甘蔗蜡制备稻米油基油凝胶及其相关性质

王伟宁，王 莹，于 洋，姜宇婷，吴 非,*，韩翠萍,*，于殿宇，史永革

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.九三粮油工业集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 150030）

为了获得更好的感官特性和品质，人们对液态植物油进行化学或加酶处理，将其转化成半固态或塑性脂肪生产起酥油和人造黄油[1]。然而，饱和脂肪酸和反式脂肪酸会危害人体健康，增加心血管疾病的患病率[2]。现在消费者对食品安全有较强的需求，因此需要寻找一种不含反式脂肪酸的安全食品替代传统的塑性脂肪[3]，既要安全健康，又要保证其质地、可塑性和货架期等功能属性[4-5]。

油脂凝胶是一种以液态植物油为连续相的有机凝胶，将凝胶剂与植物油的混合物熔融再降温，通过分子自组装模式或结晶模式形成网络结构，将植物油脂固定在网络结构中[6]从而将液体油转化为固态凝胶。油脂凝胶作为含反式脂肪酸食品的替代品受到广泛关注[7]。例如，Mert等[8]利用小烛树蜡和菜籽油制成的油脂凝胶部分替代起酥油，制成了安全美味的曲奇；Botega等[9]用米糠蜡形成油脂凝胶代替固体脂肪制作冰淇淋；Lim等[10]将大豆油与巴西棕榈蜡混合，制成固体状油脂凝胶，并将其用于速食面中，以替代含有高饱和脂肪的油炸物。

稻米油是一种重要的、营养价值很高的植物油，不仅具有较完整的脂肪酸构成，而且还含有丰富的谷甾醇、生育酚、角鲨烯等活性成分[11]，其营养价值超过大豆油、菜籽油等传统食用植物油，具有降低血脂、防治动脉硬化和抗癌等作用，被营养学家称为营养保健油[12-13]。

很多物质都可以做油脂凝胶，比如脂肪酸、脂肪醇、植物蜡、单酰甘油、二酰甘油、磷脂、山梨醇酯、植物甾醇和神经酰胺等[14]。油脂凝胶形成凝胶的能力取决于它在连续溶剂相中的溶解度和不溶解度之间的平衡[15]。选择凝胶剂时，还需要考虑很多因素，包括安全性、经济、可加工性以及产品在市场中的可接受性。

蜡为长链非极性化合物混合物，包括烃类、蜡质酯、甾醇酯、酮类、醛类、脂肪醇、脂肪酸和甾醇。天然蜡自然存在于植物的表面，被美国食品药品监督管理局批准为食品配料或添加剂，有很多天然植物蜡被用作凝胶剂，包括米糠蜡[16]、小烛树蜡[17]、葵花籽蜡[18]、巴西棕榈蜡和甘蔗蜡等[19]。甘蔗蜡又称“蔗蜡”，附着于甘蔗表皮，呈棕黄色，主要成分为十六碳脂肪酸与三十碳脂肪醇以及豆甾醇构成的酯[20]。这些物质的存在可使甘蔗蜡表现出较强的疏水特性，同时形成的蜡酯又具有较好的亲水特性[21]。长碳链分子结构使得甘蔗蜡分子间作用力变强，有助于形成物理化学性能良好的油脂凝胶[22-23]。研究表明，甘蔗蜡中的二十八烷醇有助于降低胆固醇[24]，同时，对我国制糖工业副产品的应用具有重要意义。

本实验以稻米油为基料油，通过研究添加甘蔗蜡形成的油脂凝胶特性，探索甘蔗蜡添加量对油脂凝胶硬度、热力学性质、晶型以及微观结构的影响。减少巧克力、糕点中反式脂肪酸的用量，为开发塑性脂肪替代物提供理论依据，对食品的多样性及安全性产生重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

一级稻米油（酸价1.27 mg/g，过氧化值0.12 mmol/kg）九三集团哈尔滨惠康食品有限公司；甘蔗蜡（20 ℃条件下为固态，几乎不溶于稻米油，熔点70～84 ℃，含有66%酯、27%游离酸、5%游离醇和2%碳氢化合物）山东优索化工科技有限公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JY系列多功能电子分析天平 上海衡平仪器仪表厂；DF集热式恒温加热磁力搅拌器 河南省予华仪器有限公司；TA1型质构分析仪、MQC-23脉冲核磁共振仪英国Fxford公司；X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪英国马尔文公司；Discovery系列DSC仪 美国TA仪器公司；Eclipse E200 POL偏光显微镜 日本尼康有限公司。

1.3 方法

1.3.1 油脂凝胶的制备

先将稻米油在恒温磁力水浴锅中加热至80 ℃，然后加入固体甘蔗蜡（质量分数分别为1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%），搅拌至完全溶解。将制成的样品分别在5、10、15、20、25、30 ℃保存24 h形成凝胶备用。

1.3.2 甘蔗蜡添加量和温度对油脂凝胶相变的影响

将制备好的油脂凝胶样品注入试管，并继续在5、10、15、20、25、30 ℃条件下贮藏24 h。根据倾斜试管时样品的流动性判断是否形成凝胶，立即流动的称为液态，缓慢流动的称为增稠液态，不流动的称为凝胶态。筛选出在20 ℃（室温）形成油脂凝胶的临界浓度，以及临界浓度以上的2 个浓度进行下一步研究。

1.3.3 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶硬度的影响

取甘蔗蜡添加量分别为7%、9%、11%的油脂凝胶样品，在20 ℃条件下用质构分析仪测定凝胶的硬度。将球形柱塞以30 mm/min速率插入凝胶2.5 mm处，测量最大应力。在凝胶的任意位置测定5 次硬度，取平均值。

1.3.4 油脂凝胶热力学性质的分析

采用差示扫描量热仪测定不同甘蔗蜡添加量油脂凝胶的热力学性质。取10 mg样品放置到铝盘中并且密封，将样品以3 ℃/min的速率，从20 ℃加热到90 ℃，并保持5 min，然后以5 ℃/min的速率冷却到60 ℃，并在60 ℃保存10 min，再次加热到90 ℃，以评估甘蔗蜡油脂凝胶的结晶、熔化温度和焓值。

1.3.5 油脂凝胶中固体脂肪含量（solid fat content，SFC）的测定

参照李胜等[25]的方法并作修改，将一定量的油脂凝胶样品添加到脉冲式核磁共振的玻璃管中，使样品高度为（4±1）cm，90 ℃保持20 min，以消除结晶记忆，随后放在0 ℃保持90 min，再测定其SFC，然后从0 ℃升温到70 ℃，每次升5 ℃，保留30 min，测定每一个温度下的SFC，研究各个温度下甘蔗蜡添加量对油脂凝胶SFC的影响。

1.3.6 油脂凝胶的晶型分析

参照Emin等[26]的方法，用XRD仪对油脂凝胶进行晶型分析，在检测片的圆孔中加入适量的样品。测定条件：室内温度20 ℃，使用Cu源X射线管（波长1.540 56 Å、工作电压40 kV、电流40 mA），狭缝距离为1.0 mm，接受狭缝0.1 mm，以2 °/min的扫描速率进行5°～65°扫描。

1.3.7 油脂凝胶结晶形态分析

将样品置于90 ℃预热后的载玻片上，在样品上放置盖片。然后5 ℃贮藏24 h，利用偏振光显微镜观察研究油脂凝胶的微观结构形态，并对油脂凝胶的结晶形态进行拍照。

1.4 数据处理

本实验获取数据，用3 次重复实验取得的平均值表示，采用SPSS 16.0软件进行方差分析以及多重比较分析，并利用Origin 9.0软件处理实验所得数据及画图。

2 结果与分析

2.1 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶相变的影响

图1 甘蔗蜡油脂凝胶相变图Fig. 1 Phase change diagram of oleogel with added sugarcane wax

由图1可知，油脂凝胶的形成与甘蔗蜡添加量和贮藏温度都有一定的关系。当甘蔗蜡添加量小于3%时，在任何温度下均未观察到黏稠状或凝胶化，处于液体状态。当甘蔗蜡添加量大于3%，贮藏温度低于10 ℃时，样品处于凝胶状态；当甘蔗蜡添加量大于5%时，在15 ℃以下即可形成凝胶；当贮藏温度高于15 ℃时，体系会转变为黏稠液体状态。结果表明贮藏温度为20 ℃（室温）时，甘蔗蜡添加量不小于7%时，可作为制备稻米油基油脂凝胶的凝胶剂。其中甘蔗蜡添加量为7%是制备稻米油基油脂凝胶的临界值。甘蔗蜡作为凝胶剂主要是通过氢键作用将液体油固定在三维网状结构中，碳链越长，这种氢键作用力越大[27]。甘蔗蜡中的C30:0和C32:0脂肪酸占50%左右，脂肪醇主要为C28:0[28]，且稻米油不饱和脂肪酸含量高达80%以上，油的黏度较低，因而形成油脂凝胶所需甘蔗蜡临界值也就相对较大。为更好地研究稻米油基油脂凝胶，在后续实验中选择甘蔗蜡添加量为7%（在室温下形成凝胶油的甘蔗蜡添加临界值）、9%和11%的油脂凝胶进行下一步研究，对其相关的凝胶行为特性及热力学特性进行研究。

2.2 甘蔗蜡添加量和贮藏温度对油脂凝胶硬度的影响

图2 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶硬度的影响Fig. 2 Effects of sugarcane wax concentration on the hardness of oleogel

如图2所示，通过压缩-挤压测量分析可以看出，在较低温度下储存的油脂凝胶，硬度高于在较高温度下储存的油脂凝胶；甘蔗蜡添加量越大，得到的油脂凝胶的机械阻力越大，即硬度越大。这是由于非共价作用力是诱导凝胶因子自组装形成三维结构的关键，随着温度的升高，分子间作用力会下降。随着甘蔗蜡的添加量增多，长链脂肪酸和长链脂肪醇的含量增多，三维网络结构的数量和紧密度相对增加，从而使凝胶的硬度增加[29]。

2.3 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶热力学性质的影响

图3 甘蔗蜡油脂凝胶熔化（A）和结晶（B）曲线Fig. 3 Melting (A) and crystallization (B) curves of oleogels with different amounts of sugarcane wax added

在不同的温度下，油脂凝胶会发生相的转变，利用差示扫描量热仪可以通过测量样品相变过程中的热变化，从而反映有机凝胶的热性能，并且能够分析出相变发生的起始温度、峰值温度及终止温度。在同样的升温降温程序下，分别对甘蔗蜡添加量为7%、9%、11%的油脂凝胶进行测量，如图3所示，熔化曲线随温度先下降再升高，结晶曲线呈先上升后下降趋势。

图3曲线显示出了明显的不对称峰值，且不同甘蔗蜡添加量的油脂凝胶的熔化峰与结晶峰均为单峰。由图3可知，随油脂凝胶中甘蔗蜡添加量的增加，结晶峰值温度、熔化峰值温度均增加，结晶过程产生的峰值温度低于熔化过程中产生的熔化峰值温度，从而产生过冷现象，过冷度ΔT（熔化峰值温度均增加-结晶峰值温度）随油脂凝胶中甘蔗蜡添加量增加而降低，这表明油脂凝胶中甘蔗蜡含量的增加会增加油脂凝胶结晶化速率，同时油脂凝胶的结晶度也有所增加[30-31]。由上述实验结果可知，甘蔗蜡添加量对油脂凝胶的熔化与结晶均有一定影响。

表1 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶热力学参数的影响Table 1 Effect of sugarcane wax concentration on thermodynamic parameters of oleogel

焓变能近似反映油脂凝胶形成的自发性，焓变越大，形成油脂凝胶的自发性越强[32]。由表1可知，甘蔗蜡添加量对油脂凝胶的熔化结晶焓均具有一定影响，随着甘蔗蜡添加量的增加，焓变呈增加趋势，表明体系中凝胶剂分子结晶的排列更加整齐且形成油脂凝胶的自发性增强。结晶所需的焓比熔化所需的焓高，这可以解释为凝胶在熔化过程中经过了高温处理，破坏了晶体结构，因此在结晶过程中所需的焓升高[33]。甘蔗蜡添加量为11%时，结晶焓值最高，为7.17 J/g，表明该体系中结晶的凝胶剂分子排列的最为整齐。由上述实验结果可知，甘蔗蜡添加量对油脂凝胶热力学特性存在一定影响。

2.4 甘蔗蜡添加对油脂凝胶中SFC的影响

图4 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶中SFC的影响Fig. 4 Effect of sugarcane wax concentration on SFC content in oleogel

在油脂凝胶体系中，虽然SFC不代表固体脂肪，但通过SFC的测定可反映其塑性，因此SFC是评价塑性脂肪可塑性的重要指标之一。SFC曲线通过SFC随温度变化情况反映出塑性脂肪的熔化范围，从而确定其在食品体系中的用途[34]。对不同甘蔗蜡含量凝胶油的SFC进行测定，结果如图4所示。在油脂凝胶体系中，构成样品SFC的是凝胶剂而不是植物油，所以油脂凝胶的SFC不同是由于油脂凝胶中甘蔗蜡添加量不同导致的。由图4可以看出，随温度升高，凝胶油SFC有降低趋势，油脂凝胶在20 ℃前和50 ℃后变化较平缓，在30～50 ℃晶体结构逐渐被破坏，SFC呈快速下降趋势。当温度为35 ℃（接近体温）时，甘蔗蜡凝胶油还没有完全熔化，样品中仍有大量结晶存在，使用时可以加强液态油脂的坚固性以阻止渗出，产品也会给人提供一种蜡质的口感[35]。在常温下，凝胶油形成一定的三维网络结构，能有效截留液态植物油，说明少量凝胶剂就能将植物油脂凝胶化形成塑性脂肪，获得与人造奶油相近的塑性，但是SFC远低于人造奶油[36]。当甘蔗蜡添加量为7%和9%时，油脂凝胶的硬度适宜，可以替代起酥油和人造奶油添加到糕点中，几乎没有蜡质口感。当添加量达到11%时，硬度相对较大，可以考虑应用在巧克力等硬度较大的食品中，利用甜味掩盖极少量的蜡质口感。总之，凝胶化的植物油具有替代塑性脂肪的潜能。

2.5 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶晶型的影响

图5 甘蔗蜡与稻米油的XRD图谱Fig. 5 XRD patterns of sugarcane wax and rice oil

由图5可知，稻米油在扫描范围内仅有一个非晶峰，甘蔗蜡纯体分别在4.24、4.12 Å和3.61 Å处存在强衍射峰。

XRD短间距在0.42 nm为α型晶体的特征峰，0.38 nm和0.42 nm附近强衍射峰为β’型晶体的特征峰，0.46 nm附近强衍射峰为β型晶体特征峰。从图6可以看出，甘蔗蜡油脂凝胶中均含有α、β、β’ 3 种晶型，并且以α、β为主，随着甘蔗蜡添加量增多，高强度相应位置保持不变，但是α和β’晶型的量增多，实验结果与Dassanayake等[37]关于蜡质结晶模式凝胶油的结果基本一致。油脂凝胶图谱中的油脂凝胶衍射峰的位置和甘蔗衍射峰的位置相近但却不相同，说明油脂凝胶所形成的结晶可能来自甘蔗蜡与稻米油中天然磷脂的自组装。结晶形成机理的不同导致样品晶型存在较大差异。对于含不同晶型的凝胶油，可以满足制备不同食品专用油脂的需求。

图6 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶的XRD图谱的影响Fig. 6 XRD patterns of oleogels with different amounts of sugarcane wax added

2.6 甘蔗蜡添加量对油脂凝胶结晶形态的影响

图7 甘蔗蜡添加量油脂凝胶的偏振光图谱的影响Fig. 7 Polarized light microscopic images of oleogels with different amounts of sugarcane wax added

凝胶油是由构成三维网状结构的甘蔗蜡凝胶剂分子和固定在其中的稻米油组成，因而对三维网状结构的结晶形态研究就显得尤为重要。利用偏光显微镜对油脂凝胶进行观察并研究，记录偏振光显微镜图像，以了解甘蔗蜡晶体和油脂凝胶体系内部晶态聚集体形貌和结晶的三维网络结构，如图7所示。图7中黄色部分为甘蔗蜡凝胶剂分子形成的结晶结构。添加量为7%的甘蔗蜡油脂凝胶结晶形态均成絮状且整体分布较为均匀，此时凝胶油的结晶形态单元分布较为稀疏，还未形成紧密的凝胶网络结构。随甘蔗蜡添加量的增多，凝胶油的结晶形态单元分布变得相对致密，截留油溶剂的能力也不断提高。甘蔗蜡作为凝胶剂凝胶油的晶体形态与蜂蜡相似，形态呈球状，表明晶型不单一，这与XRD结果相互验证。球状晶体具有掩饰苦涩味道，可压缩的性质，常用在制药工业中，因此以甘蔗蜡为凝胶剂制成的凝胶弹性较好。随着甘蔗蜡添加量的增多，结晶大量增加且尺寸变小，说明凝胶剂形成了更加致密的三维网状结构，截留液态植物油的能力增强。所以，甘蔗蜡添加量为11%时形成的油脂凝胶硬度和SFC最大，进而验证了硬度和SFC的测定结果。

3 结 论

以稻米油为油基制作油脂凝胶，当甘蔗蜡添加量大7%时，在温度20 ℃即可成功制备油脂凝胶。甘蔗蜡添加量对油脂凝胶体系的硬度、SFC、熔化结晶性质均有显著影响，随甘蔗蜡添加量的增多，这些性质参数均呈上升趋势。当甘蔗蜡添加量从7%增加到11%时，5 ℃贮藏的油脂凝胶其硬度由2.9 N增至4.8 N，硬度随温度变化显著。0 ℃贮藏的油脂凝胶 SFC从4.62%上升到6.46%。甘蔗蜡添加量为11%时，熔化结晶焓最高，分别为6.64、7.71 J/g，体系中结晶的凝胶剂分子排列的最为整齐。XRD结果显示，甘蔗蜡油脂凝胶中同时含有α、β、β′三种晶型，其中以β晶型为主，甘蔗蜡添加量对油脂凝胶晶型种类影响不大，但会引起凝胶晶型数量的变化，晶体形状为球状，与蜂蜡凝胶形态相似，分布均匀。随甘蔗蜡添加量的增加，结晶数量增加，尺寸减小，导致分布密度增加，即甘蔗蜡添加量越高，硬度越大，结构化植物油的能力越强，形成油脂凝胶结构稳定性越好，为开发塑性脂肪替代物提供理论依据，对食品的多样性及安全性具有重要意义。