暨南大学油料生物炼制与营养创新团队博士研究生谢朋凯在Food Chemistry期刊(中科院农林科学1区TOP,影响因子8.5)发表了题为“Effect of diacylglycerol on partial coalescence of aerated emulsions: Fat crystal-membrane interaction and air-liquid Interface interaction insights”的研究论文,由张震副教授指导并为通讯作者。
一、研究背景
基于无水黄油(AMF)制备的充气乳液通常含有30-40%的乳脂,因其乳香浓厚、质地优良、营养价值高,而被广泛应用于蛋糕、糕点、甜点、面包和茶饮等各种食品体系中。然而,AMF的结晶性能较弱,晶体易融化,造成打发能力受限,泡沫结构易塌陷,因此高端乳脂类充气乳液的市场发展大大受限。乳化剂在乳液生产中发挥着重要作用,可增强泡沫类产品的质地、起泡能力和流变质构性能。特别在充气乳液中,乳化剂对于综合调整脂肪的结晶特性和界面膜的强度至关重要。在乳液中,大分子蛋白质往往会形成较强粘弹性界面膜,而乳化剂则可通过Gibbs-Marangoni机制稳定界面膜,并通过竞争吸附部分取代大分子蛋白质,从而形成充气乳液打发所需的介稳界面膜强度。近年来,单甘酯(MAG)和甘油二酯(DAG)等天然油脂成分越来越多地用作各种体系中的乳化剂。通常情况下,由于高纯度的DAG在充气乳液中的表现机制尚不清楚,配方工程师往往根据经验调整混合MAG和DAG的比例进而确定产品配方,这严重限制了DAG在此类产品中的深入应用以及充气乳液产品的开发。因此,本研究旨在系统地研究具有不同碳链长度和饱和度的DAG影响脂肪结晶、气-液界面流变学和脂肪球界面膜的强度。通过阐明DAG介导脂肪晶体和界面膜之间的相互作用,进而揭示DAG对充气乳液搅打特性影响机制。本文旨在从基础研究角度为DAG在充气乳液工业化发展中提供坚实的理论基础。
图1 本文研究路线及相关机制图
二、研究方法
本文通过酶法制备高纯度不同碳链长度及饱和度的DAGs,系统地研究了具有不同碳链长度和饱和度的DAG对脂肪结晶、气液界面流变学和脂肪球界面膜强度等方面的影响:(1)探究脂肪结晶特性; (2)测定乳液气-液界面性质;(3) 确定脂肪球界面吸附特性;(4)充气乳液搅打性能的评估;(5)系统探究泡沫的流变质构特性。
三、研究结果
结果表明,基于硬脂酸制备的长碳链甘油二酯(LCD)具备最大的强化AMF结晶的能力,并增强了在气-液界面的脂肪球之间的相互作用(弹性模量E'高达246.42 mN/m)。这促进了搅打过程中脂肪晶体-界面膜之间的相互作用(简称晶膜互作),进而促进脂肪球的部分聚结行为,最终形成具有优异塑型能力的耐热稳定性的泡沫结构。相比于LCD,基于月桂酸制备的中碳链长度甘油二酯 (MCD) 同样也可促进脂肪结晶并优化界面特性,但由于MCD构建气-液界面模量较低,导致在搅打过程中未充分包裹空气(表现为起泡率低,塑型能力不强),因此表现出较弱的泡沫流变和质构性质。与LCD和MCD相反,基于油酸制备的长碳链不饱和型甘油二酯(OCD)由于在油脂结晶和界面优化能力太弱,被证明不能有效促进脂肪球之间的晶-膜互作效应,导致泡沫体系的塑型能力最弱。
图2 (a) 不同DAG对无水黄油的晶型的影响;(b) 不同DAG对无水黄油的脂肪晶体微观结构的影响
图3 (a) 界面膨胀弹性(E')、损耗模量(E'')和tanδ; (b)非线性表面膨胀流变学
图5 不同种类及浓度DAG对泡沫微观结构的影响
四、研究结论
本文从脂肪结晶性能、气-液界面流变学和脂肪球界面吸附特性三个方面,对DAG影响充气乳液的部分聚结、搅打性能和泡沫稳定性进行了全面研究。结果表明,随着DAG浓度的增加,OCD未能有效改善充气乳液的打发性能。饱和长碳链的LCD则通过促进晶-膜互作效应,强化脂肪球之间的部分聚结行为,实现了理想的搅打性能并提高了泡沫体系的耐热稳定性。这种性能的改善归因于LCD对AMF晶体的优化作用,以及界面膜厚度和强度的降低,从而促进了脂肪球在气液界面上的相互作用,进而加强了脂肪球之间的晶膜互作效应。由于饱和中碳链的MCD强化脂肪球之间的晶-膜互作效应能力有限,而且气液界面的弹性模量较低,因此较难有效包裹气泡,从而形成粘弹性模量较低的泡沫体系。研究结果为采用DAG来设计和改善充气乳液的搅打性能提供依据,尤其为耐温度波动型的搅打奶油配方设计方面提供了系统见解。
原文文献:
Xie Pengkai, Zheng Yilan, Lee Yee-Ying, Zou Shou, Wu Yuxin, Lai Junqi, Wang Yong, Zhang Zhen. (2024). Effect of diacylglycerol on partial coalescence of aerated emulsions: Fat crystal-membrane interaction and air-liquid Interface interaction insights. Food Chemistry, 140879.
本研究工作得到国家重点研发计划项目(2023YFD2100401),国家自然科学基金(32272341),广东省重点领域研发计划(2022B0202010003),广州市科技计划项目(2024A04J3254)和广州市科技计划项目(2024B03J1274)的支持。
作者简介:
谢朋凯,暨南大学2023级生物与医药博士研究生,研究方向为油脂生物炼制与营养。目前已在油脂酶法改性、特种油脂研发与稀奶油质量控制等方面开展研究。在研究领域发表文章10余篇,其中以第一作者在Food Hydrocolloids,Food Chemistry,Journal of Food Engineering,International Journal of Dairy Technology等期刊上发表SCI收录论文5篇,CSCD收录论文1篇,申请国家发明专利1项。
张震,博士/副教授,入选“暨南英才计划”暨南杰青(第一层次),《中国油脂》和《Grain & Oil Science and Technology》青年编委,长期从事高熔点脂肪改性加工与应用基础研究,同时具有两年的食品专用油脂生产企业(嘉里特种油脂(上海)有限公司)研发工作经历,相关学术背景和工作经验丰富。在 Critical Reviews in Food Science and Nutrition、Journal of Agricultural and Food Chemistry、 Food Chemistry 和 Industrial Crops and Products等期刊以第一/通讯作者发表论文40余篇;申请发明专利20余件,授权10余件;主持国家自然科学基金项目2项,省部级科研项目3项,承担校企横向课题7项;起草(排名第二)团体标准2项;主编或参编出版包括《食品脂类学》 (ISBN978-7-03-069079-1)“十四五”普通高等教育本科规划教材在内的编著3部。