差示掃描量熱技術研究甘油二酯的熱力學性質

趙欣欣，杜洪振，李龍祥，孔保華

（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

甘油二酯（Diacylglycerol，DAG）是由一分子甘油與兩分子脂肪酸酯化后得到的產物，包括1，2（2，3）-DAG和1，3-DAG兩種同分異構體。它是一種廣泛存在于各種動植物油脂中的天然微量成分[1]，其代謝途徑不同于甘油三酯（Triacylglycerol，TAG），食用后在體內不蓄積，也不會引起餐后血脂水平的升高，能夠預防動脈粥樣硬化及心血管疾病[2]。并且口感與普通油脂無異，能夠滿足人們對油脂風味的要求。近幾年對DAG的營養特性和其對生理功能影響的研究表明DAG食用后能夠降低餐后TAG的水平[3]，還有研究表明用含有DAG的油脂替代傳統油脂，能夠抑制體重增加[4]、減少內臟脂肪[5]。并且由于DAG的分子結構中具有親水的羥基，它能夠顯示出界面性質和表面活性，使其更加適合作為乳化劑和表面活性劑。同時DAG還具有安全、營養、人體相容性高、加工適應性好等諸多優點，因此，DAG可以作為一種多功能添加劑其應用十分廣泛，尤其是在食品和化妝品行業中[6]。DAG具有不同于TAG的熔點，熔化和結晶性質[7]。一般來說，與脂肪酸組成相同的TAG相比，DAG的熔點范圍相對較高[8]，這一特性使得DAG可以作為高熔點組分用于改善產品的質地。但是不同的來源的DAG含量不同，其初始結晶溫度、峰值溫度和熱晗值等熱力學性質也不同。因此，對不同來源DAG的熱力學性質的研究工作顯得尤為重要。差示量熱掃描法（Differential scanning calorimetry，DSC）是DAG熱力學性質研究中應用最廣泛的熱分析技術之一[9]。

DSC是一種測量物質熱力學性質的熱分析方法。它能夠在程序控溫下，通過加熱或冷卻物質，自動地、連續地測量試樣的物理性質與溫度的關系[10]，同時記錄相應的DSC曲線，研究不同物質的熱力學性質[11]，已經被廣泛應用于植物油研究領域[12]。DSC具有試樣用量少（只需幾毫克或十幾毫克）、分辨率高、適用范圍廣、無需化學處理、操作簡單、快速，重現性好等優點，在醫藥、食品和材料等行業都有廣泛的應用[13]。因此，本文主要對差示掃描量熱技術的原理和分類進行了論述，進一步對該技術在甘油二酯的熱力學性質的研究方面進行了綜述。

1 DSC技術的基本原理及技術分類

DSC技術是在程序控溫下，高準確度和高精密度地測量流入樣品與參比物的熱量差或功率差隨溫度或時間的變化[14]，通過差示掃描量熱儀記錄到DSC曲線，該曲線以溫度T或時間t為橫坐標，樣品吸熱或放熱的速率，即熱流率dH/dt為縱坐標[15]。DSC曲線的每一個峰都與一個特殊的物理化學過程有關。利用差示掃描量熱儀可以定性和定量地分析樣品的多種熱力學和動力學參數，如熔融晗、熔點和結晶速率等[16]。隨著溫度的不斷升高或降低，樣品的結構和理化性質會發生改變，而結構和狀態的改變也會使熱力學和動力學參數發生改變，通過DSC技術測量熱力學和動力學參數的變化，就可以得到樣品結構和理化性質變化的一些信息。

根據測量方法的不同，DSC可分為兩種類型：功率補償型DSC和熱流型DSC。功率補償型差示掃描量熱儀是樣品和參比物在分別具有獨立的熱源和溫度傳感元件的條件下，即樣品和參比物的溫差接近零的情況下，直接根據功率差計算熱晗。其優點是溫度控制和測量精度高，升降溫速率快，分辨率高；但是因功率補償型是采用兩個單獨的爐子加熱，即一個爐子放空白，另一個爐子放樣品，使用時間較長的機器易因樣品的污染而導致兩個爐子不對稱，從而出現基線不穩的問題。主要是以PerkinElmer公司的DSC為代表[17]。而熱流型差示掃描量熱儀是樣品和參比物在同一熱源和溫度傳感元件的條件下，測量樣品和參比物的溫差，再將溫差換算成熱晗。其優點是基線穩定，這是因為兩個坩堝在同一爐子里加熱，從而保證樣品和空白在同一條件下；但是傳統的熱流型差示掃描量熱儀升降溫速率較慢。主要是一些除了Perkin Elmer公司以外，其他儀器公司生產的DSC[18]。新發展的紅外加熱爐則能克服升降溫速率較慢的問題。

2 DSC在甘油二酯熱力學性質研究中的應用

DAG作為一種安全的功能性油脂，其來源廣泛，主要通過食用油如棕櫚油[19]、大豆油[20]、橄欖油[21]和豬油[22]等來制備，而在DAG理化性質方面，研究較多的是將不同來源的DAG與其原料油以及其他油脂混合，這不僅有助于改善油脂的營養品質，而且能夠產生特定理化性質的衍生產品[23]。

DSC技術是油脂研究中最常用的熱分析技術，是研究油脂熔融曲線和結晶曲線的重要方法。越來越多地被應用于不同油脂性質的研究[24]，該技術通過監測焓變和TAG的相行為來研究油脂的一些與能量相關的物理化學變化[25]。DAG與天然油脂一樣，都是混合物，因此沒有確定的熔點和結晶點，熔點和結晶點都是一個溫度范圍，但是DAG能夠顯示出熔融和結晶曲線。通過DSC升溫和降溫可以測定DAG的熔融曲線和結晶曲線。

2.1 功率補償型DSC在甘油二酯熱力學性質研究中的應用

2.1.1 功率補償型DSC在棕櫚油甘油二酯熱力學性質研究中的應用

棕櫚油作為世界上生產量最大的植物油，其原料及其衍生物棕櫚油精被廣泛用作塑性脂肪[26]。棕櫚油經分餾，可以得到許多組分，包括油精、超級油精和頂級油精。由于棕櫚油飽和脂肪酸含量高，結晶緩慢和后硬化問題，因此制備棕櫚油及衍生油脂甘油二酯，并將其與棕櫚油及衍生油脂混合，不僅可以提高棕櫚油產品的營養價值，而且能夠改善產品的質地、口感和涂抹性能[27]。甘油二酯的濃度影響油脂的初始結晶溫度和熔點。Ng等[28]采用Perkin Elmer DSC-7研究棕櫚油甘油二酯與棕櫚超級油精混合的熱力學性質。結果表明，棕櫚油甘油二酯（0%～100%）與棕櫚超級油精（100%～0%）混合，隨著棕櫚油甘油二酯添加量的提高，能夠顯著提高棕櫚超級油精的初始結晶溫度，這與Cheong等[22]和Saberi等[29]的研究結果相一致，而初始結晶溫度的差異主要是由于DAG和TAG結構的差異。此外，隨著棕櫚油甘油二酯添加量的提高，也能夠顯著提高棕櫚超級油精的熔點，其主要原因是二飽和DAG比例的提高。這是因為DAG較TAG熔點更高，而不是由于TAG與DAG脂肪酸的差異[30]。Saberi等[31]采用Perkin Elmer Pyris 8000 DSC研究棕櫚油與棕櫚油甘油二酯混合的相行為。研究結果表明，與棕櫚油相比，隨著棕櫚油甘油二酯添加量的提高（10%～40%），棕櫚超級油精的初始結晶溫度顯著提高。而當添加30%～100%的棕櫚油甘油二酯，在較高的熔融區域出現一個新的放熱峰，這表明棕櫚油甘油二酯在較高的溫度區域發生結晶，同時棕櫚油甘油二酯與高熔點棕櫚油發生了重結晶。

此外，DAG的濃度還會對油脂晶型的轉變產生影響。Saberi等[29]采用Perkin Elmer Pyris 8000 DSC研究棕櫚油與棕櫚油甘油二酯混合的結晶動力學，通過將樣品降溫至不同預設溫度，研究一定溫度條件下棕櫚油與棕櫚油甘油二酯混合物的等溫結晶曲線，隨著預設溫度的提高，第一個結晶峰的強度減弱，并最終在某一特定的結晶溫度下消失。這可能是因為產生了不穩定的ɑ晶型（也可能是與β'的混合晶型），并且在等溫結晶的初始階段轉變為β晶型[32]。此外還發現與棕櫚油相比，只需5%的棕櫚油甘油二酯濃度就能夠延遲與β晶型有關的峰的出現，且能夠減弱相關峰強度；而當棕櫚油甘油二酯濃度的達到10%能夠使與β晶型有關的峰消失。這表明棕櫚油甘油二酯（10%）可能用作棕櫚油產品中的β'穩定的中間體。

2.1.2 功率補償型DSC在豬油甘油二酯熱力學性質研究中的應用

豬油，俗稱葷油，是一種高級飽和脂肪酸甘油酯。豬油甘油二酯的濃度影響其與原料或其他油脂混合的熔融和結晶性質。Miklos等[33]采用Perkin Elmer Pyris 6 DSC研究豬油甘油二酯與豬油混合的理化性質。結果表明，低濃度（1%～20%）的DAG降低了混合油的熔點，而高濃度（50%～100%）的DAG提高了混合油的熔點。這主要是因為低濃度的DAG占據了TAG的晶核位點而抑制晶核的形成和晶體的生長，而高濃度的DAG因自身形成大量的新晶核而促進結晶。此外，當添加的DAG含量為1%～5%和50%～90%時，都會在結晶的初始階段出現一個或兩個新的峰，這主要是因為豬油甘油二酯與高熔點的豬油甘油三酯發生了重結晶。而且隨著DAG的濃度（10%～100%）的增大，初始結晶溫度也會升高，這表明DAG促進混合油晶核的形成和晶體的生長。Cheong等[22]采用Perkin Elmer Pyris 6 DSC研究豬油甘油二酯與菜籽油混合的熔融和結晶性質。結果表明，在低過冷度時，添加低濃度（5%～10%）的DAG時，出現較寬的熔融峰，這表明低濃度的豬油甘油二酯會抑制混合油的晶核的形成和晶體的生長速率，這主要是由部分甘油酯（DAG）導致的。而添加高濃度（20%～50%）的DAG，出現較窄的熔融峰，這表明高濃度的DAG會促進混合油的晶核的形成和晶粒的生長。

2.2 熱流型DSC在甘油二酯熱力學性質研究中的應用

2.2.1 熱流型DSC在棕櫚油甘油二酯熱力學性質研究中的應用

棕櫚油甘油二酯與其他油脂混合，能夠提高油脂的初始結晶溫度、結束熔融、熔融晗和結晶晗等熱力學參數。Xu等[34]采用TA Q2000 DSC研究棕櫚油甘油二酯與棕櫚油精甘油二酯混合的熱力學性質。結果表明，與棕櫚油和不同濃度的棕櫚油精（0%～100%）的混合油的結束熔融溫度相比，棕櫚油甘油二酯和不同濃度的棕櫚油精甘油二酯（0%～100%）的混合油的結束熔融溫度較高，這可能是由于雙棕櫚酸甘油酯具有較高的熔點，或是由于DAG的存在，在棕櫚油甘油二酯中形成了混合晶體。而且富含不同濃度的DAG的油脂混合后，初始熔融溫度、結束熔融溫度和熔融晗均顯著高于相應的原料油的混合，其較高的熔融晗表明，與棕櫚油和棕櫚油精的混合油相比，富含DAG的油脂混合時需要更多的能量來熔融固態脂肪。此外，后者的最后一個放熱峰向較高溫度區域移動，可能的原因是棕櫚酰油酰甘油和雙棕櫚酸甘油酯具有較高的熔點，或是DAG與高熔點的TAG組分發生了重結晶。而且后者也具有較高的初始結晶溫度，這可能是由于后者的DAG含量顯著高于前者，而DAG是棕櫚油精和棕櫚油中促進晶核的形成和晶體的生長的主要組分。同時，后者的結晶晗也比前者高很多，這表明隨著發生結晶的分子數量的增加，棕櫚油和棕櫚油精甘油二酯體系釋放出了更多的能量。

等溫結晶溫度會對油脂結晶行為產生影響。O－liveira等[35]采用TA Q2000 DSC研究棕櫚油甘油二酯對棕櫚油結晶性質的影響。通過等溫DSC研究樣品降溫至25℃，并保持120 min的過程中的經精煉、漂白和脫臭處理（Refined，bleached，and deodorized，RDB）的棕櫚油與再經純化除去DAG的棕櫚油的結晶曲線。結果表明，與RDB棕櫚油相比，經純化除去DAG的棕櫚油結晶峰較弱，且達到最大結晶強度需要的時間更長，這表明DAG影響棕櫚油的成核時間和結晶速率，這主要是因為經純化的棕櫚油，除去了DAG，提高了三飽和程度，而三飽和程度越大，成核時間需要的時間越長，結晶速率越慢；此外，經純化的三飽和TAG的第一個結晶峰與第二個結晶峰相融合，這表明隨著DAG的除去，形成了更加均勻的結晶。

2.2.2 熱流型DSC在花生油甘油二酯熱力學性質研究中的應用

花生油甘油二酯與花生油混合，能夠提高混合油的初始結晶溫度和結束熔融溫度。花生油富含單不飽和脂肪酸、VE、葉酸、蛋白質等，尤其是sn-2位不飽和亞油酸（重要的營養，因為在消化過程中sn-2位脂肪酸可以被保留，而通過胰脂酶作用，sn-1和sn-3位脂肪酸暴露）[36]。Long等[37]采用TA Q100 DSC研究花生油甘油二酯與花生油混合的熱力學性質。與花生油的初始結晶溫度（-2.19℃）相比，花生油甘油二酯的初始結晶溫度（18.70℃）相對較高；而與花生油的結束熔融溫度（11.45℃）相比，花生油甘油二酯的結束熔融溫度（28.31℃）也相對較高。花生油與花生油甘油二酯的DSC熱分析的差異主要是由于花生油甘油二酯含有含量較高的飽和脂肪酸和甘油酯結構的差異。

3 總結

DAG作為一種安全健康的功能性油脂和應用廣泛的多功能添加劑，因其熔點范圍相對較高，而作為高熔點組分添加到產品中，用于改善產品的質地。此外，由于DAG來源廣泛，而不同來源的DAG的初始結晶溫度、峰值溫度和熱晗值等熱力學性質不同。因此研究不同來源的DAG的熱力學性質非常重要。DSC技術能夠測定油脂的初始結晶溫度、峰值溫度和熱晗值等熱力學和動力學參數，在甘油二酯的熱力學性質研究中發揮著越來越重要的作用。但DSC技術對甘油二酯的熱力學性質研究過程中也存在一些局限性：如對于一些包含復雜的和弱的轉變的譜圖，DSC難以識別出起作用的單個組分。此外，樣品的重量、大小和取樣的不均一性均會對結果產生影響。因此在將DSC技術用于甘油二酯的熱力學性質研究時，常與紅外光譜法、X射線衍射法和核磁共振法等方法聯合使用，以彌補單一方法的不足。而且隨著DSC技術本身的不斷提高，其在甘油二酯的熱力學性質的研究中將得到更廣泛地應用。

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