油凝胶剂类型和浓度对食品级双凝胶特性的影响：三种蜡的对比研究

《LWT》：Impact of oleogelator type and concentration on the properties of food-grade bigels: a comparative study of three waxes

大吉儿性能受天然蜡类型及浓度影响显著，candelilla蜡制备的大吉儿具有最高液体结合能力（96-99%）和硬度（3246-5134gf），而carnauba蜡的大吉儿性能最差。流变学分析显示蜡类型和浓度显著影响粘度与弹性模量，氧化稳定性测试表明蜜蜂蜡大吉儿抗氧化性最佳。

　　
该研究系统评估了三种天然蜡（candelilla蜡、蜂蜡、巴西棕榈蜡）类型及其浓度对食品级大凝胶（bigels）物理化学特性的影响。研究采用亚麻籽油为油相，果胶凝胶为水相，通过优化蜡浓度（6%、8%、10%）和制备工艺，重点考察了蜡的类型与浓度对大凝胶的液态结合能力、硬度、流变学特性及氧化稳定性的影响机制。

在材料选择方面，candelilla蜡以低酯含量（16-35%）和高烷烃比例（50-65%）为特征，蜂蜡含中等酯比例（58-71%）和较多羟基化合物，巴西棕榈蜡则具有最高酯含量（62-85%）和特定晶体形态。这种成分差异导致不同蜡基 oleogels 的微观结构存在显著区别：candelilla蜡形成紧密的针状晶体网络，蜂蜡形成中等强度片状结构，而巴西棕榈蜡的树状晶体结构导致更松散的油相网络。

液态结合能力（LBC）测试显示，candelilla蜡基大凝胶在三种浓度下均保持96-99%的LBC，显著高于蜂蜡基（86-92%）和巴西棕榈蜡基（64-80%）。这与其晶体网络的空间排布密切相关：candelilla蜡通过低酯含量形成更密集的晶体骨架，有效截留水分和油分。硬度测试进一步验证了这一规律，candelilla蜡基大凝胶硬度达3246-5134gf，是巴西棕榈蜡基（307-973gf）的3-5倍。

流变学分析揭示了蜡类型对剪切行为的关键影响。candelilla蜡基大凝胶表现出非牛顿流体特征，其储存模量（G'）在1-1000 s?1剪切范围内波动于1200-1800 Pa，显著高于蜂蜡基（600-1200 Pa）和巴西棕榈蜡基（300-800 Pa）。频率扫描显示，candelilla蜡基大凝胶的G'值在0.1-100 Hz范围内保持稳定，而巴西棕榈蜡基产品在高温（>70℃）下出现明显的模量衰减，这与其晶体熔融温度（85℃）密切相关。

氧化稳定性测试发现蜂蜡基大凝胶展现出最优的抗氧化性能。其丙二醛值（pAV）在储存周期内始终低于其他两组，归因于蜂蜡中天然多酚（如槲皮素、山柰酚）的抗氧化作用。此外，candelilla蜡基大凝胶在加速氧化（50℃储存27天）下仍保持较稳定的过氧化物值（PV），这与其低酯含量导致的疏水-亲水界面特性有关。

该研究创新性地揭示了蜡成分与晶体形态对多相凝胶系统的作用机制：高烷烃比例的candelilla蜡通过疏水-亲水平衡形成致密的三维网络，而高酯含量的巴西棕榈蜡则因分子间氢键作用导致结构松散。这种成分-结构-性能的关联性为功能性食品凝胶的开发提供了理论依据，特别是为开发具有靶向释油性能的低脂食品（如植物基奶油）和功能性化妆品（如控释护肤品）奠定了基础。

在工艺优化方面，研究证实10%蜡浓度可最大化candelilla蜡基产品的硬度（5134gf）和LBC（99%），而6%浓度下蜂蜡基产品（1332gf）和巴西棕榈蜡基产品（307gf）的力学性能差异最显著。值得注意的是，蜂蜡基产品在氧化稳定性上表现优异，这与其独特的酯类组成（含抗氧化活性物质）和晶体熔融特性（63℃）相关。

该成果在工业应用方面具有双重价值：一方面，candelilla蜡基大凝胶的高机械强度和液态保持能力适用于需要结构稳定性的食品基材；另一方面，蜂蜡基产品的抗氧化性能使其成为天然防腐剂替代品的重要候选。研究建议后续工作可深入探讨不同蜡基大凝胶的3D网络拓扑结构，以及多酚等活性成分在体系中的协同增效机制。

实验设计严格遵循食品级材料标准，采用冷压亚麻籽油（富含ω-3脂肪酸）、医用级果胶（GG）和符合食品接触法规的天然蜡。制备工艺通过梯度加热（CLW 70℃、BW 63℃、CRW 85℃）和高速均质（3000 rpm）实现有效分散，确保相分离度达90/10（油相/水相）。稳定性测试包含离心分离（7000rpm，40min）、动态流变（25℃）和加速氧化（50℃）等多维度评估，数据经ANOVA分析（p<0.05）验证显著性。

研究首次系统比较了三种典型蜡基大凝胶的流变-结构关联性。发现candelilla蜡基产品在0.1-1000 s?1剪切范围内呈现线性弹性特征（G'/G''>2），其储能模量在频率扫描中仅出现3.2%波动，而巴西棕榈蜡基产品在相同条件下模量变化达15-20%。这种差异直接导致candelilla蜡基大凝胶在流变学参数（如触变性指数、粘弹性滞后）上表现更优，更适合需要可控流动性的食品应用。

在微观结构表征方面，光学显微镜显示candelilla蜡基大凝胶的等效直径（D50）为2.5-3.3μm，形成均匀的纳米级分散体系；蜂蜡基产品D50为4.6-6.0μm，呈现更明显的多分散性；巴西棕榈蜡基产品D50达5.7-7.7μm，存在明显的油包水相分离倾向。这种结构差异解释了三者硬度、粘度和氧化稳定性的显著区别。

氧化动力学分析表明，所有样品的过氧化物值（PV）在储存初期（7-14天）呈现指数增长，随后因自动氧化产物的分解而趋于平稳。值得注意的是，蜂蜡基大凝胶的pAV值在储存27天后仍比初始值低15%，而其他两组的pAV值增幅超过200%。这可能与蜂蜡中特有的抗氧化成分（如黄酮类物质）在凝胶体系中的缓释特性有关。

该研究在方法论上实现了创新突破：首次将FTIR光谱用于解析蜡基大凝胶的分子相互作用机制，发现candelilla蜡基样品在1735cm?1处的酯键吸收峰强度仅为巴西棕榈蜡基的1/3，这与其较低的酯含量（16-35%）和较高的烷烃比例（>50%）相吻合。显微分析结合流变测试，建立了从微观结构到宏观性能的预测模型，为后续工艺优化提供了科学依据。

从产业化角度看，研究提出的"三段式"制备工艺（蜡油预凝胶化-高速均质-梯度冷却）有效解决了天然蜡相容性问题。实验数据显示，当蜡浓度超过8%时，candelilla蜡基产品的硬度可达到传统脂肪的90%，同时保持良好的氧化稳定性（TOTOX值比初始低30%）。这为开发高功能性植物基替代品提供了可行路径。

研究还发现蜂蜡基大凝胶在特定应用场景中具有独特优势：其中等硬度（1332-3283gf）和优异的氧化稳定性（pAV值低于其他两组20-30%）使其特别适合开发保质期长的乳制品替代品。而巴西棕榈蜡基产品虽流动性优异（剪切稀化指数达0.85），但需通过添加天然抗氧化剂（如维生素E）来补偿其结构稳定性不足的缺陷。

在食品安全方面，研究证实天然蜡基大凝胶完全符合FDA和EFSA的食品接触材料标准。对制备工艺的优化表明，在保证功能特性的前提下， wax浓度可降低至6%而不显著影响产品性能，这为成本控制提供了新思路。此外，FTIR光谱的指纹分析显示，所有样品未出现新的特征吸收峰，证实制备过程中未发生化学键合反应，符合食品级安全要求。

该成果对功能性食品工业具有重要指导意义：建议优先开发candelilla蜡基高硬度产品（10%浓度）用于需要结构稳定性的食品基质；针对乳制品替代品，可优化蜂蜡基产品的均质工艺参数；对于需要高流动性的化妆品基质，巴西棕榈蜡基产品在适当浓度下（8-10%）表现更佳。这些发现为构建基于天然蜡的多功能食品凝胶体系提供了关键参数和理论支撑。