稻米油的結(jié)晶熔融行為研究

周 帥，孫 悅，王 勇，姜元榮

（豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司，上海 200137）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高，人民對(duì)健康高品質(zhì)食用油的消費(fèi)需求不斷增加，但食用植物油（如大豆油、花生油及稻米油等）低溫下易凝固的問(wèn)題嚴(yán)重制約了其低溫儲(chǔ)存與運(yùn)輸并降低終端客戶的認(rèn)可度，因此了解植物油的結(jié)晶過(guò)程對(duì)于國(guó)民品質(zhì)化消費(fèi)升級(jí)和身體健康至關(guān)重要。

稻米油屬于米糠深加工產(chǎn)品，其脂肪酸組成較為合理，最為接近人類(lèi)的膳食推薦標(biāo)準(zhǔn)，且含有豐富的維生素E、角鯊烯、植物甾醇和谷維素等成分，長(zhǎng)期食用對(duì)預(yù)防心血管疾病、提高人體免疫力、調(diào)節(jié)血糖等方面均有明顯作用[1]，是國(guó)際上公認(rèn)天然綠色的健康油脂[2-5]。

近幾年中國(guó)稻米油產(chǎn)量持續(xù)走高，2018 年產(chǎn)量約為50 萬(wàn)t，2020 年已突破70 萬(wàn)t。稻米油是典型的在低溫下易結(jié)晶的植物油[6-7]，隨著消費(fèi)者對(duì)稻米油產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，迫使稻米油的結(jié)晶行為研究越來(lái)越受重視。

本文研究了稻米油的等溫和非等溫結(jié)晶熔融行為，并對(duì)稻米油冷凍析出物進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為提升稻米油產(chǎn)品的冷凍性能和擴(kuò)展稻米油產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

精煉稻米油：益海嘉里金龍魚(yú)糧油食品股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PLM，E400 偏光顯微鏡：日本尼康公司；MCR101 旋轉(zhuǎn)流變儀：安東帕（上海）商貿(mào)有限公；DSC，Q2000 差示掃描量熱儀：美國(guó)TA 儀器公司；XRD，X'Pert PRO X 射線衍射儀：荷蘭帕納科公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 冷凍試驗(yàn)

采用GB/T35877—2018《糧油檢驗(yàn) 動(dòng)植物油脂冷凍試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行冷凍性能測(cè)試。取樣品200～300 mL 加熱至130 ℃，并趁熱過(guò)濾，消除水分并破壞殘存晶核，將樣品倒入油樣瓶密封后，室溫冷卻至25 ℃。之后將樣品瓶放入0 ℃的冰水浴中，開(kāi)始計(jì)時(shí)，觀察樣品澄清度隨冷凍時(shí)間的變化。

1.3.2 結(jié)晶形貌觀察

采用帶有加熱和制冷臺(tái)的偏光顯微鏡觀察稻米油樣品的等溫結(jié)晶形貌。將樣品快速升溫至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后快速降溫至0 ℃并等溫停留，同時(shí)拍照記錄晶體形貌隨時(shí)間的變化。

1.3.3 流變性能測(cè)試

采用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試樣品的等溫流變性能，選用平行板模式，平行板直徑50 mm，平行板上下間距1 mm，剪切速率為20 s–1。將樣品快速升溫至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后分別快速降溫至20、10 和0 ℃，停留6 h，觀測(cè)樣品動(dòng)態(tài)粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1.3.4 結(jié)晶熔融行為測(cè)試

采用差示掃描量熱儀測(cè)試樣品的非等溫結(jié)晶熔融行為。稻米油非等溫結(jié)晶熔融行為：稱取6 mg 左右樣品，將其快速加熱至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后分別以0.5、1、1.5、2.5、5 和10 ℃/min 的降溫速率降溫至–60 ℃，停留 5 min，再以 10 ℃/min 的升溫速率升至80 ℃。稻米油冷凍析出物的熔融結(jié)晶行為：稱取6 mg 左右樣品，以10 ℃/min 的升溫速率將其從10 ℃加熱至80 ℃，停留5 min 消除熱歷史及殘存晶體，然后以 10 ℃/min 的降溫速率降溫至–60 ℃。

1.3.5 脂肪酸組成

采用GB5009.168—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪酸的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。稱取約 8 mg 樣品，于50 mL 離心管中，加入氫氧化鉀-乙醇溶液皂化。皂化后的下層水相加入 1 mL 濃度為1.296 mg/mL 的十七烷酸作為標(biāo)液，酸化后用正己烷提取，并用三氟化硼-甲醇衍生化，采用氣相色譜分析。

1.3.6 晶型測(cè)定

采用X 射線衍射儀測(cè)試稻米油冷凍析出物的晶型。使用帶有 Ni 濾光鏡的 Cu-Kα 放射源（k=1.540 56 ?）。2θ 角掃描速率0.13 °/min，步長(zhǎng)0.02°，范圍12°～30°。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用 Origin8.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻米油等溫結(jié)晶行為

目前，表征植物油冷凍性能常用方法是0 ℃冷凍試驗(yàn)，即將樣品放置在0 ℃水浴鍋中觀察樣品透明性隨時(shí)間的變化，出現(xiàn)渾濁時(shí)所需要的時(shí)間即為冷凍時(shí)間。稻米油在0 ℃冷凍試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖1，稻米油在0.5 h 左右開(kāi)始發(fā)朦，1.5 h 后稻米油基本不透明。

圖1 稻米油0 ℃冷凍試驗(yàn)Fig.1 Cold test of rice bran oil at 0 ℃

稻米油在冷凍試驗(yàn)中的發(fā)朦現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是稻米油的結(jié)晶過(guò)程，稻米油是多種甘油三酯的混合物，低溫時(shí)部分高熔點(diǎn)的甘油三酯結(jié)晶析出，其晶體的存在影響了透光性能。為了更直觀的觀察稻米油的等溫結(jié)晶過(guò)程，采用帶有冷熱臺(tái)的PLM 觀察了稻米油的等溫結(jié)晶形貌。由于冷凍試驗(yàn)的測(cè)試在0 ℃完成，為了與冷凍試驗(yàn)條件保持一致，PLM 觀察的等溫結(jié)晶溫度設(shè)定為0 ℃，如圖2所示。稻米油在34 min 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)大量晶體，35 min 時(shí)晶體數(shù)目進(jìn)一步增多，當(dāng)結(jié)晶時(shí)間為50 min 時(shí)，晶體仍然持續(xù)增多，直至1 h 晶體幾乎充滿整個(gè)屏幕。這與冷凍實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明稻米油的冷凍時(shí)間只有0.5 h 左右。

圖2 稻米油在0 ℃的PLM 等溫結(jié)晶形貌Fig.2 The PLM isothermal crystallization morphologies of rice bran oil at 0 ℃

稻米油在20、10 和0 ℃的等溫剪切流變曲線見(jiàn)圖3。當(dāng)測(cè)試溫度為20 和10 ℃時(shí)，稻米油在6 h 內(nèi)動(dòng)態(tài)粘度保持不變，且在10 ℃的動(dòng)態(tài)粘度大于在20 ℃的動(dòng)態(tài)粘度，表明稻米油在20 和10 ℃剪切6 h 的條件下不發(fā)生結(jié)晶，且在高溫下稻米油的分子熱運(yùn)動(dòng)快，使其動(dòng)態(tài)粘度較低。當(dāng)繼續(xù)降低測(cè)試溫度為0 ℃，在6 h 測(cè)試時(shí)間內(nèi)，稻米油的動(dòng)態(tài)粘度比10 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)粘度更高，且在0.5 h 前動(dòng)態(tài)粘度不變，而超過(guò)0.5 h 動(dòng)態(tài)粘度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。對(duì)比0 ℃冷凍試驗(yàn)和PLM 結(jié)晶形貌可知，0 ℃條件下，在0.5 h 前稻米油還沒(méi)有開(kāi)始結(jié)晶，因此稻米油動(dòng)態(tài)粘度基本無(wú)變化，當(dāng)超過(guò)0.5 h，稻米油開(kāi)始結(jié)晶，并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，晶體數(shù)目逐漸增多，因此稻米油動(dòng)態(tài)粘度逐漸增大。這一研究結(jié)果表明流變是表征稻米油冷凍性能的另一有效手段。

圖3 稻米油在20、10 和0 ℃的等溫剪切流變曲線Fig.3 Isothermal shear rheological curves of rice bran oil at 20 ℃, 10 ℃ and 0 ℃

2.2 稻米油非等溫結(jié)晶熔融行為

稻米油在不同降溫速率下的DSC 結(jié)晶曲線（a）和結(jié)晶初始溫度（Tonset）隨降溫速率變化曲線（b）見(jiàn)圖4。結(jié)晶曲線隨降溫速率的升高有較大幅度變化，隨著降溫速率的增加，稻米油的結(jié)晶曲線趨于不完整，在測(cè)試范圍內(nèi)不能結(jié)晶完全，這是由于稻米油的甘油三酯組成復(fù)雜，結(jié)晶溫度范圍較寬；隨著降溫速率從0.5 ℃/min 逐漸增加到10 ℃/min，結(jié)晶的起始溫度逐漸降低，這說(shuō)明冷卻速率越大，越不利于甘油三酯分子鏈的折疊重排，因此冷卻速率越大，甘油三酯結(jié)晶所需要的過(guò)冷度越大。

圖4 稻米油在不同降溫速率下的DSC 結(jié)晶曲線（a）和Tonset 隨降溫速率的變化曲線（b）Fig.4 DSC crystallization curves of rice bran oil at different cooling rates (a) and Tonset vs. cooling rates (b)

稻米油在不同降溫速率下結(jié)晶后的DSC 熔融曲線（a）和熔融焓（ΔHm）隨降溫速率的變化曲線（b）如圖5 所示。由圖5a 可知，隨著稻米油結(jié)晶的降溫速率加快，在–30 ℃左右的熔融峰逐漸減小，表明稻米油中低熔點(diǎn)的晶體含量逐漸減少，這可能是由于稻米油結(jié)晶溫度范圍較寬，隨著降溫速率的增加，稻米油中低熔點(diǎn)的甘油三酯結(jié)晶趨于不完整。

圖5 稻米油在不同降溫速率下結(jié)晶后的DSC 熔融曲線（a）和ΔHm 隨降溫速率的變化曲線（b）Fig.5 DSC melting curves of rice bran oil crystallized at different cooling rates (a) and ΔHm vs. cooling rates (b)

為了更加直觀地分析稻米油在不同降溫速率下結(jié)晶后的熔融情況，對(duì)熔融焓進(jìn)行了分析。由圖5b 可知，稻米油的熔融焓隨降溫速率的增快呈現(xiàn)逐漸降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這一結(jié)果表明稻米油的物理性質(zhì)受環(huán)境影響很大，當(dāng)?shù)久子徒Y(jié)晶的降溫速率較慢時(shí)，稻米油結(jié)晶Tonset較高（圖4b），經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間結(jié)晶后ΔHm較高，熔融相對(duì)困難；當(dāng)?shù)久子徒Y(jié)晶的降溫速率較快時(shí)，稻米油結(jié)晶Tonset較低（圖4b），但結(jié)晶后ΔHm較低，熔融相對(duì)較容易。

2.3 稻米油冷凍析出物分析

為了對(duì)稻米油在冷凍條件下結(jié)晶析出物進(jìn)行分析，將稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)存90 d。稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)藏90 d（a）及常溫25 ℃化凍8 h（b）的照片見(jiàn)圖6。將冷凍析出物過(guò)濾分離后，分別對(duì)析出物的脂肪酸組成、晶型，以及結(jié)晶熔融行為進(jìn)行了考察。

圖6 稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)藏90 d（a）及常溫25 ℃化凍8 h（b）的照片F(xiàn)ig.6 Pictures of rice bran oil stored at 4 ℃ for 90 d (a) and melting at 25 ℃ for 8 h (b)

稻米油及其在4 ℃冷庫(kù)儲(chǔ)藏90 d 后冷凍析出物的脂肪酸組成見(jiàn)表1。相對(duì)于稻米油原料，析出物中C16:0 的含量明顯增多，從原料的16.11%增加到37.89%；C18:1 和C18:2 的含量相對(duì)減少，分別從原料的37.46%和37.51%降低到25.29%和29.92%，其他脂肪酸的相對(duì)含量變化不大。相對(duì)于稻米油原料，稻米油冷凍析出物脂肪酸中飽和脂肪酸增加，不飽和脂肪酸減少，這是因?yàn)轱柡椭舅峤M成的甘油三酯的熔點(diǎn)相對(duì)較高，在4 ℃冷庫(kù)儲(chǔ)藏過(guò)程中更容易結(jié)晶析出。

表1 稻米油及其4 ℃冷凍析出物脂肪酸組成Table 1 Fatty acids composition of virgin rice bran oil and its frozen precipitates at 4 ℃

油脂主要有3 種晶型：α、β′和β 型，三者熔點(diǎn)及穩(wěn)定性由低到高分別為α＜β′＜β。XRD 短間距反映脂肪的同質(zhì)多晶型，4.15 ? 附近的強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)α 晶型；3.8 ? 和4.2 ? 附近的強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)β′晶型；4.6 ? 附近的強(qiáng)衍射峰對(duì)應(yīng)β 晶型。采用XRD 短間距的方法考察了稻米油冷凍析出物的同質(zhì)多晶現(xiàn)象，如圖7 所示。結(jié)果顯示，稻米油冷凍析出物在4.63 ? 處有較強(qiáng)的衍射峰出現(xiàn)，而在4.2 ? 和4.15 ? 處并沒(méi)有衍射峰出現(xiàn)，由此可知在4 ℃冷庫(kù)儲(chǔ)藏90 d，稻米油的冷凍析出物主要為穩(wěn)定的β 晶型。

圖7 稻米油在4 ℃冷凍析出物的XRD 短間距曲線Fig.7 XRD short spacing curve of the precipitates from rice bran oil at 4 ℃

進(jìn)一步采用DSC 測(cè)試了稻米油在4 ℃冷凍析出物的結(jié)晶熔融行為，如圖8 所示。從圖8a 可知，稻米油析出物的熔融峰值溫度為21.5 ℃，這一結(jié)果與圖6b 結(jié)果一致，稻米油析出物在25 ℃室溫放置8 h 基本全部融化。從圖8b 可知，稻米油冷凍析出物有兩個(gè)結(jié)晶峰值溫度，分別為5.6 ℃和–43.9 ℃。對(duì)比圖4 和圖8b 可知，稻米油原料在 10 ℃/min 的降溫速率下結(jié)晶初始溫度在–7.7 ℃，而稻米油在4 ℃冷凍析出物的初始結(jié)晶溫度在6.5 ℃左右，再次表明稻米油冷凍析出物是具有較高熔點(diǎn)和較高結(jié)晶溫度的甘油三酯。

圖8 稻米油在4 ℃冷凍析出物的DSC 熔融曲線（a）和結(jié)晶曲線（b）Fig.8 DSC melting curve (a) and crystallization curve (b) of the precipitates from rice bran oil at 4 ℃

3 結(jié)論

本文研究了稻米油的結(jié)晶熔融行為及其在4 ℃條件下冷凍析出物的組成。等溫結(jié)晶行為研究表明，稻米油在冷凍試驗(yàn)中的發(fā)朦現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是稻米油的結(jié)晶過(guò)程，稻米油是多種甘油三酯的混合物，低溫時(shí)一些高熔點(diǎn)的甘油三酯結(jié)晶析出，晶體的存在影響了稻米油的透光性能。非等溫結(jié)晶熔融行為研究表明，隨著降溫速率從0.5 ℃/min逐漸增加到10 ℃/min，稻米油的結(jié)晶起始溫度逐漸降低，熔融焓呈現(xiàn)逐漸降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。稻米油在4 ℃條件下儲(chǔ)存90 d 后出現(xiàn)冷凍析出物的晶型主要為β 晶型，由較高熔點(diǎn)和較高結(jié)晶溫度的甘油三酯組成，其熔融峰值溫度為21.5 ℃，兩個(gè)結(jié)晶峰值溫度分別為5.6 ℃和-43.9 ℃。相對(duì)于稻米油原料，稻米油冷凍析出物的脂肪酸組成中飽和脂肪酸C16:0 的相對(duì)含量明顯增多，不飽和脂肪酸C18:1 和C18:2 的相對(duì)含量明顯減少。