利用紫虫胶制备亚麻籽油凝胶油

戴柯锐，杨欣，胡茂芩，吕秋冰，姜林青

1. 四川旅游学院食品学院（成都 610100）；2. 成都大学药学生物工程学院（成都 610100）

亚麻籽油根据产地不同，α-亚麻酸含量45%～65%。传统食用油脂缺乏n-3系列脂肪酸，α-亚麻酸作为其主要来源，具有改善眼睛疾病、降血脂等作用[1]。紫虫胶（LAC）又名虫胶、紫胶等，是吸取寄主树树液的紫胶虫分泌出的天然树脂，无毒、生理无害、生物可降解，被美国食品与药品监督管理局（FDA）列为一般公认的安全类添加剂（GRAS）[2]。

凝胶油是凝胶因子利用结晶或者自组装，捕获液态油组成三维网络结构，束缚液态油脂的活动[3]。凝胶油具有可塑性好、低反式脂肪酸的优点[3]，根据油基的不同可能含有亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸。林国辉研究零反式脂肪酸特种油脂在面包中的应用，发现添加实验室自制的新型特种油脂和饱和脂肪酸含量较高的3种市售黄油对面团流变特性、面包质构特性和持水性的改善作用明显优于玉米油[4]。Patel等[5]研究虫胶凝胶油的涂抹性及在巧克力酱和蛋糕中的应用，发现能用虫胶凝胶油完全替代油粘合剂和部分替代棕榈油（27%）制备巧克力酱。

选用的凝胶因子是紫虫胶，采用加热及冷却等加工方法，制备富含亚麻酸、亚油酸并具有一定涂抹性的亚麻籽油凝胶油。经过响应面试验优化，得到亚麻籽油凝胶油的最佳工艺。亚麻籽油有望代替氢化植物油应用于烘焙食品，扩展其在食品加工中的应用领域。

1 材料与方法

1.1 试验材料

亚麻籽油（江西省硒海油脂有限公司）；紫虫胶（云南泽林林业科技有限公司）。

JA200型万分之一电子天平（上海舜宇恒科学仪器有限公司）；BCD-226K50型冰箱（美的集团股份有限公司）；DF-101S电热恒温磁力搅拌器（巩义市予华仪器责任有限公司）；H2050R台式高速冷冻离心机（长沙湘仪离心机仪器有限公司）；TMS-PRO质构仪（美国FTC公司）；Q100型热分析仪（美国TA公司））；XP-201型透射偏光显微镜（上海宙山精密光学仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 凝胶油的制备

向30 g亚麻籽油中添加一定量紫虫胶，在80 ℃条件下，恒温搅拌20 min。取出，在5 ℃下冷却24 h，置于室温2 h后备用。

1.2.2 凝胶油结晶形成时间（CFT）测定[6]

用2 mL离心管装取1 g凝胶油，在90 ℃下加热1 h后，取出离心管。在室温下倒置离心管时开始计时，记录油脂形成凝胶所需时间。

1.2.3 凝胶油持油性（OBC）测定[6]

称取2 mL离心管质量（a）。取1 g左右的凝胶油与离心管中，记为b。离心15 min（条件：20 ℃、8 000r/min），取出，静置15 min，吸取析出的油，称取离心管剩余质量（c）。将数据代入式（1）计算凝胶油的持油性。

1.2.4 凝胶油硬度的测定

凝胶油样品于5个50 mL烧杯中形成凝胶，置于室温、阴凉处2 h备用。用质构仪进行硬度测定，在室温下每组样品均测试3次，取平均值。

1.2.5 凝胶油的热力学性质测定[7]

精确称取样品8～10 mg，加热到90 ℃（速率30 ℃/min），保持10 min。降到20 ℃（速率5 ℃/min），保持20 min使其结晶。升温至90 ℃（速率5 ℃/min），记录结晶和熔融过程的热变化曲线。用TA universal analysis软件及OriginPro 9软件来获取并分析热力学数据。

1.2.6 凝胶油的晶体形态测定[8]

晶体的微观结构是用偏光显微镜（PLM）进行观察。凝胶油用毛细管吸取，放在载玻片上，轻压上盖玻片。在放大100倍的条件下，观察凝胶油中晶体形态。

1.2.7 数据处理

试验所得数据采用TA universal analysis软件及Origin Pro 9软件进行基础数据处理并绘制图形。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 虫胶添加量对凝胶油的影响

向30 g亚麻籽油中分别添加2%，4%，6%，8%和10%虫胶，搅拌加热条件为80 ℃、20 min，置于5 ℃冷却24 h。通过结晶形成时间、持油性的测定，得到虫胶添加量与凝胶油形成时间和持油性的关系。

从图1（B）能够看出，随着虫胶添加量逐渐增加，凝胶油形成时间越短，形成速度越快。从图1（A）可以看出，凝胶油形成时间与虫胶添加量有关系。虫胶添加量小于6%时，一定时间内，虫胶和亚麻籽油的混合液未形成凝胶，呈现黏稠液体状态。

图1 亚麻籽油凝胶油照片及虫胶添加量和形成时间的关系图

图2展示凝胶油的虫胶添加量与持油性和硬度的关系。随着虫胶添加量增加，凝胶油持油性呈增大趋势。虫胶在亚麻籽油中形成的网状结构具备束缚作用，同时随着添加量增大，网状结构越密集，这种束缚作用会更强。这主要的是由于虫胶一方面能使亚麻籽油形成类脂晶体网络；另一方面虫胶具有较高的结构组织，能够形成超分子相互作用和自组装胶体结构的特性，这一性质可能进一步导致更高的晶体-晶体相互作用，从而形成稳定三维结构[5]，硬度也随之增加。通过显著性分析，虫胶添加量与凝胶油的硬度无显著性差异。

图2 亚麻籽油凝胶油的虫胶添加量与持油性和硬度的关系图

2.1.2 加热时间对亚麻籽油凝胶油的影响

向30 g亚麻籽油中分别添加8%的虫胶，在80 ℃下，恒速磁力搅拌加热20，30，40，50和60 min，放于5 ℃条件下，冷却24 h。通过持油性、形成时间、硬度的测定，得到凝胶油制备加热时间与持油性、形成时间和硬度的关系。

由图3能够得知，加热时间延长，凝胶油形成时间先增加后缩短再增加，说明凝胶油制备时，加热一段时间之后，虫胶在亚麻籽油中更为分散，使虫胶更充分加入凝胶网状结构的构成。随着加热时间达到60 min，形成时间增加，可能是由于加热时间过长，虫胶和亚麻籽油形成的凝胶结构被破坏。

图3 加热时间对形成时间的影响

在图4中，随着加热时间延长，凝胶油硬度先增大后减小。足够加热时间使虫胶在亚麻籽油中被分散得更加均匀，形成稳定网状结构。随着加热时间延长，凝胶油晶体结构被破坏，造成硬度减小。随着加热时间延长，凝胶油持油性先增大后减小。30 min时，持油性达到最大。通过显著性分析，凝胶油的加热时间与凝胶油硬度无显著性差异。

图4 加热时间对持油性及硬度的影响

2.1.3 加热温度对亚麻籽油凝胶油的影响

由图5能够看出，随着加热温度逐渐升高，凝胶油的持油性先降低后增加到峰值再下降，说明加热过程中，虫胶形成的网状结构对于凝胶油的束缚作用逐渐增加，但是过度加热导致形成的凝胶结构遭到破坏，从而加热温度继续升高，持油性又逐渐下降。随着加热温度升高，硬度随之降低，可能由于温度增加，能量增加后，导致凝胶结构被破坏。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面优化试验设计

将凝胶油的持油性作为响应值，虫胶添加量、加热时间、加热温度作为自变量，设计优化凝胶油的三因素三水平响应面试验。试验因素水平编码见表1。

图5 加热温度对持油性及硬度的影响

表1 因素水平编码

2.2.2 响应面优化试验设计方案与结果分析

将虫胶添加量（A），加热时间（B），加热温度（C）作为特征值，凝胶油持油性（Y）作为响应值进行Box-Behnken试验设计。Box-Behnken试验设计结构矩阵及试验结果如表2所示。

表2 响应面试验设计及结果分析

虫胶添加量（A）、加热时间（B）、加热温度（C）为特征值，凝胶油持油性（Y）为响应值，进行响应面优化试验。得到响应值Y和各因子（A、B、C）之间的二次多元方程为Y=84.90-0.34A-2.59B-0.69C-0.62AB-0.48AC-0.69BC-0.55A2-2.49B2-2.03C2。

方差分析结果见表3，因素B、C的p值都小于0.01，说明其具有极显著性影响；BC的p＜0.05说明BC两因素之间存在显著的交互影响，而AB、AC之间无交互影响。由于pB＜pC＜0.05，可得其影响顺序为B＞C，即加热时间＞加热温度。模型显著性检验p＜0.000 1，即具有极显著性差异。失拟项体现模型与试验结果的拟合程度，判断两者有无显著差异。p＞0.05，表明失拟项不显著，说明该模型可以客观良好地反映各个因素与凝胶油持油性之间的关系。由此，该回归方程可以预测凝胶油的最佳工艺。通过响应面优化试验，得出制备凝胶油的最佳工艺为虫胶添加量8%、加热时间25 min、加热温度79 ℃。在该工艺条件下凝胶油持油性预测值为85.59%。经过3次验证试验，3次试验做得凝胶油持油性平均值为84.92%。得到的平均值与预测值接近，相对偏差小于1%，说明该响应面方程较为准确。

响应面3D效果图坡度越陡，表明各因素对凝胶油持油性的影响越显著，反之，走势越平滑，影响越不显著。图6和图7分别是虫胶添加量和加热时间、虫胶添加量和加热温度的交互作用，可以看出曲线呈现平面坡面，坡面较为平缓。在一定加热时间和加热温度下，虫胶添加量增加，持油性基本不变，虫胶添加量与凝胶油的持油性无显著性差异。从图8可以看出，加热时间和加热温度交互作用的曲线相对坡度最陡，影响最为显著。响应面图皆存在最高点，即响应值存在最大值。所有趋势与单因素得到的结果基本相同。

表3 回归模型的方差分析结果

图6 凝胶油持油性与虫胶添加量、加热时间的等高线及其响应面图

图7 凝胶油持油性与虫胶添加量、加热温度的等高线及其响应面图

图8 凝胶油持油性与加热时间、加热温度的等高线及其响应面图

2.3 对比试验

2.3.1 凝胶油和市售黄油的热力学性质对比

凝胶油的热力学性质会影响其品质和用途，例如凝胶油的口感受到凝胶油的熔融速度、温度范围的影响[9]。通过加热引起凝胶油出现相的转变，DSC通过测定在相变过程中凝胶油的热量变化，分析相变的起始、峰值和终止的温度[10]。图9和图10为凝胶油和市售黄油的结晶、熔融曲线。

由图9能够看出，在结晶过程中，凝胶油有1个单独的结晶峰、2个重叠的结晶峰，低于0 ℃的结晶峰可能是由于部分未参与形成凝胶结构的虫胶结晶发生相变，凝胶油结晶温度为18.26 ℃。市售黄油有1个单独的结晶峰，2个重叠的结晶峰，市售黄油中成分复杂，含有的水分和蛋白质等成分，水在0 ℃左右晶型发生转变，所以市售黄油的结晶温度为24.52 ℃，在凝胶油和市售黄油中都存在结晶结构。图10中，水分在0 ℃时熔融，发生晶型变化，产生吸热峰，所以，市售黄油的熔融曲线中，第2个吸热峰才是市售黄油的吸热峰。整个熔融过程中，凝胶油的吸热峰温度是33.23 ℃，市售黄油的吸热峰温度是41.23 ℃，两者相差8 ℃。

2.3.2 凝胶油和市售黄油的固体脂肪含量（SFC）对比

固体脂肪含量（SFC）可以反映随温度变化油脂凝胶的结晶和熔融特性，由此确定油脂凝胶在食品加工中的运用[11]。参照Prakash等利用DSC计算SFC[12]的方法（DSC结晶曲线在不同温度（10，15，20，25和30 ℃）下结晶能量占总结晶能量的百分比，作为每个温度下的SFC）。从表4中能够看出，随着温度升高，SFC含量逐渐减少。凝胶油的SFC含量在15～25 ℃急剧减少，市售黄油的SFC含量减少趋于平缓。这是因为亚麻籽油含有较多的不饱和甘油三酯，不饱和甘油三酯在室温下会先熔融[13]，温度的升高会破坏形成的凝胶结构，加速凝胶油的熔融，使SFC迅速减少。低于室温（20 ℃）时，凝胶油的SFC含量比市售黄油的SFC含量更高。凝胶油在20 ℃时没有熔化，存在大量结晶结构，说明在室温（20 ℃）下，凝胶油具有一定塑性，可作为软质涂抹类油脂产品。

图9 凝胶油和市售黄油的结晶曲线

图10 凝胶油和市售黄油的熔化曲线

表4 凝胶油和市售黄油的固体脂肪（SFC）含量

2.3.3 凝胶油的晶体形态

观察放大倍数为100倍的凝胶油晶体形态，如图11所示。

凝胶油具有持油性及硬度的基础是形成的三维网状结构。黄油通过偏光显微镜观察，未观察到晶体形态。由图11可知，凝胶油的凝胶结构呈现枝状，分布紧密均匀，堆积形成三维结构，束缚凝胶油的流动性，使形成的凝胶油具备硬度和持油性。

图11 凝胶油（A）的PLM图像

3 结论

通过响应面优化试验，得出凝胶油制备的最佳工艺为虫胶添加量8%、加热时间25 min、加热温度79℃，在该工艺条件下得到的凝胶油持油性为84.92%。凝胶油与市售黄油进行热力学研究表明，两者的熔点相近，且在室温下两者都有一定塑性。晶体形态研究表明，凝胶油是由于虫胶形成的三维结构束缚亚麻籽油流动性。试验结果可为凝胶油替代氢化植物油研究提供理论依据。