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        稻米油的結(jié)晶熔融行為研究

        2021-10-14 09:22:30姜元榮
        糧油食品科技 2021年5期

        周 帥,孫 悅,王 勇,姜元榮

        (豐益(上海)生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司,上海 200137)

        隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高,人民對(duì)健康高品質(zhì)食用油的消費(fèi)需求不斷增加,但食用植物油(如大豆油、花生油及稻米油等)低溫下易凝固的問題嚴(yán)重制約了其低溫儲(chǔ)存與運(yùn)輸并降低終端客戶的認(rèn)可度,因此了解植物油的結(jié)晶過程對(duì)于國民品質(zhì)化消費(fèi)升級(jí)和身體健康至關(guān)重要。

        稻米油屬于米糠深加工產(chǎn)品,其脂肪酸組成較為合理,最為接近人類的膳食推薦標(biāo)準(zhǔn),且含有豐富的維生素E、角鯊烯、植物甾醇和谷維素等成分,長(zhǎng)期食用對(duì)預(yù)防心血管疾病、提高人體免疫力、調(diào)節(jié)血糖等方面均有明顯作用[1],是國際上公認(rèn)天然綠色的健康油脂[2-5]。

        近幾年中國稻米油產(chǎn)量持續(xù)走高,2018 年產(chǎn)量約為50 萬t,2020 年已突破70 萬t。稻米油是典型的在低溫下易結(jié)晶的植物油[6-7],隨著消費(fèi)者對(duì)稻米油產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高,迫使稻米油的結(jié)晶行為研究越來越受重視。

        本文研究了稻米油的等溫和非等溫結(jié)晶熔融行為,并對(duì)稻米油冷凍析出物進(jìn)行了詳細(xì)分析,以期為提升稻米油產(chǎn)品的冷凍性能和擴(kuò)展稻米油產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域奠定理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        精煉稻米油:益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        PLM,E400 偏光顯微鏡:日本尼康公司;MCR101 旋轉(zhuǎn)流變儀:安東帕(上海)商貿(mào)有限公;DSC,Q2000 差示掃描量熱儀:美國TA 儀器公司;XRD,X'Pert PRO X 射線衍射儀:荷蘭帕納科公司。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 冷凍試驗(yàn)

        采用GB/T35877—2018《糧油檢驗(yàn) 動(dòng)植物油脂冷凍試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行冷凍性能測(cè)試。取樣品200~300 mL 加熱至130 ℃,并趁熱過濾,消除水分并破壞殘存晶核,將樣品倒入油樣瓶密封后,室溫冷卻至25 ℃。之后將樣品瓶放入0 ℃的冰水浴中,開始計(jì)時(shí),觀察樣品澄清度隨冷凍時(shí)間的變化。

        1.3.2 結(jié)晶形貌觀察

        采用帶有加熱和制冷臺(tái)的偏光顯微鏡觀察稻米油樣品的等溫結(jié)晶形貌。將樣品快速升溫至80 ℃,停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體,然后快速降溫至0 ℃并等溫停留,同時(shí)拍照記錄晶體形貌隨時(shí)間的變化。

        1.3.3 流變性能測(cè)試

        采用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試樣品的等溫流變性能,選用平行板模式,平行板直徑50 mm,平行板上下間距1 mm,剪切速率為20 s–1。將樣品快速升溫至80 ℃,停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體,然后分別快速降溫至20、10 和0 ℃,停留6 h,觀測(cè)樣品動(dòng)態(tài)粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

        1.3.4 結(jié)晶熔融行為測(cè)試

        采用差示掃描量熱儀測(cè)試樣品的非等溫結(jié)晶熔融行為。稻米油非等溫結(jié)晶熔融行為:稱取6 mg 左右樣品,將其快速加熱至80 ℃,停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體,然后分別以0.5、1、1.5、2.5、5 和10 ℃/min 的降溫速率降溫至–60 ℃,停留 5 min,再以 10 ℃/min 的升溫速率升至80 ℃。稻米油冷凍析出物的熔融結(jié)晶行為:稱取6 mg 左右樣品,以10 ℃/min 的升溫速率將其從10 ℃加熱至80 ℃,停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體,然后以 10 ℃/min 的降溫速率降溫至–60 ℃。

        1.3.5 脂肪酸組成

        采用GB5009.168—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪酸的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。稱取約 8 mg 樣品,于50 mL 離心管中,加入氫氧化鉀-乙醇溶液皂化。皂化后的下層水相加入 1 mL 濃度為1.296 mg/mL 的十七烷酸作為標(biāo)液,酸化后用正己烷提取,并用三氟化硼-甲醇衍生化,采用氣相色譜分析。

        1.3.6 晶型測(cè)定

        采用X 射線衍射儀測(cè)試稻米油冷凍析出物的晶型。使用帶有 Ni 濾光鏡的 Cu-Kα 放射源(k=1.540 56 ?)。2θ 角掃描速率0.13 °/min,步長(zhǎng)0.02°,范圍12°~30°。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        運(yùn)用 Origin8.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 稻米油等溫結(jié)晶行為

        目前,表征植物油冷凍性能常用方法是0 ℃冷凍試驗(yàn),即將樣品放置在0 ℃水浴鍋中觀察樣品透明性隨時(shí)間的變化,出現(xiàn)渾濁時(shí)所需要的時(shí)間即為冷凍時(shí)間。稻米油在0 ℃冷凍試驗(yàn)的結(jié)果見圖1,稻米油在0.5 h 左右開始發(fā)朦,1.5 h 后稻米油基本不透明。

        圖1 稻米油0 ℃冷凍試驗(yàn)Fig.1 Cold test of rice bran oil at 0 ℃

        稻米油在冷凍試驗(yàn)中的發(fā)朦現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是稻米油的結(jié)晶過程,稻米油是多種甘油三酯的混合物,低溫時(shí)部分高熔點(diǎn)的甘油三酯結(jié)晶析出,其晶體的存在影響了透光性能。為了更直觀的觀察稻米油的等溫結(jié)晶過程,采用帶有冷熱臺(tái)的PLM 觀察了稻米油的等溫結(jié)晶形貌。由于冷凍試驗(yàn)的測(cè)試在0 ℃完成,為了與冷凍試驗(yàn)條件保持一致,PLM 觀察的等溫結(jié)晶溫度設(shè)定為0 ℃,如圖2所示。稻米油在34 min 時(shí)開始出現(xiàn)大量晶體,35 min 時(shí)晶體數(shù)目進(jìn)一步增多,當(dāng)結(jié)晶時(shí)間為50 min 時(shí),晶體仍然持續(xù)增多,直至1 h 晶體幾乎充滿整個(gè)屏幕。這與冷凍實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,表明稻米油的冷凍時(shí)間只有0.5 h 左右。

        圖2 稻米油在0 ℃的PLM 等溫結(jié)晶形貌Fig.2 The PLM isothermal crystallization morphologies of rice bran oil at 0 ℃

        稻米油在20、10 和0 ℃的等溫剪切流變曲線見圖3。當(dāng)測(cè)試溫度為20 和10 ℃時(shí),稻米油在6 h 內(nèi)動(dòng)態(tài)粘度保持不變,且在10 ℃的動(dòng)態(tài)粘度大于在20 ℃的動(dòng)態(tài)粘度,表明稻米油在20 和10 ℃剪切6 h 的條件下不發(fā)生結(jié)晶,且在高溫下稻米油的分子熱運(yùn)動(dòng)快,使其動(dòng)態(tài)粘度較低。當(dāng)繼續(xù)降低測(cè)試溫度為0 ℃,在6 h 測(cè)試時(shí)間內(nèi),稻米油的動(dòng)態(tài)粘度比10 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)粘度更高,且在0.5 h 前動(dòng)態(tài)粘度不變,而超過0.5 h 動(dòng)態(tài)粘度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。對(duì)比0 ℃冷凍試驗(yàn)和PLM 結(jié)晶形貌可知,0 ℃條件下,在0.5 h 前稻米油還沒有開始結(jié)晶,因此稻米油動(dòng)態(tài)粘度基本無變化,當(dāng)超過0.5 h,稻米油開始結(jié)晶,并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng),晶體數(shù)目逐漸增多,因此稻米油動(dòng)態(tài)粘度逐漸增大。這一研究結(jié)果表明流變是表征稻米油冷凍性能的另一有效手段。

        圖3 稻米油在20、10 和0 ℃的等溫剪切流變曲線Fig.3 Isothermal shear rheological curves of rice bran oil at 20 ℃, 10 ℃ and 0 ℃

        2.2 稻米油非等溫結(jié)晶熔融行為

        稻米油在不同降溫速率下的DSC 結(jié)晶曲線(a)和結(jié)晶初始溫度(Tonset)隨降溫速率變化曲線(b)見圖4。結(jié)晶曲線隨降溫速率的升高有較大幅度變化,隨著降溫速率的增加,稻米油的結(jié)晶曲線趨于不完整,在測(cè)試范圍內(nèi)不能結(jié)晶完全,這是由于稻米油的甘油三酯組成復(fù)雜,結(jié)晶溫度范圍較寬;隨著降溫速率從0.5 ℃/min 逐漸增加到10 ℃/min,結(jié)晶的起始溫度逐漸降低,這說明冷卻速率越大,越不利于甘油三酯分子鏈的折疊重排,因此冷卻速率越大,甘油三酯結(jié)晶所需要的過冷度越大。

        圖4 稻米油在不同降溫速率下的DSC 結(jié)晶曲線(a)和Tonset 隨降溫速率的變化曲線(b)Fig.4 DSC crystallization curves of rice bran oil at different cooling rates (a) and Tonset vs. cooling rates (b)

        稻米油在不同降溫速率下結(jié)晶后的DSC 熔融曲線(a)和熔融焓(ΔHm)隨降溫速率的變化曲線(b)如圖5 所示。由圖5a 可知,隨著稻米油結(jié)晶的降溫速率加快,在–30 ℃左右的熔融峰逐漸減小,表明稻米油中低熔點(diǎn)的晶體含量逐漸減少,這可能是由于稻米油結(jié)晶溫度范圍較寬,隨著降溫速率的增加,稻米油中低熔點(diǎn)的甘油三酯結(jié)晶趨于不完整。

        圖5 稻米油在不同降溫速率下結(jié)晶后的DSC 熔融曲線(a)和ΔHm 隨降溫速率的變化曲線(b)Fig.5 DSC melting curves of rice bran oil crystallized at different cooling rates (a) and ΔHm vs. cooling rates (b)

        為了更加直觀地分析稻米油在不同降溫速率下結(jié)晶后的熔融情況,對(duì)熔融焓進(jìn)行了分析。由圖5b 可知,稻米油的熔融焓隨降溫速率的增快呈現(xiàn)逐漸降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這一結(jié)果表明稻米油的物理性質(zhì)受環(huán)境影響很大,當(dāng)?shù)久子徒Y(jié)晶的降溫速率較慢時(shí),稻米油結(jié)晶Tonset較高(圖4b),經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間結(jié)晶后ΔHm較高,熔融相對(duì)困難;當(dāng)?shù)久子徒Y(jié)晶的降溫速率較快時(shí),稻米油結(jié)晶Tonset較低(圖4b),但結(jié)晶后ΔHm較低,熔融相對(duì)較容易。

        2.3 稻米油冷凍析出物分析

        為了對(duì)稻米油在冷凍條件下結(jié)晶析出物進(jìn)行分析,將稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)存90 d。稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)藏90 d(a)及常溫25 ℃化凍8 h(b)的照片見圖6。將冷凍析出物過濾分離后,分別對(duì)析出物的脂肪酸組成、晶型,以及結(jié)晶熔融行為進(jìn)行了考察。

        圖6 稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)藏90 d(a)及常溫25 ℃化凍8 h(b)的照片F(xiàn)ig.6 Pictures of rice bran oil stored at 4 ℃ for 90 d (a) and melting at 25 ℃ for 8 h (b)

        稻米油及其在4 ℃冷庫儲(chǔ)藏90 d 后冷凍析出物的脂肪酸組成見表1。相對(duì)于稻米油原料,析出物中C16:0 的含量明顯增多,從原料的16.11%增加到37.89%;C18:1 和C18:2 的含量相對(duì)減少,分別從原料的37.46%和37.51%降低到25.29%和29.92%,其他脂肪酸的相對(duì)含量變化不大。相對(duì)于稻米油原料,稻米油冷凍析出物脂肪酸中飽和脂肪酸增加,不飽和脂肪酸減少,這是因?yàn)轱柡椭舅峤M成的甘油三酯的熔點(diǎn)相對(duì)較高,在4 ℃冷庫儲(chǔ)藏過程中更容易結(jié)晶析出。

        表1 稻米油及其4 ℃冷凍析出物脂肪酸組成Table 1 Fatty acids composition of virgin rice bran oil and its frozen precipitates at 4 ℃

        油脂主要有3 種晶型:α、β′和β 型,三者熔點(diǎn)及穩(wěn)定性由低到高分別為α<β′<β。XRD 短間距反映脂肪的同質(zhì)多晶型,4.15 ? 附近的強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)α 晶型;3.8 ? 和4.2 ? 附近的強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)β′晶型;4.6 ? 附近的強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)β 晶型。采用XRD 短間距的方法考察了稻米油冷凍析出物的同質(zhì)多晶現(xiàn)象,如圖7 所示。結(jié)果顯示,稻米油冷凍析出物在4.63 ? 處有較強(qiáng)的衍射峰出現(xiàn),而在4.2 ? 和4.15 ? 處并沒有衍射峰出現(xiàn),由此可知在4 ℃冷庫儲(chǔ)藏90 d,稻米油的冷凍析出物主要為穩(wěn)定的β 晶型。

        圖7 稻米油在4 ℃冷凍析出物的XRD 短間距曲線Fig.7 XRD short spacing curve of the precipitates from rice bran oil at 4 ℃

        進(jìn)一步采用DSC 測(cè)試了稻米油在4 ℃冷凍析出物的結(jié)晶熔融行為,如圖8 所示。從圖8a 可知,稻米油析出物的熔融峰值溫度為21.5 ℃,這一結(jié)果與圖6b 結(jié)果一致,稻米油析出物在25 ℃室溫放置8 h 基本全部融化。從圖8b 可知,稻米油冷凍析出物有兩個(gè)結(jié)晶峰值溫度,分別為5.6 ℃和–43.9 ℃。對(duì)比圖4 和圖8b 可知,稻米油原料在 10 ℃/min 的降溫速率下結(jié)晶初始溫度在–7.7 ℃,而稻米油在4 ℃冷凍析出物的初始結(jié)晶溫度在6.5 ℃左右,再次表明稻米油冷凍析出物是具有較高熔點(diǎn)和較高結(jié)晶溫度的甘油三酯。

        圖8 稻米油在4 ℃冷凍析出物的DSC 熔融曲線(a)和結(jié)晶曲線(b)Fig.8 DSC melting curve (a) and crystallization curve (b) of the precipitates from rice bran oil at 4 ℃

        3 結(jié)論

        本文研究了稻米油的結(jié)晶熔融行為及其在4 ℃條件下冷凍析出物的組成。等溫結(jié)晶行為研究表明,稻米油在冷凍試驗(yàn)中的發(fā)朦現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是稻米油的結(jié)晶過程,稻米油是多種甘油三酯的混合物,低溫時(shí)一些高熔點(diǎn)的甘油三酯結(jié)晶析出,晶體的存在影響了稻米油的透光性能。非等溫結(jié)晶熔融行為研究表明,隨著降溫速率從0.5 ℃/min逐漸增加到10 ℃/min,稻米油的結(jié)晶起始溫度逐漸降低,熔融焓呈現(xiàn)逐漸降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)存90 d 后出現(xiàn)冷凍析出物的晶型主要為β 晶型,由較高熔點(diǎn)和較高結(jié)晶溫度的甘油三酯組成,其熔融峰值溫度為21.5 ℃,兩個(gè)結(jié)晶峰值溫度分別為5.6 ℃和-43.9 ℃。相對(duì)于稻米油原料,稻米油冷凍析出物的脂肪酸組成中飽和脂肪酸C16:0 的相對(duì)含量明顯增多,不飽和脂肪酸C18:1 和C18:2 的相對(duì)含量明顯減少。

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