植物油脂凝膠的氧化穩(wěn)定性及貨架期預(yù)測

劉龍龍 - 王家鑌 - 陳治同 -

趙月瑩1ZHAO Yue-ying1 張 華1,2ZHANG Hua1,2 崔明勛1,2CUI Ming-xun1,2

脂類是日常生活所必需的營養(yǎng)物質(zhì)之一，其中固體脂肪在食品加工中具有賦予產(chǎn)品特殊的口感，延長保質(zhì)期等特點[1]。以牛油、豬油等動物油為基底的固體脂肪具有理想的塑性范圍，但由于動物油的脂肪酸組成的缺陷，容易出現(xiàn)返砂晶體，破壞產(chǎn)品的穩(wěn)定性和延展性[2-3]。目前大部分應(yīng)用于食品中的固體脂肪由植物油通過加氫催化制成，氫化使得油脂的飽和度降低，從而使油脂硬化，但氫化不徹底會產(chǎn)生大量的反式脂肪酸(TFAs)[4]。攝入過量反式脂肪酸會增加患心血管疾病、肥胖、炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等疾病的風(fēng)險[5]。

近年來，出于對健康和營養(yǎng)的需求，人們迫切尋找一種TFAs含量低且穩(wěn)定性高的固體脂肪應(yīng)用于食品加工中。油脂凝膠是一種由具有三維結(jié)構(gòu)的凝膠劑和液態(tài)植物油組成的固體脂質(zhì)體系[3]，其制備條件溫和且不會生成TFAs。天然植物油多含豐富的多不飽和脂肪酸，而多不飽和脂肪酸具有治療心血管疾病、抗炎、抗癌、抗衰老和改善老年癡呆等功能[6-9]，可作為制備油脂凝膠的基油。但植物油貯藏過程中易發(fā)生氧化酸敗。目前，用于延緩油脂氧化酸敗的方法一般為添加天然或合成抗氧化劑，天然抗氧化劑可能帶入抗氧化劑本身的氣味，影響油脂的口感；而合成抗氧化劑的安全性一直頗受質(zhì)疑[10]。而且添加抗氧化劑無法改變液態(tài)油的塑性。羅晶等[11]研究發(fā)現(xiàn)，12-羥基硬脂酸有機凝膠劑制備的大豆油凝膠不但具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而且能夠有效減緩油脂氧化；Han等[12]研究表明卵磷脂和谷甾醇聯(lián)合可成功制備植物油凝膠，且其具有良好的穩(wěn)定性。不僅如此，Pan等[13]的研究表明單月桂酸甘油酯制備的山茶油凝膠過氧化值(POV)和硫代巴比妥酸值(TBA)較低，氧化穩(wěn)定性較高。因此，油脂凝膠可作為固體脂肪的有效替代品，且能夠提高油脂本身的穩(wěn)定性。油脂凝膠最大的難題在于尋找新型的可食用凝膠劑，谷甾醇和卵磷脂不僅價格低廉、可食用，而且磷脂的加入解決了單一小分子無法形成凝膠、溶解度低的問題，能夠形成穩(wěn)定的油脂凝膠[14]。

目前，對于谷甾醇與卵磷脂作為凝膠劑制備油脂凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和能否延長貨架期的研究較少，因此研究擬以大豆油(SBO)、菜籽油(RSO)為基油，選用谷甾醇/卵磷脂為凝膠劑來制備大豆油凝膠(SBG)和菜籽油凝膠(RSG)，與牛油(BT)、SBO和RSO作對比，通過計算POV值和TBA值對所制備的2種油脂凝膠在貯藏過程中的氧化穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過氣相色譜(GC)和X射線衍射(XRD)監(jiān)測貯藏過程中脂肪酸和晶型結(jié)構(gòu)的變化來研究其氧化機制及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；并采用OXITEST方法對油脂凝膠貨架期進(jìn)行預(yù)測，以期提高植物油的貨架期，為油脂凝膠的貯藏和加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽油(低芥酸、三級油)、大豆油(三級油)、牛油：市售；

谷甾醇(>75%)、卵磷脂(>90%)、正丁醇、正已烷：色譜純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；

三氯甲烷、冰乙酸、硫代硫酸鈉、淀粉、2’-硫代巴比妥酸、氘代氯仿、氫氧化鈉、甲醇、三氟化硼：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平：ME104型，梅特勒—托利多國際有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-1246型，常州鴻澤實驗科技有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-1800型，上海美譜達(dá)儀器有限公司；

核磁共振儀：AV-600型，瑞士布魯克公司；

X-射線衍射儀：D/Max 2200VPC型，日本理學(xué)電子公司；

氣相—質(zhì)譜儀：2010PLUS型，日本島津公司；

油脂氧化分析儀：OXITEXT型，北京盈盛恒泰科技有限責(zé)任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品的制備 根據(jù)文獻(xiàn)[15]修改如下：稱取20 mL樣品油，添加油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的谷甾醇與卵磷脂形成的低分子量復(fù)合凝膠劑(m谷甾醇∶m卵磷脂為6∶4)，100 ℃下磁力攪拌30 min，使凝膠劑充分溶解于油中，于4 ℃冰箱中貯藏24 h。稱取100 g制備好的樣品裝在統(tǒng)一大小的敞口棕色瓶中，置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中貯藏35 d，每隔5 d進(jìn)行試驗。

1.3.2 POV測定 按GB 5009.227—2016執(zhí)行。

1.3.3 TBA測定 按GB/T 35252—2017執(zhí)行。

1.3.4 脂肪酸測定

(1) 甲酯化：根據(jù)仇宏圖等[16]的方法并修改，稱取30 mg樣品，加入1.5 mL 0.5 mol/L氫氧化鈉甲醇溶液，搖勻，95 ℃以上反應(yīng)3 min，冷卻，再加入2 mL體積分?jǐn)?shù)為14%的BF3甲醇溶液， 95 ℃下反應(yīng)2 min，冷卻，加入1 mL飽和氯化鈉和2 mL正己烷，提取脂肪酸甲酯經(jīng)過無水硫酸鈉干燥后用于氣相分析。

(2) GC條件：毛細(xì)色譜柱DM-5(30 m×250 μm，0.25 μm)。進(jìn)樣口溫度220 ℃；分流比10∶1；隔墊吹掃3 mL/min。程序升溫：初始溫度60 ℃，保持3 min，以5 ℃/min的升溫速率升至150 ℃，再以10 ℃/min上升至250 ℃，保持30 min。離子源溫度200 ℃，連接器溫度220 ℃，柱流量1 mL/min，總流量14 mL/min。

1.3.5 X-射線衍射(XRD)測定 根據(jù)Judde等[17]方法并修改，取適量的樣品平鋪在檢測片上，儀器測試條件設(shè)定為：Cu-Kα放射源(λ=0.154 056 nm)，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，2θ角掃描范圍10.0°～30.0°，掃描步長為0.02°，掃描速率為2 ℃/min，發(fā)射和防反射狹縫1 mm，接受狹縫0.1 mm，測試溫度為25 ℃。

1.3.6 氧化穩(wěn)定性和貨架期測定 采用OXITEST法對油脂及其凝膠(準(zhǔn)確稱取10 g)進(jìn)行分析，純氧壓力0.6 MPa，90 ℃恒溫，使用兩個不同的反應(yīng)室做重復(fù)試驗。氧化穩(wěn)定性通過誘導(dǎo)期(IP)值反映。對油脂及其凝膠在3種不同溫度(70，80，90 ℃)下進(jìn)行加速貨架期試驗。使用儀器自帶的OXISoftTM程序，通過圖解法自動計算氧化曲線的IP值及其貨架期。

1.3.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”表示，平行試驗至少3次，采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 油脂及其凝膠的POV和TBA值變化

由圖1可知，隨著貯藏時間的延長，動植物油脂及其凝膠的過氧化值整體上呈上升趨勢。RSO的過氧化值變化最大。至貯藏末時，RSO過氧化值達(dá)到4.315 mmol/kg，SBO為1.607 mmol/kg，RSG為3.130 mmol/kg，SBO為1.210 mmol/kg，BT為0.478 mmol/kg。這是因為菜籽油中不飽和脂肪酸含量高于大豆油的，較易發(fā)生氧化反應(yīng)。而動物油與植物油相比，含有更高的飽和脂肪酸，因此有更好的氧化穩(wěn)定性。油脂凝膠的POV值較原油低，可能是因為β-谷甾醇與卵磷脂發(fā)生過氧化自由基反應(yīng)，并猝滅單一態(tài)的氧分子和對卵磷脂雙分子層進(jìn)行排序而發(fā)揮其抗氧化作用，同時，β-谷甾醇分子中的羥基和卵磷脂分子中的脂肪酸酯的羰基間可形成氫鍵，使得油脂過氧化被抑制[18]。貯藏過程中5種樣品的TBA值變化趨勢基本與POV值一致，其值大小順序為RSO>SBO>RSG>SBG>BT(見圖2)。0～20 d，TBA值無明顯變化，主要是因為前20 d產(chǎn)生的初級氧化產(chǎn)物(主要為氫過氧化物)少，未能產(chǎn)生大量次級氧化產(chǎn)物。脂肪氧化鏈反應(yīng)的傳遞是一種自由基反應(yīng)，若這一傳遞過程受到阻礙則會導(dǎo)致次級氧化產(chǎn)物生成降低。油脂及其凝膠TBA值比較結(jié)果表明油脂凝膠形成的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?qū)χ|(zhì)自由基的傳遞起到一定的“阻礙”效果，即其能有效抑制次級氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生[19]。

圖1 貯藏過程中油脂及其凝膠的過氧化值Figure 1 POV of oils and their oleogels during storage

圖2 貯藏過程中油脂及其凝膠的TBA值Figure 2 TBA value of oils and their oleogelsduring storage

2.2 脂肪酸組分和含量變化

由表1可知，RSO和SBO制備成RSG和SBG后脂肪酸組成無明顯差異，這一結(jié)果表明油脂凝膠的制備并不會對油脂的脂肪酸造成破壞。另外，隨著氧化時間的延長，SBO和RSO中主要的不飽和脂肪酸C18:1，C18:2，C18:3的含量比RSG和SBG中的下降幅度更大，這是因為油脂凝膠比油脂更加穩(wěn)定。BT中C18:3含量遠(yuǎn)低于SBO和RSO中的，表明脂肪酸組成的不同與BT有更高的氧化穩(wěn)定性有極大的關(guān)系，諸多學(xué)者[20-22]研究表明C18:1，C18:2，C18:3同時存在時，C18:2和C18:3首先開始氧化，且C18:2和C18:3含量越高，氧化速度越快，這與試驗結(jié)果完全一致。在貯藏過程中BT的各種脂肪酸相對含量變化較小，表明它具有很強的脂肪酸保護(hù)機制，這可能與它獨特的甘油三酯組成和脂肪酸排列有關(guān)。

由圖3可知，兩個主成分的總變異為99.1%，其中PC1為64.1%，PC2為35.0%，兩個主成分基本代表了樣品的主要特征信息。單從脂肪酸含量并不能夠有效地區(qū)分油脂凝膠和原油，表明油脂凝膠的制作不會對脂肪酸造成破壞。

2.3 XRD分析

如圖4所示，液體油RSO和SBO無晶體結(jié)構(gòu)，而在油脂凝膠系統(tǒng)中，RSG和SBG衍射峰極為相似，說明油脂類型對凝膠的結(jié)構(gòu)并無很大影響，與李丹等[23]研究結(jié)果一致。在第0～30天時，RSG與SBG中主要的晶型的短間距值均集中在0.590,0.460,0.420,0.386 nm附近；而BT的短間距值主要集中在0.420,0.386 nm附近，表明凝膠和動物油之間存在的晶型并不完全一致，這也是BT的氧化穩(wěn)定性不同于SBG和RSG的原因之一。經(jīng)典油脂學(xué)認(rèn)為0.460 nm附近的短間距值為β晶型的特征衍射峰，而0.380～0.420 nm的為β′晶型，在凝膠體系中出現(xiàn)的衍射信號可認(rèn)為是β和β′晶型的衍射峰,具有這種兩種晶型的凝膠口感好，熔點較高，穩(wěn)定性也好[24]。放置30 d RSG和SBG晶型結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，說明凝膠在氧化過程中仍然能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2.4 氧化穩(wěn)定性及其貨架期

90 ℃下，油脂及其凝膠的IP值大小依次為RSG>SBG>RSO>BT>SBO(圖5)。這一結(jié)果表明凝膠比油脂具有更好的氧化穩(wěn)定性。此外，利用OXITEST法在高溫高壓(70，80，90 ℃；0.6 MPa)條件下對油脂貨架期進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果如表2所示，RSG與SBG相比，SBG具有更長的貨架期，這不僅與它們的脂肪酸組成有關(guān)，也可能與大豆油中的某些成分(各類磷脂等)溶出與凝膠劑結(jié)合，形成更加穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖3 油脂及其凝膠的PCA圖Figure 3 PCA of oils and their gels

3 結(jié)論

通過加速氧化試驗，研究了油脂凝膠在貯藏過程中過氧化值和硫代巴比妥酸值的變化。結(jié)果表明:油脂凝膠能夠抑制初、次級產(chǎn)物的生成，且在短期的貯藏過程中菜籽油凝膠和大豆油凝膠的晶型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。另外，凝膠結(jié)構(gòu)能夠抑制菜籽油凝膠和大豆油凝膠中的C18:2和C18:3等不飽和脂肪酸的氧化，達(dá)到延長貨架期的目的。油脂凝膠能夠直接改變油脂的物理性狀，有效提高油脂的貨架期，相比于菜籽油，大豆油有更好的氧化穩(wěn)定性、外觀及貨架期，因此，更適合制備油脂凝膠。油脂凝膠的制備對植物油的進(jìn)一步開發(fā)利用有著重要的意義，是一種控制油脂氧化的有效策略。

圖4 油脂及其凝膠在貯藏過程中的XRD圖Figure 4 XRD patterns of oils and their oleogels during storage

圖5 90 ℃下油脂及凝膠的IP值Figure 5 IP value of oils and theiroleogels at 90 ℃

表2 OXITEST測定貨架期結(jié)果?Table 2 Results of accelerated shelf-life test conducted with OXITEST