Effects of Hydroxypropyl Methylcellulose and Xanthan Gum Concentrations on Virgin Coconut Oil Emulsion and Construction of Template Oleogel
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摘要: 本实验采用乳液模板法制备了不同羟丙基甲基纤维素（HPMC）和黄原胶（XG）浓度的初榨椰子油凝胶，对所得乳状液和油凝胶进行了粒径分析、微观结构观察、流变测定、油损失和X-射线衍射（XRD）分析，探讨HPMC和XG浓度对初榨椰子油凝胶形成和物理性能的影响。微观结构和粒径分析结果表明：高浓度HPMC具有较好的乳化性能，获得油滴粒径较小的稳定乳液；XG浓度变化对油滴粒径的影响不显著。流变学结果表明：随着HPMC或XG浓度的增加，乳状液和油凝胶的机械强度也得到提高，所有油凝胶都表现出对时间的依赖性和结构的回复性。油损失结果表明：HPMC浓度的增加对油凝胶损失的影响尤为明显，变化幅度从19.6%降低为3.6%；XG浓度的增加也使油损失从9.62%降低为4.4%。但HPMC和XG浓度的变化对油凝胶的XRD图谱影响不明显。本实验为初榨椰子油凝胶的构建提供了理论基础，也为其实际应用提供了参考。Abstract: In this study, virgin coconut oil gels with different hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) and xanthan gum (XG) concentrations were prepared by the emulsion template method. The particle size distribution, microstructure observation, rheological behavior, oil retention and crystallinity were used to investigate the influence of HPMC and XG concentration on the formation and physical properties of virgin coconut oil emulsion and oleogel. The particle size analysis and microstructure results showed that high-concentration HPMC had better emulsification performance, and a stable emulsion with smaller oil droplet size was obtained. The change of XG concentration had no significant effect on the oil droplet size. The rheological results showed that the mechanical strength of emulsions and oleogels increased with the increase of HPMC or XG concentration, and all oleogels showed a time-dependent and structural recovery. The oil loss results showed that the increase in HPMC concentration had a particularly significant impact on the oleogel oil loss, the change range was reduced from 19.6% to 3.6%. The increase in XG concentration also reduced the oil loss from 9.62% to 4.4%. However, the change of HPMC and XG concentration had no significant effect on the XRD pattern of oleogels. This study provides a theoretical basis for the construction of virgin coconut oil gel, and also provides a reference for its practical application.
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Keywords:
- virgin coconut oil /
- emulsion /
- oleogels /
- hydroxypropyl methylcellulose /
- xanthan gum
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初榨椰子油（virgin coconut oil，VCO）是从椰肉中制备的天然植物油，它不经高温加热和精炼，极大地保留了油脂中的生物活性成分，如多酚、维生素和植物甾醇等[1-3]。VCO中月桂酸含量超过50%[4]，还含有许多短链脂肪酸，这些中短链脂肪酸既可以快速被人体吸收提供能量，又可以加速代谢，不转化成脂肪[5]。此外，有研究表明初榨椰子油还具有抗菌、消炎、抗氧化等作用[6-8]。椰子油的熔点为23~26 ℃，易凝固，对环境温度要求较高，这一特点限制了其在食品工业中的发展和应用。因此，可以将初榨椰子油凝胶化开发为塑型油脂的代替品，在减少反式脂肪酸和高热量脂肪摄入的同时，也拓宽了其在食品工业中的应用。
油凝胶（oleogels）是由少量凝胶因子和液态油组成的脂类混合物，这些凝胶因子形成的三维网络结构极大限制了液态油的流动，从而凝胶化构成油凝胶。凝胶因子根据分子质量的不同可分为低分子有机物（蜡[9]、单甘油酯[10]、卵磷脂[11]、植物三醇[12]等）、高分子聚合物（蛋白质[13]、多糖如乙基纤维素（EC）[14]、羟丙基甲基纤维素（HPMC）[15]、甲基纤维素（MC）[16]等）和无机粒子（锻制氧化硅）[17]等。目前，构建油凝胶的方法主要有两种：直接构建法和间接构建法。前者是将凝胶因子在高于其熔点温度下直接分散在油相中，然后冷却至较低温度制成油凝胶，如γ谷维素+β谷甾醇[18]、硬脂酸+β谷甾醇[19]等可构成复杂的超分子结构来支撑凝胶状。后者是先形成中间产物，通过再处理获得油凝胶，如乳液模板法。乳液模板法通常使用具有表面活性的聚合物吸附在油水界面，形成乳状液，然后干燥除水得到具有三维网络的骨架结构，将液态油截留获得软固体，再通过剪切得到油凝胶[20]。直接和间接构建法各有优缺点，直接构建法操作简单，但常用的凝胶因子具有成本高、不易获取等局限性；间接构建法虽需两步构成油凝胶，但常用的凝胶因子种类多、产量大、可再生，且多为食品直接添加剂，因此具有广阔的应用前景。在食品乳浊体系中，蛋白质可单独作为乳化剂制备乳液，不过通常使用蛋白质和多糖组合的形式来增加乳液稳定性。关于蛋白质-多糖相互作用制备乳液的研究很多。例如，ABDOLMALEKI等[21]采用酪蛋白酸钠与黄原胶制备油凝胶，对油凝胶制备条件进行响应面优化。TAVERNIER等[22]采用大豆分离蛋白与κ-卡拉胶通过乳液模板法制备油凝胶，研究了蛋白多糖比、pH和离子强度等因素对乳液微观结构和稳定性的影响。然而，关于多糖-多糖复合构建油凝胶的研究较少。
因此，本实验采用乳液模板法以不同浓度的HPMC和XG制备初榨椰子油凝胶，对所得乳状液和油凝胶进行了粒径分析、微观结构观察、流变测定、油损失和X-射线衍射分析，目的在于评价HPMC和XG浓度对油凝胶形成和物理性能的影响，为油凝胶的实际应用奠定理论基础。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
羟丙基甲基纤维素（HPMC） 食品级，400 mPa.s，上海泰坦有限公司；黄原胶（XG） 食品级，1500 mPa.s，河南万邦实业有限公司；初榨椰子油（VCO）50.09%、月桂酸 海口植之素有限公司；实验所配溶液均由蒸馏水制得。
HR-500高速剪切乳化均质机 上海沪析实业有限公司；BL200搅拌机 江阴市保利科研机械有限公司；BT-9300H激光粒度分布仪 丹东百特仪器有限公司；MARS40流变仪 赛默飞世尔科技公司；DZF-6022真空干燥箱 上海一恒科仪器有限公司；GR150A粉碎机 合肥荣事达有限公司；X射线衍射仪 Rigaku理学公司；TA.XT PLUS质构仪 英国Stable Micro Systems公司；GL-20G冷冻高速离心机 上海安亭科学仪器厂；Leica DMRX偏光显微镜 德国徕卡公司。
1.2 实验方法
1.2.1 乳液及油凝胶的制备
乳液是油凝胶制备的基础。参考PATEL等[23]的方法并稍作修改制备8种乳液：以0.8% HPMC作为乳化剂，与不同浓度XG（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）制备乳液；以0.3% XG作为增稠剂，配合不同浓度HPMC（0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）制备乳液。首先，使用高速剪切均质乳化机于12000 r/min转速将HPMC溶液分散在55%初榨椰子油中，随后加入XG溶液在同等转速下剪切1 min制得乳状液。
油凝胶由乳状液干燥剪切后获得。将乳状液放置70 ℃的真空干燥箱中干燥约36 h，获得恒重干燥物。然后，使用粉碎机将干燥物机械剪切（8000 r/min）6个循环，每个循环5 s，获得油凝胶。
1.2.2 乳液微观结构分析
采用配有相机的偏光显微镜（PLM）观察乳液样品的微观结构。将乳液涂抹在载玻片上，盖上盖玻片，在普通光下放大100×对样品进行拍摄。
1.2.3 乳液油滴粒度分布测定
采用激光粒度分布仪测量乳状液粒度分布。介质名称：水，样品折射率：1.449+0.010i，介质折射率：1.333[24]。所有测量均在室温下进行，报告的结果均为三个平行实验的平均值。
1.2.4 流变测试
流变学采用配有温度控制系统的流变仪进行测试[25]。测试使用的平行板直径为35 mm，乳状液和油凝胶样品测量间距分别设置为1、1.5 mm。乳状液样品在1 Hz条件下进行应变扫描，振幅范围为0.1%~100%。频率扫描设置振幅应力为0.1%，频率范围为0.1~1.0 Hz。流动测试设置剪切速率范围为0.1~100 s−1。对油凝胶样品也进行了应变扫描（频率为1 Hz，振幅范围为0.01%~100%）和频率扫描（振幅应力为0.01%，频率为0.1~10 Hz），流动测试参数与乳状液相同。还对油凝胶样品的触变性进行了时间扫描，剪切速率为0.1、10和0.1 s−1，每个速率下的剪切时间分别为900、300和900 s。以上所有测量均在25 ℃下进行。
1.2.5 油损失率测定
采用离心法测定油损失率[26]。10 mL离心管中称取约5 g油凝胶样品（m1），在10000 r/min条件下离心10 min。离心后，将离心管中的液体油倒出，称剩余油凝胶质量（m2）。通过公式（1）计算油损失率。
(1) 1.2.6 XRD分析
油凝胶的衍射光谱在室温下用X射线衍射仪测量[25]。样品在5°~60°（2θ）的衍射角范围内进行分析，扫描速度为10 deg/min。测试前，将多糖粉末和油凝胶等样品分别放置在样品夹上并铺平。
1.3 数据处理
所有实验均重复3次，结果以平均值±标准差表示。使用SPSS对数据进行统计分析，Origin 2018软件进行绘图。
2. 结果与讨论
2.1 乳状液的粒度分布和微观结构分析
本实验使用的HPMC和XG均为食品级可食材料。采用激光粒度分析仪和偏光显微镜分别对乳状液中油滴的粒度分布（图1）和微观结构（图2）进行了表征分析。在乳状液中，HPMC水溶液分散在初榨椰子油后，HPMC分子的亲油端吸附在油水界面，亲水端延伸到流动相，用于稳定乳液；XG作为增稠剂，通过提高整体相粘度来延长动力学稳定性，从而有利于乳液的稳定。乳状液常会发生聚结现象，小油滴间发生彼此聚集，界面膜破裂并合成大油滴，从而降低了乳状液的稳定性[27]。由微观图片可知，乳液中油滴并未发生聚结，说明HPMC和XG通过相互作用形成的界面层阻止了油滴的集结而形成了乳液。
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图 1 不同浓度HPMC和XG乳液的油滴粒径分布曲线和体积平均直径D[4,3]Figure 1. Oil droplet size distribution curve and volume average diameter D[4,3] of different concentrations of HPMC and XG emulsions![]()
图 2 乳液微观图注：A1~A4分别为0.8% HPMC与0.1%~0.4% XG乳液的微观图片；B1~B4分别为0.3% XG与0.4%~1.0% HPMC乳液的微观图片；PLM的标尺为20 μm。Figure 2. The microscopic pictures of emulsions从乳液的粒度分布和微观结构图可以看出，在HPMC浓度（0.8%）不变，XG浓度（0.1%~0.4%）改变时，微观图片中的油滴大小间无明显区别，粒径分布图中的油滴尺寸和体积平均直径虽有减小趋势，但变化幅度不大。相反，在恒定XG浓度（0.3%），改变HPMC浓度（0.4%~1.0%）时，油滴大小和体积平均直径均随HPMC浓度的增加而减小，油滴尺寸分布曲线也朝着小粒径方向移动，这与THAREJA等[28]的研究结果一致，即随乳化剂浓度的增加，乳液油滴的平均直径会逐渐减小。通过对两组数据的对比可知，HPMC浓度的增加对乳液油滴尺寸分布和体积平均直径的影响比XG明显，高浓度HPMC的水合作用具有更好的乳化性能，可能是由于高浓度的HPMC更多的吸附在油水界面，形成多层界面膜将油滴包裹，增加了油滴界面强度，阻止了油滴间的聚结，最终形成更稳定的乳状液[29]。PATEL等[16]研究结果也表明高浓度多糖有更好的水合作用和乳化性能，可得到稳定性较好的乳液。
2.2 乳状液的流变性质
为了研究HPMC和XG浓度对乳液机械性能的影响，在制备乳液当天对乳状液进行了流变学测量，其中包括振幅扫描、频率扫描和流动测试。使用不同浓度的HPMC和XG对乳液进行的振幅扫描数据如图3（a，b）所示，HPMC和XG浓度的增加均使乳液的机械强度增加，区别在于XG浓度对乳液机械强度的影响较HPMC明显。在固定HPMC浓度（0.8%）条件下，XG浓度低于0.2%的乳液机械强度明显降低，这可能是由于低浓度XG在流动相中形成的较弱凝胶结构和较低整体相黏度导致的，但在0.3% XG浓度后，有足够浓度的XG分离连续相中的油滴，乳液获得较高的机械强度。在固定XG浓度（0.3%）条件下，随着HPMC浓度增加，乳液的机械强度平稳增加，这归因于乳液油滴粒径的减小，导致液滴之间相互作用增强，赋予乳液较强的机械强度。KIM等[30]研究也证实了液滴粒径的减小，使得乳液的机械性能增加。
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图 3 乳液振幅扫描图（a,b）、频率扫描图（c,d）和流动曲线图（e,f）Figure 3. Amplitude sweeps （a,b）, frequency sweeps （c,d） and flow curves （e,f） of emulsions对于所有乳状液，在较低的振幅下，储能模量（G'）总是大于损耗模量（G''），即表现为类固体行为，但在较高的振幅下，出现明显的交叉点（G'=G''），表明在较高应力下结构的屈服。在频率扫描结果中（图3（c，d）），所有乳状液的G'值均大于G''值且未出现交点。恒定XG浓度，改变HPMC浓度乳液的G'均对频率有较低的依赖性。恒定HPMC浓度，0.3%~0.4% XG浓度乳液的G'也表现出对频率较低的依赖性。但XG浓度低于0.3%时，G'值随频率的减小明显降低，表明其机械强度较弱并对频率有较高的依赖性。由图3（e，f）可知，所有样品都表现出剪切变稀行为，这可能由于高剪切速率下乳液中的油滴发生定向排列，降低了流动阻力[31]。从初始剪切速率（0.1 s−1）时的乳液黏度可知，HPMC和XG浓度的增加均可以提高乳液的表观黏度，XG浓度对乳液黏度的影响尤为明显。
2.3 油凝胶的流变性质
油凝胶的制备如图4所示。将不同浓度的HPMC和XG制备的乳液样品置于70 ℃的真空干燥箱中干燥约36 h，获得恒定重量的干燥物。所有乳液在干燥过程中均无漏油或分层现象，得到多孔结构的干燥产物，证明该乳液是获得干油产品的良好模板，其含油量均大于97%（索氏抽提法测定）。然后将干燥产物剪切成油凝胶并进一步表征，以了解其流变特性。值得注意的是，较高的剪切速率和较长的剪切时间会导致油大量泄露。
本实验在8000 r/min转速下剪切6个循环，每个循环5 s，获得油凝胶。不同浓度的HPMC和XG制备的油凝胶样品的流变信息如图5所示。所有油凝胶均表现出类固体行为（G'>G''）。从图5（a）中可以看出，在固定HPMC浓度条件下，油凝胶的机械强度受XG浓度的影响较小。相比之下，HPMC浓度的增加对油凝胶机械强度的影响较为显著（图5（b））。XG浓度的增加虽使得整体相黏度的增加，但对油凝胶的网络结构贡献较小。而高浓度HPMC在油滴表面形成的膜为油凝胶提供了坚固的网络结构，使其具有更高的G'值。这与ESPERT等[32]研究结果一致，即纤维素浓度是影响油凝胶网络结构的重要因素，增加纤维素浓度可提高油凝胶的硬度和粘弹性。油凝胶的频率扫描数据显示（图5（c, d） ），在测定的频率范围内，所有油凝胶的G'均大于G''，且其G'值对频率的依赖性很低。由图5（e, f）可知，油凝胶样品也表现出剪切变稀的行为。
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图 5 油凝胶的振幅扫描图（a, b）、频率扫描图（c, d）、流动曲线图（e, f）和时间扫描曲线图（g, h）Figure 5. Amplitude sweeps （a, b）, frequency sweeps （c, d）, flow curves （e, f） and time sweeps （g, h） of oleogels此外，为了探究油凝胶的触变性和结构回复性，对其进行了时间扫描。如图5（g, h）所示，在剪切速率恒定时，所有油凝胶的黏度都随时间的增加呈下降趋势，说明样品黏度的变化不仅与剪切速率有关，还与剪切的时间有关。当剪切速率快速变化（0.1~10 s−1）时，黏度会立即下降，这意味着足够大的力会破坏油凝胶颗粒之间的连接，导致其流动阻力减小[33]。通过第一和第三个时间段的对比发现，所有油凝胶样品的结构回复率达到70%~90%，表明油凝胶在静止状态下具有较强的结构回复性能，对油凝胶作为塑性脂肪代替品应用于烘焙行业有着指导意义。
2.4 油损失率
通过采用离心法测定油损失率，来衡量不同油凝胶的油结合能力。低油损失是烘焙食品中追求的理想特征，这意味着其内部结构对油分子的固定很高，且具有适当的物理稳定性。图6显示了不同HPMC或XG浓度制备油凝胶样品的油损失。在固定HPMC浓度（0.8%），改变XG浓度获得油凝胶的损失率均小于10%，变化幅度从9.62%降低为4.4%；而固定XG浓度（0.3%），改变HPMC浓度获得油凝胶损失率从19.6%降低为3.6%。由此可知，多糖浓度的增加均可降低凝胶的油损失，其中，HPMC浓度对油凝胶损失的影响极为明显。高浓度HPMC油凝胶的坚固网络结构使其具有更好的油结合能力，这与前面的流变特性结果一致。
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图 6 不同多糖浓度制备得到油凝胶的油损失Figure 6. Oil loss of oleogels prepared with different polysaccharide concentrations2.5 XRD分析
采用X射线衍射仪对油凝胶和多糖粉末结晶度进行测定和分析。如图7所示，多糖均表现出半结晶结构。HPMC粉末分别在8.58°和20.14°（2θ）的位置出现两个衍射峰，这是其具有的两个特征峰[34]。XG粉末在20.0°（2θ）位置上出现一个宽峰。不同HPMC或XG浓度制备油凝胶所得的XRD谱图基本一致，均在20°左右有一个宽峰，说明它们具有一定的有序结构。其原因可能是多糖在水溶液和乳液中的结晶结构被破坏，导致了构象变化[27]。在乳状液中，多糖在油滴表面形成吸附层，多糖分子相互作用形成相对有序的结构[25]，这种有序结构在干燥过程中得以保留，因此，形成了具有一定结晶面积的有序结构。但不同多糖浓度对油凝胶XRD谱图的影响不明显。
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图 7 HPMC粉末（a）、XG粉末（b）和不同多糖浓度油凝胶（c, d）的XRD图谱Figure 7. XRD patterns of HPMC powder （a）, XG powder （b） and oleogels（c, d） with different polysaccharide concentrations3. 结论
通过探究不同HPMC和XG浓度对初榨椰子油乳液和油凝胶性能的影响可知：随着HPMC浓度的增大，乳液油滴的粒径减小，更多HPMC吸附在油水界面，形成稳定的乳液，其具有更高的机械强度，干燥剪切后获得的油凝胶同样具有较高的机械强度和较好的保油性。与HPMC相比，XG浓度的增大对乳液油滴粒径和油凝胶机械强度的影响较小，油凝胶保油性不如HPMC。所有油凝胶均表现出剪切稀化特性和结构回复性，对时间也有一定的依赖性。本文构建的初榨椰子油凝胶为椰子油开发成塑型油脂代替品提供了可能，既降低了反式脂肪酸和高热量脂肪的摄入，又拓宽了其在食品工业中的应用。本文未涉及体外消化实验，后期可探讨初榨椰子油凝胶在体外消化过程中控制营养物质释放的能力。
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图 1 不同浓度HPMC和XG乳液的油滴粒径分布曲线和体积平均直径D[4,3]
Figure 1. Oil droplet size distribution curve and volume average diameter D[4,3] of different concentrations of HPMC and XG emulsions
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图 2 乳液微观图
注：A1~A4分别为0.8% HPMC与0.1%~0.4% XG乳液的微观图片；B1~B4分别为0.3% XG与0.4%~1.0% HPMC乳液的微观图片；PLM的标尺为20 μm。
Figure 2. The microscopic pictures of emulsions
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图 3 乳液振幅扫描图（a,b）、频率扫描图（c,d）和流动曲线图（e,f）
Figure 3. Amplitude sweeps （a,b）, frequency sweeps （c,d） and flow curves （e,f） of emulsions
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图 5 油凝胶的振幅扫描图（a, b）、频率扫描图（c, d）、流动曲线图（e, f）和时间扫描曲线图（g, h）
Figure 5. Amplitude sweeps （a, b）, frequency sweeps （c, d）, flow curves （e, f） and time sweeps （g, h） of oleogels
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图 6 不同多糖浓度制备得到油凝胶的油损失
Figure 6. Oil loss of oleogels prepared with different polysaccharide concentrations
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