凝胶剂种类对双低菜籽油基凝胶油结构及性能的影响

唐彩利，胡建兵，郭时印，范伟，肖航，唐忠海*

（1.湖南农业大学食品科学技术学院，湖南 长沙，410128；2.长沙市食品药品信息与审评认证中心，湖南 长沙，410128；3.麻省大学阿莫斯特分校食品科学系，美国马萨诸塞州，阿莫斯特，01003；4.湖南省菜籽油营养健康与深度开发工程技术研究中心，湖南 长沙，410128）

固体脂肪是食品中常见的原料组分，其高含量的饱和脂肪酸可形成三维网络结构，为食品提供良好的质地、口感及物性品质，常见于起酥油、人造黄油、奶油酱、巧克力和冰淇淋等产品。在食品工业中，固体脂肪主要通过将液态油氢化或酯交换的加工方式来生产，而这些固体脂肪含有大量对人体健康有害的反式脂肪酸，并且饱和脂肪酸含量高，长期摄入会增加罹患心血管疾病、代谢综合征、2 型糖尿病及其他相关疾病的风险[1]，寻找能够替代传统固体脂肪的健康脂质原料组分，已成为食品加工及营养健康领域急需攻克的关键难题。油脂凝胶（凝胶油）是通过在液态植物油中加入适量凝胶剂而获得的一种热可逆、半固体、可束缚液态脂流动的脂类混合物[2]。液态油脂被固定在凝胶剂自发形成的三维结构中，不仅保留了传统固体脂肪的物理特性，而且具有“零反式”和低饱和脂肪酸的优点，是替代传统固态脂肪的新型健康油脂产品[3]。凝胶剂是影响凝胶油结构与功能特性的关键因素[4]，而依据凝胶油形成机理，可将其分为结晶模式和分子自组装模式[5]。其中蜂蜡（beeswax，BX）、葵花蜡（sunflower wax，SFW）、单甘酯（monoglyceride，MG）、硬脂酰乳酸钠（sodium stearyl lactate，SSL）等凝胶剂形成的凝胶油属于结晶模式；12-羟基硬脂酸（12-hydrostearic acid，12-HSA）、豆甾醇（stigmasterol，ST）、薯蓣皂素（diosgenin，DMG）、肉桂酸（cinnamic acid，CA）等凝胶剂形成的凝胶油属于分子自主装模式。

菜籽油是我国主要的食用油之一，双低菜籽油为菜籽油的创新品种，低芥酸、低硫甙，且富含油酸、亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸[6]，其脂肪酸种类和比例更符合国家膳食营养标准，能有效地降低胆固醇、降低心血管疾病的发生，被称为“最健康的食用植物油”之一，从而是制备凝胶油体系的首选基料油[7]。本实验通过选用不同种类的凝胶剂（12-HSA、BX、SFW、MG、SSL、ST、DMG、CA），及不同的添加量（2%、4%、6%）与双低菜籽油制备凝胶油，探究凝胶剂种类与添加量对双低菜籽油基凝胶油体系的微观结构及其宏观物性的影响。通过将凝胶油内部微观结构与体系机械性能进行关联分析，提高对凝胶油凝胶特性的认识，为其在食品体系中的新应用提供了重要依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

道道全双低压榨菜籽油，道道全粮油股份有限公司；12-羟基硬脂酸、单甘酯（食品级），国药集团化学有限公司；黄蜂蜡、葵花蜡（食品级），宝鸡市国康生物科技有限公司；硬脂酰乳酸钠（分析级），上海厚满生物科技有限公司；豆甾醇、薯蓣皂素、肉桂酸（试剂级），上海源叶生物科技有限公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

XPE205 型号电子分析天平、离心机，梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器，河南巩义予华仪器有限公司；BX53M 偏振光显微镜，日本奥林巴斯仪器有限公司；Kinexus pro+型号流变仪，英国Malvem 仪器有限公司；IRAffinity-1 型号傅里叶红外光谱仪，日本岛津仪器有限公司；XRD-600 型号X-衍射仪，希曼德科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 双低菜籽油基凝胶油的制备 取一定质量的双低菜籽油，并向其中加入油脂质量2%、4%和6%（m/m）的凝胶剂（12-HSA、BX、SFW、MG、SSL、ST、DMG、CA），混合后将其放置在磁力搅拌仪中90℃加热40 min，加热完毕室温静置24 h备用。

1.3.2 双低菜籽油基凝胶油的持油性分析 凝胶油持油率分析参照文献[8]的方法，取上述制备的菜籽油基凝胶油样品于2.5 mL离心管中，对离心管标号并分别称重，记为a；对离心管及凝胶油样品的总质量称重，记为b；室温放置24 h 后高速离心（10 000 r/min）15 min，倒置于滤纸上静置15 min，使油脂完全析出，之后再对离心后的离心管及凝胶油样品的总质量称重，记为c。通过下列公式计算持油率（Oil binding capacity，OBC），每个样品进行重复性实验，结果取平均值。

式中：a 表示离心管重量（g）；b 表示离心前凝胶油与离心管重量（g）；c 表示离心后凝胶油与离心管重量。

1.3.3 双低菜籽油基凝胶油的流变特性分析 凝胶油的流变特性分析参照Meng[9]和Rocha[10]的方法并进行适当的修改，通过振荡流变仪对菜籽油基凝胶油样品进行流变性能分析，在流变仪研磨板直径为40 mm，角度为1，间隙设置为1 mm 的条件下，恒定扫描频率为1 Hz，测试温度为25℃，扫描范围为0.001%～100%下进行振荡应变扫描；恒定振荡应变为0.01%，测试温度为25℃，扫描范围为1～100 Hz下进行频率扫描；固定扫描频率1 Hz，振荡应变为0.01%，以2℃/ min 的加热速率，从25℃升高至100℃的条件下进行温度扫描。

1.3.4 双低菜籽油基凝胶油微观结构分析 采用偏光显微镜表征不同凝胶剂形成的菜籽油基凝胶油中晶态聚集体形貌情况。制备好的凝胶油样品在室温下静置24 h 后，将其均匀地涂抹在载玻片上，之后盖上盖玻片，放置于偏振光显微镜的载物台上，用10 ×成像倍数观察各凝胶油样品的晶体形态。

1.3.5 双低菜籽油基凝胶油晶型分析 凝胶油晶型分析参照Blake 等[11]方法，利用X-衍射技术对凝胶油样品的晶型进行分析，仪器测试条件设定为：Cu-Kα放射源（波长λ= 1.540 56 Å），工作电压40 kV，工作电流40 mA，扫描步长为0.02°，扫描速率为2°/min，发射和防反射狭缝1.0 mm，接受狭缝0.1 mm，测试温度为25℃，2θ角扫描范围5.0°～55.0°。1.3.6 双低菜籽油基凝胶油分子间作用力分析凝胶油分子间作用力分析参照Satapathy等[12]方法进行适当修改，在25℃下，将菜籽油、凝胶剂、凝胶油样品与干燥后的溴化钾混合后，在分辨率为2 cm-1，检测波长为4000 cm-1～500 cm-1的条件下，利用FTIR 傅里叶红外光谱仪对菜籽油、凝胶剂、凝胶油样品的结构特征进行表征。

1.4 数据统计分析

本实验所涉及的单因素试验测量3 次以上，所得数据用SPSS软件进行平均值及标准差分析；比较数据的显著性，不同字母表示差异显著（P＜0.05），并用Origin 2018进行基础数据处理并制图。

2 结果与分析

2.1 不同凝胶剂制备的双低菜籽油基凝胶油的外观分析

将不同浓度（2%、4%、6%）下制备的菜籽油基凝胶油样品放置室温下储藏24 h 后，用简单倒置的方式对凝胶油的成胶能力进行目视观测。不受重力影响而流动的体系视为凝胶，轻度流动的体系视为稠状液，极易流动的体系视为液体[13]。所选凝胶剂制备的菜籽油基凝胶油样品由图1 所示，12-HSA、SFW、SSL、MG、ST、DMG 在2%凝胶剂添加量的条件下就能与菜籽油形成稳定的凝胶体系，BX在2%凝胶剂添加量下与菜籽油形成稠状液体系，在4%凝胶剂添加量下才能与菜籽油形成凝胶体系，CA 在2%凝胶剂添加量下与菜籽油形成液体体系，在4%添加量下与菜籽油形成稠状液体系，6%添加量下才能与菜籽油形成凝胶体系。这说明凝胶油的凝胶体系与凝胶剂的种类及添加量有关，凝胶剂的种类不同，与菜籽油形成凝胶体系需要的添加量也不同。此外，凝胶油的色泽也会随凝胶剂种类与添加量的改变而发生变化[14]，以12-HSA 为凝胶剂的凝胶油外观为半透明的乳白色，以SFW、MG、SSL、ST、CA 为凝胶剂的凝胶油外观呈不透明的乳白色，以BX 为凝胶剂的凝胶油外观呈浑浊的淡黄色，且凝胶剂的添加量越大，凝胶油的颜色越深，体系越浑浊，这表明凝胶油的外观可能与凝胶剂的种类与添加量有密切关系。

图1 不同凝胶剂制备的菜籽油基凝胶油外观形貌Fig 1 Appearances of rapeseed oil-based organogel with different gelators

2.2 不同凝胶剂制备的双低菜籽油基凝胶油持油性分析

持油率用于表征凝胶油中凝胶剂对植物油的结合能力，是评价凝胶油稳定性的重要指标[15]。凝胶油持油率越高，说明凝胶剂与菜籽油结合能力越好、凝胶油体系内部结构越稳定[16]。表1 可知，BX、SSL、MG、DMG 形成凝胶油的持油率先随添加量的增加而增大，当添加量为4%后其持油率与添加量不呈剂量关系，并无显著性差异。12-HSA、SFW 凝胶油在2%浓度下持油率就可以达到98%。在6%添加量的条件下，所选的凝胶剂均能与菜籽油形成凝胶，持油能力最好的为12-HSA，其次是BX、SFW、ST、SSL、MG、DMG，持油率最差的为CA，前6种凝胶剂制备的凝胶油样品的持油率较高且差异相对不显著，而DMG和CA制备的凝胶油差异具有显著性。可能是在6%的添加量下前6 种凝胶剂因其结晶已经相对饱和，从而形成更紧密的油凝胶网络，因此用其制备的菜籽油基凝胶油样品的持油率较高，高达94%以上。而后两种凝胶剂在6%的添加量的条件下，仍不能形成较为紧密的凝胶网络结构，用其制备的菜籽油基凝胶油样品的持油率低。为更好地研究所选的凝胶剂对菜籽油基凝胶油的微观结构变化及其物理性质的影响，在后续实验中选择添加量为6%（所选的凝胶剂均能与菜籽油形成凝胶）的条件下对不同凝胶剂制备的菜籽油基凝胶油进行下一步研究。

表1 凝胶剂的种类与添加量对菜籽油基凝胶油持油率的影响Table 1 Effects of different gelator and adding proportion on the oil binding capacity of rapeseed oil-based organogel

2.3 不同凝胶剂制备的双低菜籽油基凝胶油流变性能分析

流变性能是凝胶油的一个重要宏观特性，了解这些流变性能对凝胶油的应用具有重要意义。线性黏弹区表示样品在本身结构不受影响的情况下所能承受的最大应变[17]，且在线性黏弹区内弹性模量G′与黏性模量G″不随振荡应变的变化而变化。由图2 可知，在6%添加量条件下，所选凝胶剂制备的菜籽油基凝胶油样品均在0.001%-0.1%的应变扫描范围内弹性模量G′大于黏性模量G″，样品表现出凝胶行为，且在这一范围内随着应变的增加，弹性模量G′与黏性模量G″的变化不大。之后随着应变值的增加凝胶的弹性模量开始明显下降，出现应力屈服点，其中12-HSA 和SSL 制备的凝胶油的线性黏弹区范围较大，在更大的应力作用下凝胶剂内部晶体结构才会发生瓦解，ST、DMG 制备的凝胶油的线性黏弹区较小，结果反之。12-HSA 制备的凝胶油的临界应力及弹性模量G′最大，其次是SFW、ST、SSL、MG、CA、BX、DMG；CA、BX 与DMG 制备的凝胶油临界应力及弹性模量G′相对来说较小，脆性大，说明CA、BX、DMG 与菜籽油形成的凝胶油更易受到振荡应力的改变。

图2 凝胶剂的种类对菜籽油基凝胶油应变扫描的影响Fig.2 Effects of different gelators on oscillation strain of rapeseed oil-based organogel

随之，选取应变值0.01%进行后续凝胶油样品的频率扫描，通过频率扫描来反映样品的黏弹性。由图3可知，在0.1～100 Hz频率扫描下，所选用的凝胶剂制备的凝胶油在测试范围内的弹性模量G′与黏性模量G″随着扫描频率的增加变化趋势不明显，没有出现从凝胶到溶胶的转变，表明所选凝胶剂在测试范围内对变形频率具有良好的耐受性，且各样品都已形成了由非共价物理交联的凝胶网络结构。另外，不同凝胶剂形成菜籽油基凝胶油的强度可通过体系的弹性模量G′来反映，凝胶强度由凝胶内部晶态聚集体和超分子的拓扑结构的差异引起，主要与凝胶内部的结晶单元数量，结晶单元之间的交联程度和结合区的数量有关[18]。在频率扫描中，12-HSA 制备的凝胶油弹性模量G′最高，推测它含有更多数量的紧密排列的内部晶体形态，此时12-HSA与菜籽油形成稳定的凝胶化油脂网络结构抑制了油脂流动性。BX、DMG、CA 制备的凝胶油弹性模量G′相对来说较低，表明其内部晶体形态分布较为疏松，凝胶网络结构并不稳定，这与图2的振荡应变扫描结果一致。

图3 凝胶剂的种类对菜籽油基凝胶油样品频率扫描中复合模量的影响Fig.3 Effects of different gelators on complex modulu of rapeseed oil-based organogels in frequency sweep

通过温度扫描来反映凝胶剂种类对菜籽油基凝胶油热稳定性影响。由图4 可知，在6%添加量下，随着温度的升高，12-HSA、SSL、MG、ST、DMG、CA 等凝胶油样品的G′先缓慢下降后迅速下降，BX和SFW 凝胶油样品的G′迅速下降。之后温度继续上升，出现临界相变温度[19]，此时凝胶油样品由凝胶态转变为液态。ST 的临界相变温度最高为93.4℃，其次为CA（76.9℃）、12-HSA（69.4℃）、SFW（54.1℃）、MG（53.7℃）、BX（52.1℃）、SSL（47.1℃）、DMG（45.5℃）。ST 的临界相变温度最高，说明其在凝胶网络结构中有更多永久性相互作用而非瞬间相互作用，凝胶体系的热稳定性更好。其次，虽然CA 的储能模量（G′）较低，但用其制备凝胶油的相转变温度相对较高，这可能是受CA 本身性质的影响, 这与Wang P 等[20]所报道的结果一致。

图4 凝胶剂的种类对菜籽油基凝胶油样品温度扫描中复合模量的影响Fig.4 Effects of different gelators on complex modulu of rapeseed oil-based organogels in temperature sweep

2.4 不同凝胶剂制备的双低菜籽油基凝胶油的偏振光分析

三维网络结构是油层黏弹性行为的基础[21]，通过偏光显微镜图像，观察凝胶剂种类对凝胶油体系内部结晶形态及微观结构的影响。选用不同凝胶剂制备的凝胶油样品在室温下储藏24 h 后观察的结晶形态如图5 所示，12-HSA 在凝胶油体系中堆积形成紧密纤维簇状结构，ST 与DMG 形成的凝胶油结构均为棒状结构，由BX、SFW 与MG 形成的凝胶油结构为细小的针状结构，SSL 通过小颗粒晶体堆积形成的凝胶油为层状结构，CA 形成的凝胶油晶体结构为随机分布的片状聚集体。虽然12-HSA、ST、DMG、CA 都是通过凝胶剂分子间的作用力自主装形成凝胶体系，但12-HSA 形成的凝胶油晶体结构更为紧密，因此12-HSA 凝胶油与ST、DMG、CA 相比，具有更好的持油率特性。 BX、SFW、SSL、MG 主要通过结晶模式形成凝胶体系，但与BX、SSL、MG 相比，SFW 在油中晶体结构更为细小紧密，进一步证实了SFW 制备的凝胶油的持油率与流变性能相比其他凝胶剂效果更好，这也与上述的持油率、流变结果相符合。另外，CA 由于其结构较为疏松，晶体生长限制在二维获得片状结构，这种机制在凝胶形成之前导致晶体表面成核和生长[22]，并不能很好地与菜籽油结合，因此导致其凝胶性能较差。

图5 凝胶剂的种类与菜籽油基凝胶油微观结构Fig.5 Microstructure of rapeseed oil-based organogels on different gelators

2.5 不同凝胶剂制备的双低菜籽油基凝胶油的分子堆积方式分析

凝胶体系的微观结构图只能简单地分析凝胶体系中结晶单元的变化，而通过X-射线衍射（XRD）分析能更准确地获得晶胞参数和晶体类型的变化情况。d 值为两个衍射晶面的间隔距离，通过X-射线衍射技术测定凝胶样品d 值的差异，来反映样品的晶体类型以及脂肪的同质多晶现象[23]。由图6 可知，12-HSA 制备的凝胶油样品中存在β 与β′晶型，BX、SFW、MG 这三种凝胶剂都存在ɑ、β、β′三种晶型。SSL 与ST 凝胶油样品存在ɑ、β晶型。DMG、CA凝胶油样品存在β晶型，其中，左峰等[15]对肉桂酸基油脂凝胶的制备及其结晶特性的分析中表明由肉桂酸制备的米糠油凝胶中的存在同质多晶现象，主要含有β和β′两种晶体类型，这有可能是肉桂酸与菜籽油在形成凝胶体系时，分子结构中的β′发生了向β转变的过程。XRD衍射图谱结果表明凝胶剂在凝胶油体系中的结晶方式不同，导致样品晶型存在较大差异，而含有不同晶型的凝胶油，可以满足不同食用油脂的需求。

图6 用不同凝胶剂制备菜籽油基凝胶油的分子堆积方式（X-射线衍射分析）Fig.6 Molecular stacking methods of rapeseed oil-based organogels with different gelators by X-ray diffraction

2.6 不同凝胶剂制备的双低菜籽油基凝胶油的分子间相互作用分析

为了进一步研究菜籽油和不同凝胶剂之间的相互作用，对菜籽油、凝胶剂以及形成的凝胶油在400-4000 cm-1范围内的红外光谱进行了测定。如图7 所示，所选凝胶剂与菜籽油形成的凝胶油样品以及菜籽油本身在2938 cm-1～2855 cm-1附近均出现烷羟的对称和反对称亚甲基拉伸振动，在1735 cm-1附近均出现甘油三酯的羰基基团拉伸振动峰，没有出现新的基团峰，说明没有形成共价结构。12-HSA、MG、ST、DMG 四种凝胶剂以及其制备的凝胶油样品在3400～3300 cm-1附近有吸收峰，为-OH 基团的吸收峰，BX、SFW、SSL、CA 及其制备的凝胶油样品在3400～3300 cm-1附近无吸收峰。据文献报道[24]，3400～3300 cm-1范围内的吸收峰表明分子间存在键合，即存在一些分子间氢键，这说明12-HSA、MG、ST、DMG 这几种凝胶剂在凝胶油体系通过分子间的氢键作用形成三维结构将菜籽油束缚在其中。另外，12-HSA 制备的凝胶样品与凝胶剂本身相比其特征吸收峰发生轻微蓝移，而MG、ST和DMG 制备的凝胶油样品与凝胶剂相比，其特征峰发生了红移，这一现象推测凝胶剂与菜籽油之间的相互作用导致凝胶剂官能团特征峰的移动[25]。而BW、SFW、SSL、CA及其制备的凝胶油样品的红外光谱没有发现氢键和凝胶分子间的相互作用，推测菜籽油与这四种凝胶剂形成的的凝胶体系可能是通过晶体的分子间弱相互作用来实现的[26]，如晶体的范德华力、π-π相互作用等。

3 讨论与结论

从菜籽油基凝胶油的外观结构、持油率以及流变行为可以看出，在6%的添加量下，所选的凝胶剂均能与菜籽油形成凝胶油，且除DMG与CA外，其他凝胶剂所形成的凝胶油持油率均能达到94%以上；另外12-HSA 凝胶油G′值大且结构不易受外力而改变，ST 形成的凝胶油热稳定性最好（相转变温度93.4 °C），这可能是因为不同凝胶剂形成凝胶油的机制不同，而导致其凝胶油宏观性质有所差异。偏振光显微镜观察结果显示，12-HSA 凝胶油呈紧密的纤维结构，这些晶体纤维之间的相互作用导致形成凝胶网络，且这些纤维状网络结构可能会赋予样品较高的模量，使其流变性能相对更好。Rogers等[27]表明12-HSA 的晶体堆积使其沿着单轴即纤维轴结晶，晶体外观呈纤维状，具有高纵横比，在与液态油的结合过程中更有利。由MG形成的凝胶油晶体结构为细小的针状结构，硬脂酰乳酸钠形成的凝胶油晶体结构为堆叠的层状结构，这两种凝胶剂形成的体系中结晶单元较小，交联较为松散，这种网络结构不太稳定，在应力作用下易移动形成瞬态结合区，因此得到较宽的线性黏弹区，这与应变扫描得到的结果相吻合。BX 与SFW 形成的凝胶油晶体结构均为针状结构，但与BX 相比，SFW 凝胶油晶体更为细小紧密，相关文献报道，细小的针状晶体可形成更强、更硬的凝胶，且凝胶体系具有更高的持油率[26]。这也进一步证实了葵花蜡制备的凝胶油与BX相比，持油率与流变性能更好。豆甾醇与薯蓣皂素形成的凝胶油晶体均为棒状结构，但豆甾醇的结构更细长紧密，与油的结合能力更强，而薯蓣皂素凝胶油呈较为短小粗壮的棒状结构，肉桂酸凝胶油呈随机分布的片状结构，由于其结晶单元之间的交联比较松散，凝胶体系网络结构不稳定，与菜籽油的结合能力相对较弱。另外，12-HSA 与ST 均通过分子间氢键作用与菜籽油形成凝胶体系，但在与菜籽油结合的过程中，12-HSA 凝胶油发生了蓝移（从3302.24 cm-1附近吸收峰转移至3305.97 cm-1），而豆甾醇凝胶油发生了红移（从3345.83 cm-1附近吸收峰转移至3340.08 cm-1），据文献报道[28]凝胶油FTIR 图谱中的特征吸收峰蓝移表明凝胶油体系中的氢键强度降低且组分间形成聚合物。因此与12-HSA 凝胶油相比，豆甾醇凝胶油体系的氢键结构更为稳定，这也进一步证实了豆甾醇的热稳定性好，在高温条件下，体系结构不易被破坏。通过对菜籽油基凝胶油内部微观结构与机械性能进行关联，提高对凝胶油凝胶特性的认识，为其在食品体系中的新应用提供了重要依据。这些研究结果为根据菜籽油的具体应用选择合适的凝胶剂，开发富含菜籽油基凝胶油的药用功能食品开辟了新的可能性。