胡冰潔，蘭雅淇

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州 510642）

傳統(tǒng)固態(tài)脂肪含有大量的飽和脂肪酸或反式脂肪酸。因此大量食用含傳統(tǒng)固態(tài)脂肪的食品會(huì)增加患心血管疾病和其他代謝紊亂疾病的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。有機(jī)凝膠是指在有機(jī)液體中加入凝膠劑，從而具有了與類固體相似物理性質(zhì)的軟材料[4-6]。其中，油凝膠是以液態(tài)植物油為有機(jī)相的傳統(tǒng)固態(tài)脂肪替代品。油凝膠在保留植物油低飽和、零反式脂肪酸的營(yíng)養(yǎng)特性的同時(shí)也具有良好的穩(wěn)定性和可塑性[1,7]。根據(jù)凝膠劑的分子量，油凝膠可分為大分子油凝膠和小分子油凝膠[3]；油凝膠的制備方法可分為直接制備法和間接制備法。小分子油凝膠可通過(guò)直接法制備，即將凝膠劑直接溶解于加熱的液態(tài)基料油中。在冷卻過(guò)程中凝膠劑分子通過(guò)自組裝形成三維結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)將液態(tài)基料油固化[8]。目前已有許多研究探究了巴西棕櫚蠟[9]、蜂蠟[10]、單甘脂[11]等單組分油凝膠的性質(zhì)。以上凝膠劑因結(jié)晶性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。但也存在著性質(zhì)可調(diào)控性差等缺點(diǎn)。因此，許多研究致力于構(gòu)建復(fù)合油凝膠體系，如β谷甾醇和γ-谷維素[12]、單甘酯和植物甾醇[13]、吐溫20 和硬脂酸[14]、脂肪酸和脂肪醇[15]等。復(fù)合凝膠劑在特定比例下通過(guò)分子共組裝機(jī)制形成油凝膠的性能優(yōu)于任一單組分。復(fù)合油凝膠能更好的模仿傳統(tǒng)固態(tài)脂肪，在加工中提供所需的硬度、可延展性、高持油率和高成型溫度等性能[16,17]。復(fù)合油凝膠僅通過(guò)改變兩個(gè)凝膠劑的比例便可調(diào)整油凝膠的宏觀性質(zhì)，構(gòu)建滿足不同加工需求的油凝膠。因此，復(fù)合有協(xié)同作用的凝膠劑是一種調(diào)控油凝膠宏觀性質(zhì)更有效的方式。

影響油凝膠性質(zhì)的主要因素為凝膠劑種類、濃度、植物基料油的性質(zhì)和冷卻溫度等。在油凝膠中，基料油的重量占整體凝膠重量的90%甚至更高?；嫌偷念愋褪浅四z劑種類和濃度之外影響凝膠結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、流變和熱性能的重要因素[7]。已有研究利用葵花籽油、玉米油、橄欖油、菜籽油、榛子油等各種植物油來(lái)制備油凝膠[18-21]。研究發(fā)現(xiàn)，基料油的脂肪酸組成，極性和粘度是影響油凝膠理化性質(zhì)的主要因素。由于油凝膠的內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)晶微結(jié)構(gòu)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)由凝膠劑-凝膠劑、凝膠劑-基料油之間的相互作用共同構(gòu)建[4,22]。所以，基料油的性質(zhì)直接影響了凝膠劑和基料油分子之間的相互作用和分子堆積。因此，在研究油凝膠體系的形成機(jī)制以及如何調(diào)整凝膠劑的堆積幾何結(jié)構(gòu)來(lái)改變超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮基料油的差異十分重要。

目前有研究首次報(bào)道了通過(guò)以水誘導(dǎo)神經(jīng)酰胺和卵磷脂晶體的排列重組來(lái)構(gòu)建新的復(fù)合油凝膠體系[23]。在特定的比例下，神經(jīng)酰胺和卵磷脂無(wú)法形成一個(gè)穩(wěn)定的油凝膠。但在加入水后，水誘導(dǎo)了晶體之間的連接，與晶體一起形成了穩(wěn)定的油凝膠。水誘導(dǎo)油凝膠轉(zhuǎn)化的典型一個(gè)例子是卵磷脂。隨著微量的極性溶劑（即水）的加入，卵磷脂能夠自組裝在其中通過(guò)單軸生長(zhǎng)逆轉(zhuǎn)膠束，產(chǎn)生能夠固定液體油的糾纏圓柱形結(jié)構(gòu)。這種圓柱形結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒂袡C(jī)溶劑凝膠化[24]。本研究中，水誘導(dǎo)了神經(jīng)酰胺和卵磷脂結(jié)晶顆粒之間形成毛細(xì)管橋，共同形成凝膠網(wǎng)絡(luò)。此構(gòu)建方式為開發(fā)傳統(tǒng)固態(tài)脂肪的替代材料提供了可行方案，也增加了在油脂產(chǎn)品中添加水溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可能性。少有研究探討基料油的差異對(duì)水誘導(dǎo)油凝膠形成機(jī)制及宏觀結(jié)構(gòu)的影響，本研究結(jié)合偏光顯微鏡、流變儀、差示掃描量熱儀、傅立葉紅外光譜儀等表征技術(shù)對(duì)制備的水誘導(dǎo)復(fù)合凝膠體系進(jìn)行凝膠特性分析和探究基料油極性影響油凝膠性質(zhì)的機(jī)制。研究對(duì)于復(fù)合油凝膠的制備以及它們?cè)谑称?、藥品和化工工業(yè)中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

神經(jīng)酰胺3（純度＞92%），德國(guó)贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)；大豆卵磷脂（純度＞98%），上海阿拉丁試劑公司；葵花籽油，山東魯花集團(tuán)；石蠟油（化學(xué)純），上海泰坦科技股份有限公司；蓖麻油（分析純）、中鏈甘油三酯（化學(xué)純），上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AL104 萬(wàn)分之一電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；RCT basic 磁力加熱攪拌器，德國(guó)IKA 集團(tuán)；Canon 數(shù)碼相機(jī)，日本佳能集團(tuán)；FYL-YS-150L 恒溫箱，北京福意聯(lián)醫(yī)療設(shè)備有限公司；MCR502 流變儀，奧地利安東帕有限公司；DSC8000 差示掃描量熱儀，美國(guó)珀金埃爾默儀器有限公司；Bruker Vertex70 傅立葉變換紅外光譜儀，來(lái)自德國(guó)布魯克公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水致復(fù)合凝膠體配制

在120 °C 下使用磁攪拌器將神經(jīng)酰胺和卵磷脂完全溶解在基料油中，并在（20±1）°C 的培養(yǎng)箱中冷卻4 h。隨后，在1,500 r/min 的磁力攪拌下，向冷卻樣品中加入一定量的水，持續(xù)攪拌10 min，最后將樣品放置在（20±1）°C 下儲(chǔ)存24 h。神經(jīng)酰胺、卵磷脂和水的總濃度保持在15%（m/m）。葵花籽油濃度保持在85%（m/m）。選擇質(zhì)量比為卵磷脂:神經(jīng)酰胺:水=7:6:2 的樣品（7L6C2W）探究不同基料油對(duì)水致復(fù)合體系的影響。基料油有：石蠟油（PFO）、葵花籽油（SFO）、80%葵花籽油+20%蓖麻油（8SFO+2CSO）、50%葵花籽油+50%蓖麻油（5SFO+5CSO）、20%葵花籽油+80%蓖麻油（2SFO+8CSO）、蓖麻油（CSO）（以上六種基料油的極性和粘度逐漸增大）和中鏈甘油三酯（MCT）共七種（基料油的極性和粘度見表1）。由此，樣品分別表示為PFO、SFO、8SFO+2CSO、5SFO+5CSO、2SFO+8CSO、CSO 和MCT。

1.3.2 偏光顯微鏡

將少量樣品均勻涂抹在粘附性載玻片上，立即蓋上蓋玻片，使用像素為5 616×3 744 pixel 的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，放大倍數(shù)為400×（40×10）。

1.3.3 流變學(xué)測(cè)試

選擇直徑為25 mm 的平行板探頭測(cè)試，間隙設(shè)置為0.5 或1 mm，將適量樣品放置于樣品臺(tái)上，設(shè)置參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。振幅掃描：頻率常數(shù)為1 Hz，測(cè)量溫度為 20 ℃，應(yīng)力為 0.01～1 000 Pa，或者應(yīng)變?yōu)?.001%～100%。頻率掃描：壓力常數(shù)為1 Pa 或者0.5%，測(cè)量溫度為20 ℃，測(cè)試范圍為0.01～10 Hz。溫度掃描：溫度掃描范圍為20～120 ℃，掃描速率為3 ℃/min?；謴?fù)性測(cè)試：三段式掃描，測(cè)量溫度為20 ℃，掃描程序?yàn)?.01%-10%-0.01%，每段掃描2 min。以第一段測(cè)試的粘度平均值視為100%，與第三段測(cè)試的粘度平均值比較，計(jì)算樣品的恢復(fù)百分比。

1.3.4 相變行為測(cè)試

稱量10 mg 左右樣品于高壓盤中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試程序設(shè)置為：在20 ℃保持1 min，隨后從20 ℃升溫到120 ℃，速率為5 ℃/min，在120 ℃保持5 min 后進(jìn)行降溫程序，從120 ℃降到20 ℃，速率為5 ℃/min，最后在20 ℃保持1 min 后結(jié)束程序。使用系統(tǒng)自帶軟件進(jìn)行相變開始溫度、峰值溫度和焓變值的數(shù)據(jù)采集。

1.3.5 傅立葉變換紅外光譜測(cè)試

選擇ATR 附件，將適量樣品放置于晶體上，使其被完全覆蓋，在室溫下進(jìn)行測(cè)試。分辨率：4 cm-1，掃描次數(shù)：64 次，測(cè)試范圍：4 000～400 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示。所有數(shù)據(jù)均采用Origin Pro 2018進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同組間的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠結(jié)果與微觀結(jié)構(gòu)

樣品在20 ℃凝膠24 h 后，采用倒置法觀察凝膠結(jié)果。從圖1 可以看出，在倒置1 h 后，所有的樣品均沒有下流或者分層現(xiàn)象，即樣品均形成凝膠?？梢娀嫌偷牟煌瑢?duì)此復(fù)合凝膠的形成結(jié)果無(wú)顯著影響。然而，基料油本身顏色對(duì)凝膠的外觀略有影響，如CSO 本身的顏色較其他基料油偏黃，因此由CSO 制備的凝膠的顏色較其他凝膠的顏色更深。Yang[25]等的研究結(jié)果也表明，基料油的類型會(huì)影響油凝膠的顏色和外觀。在油凝膠中，基料油的重量占整體凝膠重量的85%。所以，基料油的顏色會(huì)影響油凝膠的表觀顏色。

圖1 不同基料油制備樣品的凝膠結(jié)果Fig.1 Visual appearance images of oleogels with different oil properties

凝膠結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)采用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察。如圖2，由不同基料油制備的樣品的微觀結(jié)構(gòu)具有明顯差異：PFO 表現(xiàn)為由細(xì)短纖維徑向聚集的小球狀晶體；SFO 為片狀和針狀晶體，8SFO+2CSO 與SFO類似，這可能是因?yàn)樵?SFO+2CSO 中，葵花籽油占總油含量的80%（m/m）；從5SFO+5CSO 中觀察到半透明狀的片狀晶體；從2SFO+8CSO 中觀察到小纖維束晶體；CSO 呈現(xiàn)為大纖維束晶體；MCT 晶體為馬耳他十字。SFO、8SFO+2CSO、5SFO+5CSO、2SFO+8CSO和CSO，這幾個(gè)凝膠的晶體形態(tài)相似，而與PFO 和MCT 完全不同。雖然這些晶體的尺寸大小與基料油的極性或者粘性大小無(wú)明顯相關(guān)性，但基料油的類型明顯影響了結(jié)晶的形態(tài)。相似的研究也證明這種現(xiàn)象。Lupi[26]使用稻米油、向日葵油和蓖麻油，以單甘酯和二十八烷醇的混合物為凝膠劑研究基料油的極性對(duì)凝膠宏觀性質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)基料油的種類改變了凝膠劑結(jié)晶的形態(tài)，在不同基料油形成的油凝膠偏光照片中也發(fā)現(xiàn)了玫瑰化狀，針狀等形態(tài)結(jié)晶。在小分子油凝膠中非共價(jià)相互作用是驅(qū)動(dòng)凝膠因子自組裝形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的核心。Caroline 等[27]認(rèn)為由于溶劑性質(zhì)改變了凝膠體系內(nèi)的非共價(jià)相互作用，從而影響了結(jié)晶的形態(tài)。

圖2 不同基料油制備凝膠的偏光晶體圖Fig.2 Polarized light microscopy images of oleogels with different oil properties

2.2 流變學(xué)性質(zhì)

對(duì)不同基料油樣品進(jìn)行小振幅破壞性掃描，掃描結(jié)果見圖3a。從圖中可以看出，所有樣品在整個(gè)LVR范圍內(nèi)中都表現(xiàn)出G’＞G”，表明樣品呈現(xiàn)固態(tài)或半固態(tài)性質(zhì)，結(jié)果與從倒置法觀察到的一致（圖1）。隨著剪切應(yīng)力的增大，凝膠的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞瓦解，表現(xiàn)為樣品的G’和G”值迅速下降。采用LVR 范圍內(nèi)的G’平均值表征和比較由不同基料油制備的樣品的三維網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度[28]（圖3b、3c）。結(jié)果顯示，隨著基料油極性的增大，G’值逐漸增加（圖3b），其中，G’min=223.22 Pa，G’max=1 954.71 Pa，對(duì)應(yīng)的基料油分別為PFO 和CSO。隨著基料油粘度的增大，G’值有增加的趨勢(shì)，且由粘度為0.72 Pa·s（CSO）與0.082 Pa·s（PFO）基料油制備的樣品呈現(xiàn)顯著性差異（圖3c）。結(jié)果表明，凝膠網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度隨著極性增大而增大。

圖3 （a）不同基料油制備凝膠的振幅掃描圖（b）LVR 范圍內(nèi)G’值與基料油極性的相關(guān)性折線圖（c）LVR 范圍內(nèi)G’值與基料油粘度的相關(guān)性折線圖Fig.3 (a) Amplitude sweeps for oleogels with different oil properties;(b) The storage modulus (G’) in the LVR range of oleogels with different oil polarity had compared;(c) The storage modulus (G’) in the LVR range of samples with different oil viscosity had compared

凝膠網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)晶顆粒由LEC和CER兩凝膠劑共組裝形成。結(jié)晶顆粒之間由水形成毛細(xì)管橋連接，共同形成凝膠網(wǎng)絡(luò)[29,30]。這種水致復(fù)合油凝膠的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性質(zhì)的調(diào)控更為復(fù)雜。諸多研究討論了毛細(xì)管懸浮液形成凝膠的影響因素，發(fā)現(xiàn)水與顆粒接觸角的影響占據(jù)主要地位[29,31,32]。本研究與Danov 等[33]的研究結(jié)果一致。在探究大豆油與十六烷對(duì)懸浮液的強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在顆粒體積份數(shù)相同時(shí)，極性更大的大豆油基料油導(dǎo)致水與顆粒的接觸角從70°減小到12°，因此，含有極性較強(qiáng)大豆油的懸浮液強(qiáng)度從1 000 Pa 增加到4 500 Pa。

2.3 熱力學(xué)性質(zhì)

研究表明，基料油的性質(zhì)會(huì)影響油凝膠的熔化和結(jié)晶行為[34]。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同基料油樣品進(jìn)行DSC 溫度掃描。樣品的熱流圖中在加熱過(guò)程中觀察到多個(gè)熔化峰，這是樣品的多組分性質(zhì)導(dǎo)致的[35,36]。冷卻過(guò)程中凝膠僅出現(xiàn)一個(gè)結(jié)晶峰，因此僅對(duì)樣品的液相-凝膠相相變溫度和焓值與基料油的極性和粘度進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見圖4。如圖所示，隨著基料油極性和粘度的增大，凝膠結(jié)晶的峰值溫度呈下降趨勢(shì)，最高結(jié)晶溫度為67.54 ℃，最低結(jié)晶溫度為54.53 ℃；隨著基料油極性和粘度的增大，焓變絕對(duì)值逐漸增大，最終趨于平穩(wěn)。最高焓變值為8.09 J/g，最低焓變值為6.60 J/g。結(jié)晶溫度降低和焓變絕對(duì)值增大都表明：在結(jié)晶過(guò)程中，基料油的極性增大后，樣品凝膠的結(jié)晶度增高[36]。結(jié)晶度的增加表明體系中形成了更多的結(jié)晶顆粒。直接導(dǎo)致凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，進(jìn)而強(qiáng)化凝膠宏觀性質(zhì)。而結(jié)晶度隨極性的進(jìn)一步增加趨于平穩(wěn)則表明凝膠宏觀性質(zhì)的增加不僅僅是因?yàn)榻Y(jié)晶度，也可能源于基料油極性同時(shí)也影響了其他因素。而這種復(fù)雜的多種影響途徑為定制特種用途的油脂提供了可能。

圖4 （a）不同基料油制備凝膠的結(jié)晶溫度和結(jié)晶焓值與基料油極性的相關(guān)性折線圖；（b）不同基料油制備凝膠的結(jié)晶溫度和結(jié)晶焓值與基料油粘度的相關(guān)性折線圖Fig.4 The crystallization enthalpy of oleogels had compared(a) The oleogels with different oil polarity,(b) The samples with different oil viscosity

2.4 氫鍵強(qiáng)度

油凝膠的形成是由非共價(jià)作用，如氫鍵[22,37]、范德華力[38]、π-π 共軛[39]、疏水相互作用[40]、靜電作用[41]、金屬配位相互作用[42]等驅(qū)動(dòng)的，這些非共價(jià)作用存在于溶劑與溶劑之間，溶劑與凝膠劑之間以及凝膠劑分子之間。實(shí)驗(yàn)利用傅立葉紅外光譜儀分析了不同植物基料油制備凝膠在形成過(guò)程中存在的非共價(jià)相互作用，光譜圖見圖5。如圖所示，不同基料油73 600～3 000 cm-1范圍內(nèi)的吸收表明氫鍵的存在，此凝膠體系的非共價(jià)驅(qū)動(dòng)力主要為氫鍵。為了比較不同樣品間的作用力大小，各個(gè)樣品氫鍵吸收峰的面積見表1。結(jié)果表明，隨著基料油的極性和粘度的增大，氫鍵強(qiáng)度從2.49 增大至7.12 且表現(xiàn)出顯著性差異（p＜0.05）。研究認(rèn)為，基料油的極性和粘度通過(guò)調(diào)節(jié)凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成來(lái)影響乳液和油凝膠的性質(zhì)。在凝膠形成過(guò)程中，粘度和極性影響凝膠分子的溶解度和體系內(nèi)的氫鍵相互作用[43-45]。結(jié)果顯示，基料油的高極性可增加了體系內(nèi)的氫鍵相互作用。有研究表明對(duì)于超分子結(jié)構(gòu)的油凝膠，氫鍵是形成超分子凝膠的推動(dòng)力，隨極性的增大體系氫鍵相互作用增加，形成的凝膠的宏觀性質(zhì)更強(qiáng)。Gravelle等[20]研究了在乙基纖維素凝膠中加入能形成氫鍵相互作用的表面活性劑。研究表明溶劑中的極性物質(zhì)會(huì)和凝膠網(wǎng)絡(luò)形成氫鍵相互作用，使凝膠的宏觀性質(zhì)增強(qiáng)。

圖5 不同基料油制備凝膠的傅立葉紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of oleogels with different oil properties

表1 凝膠在3 750～3 100 cm-1范圍內(nèi)的紅外吸收峰面積Table 1 FT-IR spectra absorption peak area of oleogels with different oil properties in 3 750～3 100 cm-1

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以神經(jīng)酰胺和大豆卵磷脂為凝膠劑，通過(guò)添加少量的水構(gòu)建了水致復(fù)合油凝膠，研究了基料油性質(zhì)對(duì)復(fù)合體系的影響。采用流變儀、差示掃描量熱儀、偏光顯微鏡、傅立葉變換紅外等技術(shù)手段對(duì)構(gòu)建的體系進(jìn)行了初步表征和影響機(jī)理的探究。選擇不同極性和粘度的基料油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，基料油性質(zhì)對(duì)凝膠的最終形成與否不產(chǎn)生顯著影響，但是改變了凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)。隨著基料油極性和粘度的增大，凝膠的強(qiáng)度增大，油凝膠中的結(jié)晶度增加。FT-IR 結(jié)果表明，使用高極性和高粘度的基料油制備凝膠的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更多的氫鍵。研究結(jié)果證明了基料油對(duì)該凝膠體系的影響，可以通過(guò)改變基料油來(lái)定制具有特定性質(zhì)的油凝膠。