植物甾醇/γ-谷维素双凝胶重构脂肪晶体组织：混合脂肪体系中的结构演变与面团架构及曲奇品质的关联

《Current Research in Food Science》：Reconstruction of fat crystal organization by a phytosterol/γ-oryzanol bigel: Linking structural evolution in blended fat systems to dough architecture and cookie quality

　　

中文摘要翻译：塑性脂肪的晶体组织在决定烘焙体系的结构与功能特性方面发挥着重要作用。商业植物黄油（VB）因其结晶网络有助于面团加工和焙烤产品质量而被广泛应用于烘焙领域。尽管双凝胶已成为具有降低饱和脂肪含量的结构化脂肪的有前景选择，但双凝胶的掺入如何改变现有商业脂肪基质的晶体组织，以及这些变化如何反映在面团和曲奇特性中，仍知之甚少。本研究以黄油曲奇为模型烘焙体系，研究了植物甾醇/γ-谷维素-海藻酸钠双凝胶掺入后VB晶体组织的变化及其与面团架构和曲奇品质的关联。研究人员对混合脂肪体系的晶体形态、多晶型、固体脂肪含量（SFC）和热行为进行了表征，随后分析了面团的微观结构、流变学特性、质构、水分分布及曲奇品质。双凝胶的掺入逐步减少了晶体聚集和SFC，同时改变了混合脂肪体系的多晶型特征和热行为。在BG-VB混合物中，β型和β′型结构均可检测到。随着BG含量的增加，面团黏弹性和硬度降低，而水分迁移性因水凝胶相的存在而降低。在产品层面，含BG曲奇的铺展比从4.31降至3.65-3.90，断裂力从25.63 N增至26-30.97 N，焙烤损失保持不变。完全替代VB后，油脂迁移保持在1%以下，同时保持了可接受的感官品质。结果表明，在植物甾醇/γ-谷维素-海藻酸钠双凝胶/VB体系中，脂肪晶体组织、SFC和水分分布的变化与面团架构和曲奇特性的变化相关联。这些发现为结构化脂肪组织、面团特性与曲奇品质之间的关系提供了见解，并可能支持烘焙应用中替代脂肪体系的开发。

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一、研究背景与问题

塑性脂肪的晶体组织是决定烘焙产品结构与功能特性的核心因素。商业植物黄油（VB）因其理想的结晶行为和加工性能，成为工业烘焙中应用最广泛的塑性脂肪之一。VB的功能性主要依赖于由结晶饱和脂质形成的连续脂肪晶体网络。然而，过量摄入饱和脂肪和反式脂肪与心血管疾病及其他代谢性疾病的风险增加密切相关。用液态植物油直接替代VB虽可改善烘焙产品的营养特性，但液态油无法提供面团发育所需的连续晶体网络，通常会导致焙烤过程中过度铺展、形状保持性差以及不良质构。因此，在保持脂肪晶体组织的前提下开发更健康的脂肪体系，是烘焙产品领域面临的重要挑战。

油凝胶因其能在不显著增加饱和脂肪含量的情况下将液态油转化为半固态材料而成为传统固体脂肪的有前景替代品。在众多油凝胶因子中，植物甾醇（Phy）和γ-谷维素（Ory）可通过自组装形成纤维状管状结构，有效固定液态油，同时保持高比例的不饱和脂肪酸。然而，油凝胶的持水能力有限，限制了其在需要同时进行脂质结构化和水分管理的烘焙产品中的应用。双凝胶（BG）将油凝胶相与水凝胶相结合，兼具持油能力和持水能力。已有研究表明双凝胶可作为面包、涂抹酱、奶油类似物等食品中的脂肪替代品，并保持理想的理化性质。

尽管已有研究评估了双凝胶在曲奇中的应用，但这些研究主要关注用双凝胶替代传统脂肪的技术可行性。将结构不同的双凝胶相掺入现有商业脂肪基质中的结构影响尚不明确。更具体地说，传统脂肪的替代并非简单的脂肪或固体脂肪含量减少。双凝胶的加入还可能改变原有脂肪相中预先存在的晶体聚集体的组织、结晶分数、多晶型特征和热行为。在本研究中，脂肪晶体组织的重构指的是BG掺入VB后观察到的晶体形态、SFC、多晶型特征和热行为的变化，而非单个脂肪晶体的分子水平直接重构。这些脂肪晶体组织的变化如何影响脂质连续性、水分分布和面团架构，以及这些变化最终如何反映在曲奇品质中，仍缺乏充分理解。因此，开展本研究具有重要意义。

二、研究内容与意义

本研究将Phy-Ory-海藻酸钠双凝胶以不同替代水平掺入VB中用于黄油曲奇的生产。研究人员系统表征了混合脂肪体系的晶体形态、晶体多晶型、SFC和热行为，以探究BG掺入如何改变结晶相的组织和结构功能性。随后分析了面团架构、流变学特性、质构和水分分布，并评估了曲奇的微观结构和品质属性。通过整合脂肪体系、面团和焙烤产品层面的结构和功能变化，本研究旨在建立双凝胶诱导的脂肪晶体组织重构如何跨结构层级传播，并促成面团架构和曲奇品质的变化。研究结果发表在《Current Research in Food Science》。

三、关键技术方法

研究人员采用偏振光显微镜（PLM）观察脂肪体系的晶体形态；采用X射线衍射（XRD）表征晶体多晶型；采用低分辨率脉冲核磁共振波谱仪测定固体脂肪含量（SFC）；采用差示扫描量热法（DSC）分析热行为。面团方面，采用冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）观察微观结构，采用流变仪测量黏弹特性，采用质构仪测定硬度，采用低场核磁共振（LF-NMR）分析水分分布。曲奇方面，采用扫描电子显微镜（SEM）观察内部微观结构，采用质构仪三点弯曲装置测定断裂力，采用滤纸法测定油脂迁移，并进行消费者感官评价（60名未受培训消费者，来自武汉轻工大学食品科学与工程学院）。

四、研究结果

4.1 脂肪晶体组织的重构

4.1.1 晶体形态

PLM观察显示，VB呈现由大量小晶体组成的密集堆积球晶簇，形成连续结晶网络。BG则呈现相对稀疏的网络，具有与Phy-Ory自组装网络相关的细长双折射结构。随着BG掺入量的增加，BG1-VB3和BG2-VB2的球晶聚集体较VB更为松散，细长双折射结构随BG含量增加而更加明显。在BG3-VB1中，球晶聚集体不再突出，而细长结构分布更广。这表明BG的逐步掺入改变了VB原始晶体网络的空间组织。

4.1.2 晶体多晶型

XRD分析显示，VB在4.52、4.33、4.20和3.86 ?处出现衍射特征，对应β和β′多晶型的共存。BG在4.53 ?处呈现宽衍射峰，表明β型结构占主导。BG-VB混合物在约4.56、4.35、4.19和3.83-3.85 ?处显示衍射特征，对应β和β′型结构共存。衍射强度随BG含量增加而逐步降低，与PLM观察到的晶体聚集体减少一致。

4.1.3 固体脂肪含量

SFC测定结果显示，所有样品的SFC随温度升高而持续降低。VB在整个测量温度范围内保持最高SFC，BG因高比例液态油而呈现最低值。BG掺入逐步降低了VB的SFC，从BG1-VB3到BG3-VB1，SFC随替代水平增加而降低。这一量化降低与PLM和XRD识别的形态和结构变化相吻合。

4.1.4 热行为

DSC分析显示，VB在约44-45 °C处呈现明显的吸热熔融特征，对应结晶脂肪相的熔化。BG在约55-57 °C处呈现宽而弱的熔融特征，与Phy-Ory晶体网络的熔化相关。BG-VB混合物呈现宽而重叠的熔融曲线，VB相的熔融特征随BG比例增加而趋向于较低温度，而BG的高温熔融贡献在混合物中变得不明显。

4.2 面团架构的变化

4.2.1 Cryo-SEM微观结构

Cryo-SEM图像显示，VB面团呈现相对致密连续的基质，表面形态细腻均匀。BG2-VB2面团基质更加异质，具有较大的离散结构特征和更明显的断裂区域。BG面团也呈现异质基质，具有更大的不规则结构特征和更多开放区域。这些形态差异与脂肪体系的变化相关联。

4.2.2 流变学特性

面团在整个测试频率范围内均呈现G′ > G″，确认以弹性行为为主。两种模量均随BG含量增加而逐步降低，VB最高，BG最低。这一趋势与相应脂肪体系SFC的降低一致，较低的结晶分数可能降低了脂肪相对面团黏弹性的结构贡献。

4.2.3 质构特性

面团硬度与流变学特性趋势一致。VB硬度最高（0.576 N），BG最低（0.272 N），BG-VB混合物呈中间值。较低的硬度与脂肪体系较低的结晶贡献及BG掺入后面团基质形态的变化一致。

4.2.4 水分分布

LF-NMR结果显示，所有样品均观察到三个弛豫群体，分别对应结合水T₂₁、固定化水T₂₂和自由水T₂₃。与VB相比，T₂₂和T₂₃峰随BG含量增加而逐渐向更短弛豫时间移动，表明面团内水分迁移性降低。这与海藻酸钠水凝胶相的三维网络持水能力相关。值得注意的是，较低的水分迁移性并未导致更强的面团，较高BG含量的面团反而呈现较低的G′值和硬度，表明流变学和质构变化不能仅归因于水分固定化。

4.3 曲奇结构与品质的变化

4.3.1 曲奇微观结构和焙烤性能

SEM观察显示，所有样品均呈现多孔结构，但孔隙形态和分布存在差异。VB曲奇含有较大且不规则的孔隙，伴有部分塌陷空腔。BG2-VB2曲奇呈现更多数量较小且分布更均匀的孔隙。BG曲奇在某些区域孔隙较少，伴有较大的不规则空隙和更多连续基质区域。曲奇直径随BG替代增加而减小，铺展比从VB的4.31降至含BG曲奇的3.65-3.90。曲奇颜色也发生变化，L值从50.63增至60.27，a值从7.40降至4.10。焙烤损失范围为8.58%至9.04%，各样品间无显著差异。

4.3.2 力学特性和油脂保持

曲奇断裂力从VB的25.63 N增至BG的30.97 N，BG-VB混合物呈中间值。油脂迁移方面，VB为0.47%，BG为0.89%，两者无显著差异。BG-VB混合物呈现较高油脂迁移，BG2-VB2达到3.48%。较高的油脂迁移可能与较不聚集的晶体结构和改变的脂相组织有关。

4.3.3 感官品质

感官评价显示，所有样品在五个评价属性上均获得可接受分数。VB曲奇的风味得分最高（4.13），含BG曲奇得分略低。外观和颜色得分随BG替代增加而提高，与仪器颜色测量结果一致。口感得分范围为3.38至3.50，各样品间无明显差异。总体可接受度得分从VB的2.88增至BG的4.38，主要反映在外观和颜色得分的提高上。

五、结论

Phy-Ory-SA双凝胶改变了VB的晶体组织，表现为晶体聚集、多晶型特征、SFC和热行为的变化。混合脂肪体系同时呈现β和β′型晶体结构，而原始VB结晶相的贡献随BG含量增加而降低。脂肪相的这些变化与较低的面团黏弹性和硬度相关，而水凝胶相与较低的水分迁移性相关。脂肪相的变化与曲奇结构和品质的变化相关联。增加BG含量降低了焙烤过程中的面团铺展，改变了内部孔隙结构，并增加了断裂力。完全替代VB后，油脂迁移保持在1%以下，并保持了可接受的感官品质。研究结果表明，晶体形态、多晶型特征、结晶分数和水分分布的变化与Phy-Ory-SA双凝胶/VB体系中面团和曲奇特性的变化相关联。控制结构化脂肪的晶体结构和固体脂肪功能性可能有助于开发烘焙应用的替代脂肪体系。未来研究应进一步考察双凝胶基烘焙产品在长期储存过程中的储存稳定性和风味演变。