油凝胶具有最大的硬度、黏度和咀嚼性。但在20 ℃下,各质构指标水平均快速下降,这可能由于氢键是MG网络结构形成主导因素,随着温度的升高,分子间布朗运动加剧,氢键束缚作用减小,形成的三维网络结构强度远低于5 ℃时,因此造成了相关指标的下降。也有研究表明,温度造成的MG凝胶网络不稳定是高温条件下氢键作用力较弱所造成的结果[15]。MG在疏水溶剂中可以形成4 种构象：各向同性薄层状、倒置薄层状、亚α-晶型以及β-晶型,在冷却过程中,MG首先形成一个倒置薄层状,其中甘油头部密集地以六边形排列在双分子层中。当在结晶温度以下,片状转变成亚α-晶型,与脂肪族链结晶组成一个斜方晶系。两晶型凝胶性质相似,流变响应无明显差异性。然而,这两种晶型只是相对稳定,并倾向于转向三斜晶系的β-晶型,从而造成晶体聚集性和持油力的下降[28]。

对于MG-ST型油凝胶,质构特性的整体变化也呈相同趋势,即随着凝胶剂质量分数的增加,质构特性增强；随温度升高,质构特性呈下降趋势。其中MG/ST配比为4∶6的油凝胶展现出较好的力学特性,其硬度显著高于其他配比的样品,黏度也处于较高的水平。另一个值得关注的是,尽管油凝胶样品在高温情况下,整体凝胶强度都呈下降趋势,但是在20 ℃、凝胶剂质量分数8%时,MG-ST型油凝胶的硬度以及黏度总体显著大于MG或ST型油凝胶,表明MG-ST型油凝胶可有效改善油凝胶在高温条件下的质构特性。

2.3 流变特性分析结果

本研究系统考察了凝胶剂质量分数、配比和贮藏温度对葵花籽油基油凝胶的贮存模量G'、损耗模量G''以及表观黏度等流变参数的影响,以期进一步研究制备条件对油凝胶微观结构的影响。

图2 凝胶剂质量分数、配比和贮藏温度对油凝胶表观黏度的影响Fig.2 Effects of gelator composition, concentration and storage temperature on apparent viscosity of oleogels

图2为剪切速率对油凝胶表观黏度的影响,结果使用下式Ostwald模型拟合。

式中：η为表观黏度/（Pa·s）；γ为剪切速率/s-1；K为稠度系数/（Pa·sn）；n为幂律指数。

当n＝1时,表明系统为牛顿流体,在一定的温度和较宽的剪切速率下,表观黏度保持恒定；当n＞1时,系统属于剪切稠化流体,即随剪切速率增加,表观黏度逐渐增大并趋于稳定；当n＜1时,系统属于剪切稀化流体,随剪切速率增加,表观黏度逐渐减小最后趋于稳定。

图3 凝胶剂质量分数、配比和贮藏温度对油凝胶G'和G''的影响Fig.3 Effects of gelator concentration, MG/ST ratio and storage temperature on G' and G'' values of oleogels

拟合结果表明,所得油凝胶均属于假塑性流体,并且凝胶剂含量高样品的n值小于凝胶剂含量低的样品,这是由于凝胶剂含量高的样品具有较高的初始黏度,但随着剪切速率增加,黏度快速下降,下降速率远大于凝胶剂含量低的样品。

由图3可知,在一定范围内G'和G''不随剪切应力的变化而变化,其为样品LVR。在LVR内各样品都呈现G'＞G'',表明样品具有类固体性质,已形成油凝胶[29]。在图3A中,油凝胶的屈服应力范围在1～10 Pa之间小于其他条件下样品。图3B中样品的屈服应力均不高于10 Pa,除MG型油凝胶具有较大的LVRG'外,其他样品之间差异不明显。此外,MG-ST型油凝胶在低质量分数（4%）条件下,样品的屈服应力随温度升高而增加,然而,在较高质量分数（8%）条件下,随着温度的升高而降低。相同的现象在质构测定中也被观察到,这可能是由于不同的贮藏温度使葵花籽油中凝胶剂晶体纤维呈现出不同的生长和排列方式,造成流变学性质的差异,这种现象在12-羟基硬脂酸固化油脂的实验中也曾被观察到[30]。应力扫描结果表明,MG-ST型油凝胶和MG型油凝胶在流变学性质上没有显著的改变,但在5 ℃、凝胶剂质量分数8%条件下（图3B）,ST型油凝胶具有较大的屈服应力和G'。有研究表明,通过使用植物甾醇替代部分MG可以改善油凝胶流变学特性[27],但该研究只对MG-植物甾醇型油凝胶和MG型油凝胶样品进行了比较,而没有与植物甾醇型油凝胶进行比较。

通过升降温程序可得到油凝胶的凝胶温度的变化趋势。凝胶温度被定义为G'和G''的交点,或者损耗正切值等于1,即相位角为45°时的温度[31-32]。在凝胶系统中,凝胶温度表示在当前温度下,油凝胶晶体已经形成,并且彼此之间已经开始相互交联,如图4所示,油凝胶首先在高温下熔化。G'和G''接近于0 Pa,此时油凝胶样品熔化成液体[32]。随着温度的降低,特别是在凝胶温度前后,所有样品的G'和G''都存在一个快速上升时期。表明样品三维网络结构已经相互交联并形成具有黏弹性质的油凝胶。各样品的凝胶温度见表2。随凝胶剂质量分数的增加,凝胶温度也逐渐升高。当凝胶剂质量分数为8%时,各比例下油凝胶凝胶温度显著高于4%,这是由于凝胶剂含量增加,液体油脂中可形成更多的晶体,凝胶网络结构更加完整,因此在熔化过程中需要更多的能量来破坏三维网络结构。当凝胶剂质量分数和组成固定时,贮藏温度变化对凝胶温度没有显著影响,表明贮藏温度对油凝胶的凝胶温度没有影响。

得益于ST较高的熔化温度,ST型油凝胶具有最高凝胶温度。而MG-ST型油凝胶的凝胶温度较低,在5 ℃、凝胶剂质量分数4%、MG/ST配比为2∶8时,达到最低（7.89 ℃）。20 ℃时各配比下凝胶温度变化趋势与4 ℃条件下相反,凝胶温度随MG比例增加而下降。这一方面是由于MG熔点较低；另一方面是由于杂质的存在会影响晶体形态,当外来分子附着在生长的晶体表面将会造成晶体缺陷,影响晶体特征[27]。在MG-ST的组合中,MG和ST两者互为杂质,因此两者可能相互影响结晶过程。Sintang等的研究也表明,MG和植物甾醇复合油凝胶熔化温度相比于单一凝胶低,MG和植物甾醇之间形成了共融混合物[27]。Kamal等也在研究磷脂-植物甾醇膜体系时发现甾醇的存在降低了转变温度,意味着凝胶温度降低[33]。

图4 油凝胶的温度扫描实验结果Fig.4 G' and G'' versus temperature curves of oleogels

表2 凝胶剂质量分数、配比和贮藏温度对油凝胶凝胶温度的影响Table 2 Effects of gelator composition, concentration and storage temperature on gelation temperatures of oleogels

2.4 热力学特性分析结果

图5 凝胶剂组成对油凝胶差示扫描量热曲线的影响Fig.5 Effects of gelator composition on differential scanning calorimetry curves of oleogels

图5为MG/ST配比对油凝胶差示扫描量热曲线的影响。所有油凝胶样品的熔化和结晶温度相比于MG凝胶剂和ST凝胶剂都呈现下降趋势。类似现象在以蜡脂为凝胶剂的油凝胶体系中也曾被发现[18],其主要归因于稀释效应,即葵花籽油的存在使得凝胶剂分子间作用力减弱,造成了凝胶温度以及熔化温度的下降[34]。MG-ST型油凝胶的熔化温度都显著小于MG或ST型油凝胶（表3）,Sintang等也得到了相似的结论[27],并发现当复合油凝胶经过一周的贮藏后,熔化温度又会显著升高,最终与MG型油凝胶熔化温度相同,这是由于两者的混合减缓了MG从α结晶向β结晶转变的速率。Lopez-Martínez等通过向MG添加乙基纤维素得到了相同的结果[35]。二者的实验结果都表明,推迟晶体转变也可显著提高油凝胶的持油性。在复合凝胶剂固化的油凝胶中,较宽的吸收峰表明凝胶剂晶体纤维的熔化和纤维在溶剂中的溶解是同步发生的[14]。本研究中,在MG/ST配比为0∶10和2∶8条件下,ST在熔化过程中并没有出现明显的熔化峰,整个过程中,基线倾斜向下,只形成了很小的熔化峰,熔化焓变也远远小于结晶焓变,表明熔化是一个缓慢的过程。随着MG比例增加,熔化峰越来越明显。

表3 凝胶剂配比对油凝胶热力学参数的影响（凝胶剂质量分数为8%）Table 3 Effect of gelator composition on thermal parameters of oleogels at gelator concentration of 8%

2.5 叶黄素光稳定性分析结果

叶黄素作为一种天然色素被广泛应用于食品中。大量研究表明叶黄素能预防癌症和心血管疾病的发生,消除体内的自由基,降低细胞的氧化性损伤,特别对年龄相关的黄斑病变具有良好的预防作用[36-37]。尽管叶黄素具有良好的生理活性,但其对光照敏感,限制了其在食品、医药和化妆品领域的广泛应用[36]。有鉴于此,本研究比较了葵花籽油及不同的油凝胶（凝胶剂质量分数固定在8%）保护叶黄素的效果。

图6 叶黄素在油和油凝胶中抵抗紫外照射的稳定性（凝胶剂质量分数为8%）Fig.6 Light stability of lutein under UV irradiation in the oil and oleogels with gelator concentration of 8%

如图6所示,在光照条件下,葵花籽油中叶黄素降解速率较快,在20 d内从初始的76.45 μg/g降至1.28 μg/g,这可能是由于随着贮藏时间延长,液体油的氧化加剧,产生了更多的过氧化物以及自由基,加剧了叶黄素的破坏。但是,油凝胶样品均对叶黄素具有保护作用,经过20 d贮藏,叶黄素含量都不低于30 μg/g。其中MG/ST配比为8∶2的油凝胶E展现了最好的保护效果,叶黄素经过20 d贮藏后,含量从61.06 μg/g减小到43.18 μg/g,降幅最小。表明油凝胶能明显提高叶黄素的稳定性。在之前的研究中,油凝胶也被发现能够阻止油脂重结晶以及增强油脂中姜黄素的稳定性[38]。此外,在贮藏过程中,油凝胶A、B和C（MG/ST配比分别为0∶10、2∶8、4∶6）发生了较严重的油脂析出现象,油凝胶E（MG/ST配比为8∶2）持油性效果良好,油凝胶D、F（MG/ST配比分别为6∶4和10∶0）次之。Sintang等的研究也表明植物甾醇单独作为凝胶剂的持油性不佳,MG和甾醇配比为8∶2时,油凝胶具有良好的凝胶特性,这是由于植物甾醇在MG烷基末端的络合和缩合作用以及甾醇引起的MG晶体缺陷所造成的[27]。

3 结 论

MG与ST联用作为复配凝胶剂可以有效固化葵花籽油形成油凝胶。油凝胶的硬度、黏度和咀嚼性等质构性质与凝胶剂质量分数成正比,与温度成反比。在较低温度下,MG-ST型油凝胶的硬度小于MG或ST型油凝胶,但在较高的温度下,MG-ST型油凝胶的硬度以及黏度显著高于MG或ST型油凝胶,表明MG-ST混合物在高温条件下具有较好凝胶特性。流变学分析表明所得油凝胶均属于假塑性流体,流变学性质差异不大,由于MG与ST混合结晶造成的晶体缺陷,造成MG-ST型油凝胶的凝胶温度显著低于单一MG或ST型油凝胶,但其凝胶温度会随贮藏时间延长继续升高,这主要是由于MG-ST型油凝胶降低了MG从α结晶向稳定的β结晶转变的速率。热力学分析中MG-ST型油凝胶的差示扫描量热曲线呈现单一峰,表明MG与ST在油凝胶的熔化和结晶过程中并不是分别结晶而是形成了共融混合物和结晶物。MG-ST型油凝胶的凝胶温度仅取决于凝胶剂质量分数和配比,而与贮藏时间和温度无关。所得油凝胶均能显著提高叶黄素的稳定性,且MG/ST配比为8∶2的油凝胶呈现了最好的叶黄素保护效果。本研究对于开发新型的食用油凝胶产品,推动叶黄素在食品领域的广泛应用具有一定的参考意义。