肉桂酸基油凝胶及其乳液的制备及理化性质表征

栾慧琳，吴雨卿，郑红霞，柯翔宇，毛立科

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

油凝胶是一种热可逆的黏弹性液体状或固体状的脂类混合物。其中的凝胶因子通过自组装或结晶的方式将亲脂性液体束缚，形成阻止亲脂性液体流动的三维网络结构，使体系凝胶化。油凝胶具有饱和脂肪酸及反式脂肪酸含量低的特点，又因其可塑性及机械强度较高，在不失食品风味的前提下，可成为一种理想的固体脂肪替代品[1]。油凝胶可包载脂溶性功能因子，提高其生物利用率。Yu Hailong等[2]用油凝胶包埋姜黄素，提高了姜黄素的溶解度，使其载量远高于其他体系。油凝胶脂溶性的特点限制了其在食品中的进一步应用，通过乳化的方式制备水包油型（O/W）油凝胶乳液，可提高脂溶性功能因子在食品体系中的溶解度和稳定性，并可控制其释放。Yu Hailong等[2]以包埋姜黄素的油凝胶为油相制备乳液，使姜黄素的生物利用率显著提高。

目前应用于油凝胶制备的凝胶因子主要有：脂肪酸类、脂肪醇类[3]、卵磷脂和糖醇酯（三硬脂酸山梨糖醇酯）的混合物[4]、卵磷脂与类胡萝卜素的混合物[5]、植物化学成分（甾醇和谷维素）[6]、生物蜡和蜡酯[7]、单甘酯[8]、乙基纤维素[9]以及肉桂酸[10]。这些凝胶因子在食品、化妆品、医药等领域应用广泛，例如：植物甾醇（酯）可作为食品功能性成分添加到人造黄油中[1]；单甘酯可用作护肤品、护发乳等乳化剂；乙基纤维素可作薄膜包衣材料包裹药物。肉桂酸是植物中由苯丙氨酸脱氨降解产生的苯丙烯酸，可应用于食品、香精香料、有机合成等方面。作为一种适用范围广、功能性好的食品添加剂，GB 28347—2012《食品添加剂肉桂酸》的发布为肉桂酸的应用提供相应法律依据[11]。同时，肉桂酸具有很强的抗氧化、防腐、杀菌作用，以其为凝胶剂制成的油凝胶具有较好的货架期稳定性。据了解，目前国内外以肉桂酸为凝胶剂制备油凝胶的研究鲜有报道[10-11]。为了寻找合适且更具潜力的可食性凝胶剂，实验选用肉桂酸为凝胶剂制备油凝胶及其乳液，探究其理化性质，以期为肉桂酸基油凝胶及其乳液更广泛应用于食品领域提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

一级玉米油 中国玉米油股份有限公司；肉桂酸（纯度99%） 上海麦克林生化科技有限公司；聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯（Tween 20） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

AR1140型号电子分析天平 上海奥豪斯国际贸易有限公司；S22-2型恒温磁力搅拌器 上海司乐仪器有限公司；DHR-2型流变仪 美国TA公司；TMS Pro型质构分析仪 美国FTC公司；DSC-60型差示扫描量热仪 日本Shimadzu公司；3k15型超速离心机美国Sigma Aldrich公司；NS1001L2K型均质机 意大利Niro-Soavi公司；Lumisizer全功能稳定性分析仪 英国LUM公司；Leica-DM2000型光学显微镜 瑞士Leica-Microsystems公司；T25型高速分散机 德国IKA公司；Zetasizer Nano-ZS90型激光粒度仪 英国Malvern公司。

1.3 方法

1.3.1 油凝胶的制备与表征

1.3.1.1 油凝胶样品的制备

玉米油分别与不同比例的肉桂酸混合，90 ℃恒温磁力搅拌器中搅拌至肉桂酸完全溶解，分别于4 ℃和25 ℃静置24 h，得到油凝胶样品。

1.3.1.2 肉桂酸临界成胶质量分数测定

按照1.3.1.1节的方法制备质量分数为2%、3%、4%、5%的肉桂酸基油凝胶样品，采用翻转法[12]探究油凝胶的临界成胶质量分数。

1.3.1.3 油凝胶持油性的测定

参照文献[11]方法，称量空离心管的质量，加入10 mL肉桂酸质量分数为4%、6%、8%、10%、12%的肉桂酸与玉米油热混合物，分别于4 ℃和25 ℃放置24 h凝胶后，再次称量。设置离心机的转速10 000 r/min，温度分别为4、25 ℃，离心15 min。离心结束后，将离心管取出倒置15 min，使游离的液态油脂完全析出，称取离心管及剩余样品总质量。各个样品均测定3 次，取平均值。析油量和持油性计算如式（1）、（2）所示：

式中：a为离心管质量/g；b为样品和离心管总质量/g；c为离心后离心管及剩余样品总质量/g。

1.3.1.4 油凝胶流变特性的测定

参照文献[13]方法，使用旋转流变仪研究油凝胶的流变学性质。采用平行板（直径40 mm），设置间隙为1 000 μm。固定频率为1 Hz，应变扫描范围0.01%～100%，以确定油凝胶的线性黏弹区；固定应变0.01%，频率扫描范围为0.01～100 Hz得到凝胶油储能模量（G′）与耗能模量（G”）随频率增加的流变曲线。各组样品均在25 ℃测定3 次。

1.3.1.5 油凝胶质构特性的测定

参照文献[11]方法，采用质构分析仪评价油凝胶的机械性能。参照油凝胶样品制备方法，使约20 g样品于50 mL烧杯中成胶，放置24 h后进行测定。测试条件：感应单元为250 N压缩头，采用圆柱形（直径12 mm）柱塞作为探头，下降速率和回升速率均保持60 mm/min，下降高度为10 mm（穿刺距离为10 mm），回升高度为40 mm，起始力为0.375 N。各组样品均在25 ℃测定3 次，取平均值。

1.3.1.6 油凝胶光学显微镜的观察

参照文献[10]方法，使用与数码相机连接的光学显微镜观察油凝胶的晶体形态结构。将完全混合均匀的热油凝胶样品滴20 μL于载玻片中间，轻轻盖上盖玻片，避免气泡产生。在4 ℃放置24 h。在放大100 倍进行观察。使用应用软件LeicaSuiteLASEZ（LeicaMicrosystems）获取和处理图像。

1.3.1.7 油凝胶差示扫描量热分析

参照文献[14]方法，分别称取5～10 mg含有不同质量分数肉桂酸（6%、8%、10%）的油凝胶样品置于铝盘中并用铝盖密封，进行差示扫描量热法测定。在恒定氮气流（30 mL/min）条件下，在5 ℃平衡2 min，然后以5 ℃/min的恒定速率加热至100 ℃，之后在100 ℃平衡1 min，以5 ℃/min冷却至5 ℃。

1.3.2 油凝胶乳液的制备与表征

1.3.2.1 油凝胶乳液样品的制备

选用理化性质较好的肉桂酸质量分数为8%的油凝胶制备乳液。参照文献[15]方法，以Tween 20作为乳化剂加入去离子水中，85 ℃水浴加热，作为水相；取一定质量分数（10%、15%、20%）的油凝胶作为油相。将处于熔融状态的油凝胶滴加到水相中，然后12 000 r/min高速剪切5 min使其充分混合均匀，再转移至高压均质机中（500 MPa、循环3 次），以形成均一稳定的乳液，将制备得到的油凝胶乳液迅速用冰水冷却。其中Tween 20的质量分数为0.75%。

1.3.2.2 乳液粒径的测定

参照文献[16]方法，采用Zetasizer Nano-ZS90激光粒度仪测定油凝胶乳液的粒径。取20 μL样品于试管中，加入4 mL去离子水稀释200 倍。测定过程中设折光系数为1.450，在25 ℃保温平衡2 min。每个样品均重复测定3 次，取平均值。

1.3.2.3 乳液黏度的测定

参照文献[17]方法，采用流变法检测乳状液黏度。测定条件：ramp模式，剪切速率以对数增长形式从0.01 s-1增加到200 s-1，每隔5 s取一个点，记录黏度的变化。

1.3.2.4 乳液稳定性的测定

参照文献[18]方法，利用Lumisizer稳定性分析仪测定油凝胶乳液稳定性。测定条件：温度为25 ℃；样品的透射率特征线每隔10 s记录一次，共记录720 次；离心转速为4 000 r/min。

1.4 数据统计

本实验所涉及到的单因素试验测定3 次，所得数据用SPSS 21软件进行分析，比较数据的显著性，P＜0.05，差异显著，并用Origin 2018进行基础数据处理并制图。

2 结果与分析

2.1 肉桂酸临界成胶质量分数的确定

采用翻转法确定油凝胶的临界成胶质量分数[12]，由图1可知，肉桂酸质量分数为2%时，呈现完全流动状态；3%时，流动状态黏稠；不小于4%时，无流动现象，可以认为肉桂酸与玉米油形成的油凝胶的临界成胶质量分数为4%，这与李丹等[11]的研究结果一致。有研究表明，临界成胶质量分数越低的凝胶剂形成凝胶的能力越强，大多数凝胶剂的临界成胶质量分数为2%左右[1]。因此，肉桂酸是一种凝胶能力较弱的凝胶剂。

图1 肉桂酸含量对油凝胶外观的影响Fig. 1 Effect of cinnamic acid concentration on the morphology of oleogels

2.2 肉桂酸质量分数及存放温度对油凝胶持油性的影响

图2 不同存放温度下含不同质量分数肉桂酸的油凝胶持油性Fig. 2 Oil-holding capacity of oleogels containing different concentrations of cinnamic acid at different storage temperatures

持油性代表油凝胶截留液态油的能力，能反映凝胶结构的密集程度。从图2可以看出，肉桂酸质量分数过高或过低均会导致油凝胶持油性的降低，油凝胶的存放温度对持油性也有影响。常温条件下，肉桂酸质量分数为8%和10%的油凝胶持油性差异不显著（P＞0.05）；4 ℃条件下，质量分数为6%、8%、10%的样品持油性差异也不显著（P＞0.05）。肉桂酸质量分数低的油凝胶持油性差，可能是由于肉桂酸分子之间不够紧密，因此无法相互吸引形成更为紧密的结构，从而使液态油析出。质量分数为12%时，持油性稍有降低，可能是由于肉桂酸在玉米油中达到了饱和，溶解时需更高温度和更长时间而使其结构受到影响[14]。有研究表明，凝胶剂形成凝胶的能力是凝胶剂在溶剂中溶解度的平衡，凝胶剂在给定的溶剂中太易溶或太难溶，都会影响凝胶的形成[1]。因此肉桂酸质量分数为8%最合适。

4 ℃存放的油凝胶持油性高于常温存放的油凝胶（P＜0.05），说明低温可以使油凝胶结构更紧密，从而表现较高的持油性，并且在低温下，可能由于肉桂酸分子运动变慢而使其聚集形成的三维网状结构不易改变，结构更稳定；常温会造成肉桂酸基油凝胶结晶结构不稳定，导致液态油不能有效地被包裹住，引起持油性降低[10,19]。

肉桂酸质量分数6%、8%、10%的油凝胶表现出良好的持油性，选定这3 组油凝胶进行后续实验。

2.3 油凝胶流变特性分析

图3 含不同质量分数肉桂酸的油凝胶在0.001%～100%应变范围内G′、G”的变化Fig. 3 G′ and G” of oleogels containing different concentrations of cinnamic acid in the strain range of 0.001%-100%

由图3可看出，应变增大的过程中，G′与G”表现出先平缓降低再迅速降低的过程，初始应变增大阶段，G′大于G”，凝胶体系还处于凝胶结构状态，表现为固体特性，并主要发生弹性形变[20]；应变继续增大，G′与G”相交，交点后，G”大于G′，凝胶主要表现液体特质，表示随着振荡应变增大，油脂颗粒无规则运动加剧，肉桂酸晶体间解聚，凝胶剂分子和液态油脂间的非共价相互作用消失，使体系凝胶结构破坏[10]。另外，随着肉桂酸质量分数增加，G′与G”交点向左移动，可能是随着肉桂酸质量分数增加，油凝胶抗挤压能力变差，受到剪切应力结构更易改变。当应变小于0.1%，油凝胶的G′与G”值基本保持恒定不变，油凝胶处于线性黏弹区，之后的流变测定均在线性黏弹区内完成。

图4 含不同质量分数肉桂酸的油凝胶在0.1～100 Hz范围内G′、G”的变化Fig. 4 G′ and G” of oleogels containing different concentrations of cinnamic acid in the frequency range of 0.1-100 Hz

从图4可以看出，在频率扫描范围内，油凝胶体系的G′明显大于G”，说明样品形成较为紧密的凝胶结构；随着肉桂酸质量分数的增加，G′明显增大，说明肉桂酸质量分数越大，油凝胶形成的凝胶结构越紧密。此外，G′随频率的增加变化不明显，轻微依赖于频率，可以推测油凝胶的结构是通过肉桂酸分子间或者肉桂酸与玉米油非共价交联产生的[20-21]。

2.4 质构分析

图5 在不同温度条件下含不同质量分数肉桂酸油凝胶的硬度Fig. 5 Hardness of oleogels with different concentrations of cinnamic acid at different storage temperatures

从图5可以看出，在同一肉桂酸质量分数下，4 ℃存放的油凝胶硬度更大；随着肉桂酸质量分数的增加，样品硬度显著增大（P＜0.05），不同存放温度的油凝胶硬度差距逐渐缩小。肉桂酸质量分数为6%、8%时，常温存放与4 ℃存放的样品硬度差异显著（P＜0.05），而肉桂酸质量分数10%的油凝胶硬度差异不显著（P＞0.05），可认为其在常温下能够维持凝胶结构稳定。油凝胶的硬度越大，在一定程度上能够说明其凝胶结构越紧密[11,22]。这与流变分析的结果一致，再次证实了肉桂酸质量分数越大的油凝胶结构越紧密。

2.5 油凝胶的微观结构

图6 肉桂酸质量分数为6%的油凝胶光学显微镜照片Fig. 6 Microscopic images of oleogels with 6% cinnamic acid after storage for one and three days

选择肉桂酸质量分数为6%的油凝胶样品，在光学显微镜下观察其微观结构，从图6a可以看出，油凝胶呈现出随机分布的长纤维状聚集体，部分呈现小的结晶颗粒。凝胶因子大多是通过氢键、π-π堆积、范德华力等非共价键的弱相互作用自组装或一定程度聚集产生晶体的方式形成网络结构[1]。肉桂酸是一种芳香化合物，并且有氢受体和氢供体，在体系温度降低过程中，肉桂酸分子可能是通过氢键、π-π堆积等弱相互作用聚集形成一维的纤维状聚集体，继而这些长纤维聚集体相互缠绕形成三维网络结构，固定玉米油，形成油凝胶[23]。将样品存放3 d后观察，如图6b所示，结晶颗粒变大变多，可能是析出的肉桂酸晶体。肉桂酸聚集而析出从而导致油凝胶结构不稳定，这与持油性部分推测的肉桂酸质量分数越低的油凝胶在常温下越易析油的原因相吻合。

2.6 油凝胶的差示扫描量热分析

表1 含不同质量分数肉桂酸的油凝胶热力学参数Table 1 Thermodynamic parameters of oleogels with different concentrations of cinnamic acid

如表1所示，肉桂酸质量分数从6%增加到10%，油凝胶样品的熔点、结晶温度和焓值均有所增加，这与Li Xue等[14]的研究结果一致，表明油凝胶的热力学稳定性增加[24]。在升温过程中，凝胶分子的动能增加，从而导致分子间氢键减少，进而导致网络结构破坏，凝胶发生相转变[25]。融化温度的变化可能是由于肉桂酸质量分数增加使肉桂酸分子之间形成的氢键、π-π堆积等非共价键相互作用增强，凝胶网络更紧密，要破坏非共价键需要的温度更高；结晶温度的变化也表明肉桂酸质量分数越高的油凝胶结构越紧密，肉桂酸分子之间距离更近，更易于氢键、π-π键的形成，也就更易形成油凝胶。这也表明凝胶网络结构的形成是一个连续的过程，先由肉桂酸分子通过非共价交联形成一维的纤维状聚集体，进而缠绕形成空间网状结构，这与微观结构观察的结果一致[24]。熔化温度是指导脂肪或脂肪类似物应用的参数，研究表明，开始熔化温度为34 ℃左右的脂肪在商业上得到较为广泛的应用[19]。

2.7 油凝胶乳液的粒径与黏度

本研究表明，肉桂酸质量分数为8%的油凝胶理化性质较好，为得到稳定性更好的油凝胶乳液，选择以其为油相，并分析不同油相含量乳液的稳定性。

乳状液粒径变化是判断其稳定性的依据之一，根据Stokes定律，颗粒越细小，乳状液越稳定。由图7A可以看出，不同油相含量的乳液粒径分布范围相对较窄，均呈现为单峰分布，但峰值有差异。随油相含量增加，峰值向粒径变大的方向移动，并且粒径分布范围变宽，表明其稳定性变差[26]。由图7B可以看出，随着油相含量的增加，油凝胶乳液的粒径显著增大（P＜0.05），说明其稳定性变差，这是因为油相含量多时，乳化剂含量不足以将油相完全包裹，相邻液滴间的空间排斥作用较弱，范德华吸引力较强，而使液滴聚集，颗粒变大，黏度变大[27-28]。

图7 含不同质量分数油相的油凝胶乳液的粒径分布（A）与平均粒径（B）Fig. 7 Particle size distribution (A) and mean particle size (B) of oleogel emulsions with different oil contents

图8 含不同质量分数油相的油凝胶乳液的黏度Fig. 8 Viscosities of oleogels emulsions with different oil contents

乳状液的流变特性在一定程度上能够反映乳状液的稳定性，乳液黏度与粒径密切相关，粒径越大，黏度也越大。由图8可以看出，油凝胶乳液呈现剪切变稀效应，随着剪切速率的增加，油凝胶乳液的结构被破坏，分子按照剪切速率的方向线性排列，使乳液体系的黏度显著降低，表现出非牛顿流体的性质[29]；乳液黏度随油相含量增加而增大，与粒径的变化一致。

2.8 油凝胶乳液的物理稳定性

利用Lumisizer稳定性分析仪，快速分析油凝胶乳液的物理稳定性[25,30]。透射强度的变化可以反映油凝胶乳液的稳定性[18]。图9表明，随着油相质量分数的增加，样品整体的透射率明显变大。由图10可以看出，离心越久透射光强度越强，并且油相含量越高透射光强度变化越快。表明乳液在离心过程中不稳定，油相与水相分离，油相含量越高，乳液稳定性越差，主要是油相含量过多，乳化剂不能很好地将其包裹住，液滴聚集，粒径变大，黏度变大，在离心过程中，油相更易与水相分离，而油相与油相聚集向顶部移动，从而导致乳液稳定性降低[17,27,31]。

图9 含不同质量分数油相的乳液Lumisizer分析图Fig. 9 Lumisizer analysis diagrams of emulsions with different oleogel contents

图10 油相质量分数对油凝胶物理稳定性的影响Fig. 10 Effect of oil phase content on physical stability of oleogel emulsions

从图9还可看出，油相为10%和15%的乳液均表现出油相和水相的不完全分离，表明乳液具有很高的稳定性[32]。在离心1.5 h后，样品顶部透光率变大，说明顶部样品开始分层，并且油相含量越低分层部位距离样品顶部越近。对比离心后的样品，发现底部有白色沉淀，推测其为肉桂酸，接近顶部的位置有透光带，透光带的位置与透光率变化一致，由此推测样品分层部位在油相和水相两界面之间。此现象可能与肉桂酸基油凝胶在常温下不稳定有关，乳液中油相与水相分离后，油相分层，肉桂酸沉淀，玉米油受到最上层油凝胶的阻碍而存在于油水两界面之间，油相含量越多，顶部油凝胶可能堆积越紧密，越不易析油，从而不易出现透光带。样品的顶部与底部均出现透光率变大的现象，表明油凝胶乳液为多分散相体系，多分散相体系中油滴是独立运动的，越大的液滴向顶部移动的速度越快[32]。因此，油相含量越低的乳液，其粒径越小，乳液体系越稳定，但分离出的油凝胶体系不稳定。

3 结 论

本实验研究了肉桂酸基油凝胶的理化性质及晶体结构，并以油凝胶为油相制备乳液，分析不同油相含量乳液的物理稳定性。实验表明：肉桂酸是一种凝胶能力较弱的凝胶剂，当其质量分数达到4%时表现出形成凝胶的能力；肉桂酸质量分数对油凝胶的持油性、质构、流变特性、热力学性质都会有影响，肉桂酸质量分数过高或过低均会导致持油性的降低，肉桂酸质量分数高的油凝胶的热稳定性好、硬度大且受存放温度影响小、结构紧密但易受剪切应力的影响；存放温度也会影响油凝胶的理化性质，存放于4 ℃的油凝胶持油性好、硬度大；肉桂酸基油凝胶中晶体结构为随机分布的长纤维状聚集体，部分为小的结晶颗粒；油相含量越低的油凝胶乳液的粒径越小、黏度越低、物理稳定性也越好。

肉桂酸与玉米油形成的油凝胶在常温下稳定性较差，可以通过改变肉桂酸的质量分数、复配凝胶因子、改变溶剂类型等调整油凝胶的理化性质，使其具有良好的涂抹性，熔点接近口腔温度，能够成为一种人造奶油替代产品，增强其在食品领域的适用性。