β -谷甾醇和γ -谷维素的结晶行为研究

李 阳，武红伟，林毅鑫

（1.福建商学院，福建 福州 350012；2.福建技术师范学院，福建 福州 350300）

传统甘油三酯网络结构的构建需要依赖饱和脂肪和反式脂肪作为结构脂质，形成连续稳定的网络结构[1]。然而摄取饱和脂肪和反式脂肪威胁着人体健康，因此减少食品中饱和脂肪并消除反式脂肪的迫切需求，有力地促进了植物甾醇有机凝胶作为饱和三酰甘油替代剂的研究[2-3]。

传统甘油三酯网络结构的构建[1]见图1。

图1 传统甘油三酯网络结构的构建

植物甾醇及其酯作为新型质构剂，在构建油脂网络结构方面具有很大的潜在优势[4-5]，一方面可以降低饮食中胆固醇的摄取；另一方面还可以降低血脂中低密度脂蛋白（LDL） 的含量，这也促进甾醇型有机凝胶成为近年来的热门研究课题[6-11]。此外，油脂中的脂肪酸与植物甾醇（本身不易吸收，但能抑制胆固醇吸收） 及谷维素等通过适当配比，可以与亚油酸通过协同作用达到降低血清胆固醇的目的[2]。

适量的γ -谷维素和植物甾醇混合物在植物油中能够形成有机凝胶，如γ -谷维素与二氢胆甾醇、胆固醇、β -谷甾醇和豆甾醇等植物甾醇能够自组装形成中空管状结晶，并逐渐形成连续稳定的网络凝胶结构[12-15]。

通过研究β -谷甾醇和γ -谷维素的粉末结晶行为，分析冷却速度对β -谷甾醇和γ -谷维素结晶的影响，并结合β -谷甾醇和γ -谷维素混合物在油相中的结晶现象，探索β -谷甾醇和γ -谷维素混合物在油脂中形成自组装网络结构的机理。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

β -谷甾醇分析标准品（纯度99%），上海惠诚生物有限公司提供；γ - 谷维素分析标准品（纯度99%），上海甄准生物科技有限公司提供；食品级β -谷甾醇（纯度95%），西安维珍生物科技有限公司提供；食品级γ -谷维素（纯度99%），济南允诚生物科技有限公司提供；食用玉米油，市售。

1.2 仪器与设备

UltimaⅢ型全自动X-射线衍射线，日本理学电机株氏会社产品；YP802N 型电子天平，上海精密科学仪器有限公司产品；XL30ESEM 型扫描电子显微镜，荷兰FEI 公司产品；偏光显微镜，上海光学仪器厂产品；HJ-4 型多头磁力加热搅拌器，常州万丰仪器制造有限公司产品；质构仪，英国Stable Micro System 公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 β -谷甾醇重结晶样品制备

称取适量β - 谷甾醇分析纯样品置于烧杯中，在180 ℃下加热至完全熔化。处理方法一：常温缓慢冷却后，研磨成粉末备用。处理方法二：低温快速冷却后，研磨成粉末备用。

1.3.2 γ -谷维素重结晶样品制备

称取适量γ - 谷维素分析纯样品置于烧杯中，在180 ℃下加热至完全熔化。

处理方法一：常温缓慢冷却后，研磨成粉末备用。

处理方法二：低温快速冷却后，研磨成粉末备用。

1.3.3 β-谷甾醇与γ-谷维素混合物重结晶样品制备

分别称量β -谷甾醇和γ -谷维素分析纯（质量比为2∶3） 样品，物理混合后加入烧杯中，在180 ℃下加热至完全熔化。

处理方法一：常温缓慢冷却后，研磨成粉末备用。

处理方法二：低温快速冷却后，研磨成粉末备用。

1.3.4 β -谷甾醇与γ -谷维素油脂凝胶的制备

称取适量β -谷甾醇和γ -谷维素食品级（质量比为2∶3） 样品，分别加入玉米油脂中，在70 ℃下加热搅拌至溶解完全后；将其放置于异丙醇-冰水浴（-35 ℃） 中，以转速300 r/min 搅拌至样品呈半流体状态，然后在室温下将样品以转速200 r/min 搅拌2 min。将制备的样品置于25 ℃恒温培养箱中养晶48 h，最后置于冰箱中冷藏保存。

1.3.5 X-射线衍射分析[1]

取适量β -谷甾醇、γ -谷维素样品粉末放置样品槽于中压紧，用UltimaⅢX-射线衍射仪进行测定，选用波长为0.154 2 nm 的单色Cu Kα2 射线。测定条件为管流30 mA，管压40 kV，设定扫描区域2～25 °，采样步宽0.01 °，扫描速度4 °/min，扫描方式为连续，重复1 次。

1.3.6 扫描电子显微镜测试（SEM）[16-17]

先把样品悬浮于丙酮溶液中，用吸管吸取悬浮液滴于载波片上，待丙酮挥发后，使用喷涂仪对样品进行镀金处理，在操作电压为20 kV 时，使用扫描电子显微镜（SEM） 观测样品的微观形貌，并选取不同角度拍摄样品的微观照片。

1.3.7 油脂凝胶的TPA 测试参数

采用质构分析仪对样品进行测试分析，取适量熟化样品置于容器中，测试参数为测试前速度1.0 mm/s，测试中速度3.0 mm/s，测试后速度5.0 mm/s，测试距离10.0 mm；二次测试距离10.0 mm，测试时间5.00 sec，测试最小力5 g。

1.3.8 油脂凝胶样品微观结构的偏光显微镜分析

将样品置于室温下熟化后，用滴管吸取少量样品放在载玻片上，用盖玻片放在样品表面轻轻挤压排出气泡，将制备好的样品放置于载物台上，用偏光显微镜测试观察样品微观结晶形态，并用成像系统拍摄照片。

1.4 数据处理

试验设置3 组平行，数据采用平均值±标准偏差表示，采用Origin 2019 软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 β -谷甾醇重结晶后的X-Ray 图谱分析

β -谷甾醇缓慢冷却结晶见图2，β -谷甾醇快速冷却结晶见图3。

图2 β -谷甾醇缓慢冷却结晶

由图2、图3 可知，2.38，4.73，14.97，18.35 °附近均出现β -谷甾醇的特征衍射峰，但比较每个特征衍射峰对应的吸收强度：图3 均大于图2，看来冷却的速率对β -谷甾醇的结晶有较大的影响，且较快的冷却速率可以对β -谷甾醇的结晶起到促进作用，快速冷却的结晶方法更利于β -谷甾醇形成结晶。

图3 β -谷甾醇快速冷却结晶

2.2 γ -谷维素粉末重结晶后的X-Ray 图谱分析

γ -谷维素缓慢冷却结晶见图4，γ -谷维素快速冷却结晶见图5。

图4 γ -谷维素缓慢冷却结晶

图5 γ -谷维素快速冷却结晶

由图4 和图5 可知，γ -谷维素在8～25 °有较多特征衍射峰，这是因为γ -谷维素是有多种成分混合组成[2]。图4 的衍射峰形状不规则，可能是由于冷却速率较慢，不利于γ -谷维素重结晶。但是，图4、图5 在9.9，11.7，16.1，17.2 °附近都有较强的衍射峰。对比两图各峰的吸收强度可以看出图5 各峰的吸收强度均大于图4，说明快速冷却更利于γ -谷维素形成结晶。

2.3 β -谷甾醇+ γ -谷维素粉末重结晶后的X-Ray图谱分析

β -谷甾醇∶γ -谷维素= 3∶2 的混合物重结晶见图6。

图6 β -谷甾醇∶γ -谷维素= 3∶2 的混合物重结晶

由图6 可知，在2.38，4.73，14.97，18.39 °附近均出现β -谷甾醇的特征衍射峰，但衍射峰强度都有所减弱。此外，在11.85，18.39 °出现的衍射峰与γ -谷维素的特征衍射峰很相近，而与单一γ -谷维素的X-Ray 图谱相比特征峰少了很多，说明重结晶后γ -谷维素晶体发生了改变，可能与β -谷甾醇发生键和形成了新的晶体。

2.4 β -谷甾醇和γ -谷维素粉末重结晶后的扫描电子显微镜（SEM） 分析

γ -谷维素重结晶后SEM 图像见图7，β -谷甾醇重结晶后SEM 图像见图8，β -谷甾醇+ γ -谷维素混合物重结晶后SEM 图像见图9。

图7 γ -谷维素重结晶后SEM 图像

图8 β -谷甾醇重结晶后SEM 图像

图9 β -谷甾醇+ γ -谷维素混合物重结晶后SEM 图像

由图7 可知，γ -谷维素成片状，有明显的片状累积的轮廓。γ -谷维素重结晶后明显形成的结晶体更大。

由图8 可知，β - 谷甾醇晶体比较大，成为一团，表面较平滑。但是，表层还有少量小型晶体，可能是β -谷甾醇中的杂质。

由图9 可知，表面有部分的凹陷和不平，整体呈块状，这可能是由于β -谷甾醇与γ -谷维素发生结合形成新的结晶。

2.5 不同添加量的β -谷甾醇+ γ -谷维素在油脂中的结晶形态分析

β -谷甾醇+ γ -谷维素在玉米油中的添加量依次分别为1%，2%，3%，4%，5%，6%，制备好的油凝胶样品从冰箱中取适量样品置于载玻片上压制成透明薄片，于室温下放置24 h 后，用偏光显微镜观察样品的结晶形态。

不同添加量的β -谷甾醇+ γ -谷维素在油脂中的结晶形态见图10。

图10 不同添加量的β -谷甾醇+ γ -谷维素在油脂中的结晶形态

由图10 可知，β -谷甾醇和γ -谷维素的添加量对油脂中的结晶体有明显的影响，且随着混合甾醇的添加量增加，晶体形成的尺寸也呈现增大的趋势，当混合甾醇的添加量为1%～3%时，晶体的形状呈现出细长的管状结晶，当添加量增大到3%以上时，晶体的结构呈现出互相交错的多瓣形聚集态，形似绣球菊，每瓣由多个向四周发射的长形管状构成，这说明β -谷甾醇+ γ -谷维素相互吸引，并有规则地组合、排列，构建成一种自组装的新晶体。以上结果表明，在油相中分子间通过氢键相互吸引，可形成自组装新晶体。晶体的形态和数量随着混合甾醇的比例增加，也呈现出增大的趋势。

2.6 β - 谷甾醇+ γ - 谷维素对油凝胶的质构特性影响

β - 谷甾醇+ γ - 谷维素的添加量依次分别为0，1%，2%，3%，4%，5%，6%，分析β -谷甾醇+γ -谷维素对油凝胶的质构特性影响。

β -谷甾醇+ γ -谷维素对油凝胶硬度的影响见图11。

图11 β -谷甾醇+ γ -谷维素对油凝胶硬度的影响

β -谷甾醇和γ -谷维素对油凝胶硬度有明显的影响，且随着β -谷甾醇和γ - 谷维素添加量的增加，油凝胶的硬度也呈现增大的趋势，这是由于冷却过程中β -谷甾醇与γ -谷维素作为质构剂，依靠氢键和范德华力的作用自组装形成纤维网状结构，且质构剂添加量越大，网络结构越多、越密集、越长，形成的油凝胶也更加稳定。

2.7 β -谷甾醇与γ -谷维素油凝胶自组装机理探索

传统油脂凝胶大多依靠食用油脂中饱和三酰甘油作为质构剂，谷维素（见图12） +谷甾醇（见图13） 作为一类新型质构剂可以替代或部分替代三酰甘油，制备结构稳定的油凝胶（见图14），主要是由于其具备以下基团。

γ -谷维素结构式见图12，β -谷甾醇结构式见图13，油凝胶样品照片见图14。

图12 γ -谷维素结构式

（1） -OH 基团。-OH 是形成凝胶的基础，可能是由于油脂是非极性的，与类脂结合以后-OH 的存在使整个体系呈现出极性，要想结合形成自组装的细管，-OH 必须是存在的基础。

（2） 环内双键的数量。环内双键的数量一定程度上决定了网络结构形成的速度，凝胶伴随着非结合环加速形成，这可能促进了β -谷甾醇与γ -谷维素快速形成油凝胶。

这些基团让它们具有固定植物油等疏水性液体成分，并让液态油脂呈现类似固态油脂的流变学行为特性，在构建油脂凝胶方面发挥着重要作用。

3 结论

快速冷却能够促进β -谷甾醇和γ -谷维素形成结晶，β -谷甾醇与γ -谷维素粉末混合物重结晶后可以形成新的晶体。此外，在玉米油中，当β - 谷甾醇与γ -谷维素混合物添加量在1%～3%时，会形成细长的管状结晶；当添加量增大到3%以上时，晶体的结构呈现出互相交错的多瓣形聚集态，β -谷甾醇与γ -谷维素分子间依靠氢键和范德华力的作用自组装形成纤维网状结构，β -谷甾醇与γ -谷维素作为新型质构剂，可以促使玉米油从流态向半流态和固态的转变，硬度也得到了极大提高。