乙基纤维素-二元蜡复合油凝胶的原子力显微镜观察与协同效应分析：构建低浓度稳定固体脂肪替代品

为解决传统固体脂肪中饱和脂肪酸的健康风险问题，研究人员通过将乙基纤维素(EC)与蜂蜡(BW)/巴西棕榈蜡(CRW)以9:1比例复合，在4% w/w总凝胶剂浓度下构建稻米油(RBO)油凝胶。借助原子力显微镜(AFM)首次实现非侵入式观察EC聚合物与蜡晶体的共分布结构，发现3.5%二元蜡可使油结合能力(OBC)从70.92%提升至99.94%，并通过流变学证实EC与蜡的协同作用可调控凝胶机械性能。该研究为开发低浓度、高稳定性的健康脂肪替代品提供了新策略。

　　

随着心血管疾病风险日益受到关注，食品工业迫切需要开发能替代固体脂肪的健康产品。传统固体脂肪富含饱和脂肪酸，而富含不饱和脂肪酸的植物油在常温下呈液态，无法满足食品加工对质构特性的要求。油凝胶技术通过凝胶剂构建三维网络结构来束缚液态油，成为最具潜力的解决方案。然而单一凝胶剂系统常面临机械性能不足或需要高浓度添加的问题，如何通过多组分协同作用在低浓度下实现理想性能成为研究热点。

在这项发表于《Food Quality and Preference》的研究中，来自澳大利亚HoneyJoy Pty Ltd等机构的研究团队创新性地将高分子量凝胶剂(HMWG)乙基纤维素(EC)与低分子量凝胶剂(LMWG)蜂蜡(BW)/巴西棕榈蜡(CRW)复合，系统研究了4% w/w总浓度下不同配比对稻米油(RBO)油凝胶性能的影响。研究首次采用非侵入式原子力显微镜技术直接观察原始态油凝胶的微观结构，揭示了EC与蜡晶体的相互作用机制，为设计功能性脂肪替代品提供了重要理论依据。

研究人员运用了多项关键技术：通过极化光显微镜(PLM)观察晶体形态；采用改进的原子力显微镜(AFM)在Peak Force Quantitative Nanomechanical Mapping模式下直接扫描含油样品；X射线衍射(XRD)分析晶体结构；傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测分子间作用力；质构分析和流变学测试评估机械性能；差示扫描量热法(DSC)研究热行为。所有实验均在4°C下固化24小时后进行，确保结果可比性。

【微结构特性】PLM显示二元蜡油凝胶呈现紧密排列的针状晶体，而EC网络在光学显微镜下不可见。突破性地采用SCANASYST-AIR-HPI探针的AFM技术，首次观察到EC形成10nm-1μm的多孔网状结构，且EC链分布在蜡晶体表面，证实二者共存的"物理纠缠"机制。4EC M2(机械搅拌制备)比4EC M1(静态冷却)具有更致密的网络，说明制备工艺对EC自组装的关键影响。

【油结合能力】当二元蜡比例达3.5%时，OBC从70.92%显著提升至99.94%。温度敏感性分析显示，含2%以上蜡的样品在4°C和25°C均保持优异OBC，而纯EC油凝胶在室温下仅保留43%油分。

【晶体结构】XRD证实所有样品均形成β'晶型，二元蜡比例增加可提升结晶度和塑性。当蜡含量低于1.5%时晶体衍射峰消失，表明EC主导网络形成。

【分子相互作用】FTIR在3476 cm^-1处发现O-H伸缩振动峰，证实氢键是主要稳定力。未检测到新峰形成，说明EC与蜡间仅为物理相互作用。

【质构特性】二元蜡油凝胶硬度最高(2033.54±576.52 g)，但表现出多断裂点的脆性特征。随着EC比例增加，断裂点减少至单一峰， cohesiveness(内聚性)从0.2提升至0.31，形成更坚韧的网络。

【流变学行为】振幅扫描显示3.5EC0.5Wax的屈服点(1.82%)和流动点(23.35%)显著高于纯蜡样品(0.03%和0.15%)，说明EC增强抗变形能力。频率扫描的幂律模型拟合显示所有样品η'值在0.086-0.13之间，呈现弱频率依赖的类固体行为。

【热行为研究】温度扫描揭示了有趣的凝胶化机制：高EC比例样品(如3.5EC0.5Wax)先在89.54°C通过EC链缠结形成初级网络，再通过蜡结晶(36°C)强化结构；而低EC样品(0.5EC3.5Wax)的凝胶化完全由蜡结晶主导(36°C)。这种分阶段凝胶化为调控油凝胶性能提供了新思路。

该研究通过多尺度表征技术，首次直观展示了EC与天然蜡在纳米尺度的协同作用机制。创新性地发现机械搅拌可促进EC在亚临界浓度下形成有效网络，结合蜡晶体调控可获得兼具高OBC和理想流变特性的油凝胶。特别值得注意的是，3.5EC0.5Wax配方在仅含0.5%蜡的情况下，既保持了EC的高温稳定性(G′G″ crossover 90.59°C)，又显著改善了纯EC油凝胶的机械性能，这种"少量蜡大幅增效"的现象具有重要应用价值。研究结果为开发低凝胶剂浓度(<5%)、高营养保留的健康脂肪替代品提供了理论依据和技术支持，对推动功能性食品产业发展具有重要意义。未来研究可进一步优化蜡种类和比例，并评估这些油凝胶在真实食品体系中的表现。