基于植物甾醇與γ-谷維素的牡丹/葵花籽油凝膠的制備及其物理特性研究

趙晶晶,徐寶成,2,3,4*,丁玥,2,3*,劉茜茜,王永超,余慧,劉麗莉,2,3

1(河南科技大學 食品與生物工程學院,河南 洛陽,471000)2(食品加工與安全國家級實驗教學示范中心,河南 洛陽,471000) 3(河南省食品綠色加工與質量安全控制國際聯合實驗室,河南 洛陽,471000)4(農業農村部油料作物生物學與 遺傳育種重點實驗室,湖北 武漢,430062)

固體脂肪在食品工業中發揮著重要的作用[1],廣泛應用于烘焙、糖果、膨化、人造奶油[2]和肉制品[3]等食品加工中。目前使用的固體脂肪多為氫化植物油和動物油脂,除了含有大量的飽和脂肪酸外,還含有反式脂肪酸,過多攝入會增加冠心病、糖尿病和癌癥的患病幾率[4-5]。隨著生活水平的提高,消費者對食品安全和營養健康的要求越來越高,因此迫切需要開發一種新型塑性油脂來替代傳統固體脂肪。

油凝膠是由液態油和凝膠劑形成的一種熱可逆的塑性脂肪,其中的凝膠劑通過自組裝或結晶的方式形成三維網絡結構,液態油被包裹在三維網絡結構中而失去流動性,使整個體系呈現為具有黏彈性的固態或半固態[6]。目前常用的凝膠劑主要有生物蠟[7]、脂肪酸類[8]、乙基纖維素[9]、卵磷脂、植物甾醇和γ-谷維素[10]等。與其他凝膠劑相比,植物甾醇和γ-谷維素具有更明顯的優勢,一方面植物甾醇和γ-谷維素的溶解溫度低,可以減少制備過程中油脂的氧化劣變;除此之外,植物甾醇和γ-谷維素還具有降低心血管疾病的患病風險[11]、抗衰老[12]和調節免疫力等生理功能,是目前最安全和最具潛力的植物油凝膠劑。

根據油凝膠的形成機理可知,植物甾醇與谷維素的比例不僅會影響油凝膠的硬度[13]、黏度、微觀結構[14]、流變和熱力學性質等物性指標,還會影響其在油中的自組裝行為和結晶方式[15]。這些物性參數的細微變化對其后續在冰激凌、巧克力、人造黃油、人造奶油中的應用至關重要。但目前關于植物甾醇與谷維素的比例對這些參數具體影響的研究報道還不夠全面。此外,油相的脂肪酸組成、分子質量和?；滈L度等也會影響凝膠劑的凝膠能力。殷俊俊等[16]研究發現不同植物油對植物甾醇/γ-谷維素油凝膠(植物甾醇∶谷維素=3∶2,質量比)的凝膠時間有顯著影響。但有關不同植物油(尤其是α-亞麻酸含量較高的油脂)對油凝膠硬度、黏度、熔點、晶體生長方式和微觀形貌等物理特性的影響還未見報道。

鑒于此,本研究選用植物甾醇和γ-谷維素為天然的凝膠劑,探討植物甾醇和γ-谷維素的比例以及甘油三酯脂肪酸模式對油凝膠形成速度、外觀、硬度、黏度、熱力學和流變特性以及微觀結構的影響,為制備營養型(高α-亞麻酸/亞油酸、高植物甾醇/γ-谷維素)油凝膠提供技術支撐,也為后續進一步探討該類凝膠在功能營養奶油、黃油、冰激凌和巧克力等食品中的應用提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

一級壓榨葵花籽油,中糧集團有限公司,其中葵花籽油的主要脂肪酸為棕櫚酸6.29%、硬脂酸4.12%、油酸24.59%、亞油酸61.52%、α-亞麻酸0.28%;牡丹籽油,洛陽國花坊牡丹生物科技有限公司提供,其中牡丹籽油的主要脂肪酸為棕櫚酸5.59%、硬脂酸1.91%、油酸22.83%、亞油酸27.50%、α-亞麻酸40.67%;植物甾醇(β-谷甾醇41.8%、豆甾醇31.2%、菜油甾醇23.4%、菜籽甾醇0.2%、總植物甾醇96.6%),西安天寶生物科技有限公司;γ-谷維素(純度≥99%),濟寧市安康制藥有限責任公司,以上均為質量分數。

1.2 儀器與設備

HJ-6A多頭磁力攪拌器,江蘇常州新瑞儀器廠;TA DHR-2型食品流變儀,美國沃特斯公司;TA.XT質構儀,美國Stable Micro Systems公司;差示掃描量熱儀,瑞士METTLER-TOLEDO公司;XPV-203型偏振光顯微鏡,上海長方光學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 油凝膠樣品的制備

分別向牡丹籽油和葵花籽油中添加8%(質量分數)的混合甾醇凝膠劑(植物甾醇∶γ-谷維素=20∶80、40∶60、60∶40、80∶20,質量比),在90 ℃下攪拌至完全溶解,冷卻至室溫并轉移至4 ℃環境下形成凝膠。

1.3.2 油凝膠外觀形態觀察及凝膠時間

將熱的油凝膠樣品裝到10 mL的透明玻璃瓶中,冷卻至室溫并轉移至4 ℃儲藏,觀察油凝膠的外觀形態,并記錄樣品的凝膠時間,樣品倒置后不發生流動的時間即為凝膠形成的時間。

1.3.3 油凝膠的質構特性

將熱的油凝膠樣品裝到10 mL的透明玻璃瓶中,樣品表面保持均勻平整,樣品高度為2.5 cm,在4 ℃下儲藏24 h。使用質構儀對油凝膠樣品的硬度和黏聚性進行測定,探針型號P5,測前速度5 mm/s,測中速度1 mm/s,測后速度5 mm/s,下壓深度10 mm,每組樣品測定3次,取平均值。

1.3.4 油凝膠的流變學測定

油凝膠樣品的流變學特性采用流變儀進行測定,使用40 mm平板夾具,測量平板間距1 mm,測量時取適量熱的油凝膠樣品置于流變儀控溫底盤上。首先以10 ℃/min的速率加熱至90 ℃,清除樣品的結晶記憶,然后以10 ℃/min的冷卻速率從90 ℃降至40 ℃,固定頻率1 Hz,應變1%。最后通過動態時間掃描測定油凝膠的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨時間變化的曲線,測定溫度4 ℃,固定頻率0.1 Hz,應變0.1%,時間3 600 s。

1.3.5 油凝膠熱力學性質

采用差示掃描量熱儀測定油凝膠樣品的熱力學性質,稱取10～15 mg油凝膠樣品置于鋁盤中并用鋁蓋密封,在恒定氮氣流100 mL/min的條件下,以10 ℃/min的速率從室溫加熱至120 ℃,采集樣品的熔化曲線數據并記錄樣品的初始熔化溫度。

1.3.6 油凝膠微觀結構觀察

將適量熱的油凝膠液體滴到載玻片上,蓋上蓋玻片,將樣品壓平使其均勻分布,在4 ℃下放置48 h,使用偏振光顯微鏡對樣品的微觀結構進行觀察,放大倍數為10倍和40倍。

1.4 數據處理與分析

樣品均平行測定3次,結果以平均值±標準偏差表示。應用Excel 2016和Origin Pro 9.0軟件對數據進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 油凝膠外觀形態觀察及凝膠時間分析

經1.3.1節方法制備的油凝膠樣品置于4 ℃下儲存,不同比例的凝膠劑對牡丹/葵花籽油凝膠形成時間的影響如圖1所示。

由圖1可知,凝膠劑的添加量為8%時,植物甾醇與γ-谷維素比例的差異對2種植物油形成凝膠的時間產生顯著的影響,其中m(植物甾醇)∶m(γ-谷維素)=40∶60時,牡丹籽油和葵花籽油形成凝膠的時間最短,分別為30和37 min,然后依次是添加比例為60∶40、20∶80、80∶20的樣品。相比而言,同等條件下牡丹籽油形成凝膠的速度要比葵花籽油快。

圖1 不同凝膠劑質量比例對牡丹/葵花籽油 形成凝膠時間的影響Fig.1 Effect of mass ratio of gelling agent on the oleogel formation time of peony/sunflower seed oil

由圖2和圖3外觀形態可知,葵花籽油凝膠整體呈現淡黃色,透明的狀態,而同等條件下牡丹籽油凝膠的透明度則有所下降,并且當植物甾醇與γ-谷維素質量比為80∶20,在4 ℃放置3.5 h(圖3-a-4號樣品)時,牡丹籽油凝膠中會出現部分小顆粒結晶,在4 ℃放置24 h(圖3-b-4號樣品),牡丹籽油凝膠整體呈現乳白色、不透明的狀態。通過分析2種植物油的脂肪酸組成,發現牡丹籽油含有豐富的α-亞麻酸、亞油酸、油酸等不飽和脂肪酸,其中α-亞麻酸含量高達40.67%,而葵花籽油中油酸、亞油酸含量較多,α-亞麻酸含量僅為0.28%,因此,推測可能是由于牡丹籽油特殊的脂肪酸組成模式使得其在植物甾醇與γ-谷維素構成的三維網絡空間傾向于以β型(三斜排列)的方式進行堆積,形成的結晶更加致密,影響光的透射,從而呈現出渾濁不透明的凝膠狀態。相比而言,葵花籽油在凝膠劑形成的三維網絡空間更傾向于形成β′型(正交堆積)結晶,致密性不如β型結晶,易于光的透過,因此形成的凝膠透明度較高。此外,有研究發現油凝膠的透明度還會隨著γ-谷維素的增加而提高[14],通常植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60時,可獲得最堅硬的透明凝膠[15],這與本研究的結果一致。與之相反隨植物甾醇比例的增加,油凝膠的透明度會有所下降[17],這種現象在牡丹籽油凝膠中表現得尤為明顯,這可能是由于牡丹籽油凝膠體系中過量的植物甾醇導致儲藏期間甾醇結晶的生長,破壞了原來均勻的空間網絡結構,使其變得渾濁[15](圖3-b-4號樣品)。

圖2 葵花籽油凝膠Fig.2 Sunflower seed oil oleogel

a-儲存3.5 h;b-儲存24 h

2.2 凝膠劑的比例對油凝膠質構特性的影響

由圖4可知,4 ℃放置24 h后,同一植物油基質所制備的油凝膠的硬度存在顯著差異,當植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60時,油凝膠的硬度最大,然后依次是添加比例為60∶40、20∶80、80∶20的樣品。然而,當植物甾醇/γ-谷維素的添加比例一樣時,牡丹籽油凝膠的硬度整體上要大于葵花籽油,結合二者的凝膠時間發現,凝膠所需時間越短的樣品,其硬度越大。出現此現象的原因可能是:牡丹籽油特殊的脂肪酸組成模式使得其在植物甾醇與γ-谷維素構成的三維網絡空間傾向于以β型(三斜排列)的方式進行堆積,而葵花籽油則傾向于以β′型(正交堆積)的方式進行堆積。由于β型堆積更加致密,因此牡丹籽油凝膠的硬度也相對更高[18]。

圖4 植物甾醇與γ-谷維素的質量比對油凝膠硬度的影響Fig.4 Change in hardness of oleogels with different mass ratio of phytosterol and γ-oryzanol

測試時探針提取的阻力可以反映樣品的黏度,如圖5所示,當植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60時,油凝膠的黏度最大,比例為60∶40和20∶80的次之,80∶20時黏度最小,這與硬度的變化趨勢是一樣的,這可能與油凝膠體系中形成的三維網絡空間結構的形態和晶格分子間作用力的大小有關。菜籽甾醇、豆甾醇和β-谷甾醇的分子質量分別為400.68、412.69、414.71 Da,均含有一個羥基,而γ-谷維素的分子質量為602.89 Da,含有一個羥基、一個酯鍵和一個甲氧基,也就是說添加量同為8%的情況下,甾醇比例越多可用于形成凝膠網絡的分子數就越多,但相比而言,γ-谷維素分子中除了羥基以外還含有一個酯鍵和一個甲氧基,即γ-谷維素形成凝膠網絡時分子間作用力更大,結構更穩定[19]。本研究中當凝膠劑添加量為8%,植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60時,用于形成油凝膠網絡結構的分子數和分子間作用力達到最佳平衡,形成的凝膠網絡致密且分子間作用力最大,因此凝膠的硬度和黏度也最大。

圖5 植物甾醇與γ-谷維素的質量比對 油凝膠黏聚性的影響Fig.5 Change in cohesiveness of oleogels with different mass ratio of phytosterol and γ-oryzanol

2.3 油凝膠的流變學分析

本研究考察了植物甾醇與γ-谷維素質量比對牡丹/葵花籽油凝膠結晶過程中貯存模量G′、損耗模量G″的影響。測試過程中,為使樣品凝膠,流變儀底盤的溫度始終保持在4 ℃,頻率固定在0.1%,應變為0.1%。為方便分析,本研究將凝膠過程分為平衡前期、對數期和平衡后期[20]。如圖6所示,在平衡前期,樣品的G′和G″值接近于0 Pa,且G″>G′,此時的油凝膠樣品仍然處于液體狀態;與牡丹籽油樣品相比,葵花籽油樣品的平衡前期較長,樣品的G′和G″值較低。在對數期樣品的G′和G″值開始急劇增加,且樣品的G′逐漸大于G″,一般認為G″和G′的交點為樣品開始形成凝膠的點,此時樣品中三維網絡晶格開始形成。在平衡后期,樣品的G′和G″值趨于穩定,當樣品的G′值接近或者大于106Pa時,即表明樣品中致密且相互交聯的空間網絡結構已形成,油凝膠樣品表現出特有的黏彈性和硬度(圖6)。

如圖6可知,牡丹籽油樣品開始凝膠的時間要早于葵花籽油,且其對數期明顯要短于葵花籽油,這表明牡丹籽油體系中凝膠空間網絡結構的形成速度和甘油三酯在晶格間的堆積速度更快。對于葵花籽油樣品,植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60和60∶40時,其平衡后期的G′>106Pa,說明樣品已形成油凝膠(圖6-a);在相同條件下,植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60、60∶40和20∶80的牡丹籽油樣品均已形成凝膠(圖6-b)。另一方面,葵花籽油和牡丹籽油凝膠最終的G′值均與甾醇與γ-谷維素添加比例有關,其值由大到小排序為:40∶60添加組>60∶40添加組>20∶80添加組>80∶20添加組;當G′值越大時,樣品最終的硬度也越大,這與2.2節的結果相一致。

a-葵花籽油;b-牡丹籽油

2.4 油凝膠的熱力學分析

如圖7所示,葵花/牡丹籽油凝膠在進行加熱時均可觀察到明顯的熔化峰。在同一升溫速率下,當植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60時,油凝膠的熔點最高,其次為60∶40,20∶80,80∶20添加比例的樣品。結合凝膠時間和硬度可發現,凝膠時間越短,其硬度越大,開始融化的溫度也越高,融化峰也相對明顯。有研究指出,油凝膠的熔點與其自身的三維網絡結構有關,網絡結構越多、越密集,油凝膠的熔點也越高[19]。除上述原因以外,我們認為油凝膠的熔點還與凝膠劑的分子結構(所帶的活性官能團)、油脂的脂肪酸組成模式等因素有關,如植物甾醇與γ-谷維素的質量比例為40∶60時,用于形成油凝膠網絡結構的分子數和分子間作用力可達到最佳平衡,形成的凝膠網絡致密且分子間作用力最大,因此熔點也越高。另一方面,在相同的植物甾醇與γ-谷維素質量比例下,牡丹籽油凝膠的熔化溫度整體上要高于葵花籽油,這可能是牡丹籽油在植物甾醇與γ-谷維素構成的三維網絡空間傾向于以β型的方式進行堆積,而葵花籽油則傾向于以β′型的方式進行堆積。由于β型堆積更加致密,因此牡丹籽油凝膠的融化溫度也相對較高。

a-葵花籽油;b-牡丹籽油

2.5 油凝膠的微觀結構

三維網絡結構的形成是油凝膠黏彈性行為的基礎。因此,為了詳細了解凝膠的宏觀性質不同的原因,本研究使用偏振光顯微鏡觀察了結晶聚集體的形態和油凝膠的三維網絡結構。在4 ℃下放置48 h后,不同植物甾醇與γ-谷維素質量比下葵花籽油和牡丹籽油凝膠的微觀結構如圖8～圖11所示,亮白色部分是由凝膠劑形成的結晶體,而深色部分是被晶體網絡束縛住的植物油。當葵花籽油和牡丹籽油中只添加8%(質量分數)的植物甾醇時,在10倍顯微鏡下可以觀察到密集的晶體結構(圖8-a、圖10-a),在40倍顯微鏡下可以觀察到大葉片狀的晶體結構(圖9-a、圖11-a)。有研究制備了谷甾醇含量為5%和10%(質量分數)的葵花籽油樣品,發現5%的樣品沒有凝膠,呈現出渾濁的晶體懸浮液狀態,其晶體結構為針狀晶體,而10%的樣品則呈現為更加渾濁不透明的凝膠狀態,其晶體結構為大葉片狀[21],與本實驗的晶體形狀一致。但甾醇添加量過多時,會干擾凝膠三維網絡結構的自主裝,導致網格中甾醇晶體的增大和聚集,影響凝膠效果。當植物甾醇與γ-谷維素質量比為80∶20和60∶40時,均可以在偏振光顯微鏡下觀察到2種晶體結構(圖8-b、圖8-c,圖9-b、圖9-c,圖10-b、圖10-c,圖11-b、圖11-c),一種是植物甾醇的葉片狀結構,另一種為球晶狀聚集體結構,這與DONG等[22]觀察到的晶體類似。本研究中,隨著γ-谷維素比例的增加,即植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60時,在樣品中僅觀察到球晶狀聚集體(圖8-d、圖9-d、圖10-d、圖11-d),這可能是在特定的摩爾分子數下,γ-谷維素和植物甾醇先自組裝成一維小管,然后這些晶體以放射狀方式生長,形成“球晶狀”外觀的三維網絡結構,葵花籽油/牡丹籽油在晶格間有序堆積,形成固體凝膠[23]。植物甾醇與γ-谷維素質量比為20∶80時,在樣品中觀察到發藍光的晶體結構和少量的球晶狀聚集體(圖8-e、圖9-e、圖10-e、圖11-e)。當葵花籽油和牡丹籽油中僅添加8%的γ-谷維素時,可形成具有層狀結構的大片狀圓形晶體,這些晶體結構較大,且會從油中析出而沉積到容器底部,不會使液體油形成凝膠(圖8-f,圖9-f,圖10-f,圖11-f)。除此之外,谷甾醇和γ-谷維素可通過分子間氫鍵協同自組裝,形成管狀微結構[24],從而達到截留植物油的效果使其凝膠,但這種管狀微結構的纖維細小,小于可見光的波長,無法在偏振光顯微鏡下觀察到[21]。綜上,在葵花籽/牡丹籽油中添加8%不同比例的植物甾醇和γ-谷維素時,體系中會形成不同形態的結晶和空間網絡結構,由此形成的油凝膠的物理特性也有所差異。當植物甾醇與γ-谷維素的質量比例為40∶60時,二者可通過分子自組裝形成以“球晶狀”形態為主的三維網絡空間,結構致密,且維系結構穩定的晶格間分子作用力也最強,形成的油凝膠具有較高的硬度、黏彈性和熔點。

a～f-植物甾醇與γ-谷維素的質量比分別為100∶0, 80∶20,60∶40,40∶60,20∶80,0∶100

a～f-植物甾醇與γ-谷維素的質量比分別為100∶0, 80∶20,60∶40,40∶60,20∶80,0∶100

a～f-植物甾醇與γ-谷維素的質量比分別為100∶0, 80∶20,60∶40,40∶60,20∶80,0∶100

a～f-植物甾醇與γ-谷維素的質量比分別為100∶0, 80∶20,60∶40,40∶60,20∶80,0∶100

3 結論

以牡丹籽油和葵花籽油為基質油,植物甾醇和γ-谷維素為凝膠劑,通過其分子自主裝行為,成功制備了高含量α-亞麻酸/亞油酸的植物油凝膠,探明了植物甾醇與γ-谷維素添加比例以及基質油的脂肪酸分布模式對油凝膠外觀、硬度、黏度、微觀結構、流變和熱力學性質的影響規律。當植物甾醇與γ-谷維素質量比為40∶60、添加量為8%時,形成的油凝膠硬度和黏度最大,熔點最高,凝膠時間也最短,然后依次是二者添加比例為60∶40,80∶20和20∶80的凝膠樣品;當植物甾醇與γ-谷維素添加比例相同時,牡丹籽油凝膠比葵花籽油凝膠的硬度更大,凝膠時間更短,熔點更高。油凝膠制備時,可通過調整植物甾醇與γ-谷維素的比例來獲得所需的晶型和凝膠網絡結構,并由此獲得理想的硬度、黏度、熔點和透明度等,以適應特定食品加工的需求。此外,植物油中脂肪酸的分布模式也對油凝膠的硬度、熔點、黏度等特性產生一定的影響,高含量的α-亞麻酸酯在凝膠網絡結構中傾向于以β型(三斜排列)的方式進行堆積,形成凝膠的硬度、黏度等相對更高。本研究為營養型(高α-亞麻酸/亞油酸、高植物甾醇/γ-谷維素)油凝膠制備時結晶和網絡結構調控,硬度、黏度和透明度調控提供了技術支撐,也為后續進一步探討該類凝膠在功能營養奶油和黃油的應用提供了理論基礎。