戴美娜，羅 晶，林榮發(fā)，劉祖文，傅 紅

（福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院 福州 350108）

乙基纖維素（Ethyl cellulose，EC）作為目前唯一已知的、可直接分散于油相中構(gòu)筑三維液晶結(jié)構(gòu)的有機(jī)凝膠劑[1-3]，是由天然纖維素分子葡萄糖單元3 個(gè)羥基中的1 個(gè)或多個(gè)被乙氧基化取代衍生而成的半結(jié)晶性聚合物[4]。EC 原料來源豐富，價(jià)格低廉，同時(shí)具備氫鍵和大分子纏結(jié)功能，在凝膠化油脂中提供類似于固體的質(zhì)地和口感，具有在食品中降低飽和脂肪和反式脂肪的工業(yè)化應(yīng)用潛力[5-6]。近年來，已應(yīng)用于香腸[7]、巧克力[8]、冰淇淋[9]和漢堡肉餅[10]等產(chǎn)品。然而，EC 因較高的玻璃化溫度范圍（130～150 ℃）和高黏度等聚合物特性而導(dǎo)致產(chǎn)品容易褐變及氧化，影響了產(chǎn)品的品質(zhì)安全[11-12]。目前，EC 影響油脂氧化的主要驅(qū)動(dòng)力未被完全揭示，凝膠過程中，構(gòu)象與功能的關(guān)系也未被清晰闡述，這極大地限制了其凝膠化油脂產(chǎn)品的進(jìn)一步應(yīng)用[13-14]。

EC 由“有序”晶體和“無序”非結(jié)晶區(qū)組成，其凝膠機(jī)理之一是乙氧基化葡萄糖單元中未被取代的羥基之間形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[15]。EC 在高于Tg時(shí)展開其部分結(jié)構(gòu)并分散溶解于油相，在冷卻過程中，通過氫鍵誘導(dǎo)聚合物鏈結(jié)合，構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將液態(tài)油脂截留其中[1]。圍繞EC 的氧化機(jī)理，前期研究已證明EC 聚合物呈現(xiàn)的高黏度特性有助于大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)也成為影響凝膠化油脂氧化穩(wěn)定的重要因素之一[16-17]。另外，有研究推測不同凝膠定型溫度下形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的氫鍵重排能力不同[18]。然而，氫鍵強(qiáng)弱與凝膠化油脂氧化的關(guān)系及作用，還未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文著眼于EC 凝膠化油脂在Tg和Tm以及不同冷卻方式下制備的凝膠特性、氧化特性及氫鍵效應(yīng)，利用掃描電鏡對(duì)EC 凝膠化油脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，結(jié)合傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）分析其羥基伸縮振動(dòng)情況，研究EC 凝膠化油脂的力學(xué)特性、氧化特性與凝膠結(jié)構(gòu)及氫鍵效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以期為提高EC凝膠化油脂的氧化控制和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金龍魚一級(jí)大豆油，上海嘉里特種油脂有限公司；乙基纖維素（黏度40～50 mPa·s），阿拉丁試劑有限公司；異丁醇等其它試劑均為國產(chǎn)分析純級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S 集熱式磁力攪拌器，鞏義市予華儀器公司；MCR301 旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利安東帕公司；TA.XT plus 質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；GC7890B 氣相色譜儀（配有7697A 頂空進(jìn)樣器和CP7538 毛細(xì)色譜柱），美國Agilent 公司；Nicolet iS50 傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermofisher 公司；BK-POLR 偏光顯微鏡，重慶奧特光學(xué)儀器公司；Nova Nano SEM 230 場發(fā)射掃描電子顯微鏡，捷克FEI CZECH REPUBLIC S.R.O.公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備 不同制備溫度的EC 凝膠化油脂：分別將大豆油加熱至EC 的Tg（135 ℃）和Tm（187 ℃）[19-20]，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的EC 凝膠劑繼續(xù)加熱攪拌，加熱總時(shí)長為20 min。將樣品置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱保存以形成凝膠?？瞻捉M不添加EC，其余處理步驟同上。

不同冷卻方式的EC 凝膠化油脂：將大豆油加熱至155 ℃后，分別添加4%，6%，8%，10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的EC 凝膠劑繼續(xù)加熱攪拌，加熱總時(shí)長為20 min。加熱完成后，分別將樣品置于-40 ℃冰箱快速冷卻和100 ℃烘箱緩慢冷卻24 h 至凝膠形成，即制備得到快速冷卻和緩慢冷卻的樣品。

1.3.2 流變特性測定 采用PP25 平行板測試樣品的儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G″）隨角頻率變化的曲線。測試參數(shù)：平板間距1.0 mm，測試溫度25 ℃，應(yīng)變0.1%（線性黏彈區(qū)內(nèi)），角頻率范圍0.1～100 rad/s[21]。

1.3.3 質(zhì)構(gòu)特性測定 采用P0.5 探頭測定樣品的硬度、凝聚性及黏著性。測試參數(shù)：測前速度5.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測后速度1.0 mm/s，一次距離10.0 mm，二次距離10.0 mm，間隔時(shí)間5.0 s[22]。

1.3.4 傳統(tǒng)氧化指標(biāo)的測定 過氧化值的測定參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過氧化值的測定》（GB 5009.227-2016）[23]；茴香胺值的測定參照《動(dòng)植物油脂 茴香胺值的測定》（GB/T 24304-2009）[24]。

1.3.5 頂空耗氧量的測定 氣相色譜儀參數(shù)：TCD 檢測器，檢測器溫度230 ℃，柱溫25 ℃，進(jìn)樣口溫度120 ℃，載氣（He2）流速5 mL/min，尾吹氣（He2）流速3 mL/min，分流比50∶1[11]。頂空耗氧量按公式（1）計(jì)算[25]。

1.3.6 偏光顯微鏡觀察 取適量樣品于載玻片上，蓋上蓋玻片并輕壓成透明均勻的薄片，利用偏光顯微鏡觀察樣品的微觀形態(tài)，放大倍數(shù)為100，并用TSView 記錄圖像[26]。

1.3.7 掃描電子顯微鏡觀察 取適量平整的樣品于載玻片上，經(jīng)異丁醇溶劑浸泡除去凝膠表面大部分的油脂后，在不損傷樣品表面的前提下去除溶劑。切取一小塊處理過的樣品，將其安裝至插針上進(jìn)行噴金濺射鍍膜，隨后在10 kV 的加速電壓下獲取圖像[13]。

1.3.8 傅里葉紅外光譜分析 采用透射方式測試，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率8 cm-1，掃描次數(shù)32 次[27]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗(yàn)均重復(fù)測定3 次，利用SPSS 21 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05 表明存在顯著性差異；利用Image-Pro Plus 6 分析EC 凝膠化油脂的凝膠孔隙。

2 結(jié)果與分析

2.1 Tg 和Tm 制備EC 凝膠化油脂的流變特性和質(zhì)構(gòu)特性

圖1 是10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的EC 凝膠劑分別在其Tg和Tm條件下制備的凝膠化油脂，儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G″）隨角頻率的變化曲線。G' 通常表示樣品的固體性質(zhì)，G″表示其液體性質(zhì)[28]。數(shù)據(jù)顯示，在掃描頻率10-1～102rad/s 范圍內(nèi)，Tg和Tm制備的EC 凝膠化油脂的G' 都遠(yuǎn)大于相應(yīng)的G″，而且Tm制備樣品的G' 值高于Tg。這表明雖然Tg和Tm制備的EC 凝膠化油脂都具有類固體行為，可以形成穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是Tm制備的樣品呈現(xiàn)出更強(qiáng)的剛性特征[29]。

圖1 Tg 和Tm 制備EC 凝膠化油脂的儲(chǔ)能模量（實(shí)心）和損耗模量（空心）隨角頻率變化曲線Fig.1 The curves of storage modulus（solid）and loss modulus（hollow）of EC oleogels prepared at Tg and Tm with angular frequency

Tg和Tm制備的EC 凝膠化油脂的質(zhì)構(gòu)特性如表1 所示。與Tg相比，Tm制備的EC 凝膠化油脂的硬度、凝聚性和黏著性都顯著提高。其中，凝膠化油脂在Tm時(shí)具有更強(qiáng)的硬度，這和Davidovich-Pinhas 等[18]的研究結(jié)果一致。硬度值越大表示凝膠網(wǎng)絡(luò)越緊密，固體結(jié)構(gòu)特征越強(qiáng)韌；凝聚性越大表示EC 的結(jié)晶區(qū)域在熔融后能形成更細(xì)膩的凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)；黏著性越大表示各分子遷移的自由度越小。質(zhì)構(gòu)分析表明Tm的制備溫度更有利于EC凝膠化油脂固態(tài)結(jié)構(gòu)的形成，凝膠內(nèi)部結(jié)合的更加緊密[30]，這與上述流變特性結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

表1 Tg 和Tm 制備的EC 凝膠化油脂的硬度、凝聚性和黏著性Table 1 Hardness，cohesiveness and adhesiveness of EC oleogels prepared at Tg and Tm

2.2 Tg 和Tm 制備EC 凝膠化油脂的氧化特性

Tg和Tm制備的EC 凝膠化油脂于25 ℃貯藏30 d 后，樣品的一級(jí)氧化產(chǎn)物過氧化值、二級(jí)氧化產(chǎn)物茴香胺值和動(dòng)態(tài)氧化值頂空耗氧量，如表2所示。頂空耗氧法作為動(dòng)態(tài)反映油脂氧化過程中氧氣消耗量的方法，可以準(zhǔn)確直觀地衡量有機(jī)凝膠化油脂的氧化速率[11，16]。數(shù)據(jù)顯示，在Tg和Tm下，空白組樣品的過氧化值、茴香胺值和頂空耗氧量都高于同等貯藏時(shí)間下的EC 凝膠化油脂樣品，證明EC 凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成能夠抑制油脂氧化。由表2 可知，雖加熱至Tm油脂氧化程度有所提高，但Tg制備的EC 凝膠化油脂在25 ℃貯藏30 d后，其過氧化值和茴香胺值均顯著增大，而Tm制備樣品的過氧化值和茴香胺值的變化不明顯。同時(shí)，Tm制備樣品的頂空耗氧量為0.71%，低于Tg樣品。以上數(shù)據(jù)表明，Tm制備的EC 凝膠化油脂在貯藏期間的氧化速率較低。

表2 Tg 和Tm 制備的EC 凝膠化油脂貯藏30 d 后的氧化情況Table 2 Oxidation of EC oleogels prepared at Tg and Tm after stored for 30 days

2.3 Tg 和Tm 制備EC 凝膠化油脂的微觀結(jié)構(gòu)

利用偏光顯微鏡觀察Tg和Tm制備的EC 凝膠化油脂的結(jié)構(gòu)分別如圖2A1和圖2B1所示，其中Tg樣品含有較多的顆粒狀EC 晶體，而Tm樣品的晶體數(shù)量較少。Zetzl 等[20]研究表明EC 粉末在偏振光下顯示出雙折射現(xiàn)象，而加熱后制成的EC 凝膠化油脂的該現(xiàn)象消失。偏光顯微鏡圖像與Tg制備的樣品相比，當(dāng)溫度升高至Tm時(shí)，EC 凝膠劑能更好地溶解于油脂體系。圖2 的A2和B2是掃描電鏡下Tg和Tm制備的EC 凝膠網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)異丁醇溶解去除EC 凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所截留的液態(tài)油脂后成像，得以清晰表征EC 在油相中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]。多孔狀圖像中的規(guī)則圓形是凝膠化油脂被去除的油相孔隙，圍繞孔隙周圍的即EC構(gòu)成的大分子纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)。Tg制備樣品（圖2A2）截留油滴所形成的孔隙較大（平均孔徑1.53 μm），而Tm制備樣品（圖2B2）所形成的孔隙大小僅為Tg樣品孔徑的38.56%（平均孔徑0.59 μm），網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密。這表明當(dāng)溫度達(dá)到Tm時(shí)，液態(tài)油脂被更加致密的EC 聚合物網(wǎng)絡(luò)包裹，增強(qiáng)了凝膠的力學(xué)特性，減少了分子遷移自由度，阻礙了油脂氧化的進(jìn)程。

圖2 Tg 和Tm 制備的EC 凝膠化油脂的偏光顯微鏡圖A1、B1 和掃描電子顯微鏡圖A2、B2Fig.2 Polarized light microscope images A1 and B1 and scanning electron microscope images A2 and B2 of EC oleogels prepared at Tg and Tm

2.4 Tg 和Tm 制備EC 凝膠化油脂的氫鍵特征

圖3 為Tg和Tm制備的EC 凝膠化油脂的FTIR 圖譜，其中3 300～3 600 cm-1范圍內(nèi)為羥基的弱吸收峰，代表-OH 伸縮振動(dòng)和EC 分子間氫鍵[5，27]，吸收峰越向低波數(shù)位移，形成的氫鍵越強(qiáng)[31]。由圖3 可知，當(dāng)制備溫度為Tg時(shí)，-OH 吸收峰在3 472.48 cm-1，制備溫度為Tm時(shí)，-OH 吸收峰紅移至3 468.48 cm-1，并且Tm下EC 的充分熔融使其樣品更加均勻透光。圖3 表明與Tg相比，Tm制備的EC 凝膠化油脂的分子間氫鍵增強(qiáng)，氫鍵效應(yīng)更加明顯。Laredo 等[27]通過ATR-FTIR 發(fā)現(xiàn)EC 凝膠化油脂的氫鍵僅在EC 聚合物之間形成，而EC 與大豆油之間不以氫鍵方式連接，僅靠物理截留的方式包裹油脂，F(xiàn)TIR 圖中呈現(xiàn)的氫鍵為EC 聚合物的分子間氫鍵。EC 是半結(jié)晶性大分子聚合物，加熱至Tg及以上溫度時(shí)隨著分子鏈在油脂中逐漸熔脹溶解，非結(jié)晶區(qū)的氫鍵沿著分子鏈猶如“拉鏈” 般逐漸向內(nèi)層解開，當(dāng)溫度達(dá)到Tm時(shí)，EC 分子間氫鍵打開得更徹底，這有助于其在后期冷卻過程中的氫鍵重排并形成新的有序凝膠結(jié)構(gòu)[18]，增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)的緊密性，最終抑制氧化產(chǎn)物的生成速率[16]。

圖3 Tg 和Tm 制備的EC 凝膠化油脂-OH 伸縮振動(dòng)峰的波數(shù)變化情況Fig.3 Wavenumber change of -OH stretching vibration peak of EC oleogels prepared at Tg and Tm

2.5 快速冷卻和緩慢冷卻的EC 凝膠化油脂的氧化特性及氫鍵特征

分別以快速冷卻和緩慢冷卻兩種方式制備4%～10%不同添加量的EC 凝膠化油脂樣品，于25℃經(jīng)30 d 貯藏后測定樣品的頂空耗氧量。圖4 數(shù)據(jù)顯示，隨著EC 添加量的增加頂空耗氧量減少，緩慢冷卻樣品的頂空耗氧量小于快速冷卻。例如，10%添加量的EC 樣品，緩慢冷卻時(shí)的頂空耗氧量僅為快速冷卻的64.67%，說明緩慢冷卻的制備方式具有更慢的氧化速率。同時(shí)，本研究在測定樣品的力學(xué)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)高EC 添加量及緩慢冷卻制備的樣品剛性更顯著（數(shù)據(jù)未顯示），這與上述Tg和Tm所得的結(jié)果一致，即力學(xué)特性越強(qiáng)貯藏期間氧化速率越低。

圖4 不同添加量的EC 凝膠化油脂經(jīng)兩種冷卻方式處理后在25 ℃下貯藏30 d 的頂空耗氧量Fig.4 The headspace oxygen consumption of EC oleogels with different additions prepared by two cooling methods after stored at 25 ℃for 30 days

以快速冷卻和緩慢冷卻制備的4%～10%EC添加量的凝膠化油脂樣品顯示出相同的氫鍵增強(qiáng)效應(yīng)，其中6%和10%添加量的EC 凝膠化油脂的FTIR 圖譜如圖5 所示。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)EC 添加量從6%增至10%時(shí)，快速冷卻的羥基吸收峰從3 531.56 cm-1紅移至3 499.74 cm-1，緩慢冷卻的羥基吸收峰從3 509.86 cm-1紅移至3 471.78 cm-1，說明隨EC 凝膠劑的增加，分子間氫鍵效應(yīng)增強(qiáng)。同時(shí)，10%添加量的緩慢冷卻樣品比快速冷卻樣品的-OH 伸縮振動(dòng)紅移了27.96 cm-1，說明緩慢冷卻比快速冷卻的氫鍵效應(yīng)強(qiáng)。這可能是不同的冷卻速率導(dǎo)致氫鍵形成的有序性不同，緩慢冷卻增加了樣品在高溫下的時(shí)間，使分子保持較高運(yùn)動(dòng)速率的時(shí)間延長[18]，降低空間位阻帶來的影響，使EC 在凝膠形成過程中的氫鍵位點(diǎn)能更充分地結(jié)合，氫鍵排列更有序，氫鍵效應(yīng)增強(qiáng)。由于EC凝膠化油脂的形成取決于分子鏈纏結(jié)和鏈間氫鍵交聯(lián)度[20]，故氫鍵效應(yīng)的增強(qiáng)導(dǎo)致其空間網(wǎng)絡(luò)較為致密穩(wěn)定，增強(qiáng)了樣品的氧化穩(wěn)定性。

圖5 不同冷卻方式制備EC 凝膠化油脂的-OH 伸縮振動(dòng)峰的波數(shù)變化情況Fig.5 Wavenumber change of -OH stretching vibration peak of EC oleogels prepared by different cooling methods

3 結(jié)論

本文研究了EC 凝膠化油脂的制備溫度（Tg和Tm）和冷卻方式對(duì)凝膠力學(xué)特性及氧化特性的影響。結(jié)果表明，與Tg制備樣品相比，Tm制備樣品的儲(chǔ)能模量較大，硬度值、凝聚性及黏著性更高；貯藏過程中Tm制備樣品的過氧化值、茴香胺值變化不明顯，并且頂空耗氧量較小，表示其氧化速率較低；偏光顯微鏡和掃描電鏡觀察到EC 在Tm下幾乎全部溶解，所形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)孔隙也更為致密。FTIR 圖譜顯示當(dāng)制備溫度為Tg和Tm時(shí)，EC凝膠化油脂的羥基伸縮振動(dòng)峰分別為3 472.48 cm-1和3 468.48 cm-1，表明Tm制備樣品的氫鍵效應(yīng)增強(qiáng)。另外，與快速冷卻方式相比，緩慢冷卻樣品的頂空耗氧量僅為快速冷卻的64.67%，F(xiàn)TIR 圖譜顯示其羥基伸縮振動(dòng)峰從快速冷卻的3 499.74 cm-1紅移至3 471.78 cm-1，氫鍵效應(yīng)增強(qiáng)。上述結(jié)果顯示，EC 凝膠化油脂制備過程中氫鍵效應(yīng)的增強(qiáng)導(dǎo)致液晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，降低了油脂的氧化速率。