β-谷甾醇与蜂蜡构建菊粉-卵磷脂双凝胶：结构特性与涂抹脂肪应用研究

本研究针对传统菊粉-卵磷脂双凝胶(ILBs)塑性差和结构弱的问题，创新性地引入β-谷甾醇(SIT)和蜂蜡(BW)作为结晶结构化剂。研究发现BW能形成更致密均匀的晶体网络，使凝胶硬度从0.040N提升至0.391N(4.5%BW)，Turbiscan稳定性指数(TSI)从0.83降至<0.15，显著增强了凝胶强度、塑性和稳定性。流变学分析显示所有双凝胶均呈现剪切稀化行为，其中BW基双凝胶表现出更强的粘弹性。热分析和结晶研究表明BW贡献了更高结晶度和热稳定多晶型，在20-40°C呈现陡峭的固体脂肪含量(SFC)下降曲线，在保持冷藏结构的同时增强了口熔性。研究为开发减脂涂抹体系提供了重要的技术支撑。

　　

在全球范围内，心血管疾病仍然是导致死亡的主要原因之一，每年约造成1790万人死亡。过量摄入饱和脂肪是心血管疾病的重要饮食风险因素，它会升高低密度脂蛋白(LDL)胆固醇水平。因此，食品工业一直在寻找更健康的脂肪替代方案。近年来，双凝胶(bigels)作为一种新型半固体材料受到广泛关注，这种双相系统由水凝胶和油凝胶网络组成，具有可调节的机械性能、油结合能力以及与亲水和亲脂成分的良好相容性。

然而，基于菊粉(inulin)和卵磷脂(lecithin)的双凝胶(ILBs)在实际应用中面临挑战：它们通常表现出较差的塑性和有限的结构完整性，这限制了它们在涂抹型产品中的应用。菊粉作为一种中性多糖和众所周知的益生元，因其对脂质代谢、血糖调节和肠道微生物群调节的积极作用而受到关注。先前的研究表明，基于菊粉的水凝胶可以用于人造黄油中的脂肪替代，同时保持可接受的感官特性。但单纯的菊粉-卵磷脂系统在结构性能上仍有不足。

为了解决这些限制，研究人员将目光投向了低分子量结晶油凝胶剂，如β-谷甾醇(β-sitosterol, SIT)和蜂蜡(beeswax, BW)。β-谷甾醇是一种在谷物、豆类和蔬菜中丰富的植物甾醇，因其心脏保护、抗炎和抗糖尿病作用而被广泛研究。但它单独无法形成稳定的油凝胶，通常需要卵磷脂或γ-谷维素等共凝胶剂来有效形成网络。蜂蜡则是一种天然衍生的蜡，由脂肪酸、醇和酯组成，以其经济性、高结构化能力和消费者接受度而闻名。

武汉轻工大学食品科学与工程学院的研究团队开展了一项创新性研究，开发并表征了含有β-谷甾醇和蜂蜡作为结构化剂的菊粉-卵磷脂双凝胶，旨在改善传统ILBs有限的塑性和弱结构特性。这项研究近期发表在《LWT》期刊上，为开发减脂涂抹产品提供了重要的科学依据和技术方案。

研究人员采用了一系列先进的技术方法来系统评估这些双凝胶的特性。他们使用偏光显微镜(PLM)和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察了凝胶的微观结构；通过质地剖面分析(TPA)评估了文本ural特性；采用离心法测定了油结合能力(OBC)和水结合能力(WBC)；使用Turbiscan多重光散射分析仪评估了物理稳定性；通过X射线衍射(XRD)分析了晶体结构；采用脉冲核磁共振(pNMR)测定了固体脂肪含量(SFC)和等温结晶动力学；最后通过流变学测量分析了凝胶的粘弹性和流动行为。所有实验都至少重复三次，并使用SPSS进行统计学分析。

3.1. 双凝胶形成与微观结构观察

视觉外观显示，对照样品呈现自由流动状态，而添加β-谷甾醇或蜂蜡后，双凝胶转变为类固体结构。除3.0%SIT样品出现轻微油分离和相分层外，所有其他样品均保持均匀无可见分离。

偏光显微镜观察显示，1.5%SIT样品呈现分支状、针状晶体，与凝胶基质相互作用改变了凝胶网络的空间结构。当β-谷甾醇浓度增加到3.0%时，出现更多针状晶体和新兴的薄片聚集体，这种微观结构变化可能增加了凝胶基质内的空隙分数，从而削弱了其包裹油滴的能力，最终导致可见的油分离。在4.5% β-谷甾醇时，针状晶体和凝胶组分的广泛聚集形成了致密的增强型晶体-凝胶网络。

相比之下，蜂蜡产生更小且更均匀分布的晶体，改善了双凝胶的结构稳定性而不破坏菊粉和卵磷脂形成的原始凝胶网络。共聚焦激光扫描显微镜图像进一步阐明了油相和水相的空间分布，证实了所有样品包括对照、SIT-双凝胶和BW-双凝胶都呈现油凝胶-in-水凝胶双相结构。与相同浓度的SIT-双凝胶相比，BW-双凝胶显示出更致密的网络结构、更均匀的油水相分布，并且随着蜂蜡含量增加，分散油滴尺寸减小。在4.5%BW时，平均油滴尺寸减小到约20μm，而1.5%BW-双凝胶中约为50μm，表明分散稳定性增强。

3.2. 双凝胶的装饰能力和质地属性

在微观层面观察到的结构差异预计会影响宏观特性如塑性和形状保持性，这些通过装饰能力测试进行了评估。双凝胶的装饰性能可以作为其质地的视觉指标，进而影响消费者对人造黄油或脂肪基涂抹产品的感知和接受度。

对照样品没有塑性，不适合裱花或字母制作。相比之下，含有β-谷甾醇或蜂蜡的双凝胶表现出足够的可塑性，可用于奶油花装饰和形成字母"B"，其中BW基双凝胶表现更优。随着蜂蜡浓度从1.5%增加到4.5%，制成的奶油花装饰更加清晰明确，结构完整性和直立性增强。这一趋势表明BW-双凝胶的塑性和结构稳定性随着BW含量的增加而改善。4.5%BW-双凝胶在25°C下保持裱花形状至少30分钟不变形，而SIT-双凝胶在10分钟内就失去形状完整性。

质地剖面分析显示，对照样品硬度(0.040N)与1.5%SIT(0.038N)和1.5%BW(0.056N)相似，表明在低添加剂浓度下结构强化最小。相比之下，商业涂抹品显示出显著更高的硬度(2.951N)，远超过所有双凝胶样品。然而，当β-谷甾醇或蜂蜡含量增加到4.5%时，硬度显著上升——4.5%SIT达到0.296N，4.5%BW达到0.391N——证明添加剂浓度与凝胶强度之间存在正相关关系。

粘附性(定义为将样品从探针上分离所需的负力，模拟涂抹 utensil)随着蜂蜡浓度的增加而降低，范围从-0.180到-0.954N·s。有趣的是，4.5%BW与商业涂抹品的粘附性(-0.839N·s)匹配，意味着优异的涂抹性。除了硬度和粘附性外，其他质地参数——包括弹性、咀嚼性和胶粘性——也随着β-谷甾醇或蜂蜡浓度的增加而增加。这表明两种添加剂都有助于形成更具弹性和内聚性的凝胶结构。其中，BW-双凝胶，特别是在4.5%浓度下，在所有三个参数上都表现出最高值，甚至在咀嚼性上接近或匹配商业涂抹品。

3.3. 双凝胶的物理性质

3.3.1. 油结合能力(OBC)和水结合能力(WBC)

油结合能力(OBC)和水结合能力(WBC)是评估双凝胶作为食品系统中潜在脂肪替代品的关键功能指标。这些特性显著影响产品的稳定性、质地和口感。加入如β-谷甾醇或蜂蜡等结晶物质是增强这些功能特性的常见策略。

对照样品由于卵磷脂的作用表现出优异的油结合能力(100%)，但水结合能力较差(23.58%)，这归因于菊粉基水凝胶矩阵的弱保水能力。相比之下，添加β-谷甾醇或蜂蜡以不同方式改变了这些特性。值得注意的是，1.5% β-谷甾醇将WBC提高到100%，但显著降低OBC至52.93%，表明保水性改善但油封装能力受损。随着β-谷甾醇浓度增加到3.0%和4.5%，OBC和WBC值都显著下降。这一趋势与先前的观察一致，过量的β-谷甾醇导致针状晶体的形成，破坏了原始凝胶网络，产生更大的空隙，降低了凝胶保留油和水的能力。

相反，BW-双凝胶表现出蜂蜡浓度与OBC和WBC之间的正相关关系。在3.0%蜂蜡时，WBC达到100%，OBC增加到92.16%；使用4.5%蜂蜡时，两个值都保持较高水平(OBC:95.80%，WBC:100%)。这种优越性能归因于蜂蜡更复杂的组成，其中含有长链饱和脂肪酸、醇和酯，能够形成致密、内聚的晶体网络。这种网络增强了液滴固定和水分保持——这与先前在BW基油凝胶中的发现一致。

3.3.2. 物理稳定性

虽然油和水结合能力提供了凝胶保留能力的洞察，但在应力条件下的整体物理稳定性使用Turbiscan稳定性指数(TSI)进行了评估。TSI是乳液稳定性的综合指标，反映了所有类型的物理不稳定性——如乳析、沉淀和相分离。较高的TSI值表示更不稳定的系统。

对照样品的TSI较低，与其简单组成和缺乏结构化凝胶一致。加入β-谷甾醇后，TSI最初增加然后随着浓度增加而下降。在1.5% β-谷甾醇时，TSI保持较低(0.70)，表明良好的稳定性。然而，在3.0% β-谷甾醇时，TSI达到峰值1.85，表明不稳定性增加，这也在宏观上通过轻微的油分离和分层反映出来。这种不稳定性可能归因于β-谷甾醇针状晶体的形成和聚集破坏了凝胶网络。当β-谷甾醇浓度进一步增加到4.5%时，TSI下降到1.40，可能是由于形成了更致密的晶体-凝胶网络，增强了结构完整性并部分恢复了稳定性。

相比之下，BW-双凝胶在所有浓度下都表现出 consistently 低的TSI值。4.5%BW-双凝胶的TSI(<0.15)显著低于1.5%BW(0.83)和3.0%BW(0.46)。在β-谷甾醇组中也观察到类似趋势。此外，4.5%BW表现出比3.0%SIT(1.85)显著更好的稳定性，进一步强调了蜂蜡作为结构化剂的有效性。这一结果与均匀和类固体双凝胶的视觉观察以及它们优越的OBC和WBC高度一致。随着蜂蜡增加而稳定性改善可能是由于其形成强大、内聚的晶体网络的能力，有效固定分散相。

3.3.3. 熔点

除了稳定性外，还表征了双凝胶的热性质以评估它们对室温储存和口熔性的适用性。β-谷甾醇粉末的熔点超过100°C，而蜂蜡粉末的熔点为63.7°C。对于SIT基双凝胶，熔点随着浓度增加而从26.7°C(1.5%)增加到48.9°C(4.5%)。较低端适用于轻奶油应用，而较高值允许室温稳定性，尽管以口熔性为代价。

BW-双凝胶也表现出随着浓度增加而增加的熔点：25.8°C(1.5%)、35.6°C(3.0%)和38.2°C(4.5%)。这些值提供了室温塑性和口中熔化行为之间的理想平衡，特别适用于塑性脂肪产品。3.0%BW-双凝胶(～35.6°C)和4.5%BW-双凝胶(～38.2°C)的熔点与典型商业涂抹品如人造黄油(～36.5°C)相当，表明在实际应用中有类似的热行为。

上升的熔点归因于凝胶内晶体结构的形成。β-谷甾醇倾向于形成刚性、针状晶体，提高了破坏基质所需的能量。相比之下，蜂蜡形成更小、不规则的晶体，对熔化行为的影响更渐进。

3.4. XRD分析

为了更好地理解观察到的熔化行为背后的结晶，进行了X射线衍射(XRD)分析以识别晶体多晶型和有序程度。XRD用于识别脂肪晶体多晶型，主要是α、β′和β，其特征短间距衍射峰分别在4.15?、3.8/4.2?和4.6?。其中，β形式最稳定，而β′形式由于其良好的可塑性和口感而常在食品应用中优选。

β-谷甾醇粉末在15°、17°、18.4°和18.7°显示出强衍射峰，对应于5.9-4.7?的短间距。蜂蜡粉末在21.5°和23°显示峰，相当于4.13?和3.7?，指示主导的β和β′晶体。在1.5%SIT双凝胶中，仅在19°出现弱峰，表明有限的结晶度，与1.66%的低结晶度值一致。随着β-谷甾醇浓度增加到3.0%和4.5%，17.9°和19.8°处的衍射峰变得更加明显，结晶度分别增加到2.83%和6.00%，证明β′和β多晶型的形成。β′晶体的存在与改善的可塑性和涂抹性有关。

对于BW基双凝胶，增加蜂蜡浓度增强了21.5°和23°处的峰，结晶度值从1.5%BW的3.87%上升到4.5%BW的7.70%。在4.5%BW双凝胶中，衍射图案表明多晶型组成约为60%β和40%β′形式。这些结果表明更大程度的有序β型晶体，与BW在形成更致密和更稳定晶体凝胶网络中的作用一致。

这些XRD结果与显示的增加结晶度值一致，这反过来又与观察到的质地、熔化行为和储存稳定性的改善一致。

3.5. SFC曲线

通过XRD观察到的结晶度和性质的程度与固体脂肪含量(SFC)直接相关，随后跨温度测量以评估功能影响。SFC是在特定温度下固体脂质比例的关键指标，影响关键特性如涂抹性、硬度和口感。它通常通过核磁共振测量。

所有双凝胶样品都显示出比对照显著更高的SFC值。这表明对照样品中的菊粉-卵磷脂网络对SFC影响很小，而加入如β-谷甾醇和蜂蜡等结晶物质通过促进固体脂质结构形成显著增加了SFC。此外，SFC值随着β-谷甾醇或蜂蜡浓度的增加而增加，并且在等效浓度下，BW基双凝胶 consistently 显示出比含SIT的更高的SFC值，强调了蜂蜡在促进固体脂肪形成方面的更大结构化效率。

SFC对体温下的产品性能也有影响。有研究表明，在33.3°C时SFC值高于3.5%可能导致蜡状口感。含4.5%蜂蜡的双凝胶超过了这个阈值，表明潜在的感官缺点。相比之下，3.0%BW-双凝胶显示出有利特性，包括在20°C和40°C之间陡峭的SFC下降，表明良好的口熔性和温度敏感性。

虽然较高的β-谷甾醇浓度也增加了SFC，但它们的影响较不显著，整体结构和油结合性能不如蜂蜡，可能是由于晶体网络形成的差异。因此，中等水平的蜂蜡(例如3.0%)似乎是在硬度和口感之间实现理想平衡的最佳选择。

3.6. 等温结晶曲线和结晶动力学

除了静态SFC曲线外，还研究了结晶动力学，以提供对双凝胶系统内成核和生长行为的机制洞察。SFC被广泛用作特定温度下脂肪结晶行为的指标，因为它反映了固体脂质分数的形成和生长。

大多数双凝胶样品在最初2-4分钟内表现出SFC的快速增加，随后在大约10分钟后达到平台，表明快速结晶动力学。SFC-时间曲线上更陡的斜率反映更快的结晶速率。对于每个配方，最终SFC值和结晶速率都随着结晶温度的增加而降低，与在较低过冷度下成核驱动力减少一致。含蜂蜡的双凝胶 consistently 显示出比含β-谷甾醇的更快结晶速率和更高SFC平台，表明蜂蜡在促进成核和晶体生长方面更有效。有趣的是，在-10°C时，对照样品显示出相对较高的SFC，甚至超过了SIT基双凝胶。这可能是由于在低温下卵磷脂和菊粉的快速相分离或有限结构化，而不是真正的脂质结晶，需要进一步研究。

等温结晶行为使用Avrami模型进一步表征。Avrami指数n提供了对成核机制和晶体生长维度的洞察，而速率常数K指示整体结晶速度。通常，n<1表明瞬时成核具有有限维生长，而n≈2表明快速成核随后较慢、盘状晶体生长。

SIT基双凝胶在所有温度下都表现出n值 consistently 低于1，表明极快且可能异质成核。非整数值可能反映不规则微晶形态或凝胶矩阵内的复杂相互作用。随着温度增加，n值通常增加而K值减少，表明由于过冷度减少而结晶减慢。有趣的是，在相同温度下，随着β-谷甾醇浓度增加，没有观察到n值的清晰趋势，而K值显示轻微增加，暗示较高β-谷甾醇含量通过增加成核位点数量轻微增强了结晶速率。

对于BW基双凝胶，结晶行为更复杂。在-10°C，n值超过1(例如1.35-1.36)，表明一维晶体生长。在较高温度(0-20°C)，n下降到1以下，与瞬时成核机制一致。与β-谷甾醇组不同，BW基双凝胶的K值通常随着温度增加而增加，在10-20°C左右达到峰值，可能反映蜂蜡的最佳结晶温度范围(通常在食品系统中13-14°C)。偏离这个范围(即在-10°C)可能阻碍晶体流动性并降低整体速率。此外，蜂蜡浓度的影响随温度变化。在-10°C，K值随着较高蜂蜡含量增加，表明由于更多可结晶材料的可用性而更快结晶。然而，在0-20°C，趋势反转，K值随着蜂蜡含量增加而减少。这可能归因于水在结晶过程中的作用——较高蜂蜡水平可能阻碍有效相分离或晶体堆积在部分水合条件下，从而降低结晶效率。

总体而言，这些发现证明结晶增强剂的类型和浓度以及结晶温度深刻影响双凝胶系统中的成核机制和动力学。蜂蜡比β-谷甾醇促进更快和更完全的结晶，但其行为对温度更敏感，最佳范围在10-14°C左右。

Avrami基动力学建模、XRD多晶型分析和pNMR衍生SFC分析的结合使用提供了对双凝胶系统中结晶行为的多尺度机制理解——这种方法在当前双凝胶研究中不常见。

3.7. 双凝胶的流变性质

由结晶动力学产生的结构差异预计会影响双凝胶的机械响应，通过流变学测量进行了表征。进行了初步振幅扫描测试以确定线性粘弹性区域(LVR)。对照样品(ILB)在测试应变范围内表现出比含有结构增强剂的双凝胶样品更低的存储模量(G′)和损失模量(G")值。相比之下，补充了β-谷甾醇或蜂蜡的双凝胶显示G′显著增加，表明弹性增强和更强的内部结构。在结构增强剂浓度≥3.0%时，G′在整个范围内始终保持 above G"而没有交叉点，确认弹性行为主导粘性行为，反映了类固体粘弹性。没有观察到G'/G''交叉直到100%应变，表明含有≥3.0%蜂蜡或β-谷甾醇的双凝胶具有强弹性行为。这种对比突出显示结构增强剂显著改善了双凝胶的网络强度和机械稳定性。

频率扫描测试进一步揭示了配方之间的差异。虽然对照样品显示出更明显的G′频率依赖性，指示较不稳定的结构，但含有蜂蜡或β-谷甾醇的双凝胶样品表现出相对平坦的G′曲线，特别是在较高增强剂浓度下。这种弱频率依赖性表明更永久、凝胶样结构。再次，BW-双凝胶在粘弹性强度方面优于SIT-双凝胶。

在流动行为分析中，所有样品——包括对照样品、商业涂抹品(CS)和双凝胶——都表现出剪切稀化行为，特征为假塑性流体。这意味着它们的表观粘度随着剪切速率增加而显著降低。在剪切速率0.1s^-1时，4.5%BW-双凝胶的初始粘度约为500Pa·s，而对照为50Pa·s。这一趋势表明BW基双凝胶具有更强的内部结构和在低剪切条件下抗变形能力。然而，这种行为的大小和轮廓在不同配方间不同。CS显示出最高的初始粘度但在增加剪切下经历急剧下降，反映其高度结构化但易破坏的矩阵。对照样品相反具有最低的初始粘度和最弱的剪切阻力，指向其缺乏明确凝胶结构。双凝胶样品，特别是BW-双凝胶，表现出中间行为——展现出比对照样品更强的初始粘度和比CS更好的抗剪切稀化性。这表明双凝胶提供了结构完整性和涂抹性之间的平衡，使它们成为涂抹产品中固体脂肪替代品的合适候选。在双凝胶样品中，含BW的配方随着蜂蜡浓度增加而表现出增加的粘度，归因于形成增强凝胶矩阵的晶体网络。另一方面，SIT基双凝胶在浓度上显示粘度变化最小，可能由于β-谷甾醇在油系统中形成连续三维网络的能力有限。虽然卵磷脂可能协助β-谷甾醇的自组装，但 resulting 结构不足创建致密、空间填充凝胶。因此，在高剪切速率下，4.5%SIT-双凝胶显示甚至比1.5%SIT-双凝胶更低的粘度，表明松散组织的β-谷甾醇结构在剪切下更易 breakdown。

总之，流变学评估显示加入结构增强剂——特别是蜂蜡——显著增强了ILB的机械和流动行为。与对照样品和商业涂抹品相比，这些优化的双凝胶实现了弹性、结构稳定性和剪切响应行为的理想平衡，支持它们作为食品应用中更健康脂肪替代品的潜在用途。这项研究采用了综合策略整合微观结构、热和流变学分析，使得能够全面解释SIT和BW增强双凝胶中的结构-功能关系。

3.8. β-谷甾醇和蜂蜡在ILB中结构增强的机制

整合微观结构、热和流变学发现，提出了一个示意图模型来说明β-谷甾醇和蜂蜡增强双凝胶结构的机制。基于本研究的结果，提出了一个示意图说明β-谷甾醇(SIT)和蜂蜡(BW)在低(1.5%)和高(4.5%)浓度下增强ILBs结构特性的 proposed 机制。β-谷甾醇和蜂蜡的增强效果主要归因于它们在油相内形成晶体域的能力，这有助于发展更强大的凝胶网络。然而，它们的晶体形态、空间分布和浓度依赖性行为显著不同。在低浓度下，β-谷甾醇形成针状晶体，弱强化矩阵，导致差的油保留和结构不稳定性。在3.0%，过量β-谷甾醇破坏相平衡，导致分层和减少的凝胶完整性。只有在4.5%时，β-谷甾醇形成更致密网络，轻微改善质地和稳定性。相比之下，蜂蜡即使在低浓度也形成致密、各向同性晶体网络，以浓度依赖性方式增强凝胶强度、油/水结合和物理稳定性。增加蜂蜡导致更高结晶度、有利β/β′多晶型和改善的粘弹性和质地。

总体而言，蜂蜡作为更有效和一致的结构化剂 across 所有测试浓度，而β-谷甾醇需要更高负载和卵磷脂介导稳定化来有效贡献。β-谷甾醇和蜂蜡之间结晶行为、形态和网络整合的差异 underlying 它们对比 ability 来强化ILB系统。

4. 结论

这项研究证明将β-谷甾醇或蜂蜡纳入菊粉-卵磷脂基双凝胶显著改善了其结构、机械和功能特性。BW基双凝胶表现出优于SIT基系统的微观结构稳定性、油和水结合能力和质地属性。增加蜂蜡或β-谷甾醇浓度增强了凝胶强度、弹性和结晶度，蜂蜡产生更内聚晶体网络和更高SFC。流变学分析确认双凝胶，特别是那些含蜂蜡的，显示出理想的粘弹性和剪切稀化行为，支持它们对涂抹脂肪应用的适用性。在4.5%蜂蜡时，双凝胶硬度增加约870%，TSI相对于对照减少80%。总体而言，蜂蜡在增强双凝胶性能方面比β-谷甾醇更有效，表明其作为食品配方中功能性固体脂肪替代品的强大潜力。这些发现支持BW基双凝胶在低脂人造黄油、涂抹品和黄油类似物中的应用，其中可塑性和热稳定性至关重要。

这项研究提供了对用β-谷甾醇和蜂蜡结构化的双凝胶的结构-功能关系的新见解。然而，当前工作限于实验室条件下的物理化学表征。进一步研究应包括感官评价、长期储存试验和在真实食品系统中配方测试如人造黄油或涂抹乳液以确认消费者接受度和工业可行性。