纯化后甘油解猪油的热性质及结构特性分析

刁小琴，关海宁，孔保华，韩齐，赵欣欣

1(东北农业大学 食品学院，黑龙江 哈尔滨， 150030)2(绥化学院食品与制药工程学院，黑龙江 绥化， 152061)

纯化后甘油解猪油的热性质及结构特性分析

刁小琴1,2，关海宁1,2，孔保华1*，韩齐1，赵欣欣1

1(东北农业大学 食品学院，黑龙江 哈尔滨， 150030)2(绥化学院食品与制药工程学院，黑龙江 绥化， 152061)

脂肪酶RM IM(Lipozyme RM IM)催化猪油进行甘油解反应，并经分子蒸馏后，得到纯化后甘油解猪油。采用差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)、X射线衍射、偏光显微观察、热重及微商热重分析甘油解猪油、纯化后甘油解猪油及猪油的热性质及结构特性的变化。研究结果表明：甘油解猪油及纯化后甘油解猪油较猪油有较高的熔点，晶体颗粒小，数目多且分布均匀，晶体网络致密，晶型主要表现为β和β′ 型。采用热重及微商热重分析曲线分析氧化稳定性，发现甘油解猪油与纯化后甘油解猪油表现出较低的氧化稳定性。

甘油解猪油；热性质；结构特性；分析

猪油由于其拥有良好的香味和口感被广泛应用于肉品工业中[1]。然而猪油是一种高能量食物，摄取过量会导致肥胖。猪油中含有较多的饱和脂肪酸，容易引发心血管疾病，同时猪油还具有较高的熔点，在人体内难以消化吸收，因此其加工利用程度较低。我国猪油产量较大，然而随着人们生活水平的提高和营养观念的提升，食用猪油的人越来越少，造成猪油的大量浪费，如何充分利用这种可再生的廉价资源，增加使用价值和营养价值，成为一个热点课题[2]。

油脂甘油解可以制备甘油二酯(diacylglycerol，DAG)。甘油二酯是脂肪酸与甘油分子上的2个羟基发生酯化反应后得到的产物，在天然动植物油脂中含量甚微[3]。甘油二酯有1,3-DAG和1,2(或2,3)-DAG两种异构体，其中绝大部分的天然油脂和人造甘油二酯中以1,3-DAG为主。甘油二酯与甘油三酯(triglyceride，TAG)不仅有相似的脂肪酸组成，而且味道、气味、色泽、烹饪特性也近似[4]。近些年的研究表明，DAG具有许多重要的生理功能，能够明显降低人和动物的血脂、减少内脏脂肪的积累以及抑制体重增加等功能[5-11]。日本厚生劳动省证实DAG食用油可以作为保健食品，美国专家小组证实DAG食用油是公认安全的[12]，因此甘油二酯具有营养、健康、安全的特性，使其被广泛应用于食品工业中。甘油二酯除了具有营养功能特性外，还具有独特的物理化学特性。甘油二酯分子结构中有2个长链脂肪酸和一个亲水基团—OH，即亲油又亲水，表现出较强的表面活性，而且极性高于甘油三酯[13]。NARINE等[14]报道，甘油二酯与甘油三酯相比，具有不同的界面特性和熔化结晶特性，这些性质能够改变油脂食品的加工特性，使含有甘油二酯的食品具有更好的质构、口感及延展性。然而，国内外关于甘油二酯的研究主要集中在以植物油为原料[15-17]，而以猪油为原料制备甘油二酯并对其热性质及结构特性的研究较少。

本研究以Lipozyme RM IM为催化剂，催化猪油进行甘油解反应制备猪油甘油二酯，并通过分子蒸馏纯化技术得到纯化后甘油解猪油。通过测定结晶熔化温度、晶型组成和结构以及氧化稳定性，考察了猪油、甘油解猪油及纯化后甘油解猪油的热性质和结构特性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

猪背部脂,肪购自黑龙江北大荒肉业有限公司；Lipozyme RM IM,购自北京诺维信生物技术有限公司；甘油(纯度大于99%),购自天津化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

RE-52AA旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；SPE10分子蒸馏，无锡海源生化设备有限公司；X射线衍射仪，荷兰帕纳科公司；PE Pyris 6 差示量热仪，DSC德国耐驰公司；WCT-1D/2D微机差热天平，北京北光宏远仪器有限公司；TR-PL850T偏光显微镜，成都天瑞仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 猪油甘油二酯的制备

参照DIAO等[2]的方法制备猪油甘油二酯。一定量的猪油熔化后，与甘油以1∶1的摩尔比混合，利用旋转蒸发仪加热30 min以增加猪油和甘油的互溶性，加热温度82 ℃，真空度-50 kPa，随后转移到三角瓶中，加入底物猪油质量14%的Lipozyme RM IM，在500 r/min的磁力搅拌速度下反应。为了使反应混合物充分加热，反应先在65 ℃的环境下反应2 h，然后调节温度至45 ℃，在该温度下再反应8 h，反应完成后，过滤分离固定化酶，收集滤液即为甘油解猪油(GL)，其中甘油二酯含量为61.8%。

1.3.2 分子蒸馏纯化猪油甘油二酯

综上所述，对GDM孕妇实施孕期系统的、针对性保健及营养指导效果显著，可有效控制血糖，改善母婴结局及孕妇不良行为习惯。

为了获得较高纯度的甘油二酯，利用刮膜式两级分子蒸馏法分离纯化甘油解猪油。第一级分子蒸馏除去反应产物中的轻相部分，即甘油、脂肪酸及甘油一酯(MAG)，蒸馏条件为：进料速度2 kg/h，蒸发温度185 ℃，蒸馏压力60 Pa，刮膜机转速350 r/min，第一级分子蒸馏后收集重相，即甘油二酯和甘油三酯。第二级分子蒸馏分离出甘油二酯，蒸馏条件为进料速度2 kg/h，蒸发温度255 ℃，蒸馏压力25 Pa，刮膜机转速350 r/min。两级分子蒸馏后得到纯化后的甘油解猪油(PGL)，其中甘油二酯含量为82.0%。

1.3.3 DSC分析

采用差示扫描量热法(DSC)[18]对猪油、甘油解猪油和纯化后甘油解猪油进行分析，具体操作方法如下：称取5.0 mg样品放入铝制坩埚中，盖上盖子，放入样品池中，每次测定时样品的量相同，因为测定的样品质量会显著影响热分析峰的形状和重现性。设置程序为将样品加热至70 ℃，保持10 min，破坏样品中存在的全部晶型，随后将样品以5 ℃/min 的速率降温至-50 ℃，保温10 min，再以同样的速率升温至70 ℃。在升温和降温过程中记录各样品的熔化和结晶曲线。

1.3.4 X-衍射分析

取适量猪油、甘油解猪油和纯化后甘油解猪油分别均匀涂在X-射线衍射玻片上，利用X-射线衍射仪分析样品的晶型。检测条件是Cu靶管放射源，电压40 kV，电流40 mA，扫描角度2θ为5°～35°，扫描速度1.2 °/min，扫描步Å长0.03°，步时0.4 s[19]。

1.3.5 晶体形态观察

猪油、甘油解猪油及纯化后甘油解猪油的微观形态采用偏振光显微镜(PLM)进行观察[20]。为消除结晶记忆，先将样品置于80 ℃烘箱内将其完全熔化，然后取适量于已预热的载玻片上，盖上已预热的盖玻片，压制成均匀薄片，将其在25 ℃环境下放置24 h，使用带数码相机的PLM 观察样品的晶体形态。

样品用天平称取10.00 mg 置于坩埚内，以空坩埚为参比样，氮气作为保护气，升温速度设定为20 ℃/min，炉体从室温升至600 ℃，得到热重和微商热重图谱。

1.4 数据分析方法

采用Sigmaplot 10.0 软件对数据进行处理和分析，每个试验重复3次，结果数据为平均值。

2 结果与分析

2.1 DSC分析

DSC是重要的热分析技术，可以用来表征油脂的热性质。热性质是混合物微观熔化与结晶在宏观上的表现。对猪油、甘油解猪油和纯化后甘油解猪油进行DSC分析，结果见图1和图2。

图1 猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的DSC熔化曲线Fig.1 Differential scanning calorimetry melting thermograms of lard, glycerolysis lard (GL) and purified glycerolized lard (PGL)

图2 猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的DSC结晶曲线Fig.2 Differential scanning calorimetry crystallization thermograms of lard, glycerolysis lard (GL) and purified glycerolized lard (PGL)

由图1看出，猪油(lard)、甘油解猪油(GL)和纯化后甘油解猪油(PGL)在-30～70 ℃内，有3个熔化峰。这是由于这些脂类物质由不同脂肪酸组成的混合物，无固定的熔化点，其中熔化点接近的组分重叠在一起，形成比较宽的熔化峰。CHIAVARA等[18]报道，脂肪酸的组成、饱和度及脂肪酸链的长短均会影响油脂的吸收峰和放热峰。猪油的熔化峰最为明显，而且猪油第一个明显的熔化峰在0 ℃左右，在此温度下猪油开始熔化，到30 ℃左右时，猪油基本呈液态，但有肉眼可见的晶型，当温度升高到49 ℃时，猪油完全熔化，这个结果和CHEONG等[21]报道的一致。纯化后的甘油解猪油在0 ℃左右只有一个小峰，而第一个明显的峰在20 ℃左右，在此温度下纯化后的甘油解猪油开始熔化，当温度达到44 ℃时，纯化后的甘油解猪油全部熔化。熔化曲线说明纯化后的甘油解猪油较猪油有较高的熔点，这与MIKLOS等[22]报道的甘油二酯的熔点高于甘油三酯的结论一致。

由图2看出，猪油第一个尖峰的起始温度约为23 ℃，在此温度下猪油开始快速结晶。有报道，DSC曲线中峰的面积与测量过程中吸收或释放的热量有关，而峰的高度与结晶的速率有关[23]。甘油解猪油与纯化后甘油解猪油及猪油比较，开始结晶的温度向高温方向移动，这是因为甘油解猪油与纯化后甘油解猪油中含有MAG和DAG。CHEONG 等报道[21]，较高浓度的MAG和DAG能够促进晶核的形成和晶体的成长。甘油解猪油与纯化后甘油解猪油不同于猪油的熔化结晶行为能够改善产品的宏观特性[24]。

2.2 X-衍射分析

同质多晶是指一种物质有多种晶型，不同的晶型影响着产品的稳定性及口感。甘油三酯有α、β和β′三种晶型，β′晶型能使食品呈现细腻的口感，增强食品的持气性，而β型能够增加产品的稳定性[25]。X-衍射可以表征油脂的同质多晶，基本原理可用布拉格(Bragg)定律表示，布拉格公式为2d sinθ=nλ，式中d代表晶体中原子层之间的距离；θ代表入射角；n代表衍射级数；λ代表X射线的波长(Å)。油脂中的α晶型在4.15 Å处有一强峰，2θ大约是21°，β晶型粗大在4.6Å处有一强峰，2θ大约是19.1°，β′晶型细小在4.2Å 和3.8Å处有强峰，2θ大约是20.8°和23.0°[26-27]。猪油(Lard)、甘油解猪油(GL)和纯化后甘油解猪油(PGL)的X-衍射见图3。

由图3看出，猪油有2个峰，一个强峰在4.6Å 处，一个弱峰在3.8Å 处，说明猪油的晶型主要是β型，由于β型的存在，使含有猪油的食品具有粗糙的口感及易碎的特性。而甘油解猪油和纯化后甘油解猪油有3个峰，分别位于4.6Å、4.2Å 和3.8Å处，说明这2种脂肪是β和β′ 两种晶型的共存体，这是因为甘油解猪油与纯化后甘油解猪油中含有1,2-DAG和1,3-DAG两种同分异构体[21]，由于甘油二酯中存在β′晶型，因此含有甘油二酯的食品具有光滑细腻的口感。

图3 猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的X-衍射图Fig.3 X-ray spectra of lard, glycerolysis lard (GL) and purified glycerolized lard (PGL)

2.3 晶体形态分析

晶体大小、密集程度和均匀程度等直接影响产品的质量。较大的晶体容易使产品起砂，而较小的晶体使产品发硬。偏振光显微镜能够表征油脂晶体形态的变化，猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的PLM图像见图4。

猪油、甘油解猪油及纯化后甘油解猪油的晶体微观形态均为由中央向四周放射的针状晶体，但是猪油的晶体颗粒大而分布不均匀，晶体网络疏散，而纯化后甘油解猪油的晶体颗粒小、数目多且分布均匀，晶体网络致密，可能是纯化后甘油解猪油中有较多结晶细腻均匀的β′ 晶型。甘油解猪油的晶体颗粒介于猪油和纯化后甘油解猪油的中间，颗粒稍大且密集，存在局部晶体聚集现象。

图4 猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的偏振光显微镜(PLM)图(×400)Fig.4 Polarized light microscopy image of lard, glycerolysis lard (GL) and purified glycerolized lard (PGL) (×400)

2.4 热重和微商热重分析

热重分析(TG)是在程序控温下和不同气氛中，通过高度灵敏的天平记录样品的质量随温度或时间变化的一种热分析技术，可用来研究样品的热稳定性。TG测定的结果，通常用质量对温度或时间绘制的TG曲线表示。微商热重曲线又称导数热重曲线(DTG)，是TG曲线对温度或时间的一阶导数。DTG曲线是以样品的质量变化速率(mg/min)对温度或时间作图得到，它是TG信号重要的补充性表示。猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的TG曲线和DTG曲线如图5和图6所示。

图5 猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的TG曲线Fig.5 Thermogravimetry curvers of lard, glycerolysis lard (GL) and purified glycerolized lard (PGL)

图6 猪油(lard)、甘油解猪油(GL)及纯化后甘油解猪油(PGL)的DTG曲线Fig.6 Derivation thermogravimetry curvers of lard, glycerolysis lard (GL) and purified glycerolized lard (PGL)

由图5可知，利用基线外推计算法求得曲线的起始分解温度，猪油、甘油解猪油及纯化后甘油解猪油的分解温度分别是403.6、377.3和368.9 ℃。猪油的氧化分解温度最高，氧化稳定性优于甘油解猪油和纯化后甘油解猪油，可能是由于甘油解猪油和纯化后甘油解猪油中含有甘油二酯，它的结构决定了它的极性比甘油三酯高，使其与氧的结合更加容易，从而易于发生氧化反应。

DTG曲线上峰的面积能够反映样品质量的增减，峰顶能够反映样品的质量变化最大时的速度。由图6看出，猪油在464.2 ℃分解速率最大，甘油解猪油与纯化后甘油解猪油分别在457.6 ℃和461.3 ℃分解速率最大。猪油最大失重变化速率稍高于甘油解猪油和纯化后的甘油解猪油，从而使猪油的质量变化较大，说明猪油一旦开始氧化，其氧化程度就会高于甘油解猪油和纯化后的甘油解猪油。

3 结论

采用差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射和偏光显微观察发现，与猪油相比较，甘油解猪油与纯化后甘油解猪油均有较高的熔点，晶体颗粒小而多，且分布均匀，晶型主要表现为β和β′ 型，这些特性使含有甘油解猪油和纯化后甘油解猪油的肉制品具有良好的质构、口感及延展性。纯化后的甘油解猪油是甘油解猪油经分子蒸馏纯化后得到的，成本被大大提高，因此从节约成本和不影响产品感官特性的角度考虑，在含有脂肪的肉制品加工中可以使用甘油解猪油代替纯化后的甘油解猪油。然而热重及微商热重曲线分析发现纯化后甘油解猪油与甘油解猪油较猪油都表现出较低的氧化稳定性，因此在甘油解猪油的应用中应考虑氧化作用的发生。本文对猪油、甘油解猪油及纯化后甘油解猪油的热性质和结构特性进行研究，为甘油解猪油的进一步加工利用提供了科学依据。

[1] 吴苏喜, 季敏, 吴文民. 棕榈油与猪油在组成结构和功能特性上的比较[J]. 中国油脂, 2009, 34(12): 39-44.

[2] DIAO X Q, GUAN, H N, ZHAO, X X , et al. Properties and oxidative stability of emulsions prepared with myofibrillar protein and lard diacylglycerols[J]. Meat Science, 2016, 115: 16-23.

[3] LO S K, TAN C P, LONG K, et al. Diacylglycerol oil-properties, processes and products: A review[J]. Food and Bioprocess Technology, 2008, 1(3): 223-233.

[4] 刁小琴, 孔保华, 陈倩, 等. 甘油二酯生理作用及作为可食用油的安全性评价[J]. 食品工业, 2014,35(12):233-236.

[5] MAKI K C, DAVIDSON M H, TSUSHIMA R, et al. Consumption of diacylglycerol oil as part of a reduced-energy diet enhances loss of body weight and fat in comparison with consumption of a triacylglycerol control oil[J]. The American Journal of Clinical Nutrition, 2002, 76(6):1 230-1 236.

[6] TADA N, YOSHIDA H. Diacylglycerol on lipid metabolism[J]. Current Opinion in Lipidology, 2003,14(1): 29-33.

[7] MENG X H, ZOU D Y, SHI ZP, et al. Dietary diacylglycerol prevents high-fat diet-induced lipid accumulation in rat liver and abdominal adipose tissue[J]. Lipids, 2004, 39(1): 37-41.

[8] MURASE T, AOKI M, WAKISAKA T, et al. Anti-obesity effect of dietary diacylglycerol in C57BL/6J mice: dietary diacylglycerol stimulates intestinal lipid metabolism[J]. Journal of Lipid Research, 2002,43(8):1 312-1 319.

[9] TADA N, WATANABE H, MATSUO N, et al. Dynamics of postprandial remnant-like lipoprotein particles in serum after loading of diacylglycerols[J]. Clinica Chimica Acta, 2001,311(2): 109-117.

[10] FLICKINGER B D, MATSUO N. Nutritional characteristics of DAG oil[J]. Lipids, 2003,38(2): 129-132.

[11] TAGUCHI H, WATANABE H, ONIZAWA K, et al. Double-blind controlled study on the effects of dietary diacylglycerol on postprandial serum and chylomicron triacylglycerol responses in healthy humans[J]. Journal of the American College of Nutrition, 2000,19(6): 789-796.

[12] MORITA O, SONI M G. Safety assessment of diacylglycerol oil as edible oil: a review of the published literature[J]. Food and Chemical Toxicology, 2009, 47(1): 9-21.

[13] MIKLOS R, ZHANG H, LAMETSCH R, et al. Physicochemical properties of lard-based diacylglycerols in blends with lard[J]. Food Chemistry, 2013, 138(1): 608-614.

[14] NARINE, S S, MARANGONI, A G. Relating structure of fat crystal networks to mechanical properties: A review[J]. Food Research International, 1999,32(4): 227-248.

[15] AWADALLAK J A, VOLL F, RIBAS M C, et al. Enzymtic catalyzed palm oil hydrolysis under ultrasound irradiation: Diacylglycerol synthesis[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, 20(4):1 002-1 007.

[16] SINGH A K, MUKHOPADHYAY, M. Olive oil glycerolysis with an immobilized lipase candida antarctica in a solvent free system[J]. Grasas Y Aceites, 2012, 63(2): 202-208.

[17] LO S K, BAHARIN B S, TAN C P, et al. Enzyme-catalyzed production and chemical composition of diacylglycerols from corn oil deodorizer distillate[J]. Food Biotechnology, 2004, 18: 265-278.

[18] CHIAVARO E, RODRIGUEZ-ESTRADA M T, BAMABA C, et al. Differential scanning calorimetry: A poten-tial tool for discrimination of olive oil commer-cial categories[J]. Analytica Chimica Acta, 2008, 625(2): 215-226.

[19] 吴苏喜, 季敏, 吴文民, 等. 猪油基和棕榈油基起酥油的晶型结构研究[J]. 中国粮油学报, 2010, 25(2):84-87.

[20] SILVA R C, SOARES F A S D M, MARUYAMA J M, et al. Effect of diacylglycerol addition on crystallization properties of pure triacylglycerols[J]. Food Research Internation, 2014,55:436-444.

[21] CHEONG L Z, ZHANG H, XU Y. Physical characterization of lard partial acylglycerols and their effects on melting and crystallization properties of blends with rapeseed oil[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(11): 5 020-5 027.

[22] MIKLOS R, XU X, LAMETSCH R. Application of pork fat diacylglycerols in meat emulsions[J]. Meat Science, 2011, 87(3): 202-205.

[23] 肖新生, 杨天奎. 脂类结晶习性的研究[J]. 粮油加工, 2008, 4: 75-77.

[24] NARINE S S, MARANGONI A G. Relating structure of fat crystal networks to mechanical prpperties: A review[J]. Food Research International, 1999, 32(4): 227-248.

[25] 朱向菊, 裘爱泳. 脂肪同质多晶及其研究方法[J]. 粮食与油脂, 2004(12):10-12.

[26] RIBERIRO A P B, Basso R C, Grimaldi R, et.al. Instrumental methods for the evaluation of interesterified fats[J]. Food Analytical Methods, 2009, 2(4): 282-302.

[27] SOUZA V D. Short spacing and polymorphs forms of natural and commercial solid fats: A review[J]. Journal of the American Oil Chemists Society, 1990, 67(11): 835-843.

Thermal properties and structure characteristics of purified glycerolized lard

DIAO Xiao-qin1,2, GUAN Hai-ning1,2, KONG Bao-hua1*, HAN Qi1, ZHAO Xin-xin1

1(College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030,China) 2(College of Food and Pharmaceutical Engineering，Suihua College，Suihua 15206，China)

Lipozyme RMIM was used as catalyst in the preparation of diacylglycerols from lard by enzymatic glycerolysis, and diacylglycerols was then purified by molecular distillation. The crystallization and melting profiles, polymorphic forms and crystalline structures were analyzed through differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD) and polarized light microscopy (PLM). The results showed the melting point and crystallization temperature of glycerolized lard (GL) and purified glycerolized lard (PGL) were higher than those of lard. Glycerolized lard and purified glycerolized lard had a large number of small crystal particles. The distribution of crystal particles was uniform and exhibited β-form and β′-form crystals. Glycerolized lard and purified had lower thermal oxidative stability than lard by thermal analysis.

glycerolized lard; thermal properties; structure characteristics; analysis

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201704015

博士，副教授(孔保华教授为通讯作者，E-mail：kongbh@163.com)。

黑龙江省应用技术研究与开发重点计划(GA15B302)；国家自然科学基金(31471599)

2016-06-10，改回日期：2016-09-08