楊靜怡，鄭紅霞，高彥祥，毛立科

（中國(guó)輕工業(yè)健康飲品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院 北京 100083）

凝膠作為一種具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散體系，是由溶膠或溶液中的膠體粒子或高分子在一定條件下互相連接而成的[1]，根據(jù)溶劑的極性可以分為水凝膠和有機(jī)凝膠。雙凝膠是通過水凝膠和有機(jī)凝膠在高剪切速率下混合而成的一種雙相體系，最早由Almeida 等[2]提出，它結(jié)合并保留了每種凝膠體系的優(yōu)點(diǎn)，作為一種新型的半固體材料具有良好的應(yīng)用前景[3-4]。相比于傳統(tǒng)水凝膠，雙凝膠更適合作為局部和經(jīng)皮給藥載體，具有更高的累計(jì)滲透量和更好的機(jī)械穩(wěn)定性[5-6]。油凝膠存在的難以接受的黏性和油性殘留的問題也得到改善[3]。與其它雙相體系如乳液凝膠不同，由于雙凝膠由結(jié)構(gòu)化的內(nèi)、外相組成，內(nèi)相黏度的增加使其填充效果更優(yōu)良，并且內(nèi)相的油浸出量可以忽略[7]。雙凝膠具有同時(shí)輸送親水性與親油性兩種活性物質(zhì)的能力，具有良好的保濕效果和可水洗性，可調(diào)節(jié)參數(shù)多，還可以作為一種結(jié)構(gòu)化的方式應(yīng)用于食品中，如作為脂肪代替物，在保持食品質(zhì)地的同時(shí)降低脂肪含量[8-9]。雙凝膠在許多領(lǐng)域得到關(guān)注，雖然近年來對(duì)其已有一些研究，但是大多數(shù)集中在醫(yī)藥和化妝品領(lǐng)域[9-11]，在食品領(lǐng)域的研究非常有限。

雙凝膠的機(jī)械特性、結(jié)構(gòu)特性和流變學(xué)特性與其在不同食品領(lǐng)域中的應(yīng)用關(guān)系密切，如產(chǎn)品機(jī)械和流變學(xué)特性與消費(fèi)者的消費(fèi)選擇和接受度相關(guān)。當(dāng)應(yīng)用于冷凍制品時(shí)，貯藏過程中雙凝膠樣品抵抗溫度改變引起的負(fù)面物理變化的能力，是其能否被有效利用的重要指標(biāo)。目前研究證明這些特性可以通過調(diào)整雙凝膠中油水相結(jié)構(gòu)、油水相比例、制備條件來調(diào)控[12]。Fasolin 等[13]在結(jié)冷膠和單甘酯制備的體系中探究了油水凝膠劑濃度、油水相比例以及攪拌速率對(duì)體系性質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)油水相比例對(duì)體系流變性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性以及結(jié)構(gòu)特性影響最顯著。Martins 等[14]發(fā)現(xiàn)隨著油凝膠添加量的增加，水凝膠網(wǎng)絡(luò)被破壞而出現(xiàn)硬度和延展性下降的現(xiàn)象。Singh 等[9]研究表明油凝膠比例較高的雙凝膠體系展現(xiàn)出更高的硬度和黏性。乳化劑濃度不同也會(huì)改變體系的穩(wěn)定性[15]。盡管目前針對(duì)油水相比例、乳化劑添加量等因素對(duì)體系性質(zhì)的影響已有一些研究，然而仍有諸多機(jī)理不明確，并且雙凝膠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體系間差異顯著，尚需要深入研究。

目前根據(jù)原料的不同，已開發(fā)多種不同凝膠劑制備的雙凝膠，其中包括卡拉膠和單甘酯[16]、海藻酸鈉和蜂蠟[14]、瓜爾豆膠和山梨醇酐單硬脂酸酯[9]、乳清蛋白和硬脂酸[17]等。天然多糖海藻酸鈉具有良好的生物降解性、生物相容性和無毒性，已廣泛用作水凝膠劑而應(yīng)于食品、藥品和化妝品等領(lǐng)域[18]。海藻酸鈉又稱褐藻酸鈉，是一種含聚甘露糖醛酸和聚古羅糖醛酸鏈段結(jié)構(gòu)的天然聚陰離子多糖，具有良好的凝膠特性，在溫和條件下與二價(jià)金屬離子生成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，目前廣泛用于藥物、生物活性物質(zhì)和細(xì)胞等的傳遞載體[19-20]。此前在其它海藻酸鹽凝膠體系中發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉形成的凝膠具有結(jié)構(gòu)可調(diào)控性，通過調(diào)節(jié)Ca2+的添加濃度改善體系的脫水收縮程度[21-22]。

本文以海藻酸鈉和單硬脂酸甘油酯（Glycerin monostearate，GMS）為水、油凝膠劑制備雙凝膠，通過對(duì)體系質(zhì)構(gòu)特性、凍融穩(wěn)定性、流變行為、熱力學(xué)性能以及晶型等的研究，探明油水相比例、乳化劑添加量、鈣離子濃度對(duì)雙凝膠體系物理性質(zhì)的影響，闡釋調(diào)控雙凝膠結(jié)構(gòu)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，為未來食品領(lǐng)域中雙凝膠產(chǎn)品品質(zhì)改良提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

海藻酸鈉，天津市鼎盛鑫化工有限公司；玉米油，長(zhǎng)壽花食品股份有限公司；單硬脂酸甘油酯，丹尼斯克（中國(guó)）有限公司；葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯，美國(guó)Sigma-Aldrich 公司；碳酸鈣，天津市鼎盛鑫化工有限公司；吐溫-20，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AR1140 型分析天平，上海奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司；CT3 物性分析儀，美國(guó)Brookfield 公司；S22-2 恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；D8 advance X-射線衍射儀，德國(guó)布魯克AXS 公司；HAAKE MARS iQ AIR 旋轉(zhuǎn)流變儀，美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司；DSC 214 polyma差式掃描量熱儀，德國(guó)NETZSCH 公司；3k15 超速離心機(jī)，德國(guó)Sigma 公司；JJ-1 精密增力電動(dòng)攪拌器，江蘇榮華儀器制造有限公司。

1.3 雙凝膠的制備方法

1.3.1 油凝膠的制備 借助磁力攪拌器將一定質(zhì)量的玉米油、GMS（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）混合，隨后將混合物加熱升溫至80 ℃。之后將熱的混合物放入4℃環(huán)境中冷卻0.5 h，取出后室溫下放置10 min 得到油凝膠，待用。

1.3.2 水凝膠的制備 借助磁力攪拌器將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的海藻酸鈉、一定質(zhì)量的Tw-20（最終在雙凝膠體系達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，1.0%，2.0%）溶解在去離子水中，攪拌1 h 至完全溶解，隨后加入一定質(zhì)量的碳酸鈣 （最終在水相中達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%，0.2%，0.3%，0.6%，0.8%，1.0%），攪拌0.5 h混合均勻，隨后取下靜置0.5 h 消泡。

1.3.3 雙凝膠的制備 將上述制備的油凝膠與水相體系在室溫下通過懸槳攪拌混合均勻，得到均勻的乳白色混合物后加入新鮮配制的葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯（Glucono-δ-lactone，GDL）溶液（n碳酸鈣：nGDL=0.5），控制攪拌時(shí)間，待成膠后將樣品置于室溫下穩(wěn)定24 h 后檢測(cè)。通過此方法制備含油凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，20%，30%，40%，50%的雙凝膠。

1.4 質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定

采用1.3 節(jié)的方法使樣品在25 mL 燒杯 （內(nèi)徑34 mm×高50 mm）中成膠。選用TPA 質(zhì)構(gòu)分析法，使用探頭P/0.5（直徑12.7 mm），觸發(fā)力為0.05 N，以1 mm/s 的測(cè)試速度下降7 mm（即穿刺距離為7 mm），通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理得到硬度、黏力等數(shù)據(jù)。

1.5 流變特性的測(cè)定

通過旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定雙凝膠的流變學(xué)性質(zhì)，首先通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描試驗(yàn)確定凝膠的線性黏彈性區(qū)域（Linear viscoelastic region，LVR），采用直徑為40 mm 的平行板夾具，設(shè)置間隙為2 mm，固定頻率為1 Hz，應(yīng)變范圍設(shè)置為0.02%～100%。隨后對(duì)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描測(cè)試，在25 ℃下設(shè)置掃描應(yīng)變值為0.1%，振蕩頻率范圍為0.1～10 Hz，觀察不同樣品的儲(chǔ)能模量（Storage modulus，G'）和損耗模量（Loss modulus，G''）的變化情況。最后通過升降溫程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度掃描，溫度掃描范圍25 ℃-80 ℃-25 ℃，溫度變化速率為5 ℃/min，固定振蕩頻率為1 Hz，應(yīng)變值設(shè)為0.1%，觀察不同樣品的G'、G''隨溫度的變化情況。

1.6 X-射線衍射（X-ray diffractometry，XRD）測(cè)試

取冷凍干燥后的樣品于載物臺(tái)上進(jìn)行掃描。設(shè)置參數(shù)：管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描在5°～50°的衍射角范圍內(nèi)進(jìn)行，掃描速率3°/min。

1.7 凍融穩(wěn)定性測(cè)試

采用1.3 節(jié)的方法將8 g 左右的樣品倒入10 mL 離心管中成膠，室溫下放置24 h 后轉(zhuǎn)移至-18℃冰箱中冷凍24 h，取出后再放置于室溫下12 h解凍并稱重，記為M1，隨后以10 000×g 的轉(zhuǎn)速離心15 min，棄去上層液態(tài)油相并稱重，記為M2，棄去下層水相后再次稱重，記為M3，按照公式（1）和（2）計(jì)算持水力與持油力。

式中，Moil——雙凝膠中油的質(zhì)量（g）；Mwater——雙凝膠中水的質(zhì)量（g）。

1.8 熱力學(xué)特性測(cè)試

使用差式掃描量熱儀 （Differential scanning calorimeter，DSC）進(jìn)行測(cè)定，稱取8～12 mg 樣品置于鋁坩堝內(nèi)，鋁蓋密封，以帶蓋空坩堝作為空白對(duì)照，載氣為氮?dú)?，測(cè)試條件：溫度掃描范圍30～80 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.9 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)均重復(fù)3 次，結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。采用Origin 2018 和Excel 2016 軟件進(jìn)行圖形處理，利用SSPS 23.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素分析。顯著差異水平取P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙凝膠的感官特性

首先分別制備海藻酸鈉水溶液和GMS 油凝膠。海藻酸鈉水溶液呈半透明流動(dòng)狀，油凝膠經(jīng)過冷卻后，脂質(zhì)結(jié)晶、聚結(jié)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制玉米油的移動(dòng)并賦予體系凝膠特性[23]，油凝膠呈現(xiàn)淡黃色。在室溫下，向海藻酸鈉水溶液中加入固體油凝膠并以一定轉(zhuǎn)速攪拌，乳化劑TW-20 在油水界面穩(wěn)定體系使油滴均勻分散在水相中，在電動(dòng)攪拌器的作用下將兩者混合均勻后，加入GDL 溶液，隨著GDL 緩慢水解，氫離子被釋放并與碳酸鈣反應(yīng)生成Ca2+，Ca2+與海藻酸鈉中古羅糖醛酸片段交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終形成海藻酸鹽雙凝膠體系。海藻酸鹽雙凝膠呈乳白色，表面質(zhì)地因油凝膠含量的不同而有所區(qū)別。通過直接觀察法發(fā)現(xiàn)當(dāng)攪拌時(shí)間從40 s，1 min，2 min 再增加到4 min時(shí)，體系溶液稠度增加，從能夠連續(xù)倒出到呈膜狀倒出再到凝固成型，感官黏度隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長(zhǎng)，GDL 水解產(chǎn)生更多的氫離子，從而反應(yīng)生成更多的Ca2+，加速了凝膠的形成，Ca2+形成海藻酸鈣復(fù)合物的過程也伴隨著體系黏度的增加[24]。綜合考慮感官特性以及制備可行性選擇～1 min 為攪拌時(shí)間。

圖1 海藻酸鹽雙凝膠成膠示意圖Fig.1 Illustration of synthetic pathway for the preparation of alginate bigel

2.2 鈣離子濃度對(duì)凝膠特性的影響

表1為不同碳酸鈣添加量對(duì)海藻酸鹽雙凝膠（40%油凝膠；0.5%TW-20）質(zhì)構(gòu)特性的影響。由表1可知，樣品的硬度、膠著性均隨著碳酸鈣添加量的增加而上升，而黏力與黏性則出現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這是由于凝膠中的Ca2+數(shù)量增加，Ca2+與古羅糖醛酸鏈段上的羧酸根離子的結(jié)合程度增加，交聯(lián)結(jié)構(gòu)變得更加致密。硬度與改變樣品形變所需力的大小有關(guān)，膠著性則與將半固體樣品破裂成吞咽時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)所需能量相關(guān)[25]，因此均出現(xiàn)上升趨勢(shì)。雙凝膠的彈性隨著Ca2+的增加變化不明顯，由于測(cè)試過程中壓縮程度較大，所有雙凝膠體系出現(xiàn)破損，恢復(fù)性較差，分析彈性指標(biāo)不再具有實(shí)際意義[26]，故而之后的測(cè)試指標(biāo)將不再呈現(xiàn)彈性結(jié)果。

表1 碳酸鈣添加量對(duì)海藻酸鈉雙凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 1 Texture analysis of alginate bigels with different CaCO3 content

目前，凝膠類產(chǎn)品常作為動(dòng)物脂肪替代物應(yīng)用于肉制品中[27]，凍融穩(wěn)定性的研究對(duì)高水分含量的冷凍食品在貯藏與運(yùn)輸過程中品質(zhì)變化的研究有重要意義[28]，因溫度變化而出現(xiàn)的水分流失與體系分層等現(xiàn)象都與凍融穩(wěn)定性相關(guān)，凍融穩(wěn)定性的好壞在一定程度上決定了雙凝膠的應(yīng)用范圍。由圖2可知，雙凝膠的持水力隨著碳酸鈣添加量的增加出現(xiàn)顯著下降（P＜0.05）。當(dāng)添加量為0.15%時(shí)，持水力高達(dá)93.8%，而添加量為1%時(shí)，僅為36.2%。當(dāng)鈣離子濃度增加時(shí)，凝膠網(wǎng)絡(luò)密度增加，導(dǎo)致膠體收縮程度增加，持水力降低，外觀特征較差，解凍后出現(xiàn)分層現(xiàn)象。此外通過對(duì)純海藻酸鈉水凝膠進(jìn)行凍融穩(wěn)定性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳酸鈣添加量為0.3%時(shí)，純水凝膠的持水力為61.87%，顯著低于添加相同濃度鈣離子的海藻酸鹽雙凝膠的持水力（79.1%）。Niu 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，致密空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致持水量的下降與更大程度的脫水收縮作用，因而推測(cè)在雙凝膠體系中油凝膠填充于水凝膠之間，緩解了凝膠內(nèi)水分凝結(jié)成的冰晶對(duì)凝膠網(wǎng)絡(luò)的破壞，相比于單一的水凝膠體系，雙凝膠體系的凍融穩(wěn)定性得到顯著改善。雙凝膠的持油力隨碳酸鈣添加量的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，整體均處在較高的水平（均大于88%），表明碳酸鈣的添加量對(duì)于凝膠的持油性影響較小。

圖2 碳酸鈣添加量對(duì)海藻酸鈉雙凝膠凍融穩(wěn)定性的影響Fig.2 Freeze-thaw stability of alginate bigels with different CaCO3 content

綜合分析，隨著Ca2+濃度的增加，各個(gè)質(zhì)構(gòu)指標(biāo)性能逐漸增加，然而過高的Ca2+添加量將生成致密度較高的凝膠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凝膠脫水現(xiàn)象嚴(yán)重并且硬度過大容易脆裂，已有研究表明致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響生物活性物質(zhì)的包埋率，不利于雙凝膠在傳遞體系領(lǐng)域的應(yīng)用[30]。后續(xù)試驗(yàn)均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的碳酸鈣添加量做進(jìn)一步研究。

2.3 乳化劑添加量對(duì)于凝膠性能的影響

吐溫-20（TW-20）作為常見水包油型乳化劑已廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域。由圖3可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，1%，2%的TW-20 添加量對(duì)于雙凝膠凍融穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，對(duì)于含20%與30%油相的雙凝膠體系的持水力隨著TW-20 添加量的增加顯著增加（P＜0.05），當(dāng)乳化劑濃度較低時(shí)，油滴顆粒較大并且不均勻，液滴之間易發(fā)生碰撞而聚集，此時(shí)局部水相面積較大，冷凍時(shí)形成大片連續(xù)冰晶對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成破壞程度大，因而持水力較低。推測(cè)在一定范圍內(nèi)，當(dāng)TW-20 添加量增大時(shí)，油滴聚結(jié)現(xiàn)象有所改善。

圖3 TW-20 添加量對(duì)海藻酸鹽雙凝膠的持水力（a）和持油力（b）的影響Fig.3 Water holding capacity （a） and oil holding capacity （b） of alginate bigels with different TW-20 content

值得注意的是，當(dāng)固定乳化劑添加量時(shí)，0.5%TW-20 體系的持水力隨著含油量增加而增加，這可能是因?yàn)殡S著有機(jī)凝膠的增加，體系液滴密度增加，不再出現(xiàn)大片連續(xù)的水相區(qū)域。而持油力則出現(xiàn)相反趨勢(shì)，從20%油相含量體系的100%降低至40%油相含量體系的83.6%。固定乳化劑含量，當(dāng)體系中油凝膠濃度增加時(shí)，TW-20 的添加量不足以在界面穩(wěn)定油滴，油滴凝聚導(dǎo)致體系穩(wěn)定性下降，持油力降低。

曹耿等[31]發(fā)現(xiàn)在乳液體系中使用不同親水親脂平衡（HLB）復(fù)配乳化劑會(huì)對(duì)乳液穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響。本文使用的油凝膠劑單硬脂酸甘油酯除了作為油凝膠劑以外，本身也是一種小分子非離子型的油包水乳化劑，具有良好的乳化分散和增稠作用[32]。此外，單甘酯晶體結(jié)構(gòu)受同時(shí)存在的表面活性劑的影響，結(jié)晶度與晶型的改變將影響體系的穩(wěn)定性[33]。1%和1.5%TW-20 體系中持水力復(fù)雜的變化趨勢(shì)可能與之有關(guān)，即一定比例的TW-20 和單甘酯復(fù)配使用能夠改善界面特性從而穩(wěn)定體系。為了進(jìn)一步了解高油相占比對(duì)體系的影響，對(duì)50%油相占比的雙凝膠做進(jìn)一步質(zhì)構(gòu)分析。

由表2可知，不同TW-20 添加量對(duì)于50%油相占比的海藻酸鈉雙凝膠質(zhì)構(gòu)的影響。隨著TW-20 添加量的增加，硬度、黏力、黏性和斷裂性均出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì)。由于吐溫-20 的HLB值為16.7 具有親水性，當(dāng)其添加量增加時(shí)，雙凝膠體系內(nèi)部中不易流動(dòng)水所受束縛力增大，體系抵抗損害、保持自身完整性的能力增加。此外，添加TW-20 可能對(duì)單甘酯的晶型產(chǎn)生影響，造成油凝膠的硬度差異[34]，最終導(dǎo)致不同雙凝膠體系的質(zhì)構(gòu)差異。各質(zhì)構(gòu)指標(biāo)數(shù)值在1%的乳化劑添加量時(shí)出現(xiàn)最大值，說明此時(shí)油相含量、體系乳化劑含量與水凝膠濃度達(dá)到了較合適的比例。

表2 含50%油相海藻酸鈉雙凝膠中不同的TW-20 添加量對(duì)于凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 2 Texture analysis of alginate bigels containing 50% organogel with different TW-20 content

2.4 油凝膠含量對(duì)雙凝膠的影響

2.4.1 質(zhì)構(gòu)性質(zhì) 通過制備含油凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，40%，30%，20%，10%的雙凝膠，探究油水相比例對(duì)體系特性的影響。由表3可知，隨著海藻酸鹽雙凝膠中油凝膠含量的增加，凝膠的硬度出現(xiàn)顯著性降低（P＜0.05），從2.22 N 降低至1.10 N，膠著性和斷裂性也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。由此可見，固體脂質(zhì)含量對(duì)雙凝膠的機(jī)械性影響顯著。然而此前部分研究結(jié)果與之相反，Samui 等[12]利用明膠和菜籽油為原料，單甘酯作為油凝膠劑制備雙凝膠，Zheng 等[16]以卡拉膠和玉米油作為原料，單甘酯作為油凝膠劑制備雙凝膠，他們均發(fā)現(xiàn)隨著油凝膠含量的增加，雙凝膠體系的硬度出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。然而Martins 等[14]在海藻酸鹽基雙凝膠的質(zhì)構(gòu)研究中，觀察得到了與本文相似的結(jié)論，因此推測(cè)海藻酸鹽水凝膠在賦予凝膠強(qiáng)度等方面具有重要作用，不同水凝膠種類對(duì)雙凝膠質(zhì)構(gòu)特性影響具有差異。

表3 含有不同濃度油凝膠的雙凝膠的質(zhì)構(gòu)分析Table 3 Texture analysis of alginate bigels with different bigels with different organogel content

海藻酸鹽水凝膠中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在能夠穩(wěn)定體系，而油凝膠的添加削弱了凝膠網(wǎng)絡(luò)的均勻性和強(qiáng)度[35]。在質(zhì)構(gòu)測(cè)試過程中，當(dāng)探頭下壓樣品時(shí)，由于樣品均存放于燒杯中測(cè)定，故存在一定的擠壓因素，雙凝膠具有韌性，因而探頭下壓阻力較大，油凝膠的延展性優(yōu)于海藻酸鹽水凝膠，使得探頭下壓凝膠時(shí)的阻力降低[14]，因而隨著油相占比的增加硬度下降。黏性是許多凝膠產(chǎn)品（如果醬和奶酪）的重要質(zhì)地特性[36]。由樣品外觀分析可知，10%樣品外觀類似于果凍，而50%樣品則更接近于類似“奶油膠”的狀態(tài)，這是因?yàn)殡S著體系中油凝膠含量的增加，體系內(nèi)部油滴數(shù)量增加，油凝膠本身具有較大的黏度和稠度，當(dāng)水相含量增加時(shí)，會(huì)有更多的水分包裹在油滴周圍，從而降低了體系的黏性和黏度。不同油相占比的海藻酸鹽雙凝膠具有不同的質(zhì)構(gòu)特性，在不同領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價(jià)值也不同，例如在藥物輸送領(lǐng)域的應(yīng)用，雙凝膠的黏性便是重要的考慮因素，而應(yīng)用于對(duì)涂抹性有要求的食品（如奶油類產(chǎn)品和蛋黃醬）時(shí)，硬度、彈性都適中的樣品，更加符合人們對(duì)口感的需求[37]。

2.4.2 結(jié)晶性質(zhì) 油脂結(jié)晶過程中常出現(xiàn)同質(zhì)多晶現(xiàn)象，主要有α、β 和β＇ 型。X-射線衍射常用于判斷凝膠體系中的晶體類型，可以通過晶面間距（d 值）探究雙凝膠中物質(zhì)的晶型。在油脂晶體的X-射線衍射圖譜中，α 型晶體的d 值在4.10 ? 附近出現(xiàn)；當(dāng)在d 值在3.8 ? 或4.2 ? 附近出現(xiàn)時(shí)，說明存在β＇型晶體；β 型晶體的d 值則是在4.6 ? 附近[38]。圖4a 為不同油凝膠含量的雙凝膠體系的X-射線衍射圖譜。

由圖4可知，不同油凝膠濃度下的雙凝膠體系表現(xiàn)出相似的曲線，并且具有多個(gè)特征峰，隨著油凝膠量的增加，衍射峰強(qiáng)度均逐步升高，峰形變得越發(fā)尖銳。10%油凝膠含量樣品沒有明顯的特征衍射峰，在3.9 ? 處有一個(gè)較弱的吸收峰。20%，40%，50%油凝膠樣品均在d=4.6 ? 附近出現(xiàn)明顯特征峰，這表明體系中可能存在β 型晶體，對(duì)于40%和50%樣品而言，在d=3.8 ? 附近也發(fā)現(xiàn)了特征峰，說明40%和50%體系是以β 型和β＇ 型晶體為主。在油脂凝膠體系中，β＇ 型晶體顆粒小，傾向于形成細(xì)小網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)地柔軟，表現(xiàn)出良好的涂抹性和口感；而β 型晶體顆粒則較大，對(duì)體系的硬度有一定影響[39]。因此，未來可以通過調(diào)節(jié)雙凝膠中油凝膠含量來調(diào)整體系內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)，從而改善其應(yīng)用價(jià)值。

此外隨著油凝膠含量從10%增加到40%，體系衍射峰數(shù)目也呈增加趨勢(shì)，雙凝膠中自組裝形成的晶體數(shù)量增加，與劉國(guó)琴等[39]研究結(jié)果一致。隨著油凝膠含量的增加，形成的油凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密，這可能有利于控制釋放負(fù)載物質(zhì)[40]。當(dāng)油凝膠含量增加到40%和50%時(shí)，體系的晶型變化不大，趨于穩(wěn)定。

圖4b 為DSC 分析結(jié)果，其中含10%油凝膠的樣品因晶體熔化而出現(xiàn)吸熱峰較弱，這與XRD結(jié)果相符合。雖然隨著油凝膠含量的增加，吸熱峰峰形變得更加明顯，但起始熔化溫度沒有顯著性差異，這可能是體系內(nèi)乳化劑TW-20 對(duì)晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響，此外單甘酯的結(jié)晶特性還與油滴大小有關(guān)[33]，兩者具體的相互作用較復(fù)雜。

圖4 含有不同濃度油凝膠的雙凝膠的XRD 圖譜（a）與DSC 圖譜（b）Fig.4 XRD （a） and DSC （b） diffractograms of bigels with different oleogel content

2.4.3 流變性質(zhì) 流變測(cè)定是探究凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種重要方法，在凝膠體系的研究中具有重要意義。圖5展示了不同油凝膠含量雙凝膠的流變學(xué)性質(zhì)。如圖5a 所示，通過應(yīng)變掃描以確定樣品的線性黏彈區(qū)（LVR），不同雙凝膠樣品的臨界應(yīng)變點(diǎn)均在0.1%應(yīng)變范圍內(nèi)。當(dāng)超過LVR 范圍后，G'值開始下降，表明雙凝膠的結(jié)構(gòu)開始被破壞。

圖5b 為不同油凝膠含量下雙凝膠G' 與G''隨頻率變化的曲線。G'與材料抵抗彈性形變力的能力相關(guān)，是表征材料變形后回彈的指標(biāo)；而G''是能量損失的量度，與材料的黏性行為相關(guān)[41-42]。10%，30%，50%雙凝膠樣品在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)均表現(xiàn)出G'＞G''，表明樣品具有類固體行為，并且G'隨著油凝膠含量的增加而增加，即雙凝膠強(qiáng)度增大。此研究結(jié)果同Zheng 等[16]一致，這可能是因?yàn)殡S著油凝膠含量的增加，水油界面處的脂質(zhì)晶體能夠連接界面膜并提高晶體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[43]，此前Martins 等[14]在以海藻酸鹽水凝膠和基于蜂蠟的油凝膠混合而成的雙凝膠體系中發(fā)現(xiàn)，G' 的變化與體系的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)變成雙連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，G'會(huì)出現(xiàn)降低，這表明本試驗(yàn)海藻酸鹽雙凝膠體系在油水比為50∶50 時(shí)，仍然為水包油凝膠體系。此外G'與G''在此區(qū)域（0.1～10 Hz）中沒有表現(xiàn)出明顯的頻率依賴性。流變結(jié)果與質(zhì)構(gòu)結(jié)果不相關(guān)，可能是由于流變與質(zhì)構(gòu)測(cè)定的原理不同，頻率掃描測(cè)試后凝膠表觀形態(tài)仍然完整，而在質(zhì)構(gòu)測(cè)試試驗(yàn)中體系出現(xiàn)了不可逆轉(zhuǎn)的形變，因而呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。

圖5c 為雙凝膠在溫度循環(huán)中G' 和G'' 的變化情況。其中10%雙凝膠樣品的曲線變化趨勢(shì)較30%與50%樣品有所不同，10%樣品的G' 并未在加熱過程中出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。這種流變學(xué)行為可以歸因于體系中存在較多的熱不可逆海藻酸鹽凝膠，已有研究表明海藻酸鹽體系通常在0～100 ℃下保持穩(wěn)定，當(dāng)溫度大于180 ℃時(shí)才發(fā)生熔化[44]。由圖5c 可知，在升溫過程中，10%樣品其G'和G'' 變化幅度較小，然而在降溫過程中，G' 和G'' 均出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，在50～60 ℃時(shí)達(dá)到峰值，這與苗鐘化等[45]研究結(jié)果相似，表明冷卻過程海藻酸鹽分子間的氫鍵作用力逐漸恢復(fù)。由于油凝膠含量較低，體系的熱行為主要與水凝膠特性有關(guān)，晶體的融化與形成對(duì)體系的熱穩(wěn)定性影響較小。

圖5 油凝膠含量對(duì)雙凝膠流變性質(zhì)的影響：（a）應(yīng)變掃描；（b）頻率掃描；（c）溫度掃描Fig.5 Rheological properties of bigels with different oleogel fractions during strain sweep （a），frequency sweep （b） and temperature sweep （c）

在升溫過程中，30%與50%樣品的G' 分別在～60 ℃和～70 ℃出現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，表明凝膠網(wǎng)絡(luò)開始潰散，結(jié)合DSC 結(jié)果發(fā)現(xiàn)這與體系中單甘酯的熔化有關(guān)，外部水凝膠能夠有效延緩雙凝膠體系結(jié)構(gòu)的改變，在隨后的降溫階段，30%與50%樣品的G'均在～40 ℃出現(xiàn)回升，體系發(fā)生變化的溫度不一致與雙凝膠內(nèi)部有機(jī)膠凝劑的微環(huán)境變化有關(guān)[9]。所有樣品在溫度循環(huán)過程中的G' 始終大于G''，并且均未出現(xiàn)G'=G''，表明它們?cè)诩訜岷屠鋮s過程中均保持了類固體結(jié)構(gòu)，彈性行為占主導(dǎo)地位，不會(huì)出現(xiàn)凝膠-溶膠轉(zhuǎn)化，與Bollom 等[17]在以熱不可逆的乳清蛋白水凝膠構(gòu)成的雙凝膠的研究結(jié)果一致。此外還發(fā)現(xiàn)，30%與50%樣品的G'與G'' 均無法在降溫結(jié)束后恢復(fù)到初始值，表明體系熱可逆性差，這可能與單甘酯降溫過程中重結(jié)晶形成的凝膠強(qiáng)度較弱有關(guān)[43]。

綜上所述，雙凝膠體系流變性能受溫度影響程度與變化趨勢(shì)與體系中油水相比例有關(guān)，高溫下體系中水凝膠有助于凝膠結(jié)構(gòu)的維持，使雙凝膠仍保持一定的凝膠特性，擴(kuò)寬了雙凝膠體系的溫度應(yīng)用范圍。隨著油凝膠含量的增加體系的熱可逆性降低，未來應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行比例調(diào)整。

3 結(jié)論

本文以基于單硬脂酸甘油酯的油凝膠和基于海藻酸鈉的水凝膠制備雙凝膠，探究了油水相比例、乳化劑添加量和鈣離子濃度對(duì)海藻酸鹽雙凝膠在質(zhì)構(gòu)特性、凍融穩(wěn)定性、流變特性和結(jié)晶特性等方面的影響。隨著碳酸鈣含量的增加，雙凝膠質(zhì)構(gòu)特性得到改善的同時(shí)出現(xiàn)持水力下降的趨勢(shì)。乳化劑對(duì)雙凝膠的影響較為復(fù)雜，在較低油凝膠含量下（20%和30%），體系的持水力均與TW-20含量成正比，持油力均接近100%。不同油凝膠含量下，改變?nèi)榛瘎┑奶砑恿恳矊⒌玫讲煌淖兓厔?shì)，變化趨勢(shì)較為復(fù)雜。油凝膠含量對(duì)雙凝膠性質(zhì)影響較大，雙凝膠的質(zhì)構(gòu)特性和流變性質(zhì)與其油水相都有關(guān)，海藻酸鹽水凝膠在一定范圍內(nèi)有助于改善體系宏觀力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，隨著油凝膠含量的降低，體系的硬度上升，熱穩(wěn)定性增加。本研究結(jié)果對(duì)于雙凝膠產(chǎn)品的品質(zhì)研究提供了理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)，對(duì)于擴(kuò)大雙凝膠在食品領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要意義。未來可以進(jìn)一步探索雙凝膠中乳化劑TW-20 對(duì)單甘酯結(jié)晶行為的影響，并深入了解雙凝膠的微觀性質(zhì)與宏觀性能的聯(lián)系。隨著研究的進(jìn)一步開展，雙凝膠技術(shù)在食品中將具有更廣闊的應(yīng)用前景。