肉桂酸基油脂凝胶的制备及其流变特性和结晶特性分析

左 锋，李 雪，杨 舒，王 鹏，杨庆余，王 娜，肖志刚,*

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江 大庆 163319；2.安徽科技学院食品与药品学院，安徽 滁州 233100；3.沈阳师范大学粮食学院，辽宁 沈阳 110034）

油脂凝胶是利用有机凝胶因子通过自组装或者结晶的方式形成带状、纤维状等多种结构束缚亲脂性液体（植物油），进一步叠加组合构成网络结构，使体系凝胶化[1]；自2005年以来，有关有机凝胶的研究已成为化学和医学领域的研究热点[2]。文献[3-4]对油脂凝胶的结构和营养特性进行了相关研究，为油脂凝胶在食品领域的应用开启了新的纪元。Hwang等[5]利用植物蜡型油脂凝胶制备出新型人造奶油，能够显著提高熔点；Zetzl等[6]利用乙基纤维素型油脂凝胶代替动物脂肪应用到法兰克福香肠制作中，发现与对照组在质构特性上无显著性差异；随着研究的深入，相继出现了脂肪酸和脂肪醇类油脂凝胶、山梨醇酯类油脂凝胶、乙基纤维素型油脂凝胶、卵磷脂和甾醇类油脂凝胶，凝胶剂的多样化以及潜在的凝胶剂组合类型之多，使具有可食性的凝胶剂在油脂凝胶的发展空间也在慢慢扩大。目前，很多学者研究的重点大多聚焦在挑选出更有潜力的凝胶因子（凝胶剂）上，尤其是可食性的凝胶因子，其中以甾醇和谷维素类凝胶剂最为突出[7-9]。

肉桂酸在医学上具有促进胆汁分泌、消灭细菌、抵抗癌症的功效[10-12]，而与其有关的食品安全国家标准（GB 28347—2012《食品添加剂 肉桂酸》）的发布，为肉桂酸在食用性开发上奠定了法律基础。本研究以肉桂酸作为凝胶因子，改变米糠油的物理状态，使具有一定功能特性的米糠油[13]凝胶化，研究开发可食性油脂凝胶。通过考察凝胶因子的添加量、加热温度、冷却温度对凝胶油脂的持油性和熔点的影响，深入分析肉桂酸基油脂凝胶的流变特性和结晶特性，探究肉桂酸基油脂凝胶的结构特征。本研究不仅为该类型凝胶油的表征提供实验依据，而且为油脂凝胶在凝胶剂的选择上提供了新的思路，同时对于拓宽米糠油应用范围具有一定的现实意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

一级商品米糠油 浙江得乐康食品股份有限公司；食品级肉桂酸 郑州奇华顿化工产品有限公司。

1.2 仪器与设备

电子分析天平 上海精密科学仪器公司；UV-1200S型紫外-可见分光光度计 上海翔艺仪器有限公司；台式低速大容量离心机 贝克库曼尔特商贸有限公司；数显水浴锅 常州赛普实验仪器厂；AR-G2流变仪 美国TA公司；D8 Advance X-射线衍射仪 德国Bruker公司；荧光显微镜 日本Nikon公司。

1.3 方法

1.3.1 米糠油凝胶的制备

在米糠油（10 g）中加入一定质量肉桂酸（0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g），分别于80、85、90、95、100 ℃水浴锅中磁力搅拌至混合物完全溶解，将热混合物在设定好的冷却温度（0、5、10、15、20 ℃）放置12 h，得到油脂凝胶样品，以持油性和熔点作为评价指标，选用持油性高、熔点接近口腔温度的实验条件为后续实验中油脂凝胶制备条件。

1.3.2 持油性的测定

参考文献[14]方法，将融化的有机凝胶油样品置于预先称量好的离心管中，称取总质量，设置离心机的转速10 000 r/min，离心15 min。将离心管取出，倒置15 min以使游离的液态油脂完全析出，称取离心后离心管总质量。析油量和持油性通过公式（1）、（2）计算得出，重复测定3 次，结果取平均值。

式中：a为离心管的质量/g；b为样品和离心管的总质量/g；c为离心后离心管总质量/g。

1.3.3 熔点的测定

参照GB/T 24892—2010《动植物油脂 在开口毛细管中熔点（滑点）的测定》中的毛细管检验法。

1.3.4 流变特性的测定

参照文献[15]方法，用流化仪的研磨板（直径40 mm）和钢锥板（4°）进行油脂凝胶的流变学研究。固定剪切应变为2%，在1～100 Hz进行频率扫描，测量有机凝胶的储能模量（G’）和损耗模量（G”）；在室温（25 ℃）条件下，固定扫描频率为1 Hz，在剪切应变为2%条件下，测量表观黏度值-剪切速率变化曲线；固定扫描频率为1 Hz，在剪切应变为2%，以5 ℃/min的加热速率，从5 ℃升高至90 ℃，得到有机凝胶的储能模量（G’）和损耗模量（G”）变化曲线。

1.3.5 结晶特性的测定

1.3.5.1 晶型分析

采用X-射线衍射法，参考文献[16]方法。在25 ℃条件下，条件为Cu靶（电压40 kV，电流40 mA），狭缝宽度1.0 mm、接受狭缝0.1 mm，2θ扫描速率为2°/min，扫描范围为10°～50°，进行晶型分析。

1.3.5.2 结晶形态分析

利用荧光显微镜放大倍数400 倍，进行结晶形态分析，参考文献[17]方法。具体步骤：先制片，将样品均匀扩展载玻片上，从一个方向盖上盖玻片，防止气泡残留，置于载物台上，观察样品的晶体形态。

1.4 数据统计

单因素试验测量3 次，利用SPSS 16.0计算平均值与标准差进行数据统计分析，比较显著性，利用a、b、c、d、e代表不同显著水平，相同字母表示差异不显著（P＞0.05），不同字母表示差异显著（P＜0.05），用Sigmaplot和Origin 8.0对数据进行作图。

2 结果与分析

2.1 制备条件对肉桂酸基油脂凝胶结构的影响分析

油脂凝胶是通过凝胶剂间的相互作用把液态油脂束缚在结晶结构里面[18]，在选择油脂凝胶制备条件过程中，既要考虑束缚液态油脂程度，也要兼顾结晶结构的稳定性，因此本研究选用持油性和熔点作为评价凝胶结构的指标。

2.1.1 肉桂酸添加量对油脂凝胶持油性及熔点的影响

图1 凝胶剂添加量对凝胶体系持油性和熔点的影响Fig.1 Influence of gelling agent on oil-holding capacity and melting point

从图1可知，当肉桂酸添加量为4%～8%，米糠油凝胶持油性从43.35%显著增加到94.18%；当肉桂酸添加量为8%～12%，米糠油凝胶的持油性从94.18%增加到95.16%，增加速率变化不显著，可能是因为此时肉桂酸的结晶达到相对饱和所致；随着肉桂酸添加量的增加，凝胶油脂的熔点有着显著上升的趋势，这主要因为在整个油脂凝胶体系中，肉桂酸作为凝胶剂有一定的支撑作用，形成的结晶网络结构阻止了液态油脂的流动，随着凝胶剂添加量的增加，结晶结构愈加紧密，同时熔点也相应升高，在一定范围内表现出肉桂酸含量越高，凝胶体系的骨架结构就越坚固紧密，被束缚的液态油含量也越高，这与Arjen等[19]报道相一致。

2.1.2 加热温度对油脂凝胶持油性及熔点的影响

凝胶体系中的肉桂酸分子以一定的方式发生了自组装或者低温结晶，将分散的液体油脂分子捕获在空间结构中，使其处于非流动状态[20]。加热作为一种物理手段，虽然本质上没有改变肉桂酸在米糠油溶剂体系中的凝胶化历程，但是较高的加热温度会延长样品达到凝胶形成温度的时间，同时一定程度上影响了肉桂酸作为凝胶剂的溶解性[21]，从而影响凝胶剂的自组装过程；加热温度对油脂凝胶持油性及熔点的影响见图2。从图2可以看出，加热温度从80 ℃升高至85 ℃时，米糠油凝胶的持油性上升较快，从83.98%显著升高至93.62%；加热温度在85～100 ℃，米糠油凝胶的持油性变化不显著；温度从80 ℃升高至90 ℃时，熔点变化不显著，加热温度在90～100 ℃时，熔点呈现先降低后增加趋势。

图2 加热温度对油脂凝胶持油性及熔点的影响Fig.2 Effect of heating temperature on oil-holding capacity and melting point

2.1.3 冷却温度对油脂凝胶持油性和熔点的影响

图3 冷却温度对油脂凝胶持油性及熔点的影响Fig.3 Influence of cooling temperature on oil-holding capacity and melting point

如图3所示，当冷却温度从0 ℃升高至5 ℃时，凝胶的持油性和熔点相对较高，并且随温度变化不显著，当冷却温度从5 ℃升高至20 ℃时，凝胶的持油性显著下降至93%。这种变化主要是由于当温度降至凝胶温度以下时，凝胶剂分子间结合在一起形成凝胶结构[22]，低温冷却可以促进肉桂酸结晶结构的形成，此时形成的晶体结构尺寸较细小紧密，从而表现较高的持油性和熔点；在冷却温度5～20 ℃范围内，凝胶剂分子结合过程中形成的结晶结构不稳定导致液态油脂不能有效地被包裹住，并且温度过高会造成结晶不完全导致油相的析出[23]，引起持油性和熔点的降低。

2.2 油脂凝胶流变特性分析

为考察油脂凝胶的流变学行为，分析和预测油脂凝胶的形成，以肉桂酸添加量10%、加热温度85 ℃、冷却温度5 ℃条件下得到油脂凝胶（图4）为对象，进行流变特性分析。储能模量（G’）与损耗模量（G”）随频率变化曲线如图5所示。在频率扫描范围内，样品的G’明显大于G”，说明样品形成了凝胶结构，李满香等[23]对棕榈硬酯类油脂凝胶的流变研究结果与此结果类似。此外，还可以看出油脂凝胶体系的G’随着扫描频率的增加变化趋势不明显，根据G’的变化趋势可以推测出油脂凝胶结晶结构是通过肉桂酸与肉桂酸分子间或者肉桂酸与米糠油的非共价交联产生的[24-25]。

图4 油脂凝胶样品图片Fig.4 Visual appearance of organogel

图5 油脂凝胶在1～100 Hz范围内G’和G”变化Fig.5 G’ and G” of organogel during frequency scanning from1 to 100 Hz

图6 油脂凝胶在10～100 ℃范围内G’和G”变化Fig.6 Changes in G’ and G” values in the temperature range of 10 to 100 ℃

利用流变仪检测温度变化过程中具体参数动态的变化，当储能模量（G’）远大于损耗模量（G”）时，样品呈现固体性质，主要发生弹性形变；反之，材料呈现液体性质，主要发生黏性形变[26]。从图6可以看出，在温度升高的过程中，G’和G”表现一个先平缓降低再迅速降低的过程，在初始升温阶段（10～40 ℃），G’始终大于G”，凝胶体系主要表现为固体特性，表示体系还处于凝胶结构状态；温度继续上升，一直到交点出现，G”开始大于G’，凝胶主要表现液体特质，表示凝胶体系的结晶解体，该现象符合肉桂酸类油脂凝胶的研究结果[27]；这一现象主要由于在一定的剪切速率下，由于油脂凝胶结构中的片层结构的强度在最初的升温阶段会缓慢地降低，随着温度的升高，油脂颗粒的无规则运动加剧以及肉桂酸晶体间解聚，造成物理连接点断裂，凝胶剂分子和液态油脂间的非共价相互作用消失，从而导致部分晶体结构的破坏，三维晶体网络结构断裂，流变仪反映出的结果就是G”的显著增加、G’的迅速降低[24]。

图7 油脂凝胶在1～100 Hz范围内黏度变化Fig.7 Changes in viscosity of organogel during frequency scanning from1 to 100 Hz

凝胶的触变性是具有一定黏弹性的物质在静置状态下表现出相对稳定的状态，在受到外力作用下，变为一种流动的、相对低黏态流体的过程中表现出的抗挤压能力[28]。从图7可以看出，米糠油脂凝胶的黏度值随剪切速率的变化而变化，说明该凝胶体系具有触变性，在一定条件下具有一定抵抗外力的能力。油脂凝胶的黏度随着剪切速率的增加逐渐减小，即“剪切变稀”现象，表现出假塑性流体特性。通常，一般假塑性体符合幂律方程[28]。其方程为式（3）：

对公式（3）进行对数处理，得公式（4）：

式中：K为稠度系数/（Pa·s），是与流动指数有关的经验常数，K越大，液体越黏稠；n值是假塑性程度的量度，n越偏离1，剪切越易变稀，即假塑性程度越大[28]；η为表观黏度/（Pa·s）；γ为剪切速率/s-1。

通过Origin 8软件对被测试的肉桂酸基油脂凝胶的表观黏度-剪切速率曲线进行拟合得到图8。从图8可以看出，拟合后的直线与实验数据（散点）契合较完全，通过计算截距和斜率可得出稠度系数K和幂律指数n见表1，拟合函数的R2在0.985～0.990之间，说明表观黏度和剪切速率实验数据的关系符合幂律方程关系，进一步证明该凝胶体系属于假塑性流体范畴。油脂凝胶随着剪切速率增大，颗粒解聚的同时沿流动方向有序定向排列，导致结晶结构的伸长。这可能是造成其剪切变稀的主要原因[29]。

图8 油脂凝胶log2γ与log2η关系图Fig.8 Relationship between log2γ and log2η of the organogel

表1 油脂凝胶黏度的稠度系数和幂律指数Table1 Consistency coeff icient and power-law index of the orgenogel

2.3 油脂凝胶晶型分析

图 9 凝胶样品X-射线衍射图谱Fig. 9 X-ray diffraction pattern of the organogel

从图9可以看出，凝胶样品在不同区域出现了不同的衍射峰，说明油脂凝胶存在同质多晶现象[30]。根据衍射峰可以将结晶分为3 种类型：α型（单衍射峰在0.42 nm）、β’型（双衍射峰在0.38 nm和0.42 nm）、β型（单衍射峰在0.46 nm）；油脂凝胶的X-射线衍射图谱在0.45 nm处存在强衍射峰，即表明凝胶油中主要存在β晶型；而在0.35 nm处存在中强度衍射峰，表明其中还存在β’晶型，该结果与朱小勇等[28]研究的不同种类蜡质油脂凝胶的结果基本一致，同时Higaki等[30]还指出α晶型的存在以及α晶型向β、β’晶型的转变也是油脂凝胶形成的必要条件。

2.4 油脂凝胶结晶形态分析

油脂凝胶样品在显微镜下进行观察，其形成的晶体形态如图10所示。样品在荧光显微镜下结晶细小，分布均匀，呈条线状结晶，密集的堆积形成结晶结构，部分呈现小的结晶颗粒。凝胶网络结构形成过程包括晶核生成（成核）和晶体生长2 个阶段，这两方面的共同作用使得晶簇只能以随机排列的方式形成凝胶结构[31]，凝胶体系与外界的温差形成结晶驱动力，通过分子间弱相互作用自组装或一定程度聚集堆砌排列，促使凝胶网络的形成[32]，肉桂酸引起的结晶行为使油脂凝胶具有一定流变学特性。

图 10 凝胶样品显微镜图像Fig. 10 Microscopic image of the organogel

3 结 论

本实验表明，肉桂酸添加量、加热温度和冷却温度对肉桂酸基油脂凝胶都有不同程度的影响，当肉桂酸添加量10%、加热温度85 ℃、冷却温度5 ℃，得到的油脂凝胶能够形成较好的凝胶结构，此时凝胶的持油性达到95%左右，熔点接近40 ℃；通过流变特性研究结果显示，肉桂酸基油脂凝胶具有一定抗挤压能力，样品的表观黏度-剪切速率的关系符合幂律方程关系，凝胶体系属于假塑性流体范畴；在频率扫描范围内，油脂凝胶的G’明显大于G”，样品形成了凝胶结构，该结构主要是通过肉桂酸与肉桂酸分子间或者肉桂酸与米糠油的非共价物理交联产生的；结晶特性研究结果显示，样品中存在同质多晶现象，并且含有β和β’2 种晶体类型，结晶结构明显并且均匀的分布在整个体系中。