聚甘油的提纯及其对合成聚甘油脂肪酸酯性质的影响

桑学财，雷朵，马晓军

（江南大学食品学院，江苏 无锡 214122）

聚甘油脂肪酸酯（polyglycerol fatty acid ester，PGFE）作为一种新型高效乳化剂，在食品加工中应用越来越广泛，尤其在蛋糕加工中的应用更受关注[1]。由于不同聚合度的聚甘油与不同品种及量的脂肪酸可以合成出不同亲水亲油平衡值（hydrophile-lipophile balance，HLB）的PGFE，HLB值的变化范围在2～20，因此选择合适聚合度的聚甘油与不同品种及量的脂肪酸可以来制备所需HLB值的PGFE，能满足多种食品的需要，应用前景广阔[2-5]。

蛋糕是最重要的烘焙产品之一，一般是分步打发加工，费工费时，并且对加工者技术要求高，行业急需开发出适合一步法蛋糕加工的工艺和相关食品改良剂。PGFE凭借优良的搅打起泡性，在一步法制备蛋糕方面，表现出了卓越的性能优势。

晶型是影响乳化剂搅打起泡性的关键因素之一，研究表明，α晶型乳化剂打发效果最好，β′晶型次之，β晶型最差[6]。α晶型结构是一种层状结构，能够通过小角X衍射反映出来，当小角X衍射中的散射矢量Q呈现1∶2∶3的比例时，则可以表征为层状结构[7-10]。

纯PGFE不具备多晶型，只有α晶型一种[11]，所以PGFE有着良好的搅打起泡性。现在使用比较多的食品乳化剂——单甘脂是一种多晶型乳化剂，其只有在凝胶α层状结构下，才会有良好的搅打起泡性，但若是其它晶型，其搅打起泡性会明显变差[12-16]。

目前，国内的聚甘油加工水平不高，产品不纯，聚甘油中含有大量甘油，使得其所制备得到的聚甘油脂肪酸酯中也含有较高含量的单、双甘油脂肪酸酯，影响到聚甘油脂肪酸酯的纯度及品质。试验发现，若聚甘油脂肪酸酯中含较多单、双甘油脂肪酸酯，会严重影响到PGFE的打发性，从而影响了其在一步法蛋糕制备中的应用。因此需要对聚甘油进行提纯处理研究，并探索对其合成的聚甘油脂肪酸酯的性质影响。

本文通过分子蒸馏提纯聚甘油，并且研究聚甘油中不同甘油含量对合成聚甘油脂肪酸酯起泡特性以及烘焙特性的影响，为蛋糕用高品质聚甘油脂肪酸酯的生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 主要原料与试剂

聚甘油、小麦粉、鸡蛋、白砂糖、食用油：市售；硬脂酸、无水乙醇、甘油（分析纯）：国药集团药业股份有限公司。

1.2 主要设备

VKL70-5FDRR分子蒸馏设备：德国瑞达有限公司；D2 PHASER X射线衍射仪：德国布鲁克AXS有限公司；Waters 1525EF3高效液相色谱仪：美国沃特世公司；CX-6610打蛋器：中山市灿欣电器制品有限公司；CKF30GU电烤箱：佛山市伟仕达电器实业有限公司；T-XT2i物性分析仪：英国SMS公司。

1.3 方法

1.3.1 分子蒸馏提纯聚甘油

1.3.1.1 温度对分子蒸馏的影响

将聚甘油用分子蒸馏的方式进行提纯，控制真空度为5 Pa，刮膜转速为350 r/min，蒸馏温度选用150、160、170℃3个温度参数进行试验，研究不同的蒸馏温度对聚甘油提纯的影响。通过高效液相法对收集的重相成分进行组分分析。

1.3.1.2 刮膜转速对分子蒸馏的影响

控制真空度为5 Pa，蒸馏温度为160℃，选用300、350、400 r/min 3个转速参数进行试验，研究不同的刮膜转速对聚甘油提纯的影响。通过高效液相法对收集的重相成分进行组分分析。

1.3.2 聚甘油蒸馏后产品得率

聚甘油经过分子蒸馏后除去里面存在的甘油，剩下的为所需要的聚甘油。蒸馏后产品得率按照以下公式计算。

式中：m1为蒸馏后聚甘油质量，g；m为蒸馏前聚甘油质量，g。

1.3.3 聚甘油的组分分析

通过高效液相法对聚甘油成分进行组分分析。将聚甘油溶于乙腈中，配制成5%溶液并过0.2 μm滤膜。色谱条件为，色谱柱：氨基柱；流动相：80%乙腈；流速：1.0 mL/min；进样量：30 μL；检测器：示差折光检测器[17]。

1.3.4 聚甘油脂肪酸酯的合成

将聚甘油与硬脂酸直接酯化合成聚甘油脂肪酸酯。四角烧瓶中放入聚甘油与硬脂酸，摩尔比为1.1∶1，在220℃条件下反应30 min，持续搅拌，并且对四角烧瓶充氮气保护。反应结束后，将上层透明液体冷却，得到聚甘油脂肪酸酯[18]。

1.3.5 层状结构的表征

通过小角X衍射来表征层状结构。将样品放在样品台上，设置扫描范围 1°～10°，步长为 1°/min，扫描时间10 min[10]。散射矢量Q值按照下面公式计算。

式中：Q 为散射矢量，nm-1；d为层面间距，nm；θ为衍射角度；n为衍射级数；λ为入射光波长，nm。

1.3.6 聚甘油脂肪酸酯起泡性及稳定性测定

称取5.0g（精确至0.01g）样品熔化后，加入100mL水，室温25℃下高速搅打5 min，然后迅速转移到量筒中，记录泡沫量为H1。量筒在室温（25℃）下静置2 h后再测量泡沫的残留量（H）。该测量方法中用泡沫量H1作为聚甘油脂肪酸酯起泡能力大小的评价，泡沫稳定性按照如下公式计算[19]。

式中：H为泡沫残留量，mL；H1为泡沫量，mL。

1.3.7 聚甘油脂肪酸酯在海绵蛋糕中的应用分析

1.3.7.1 海绵蛋糕制作方法

采用一步打蛋法制备海绵蛋糕，参考HESSO等[20]试验中的海绵蛋糕配方并稍作修改。本试验采用的配方如下：低筋小麦粉30 g，全蛋液35 g，白砂糖28 g，大豆油5 g，聚甘油脂肪酸酯2 g（其中空白对照组小麦粉37 g）。将称量准确的小麦粉、白砂糖、全蛋液、大豆油及聚甘油脂肪酸酯全部加入搅拌缸中，用打蛋器高速打发3 min后转移至烤盘中，放入烤箱中焙烤。烘焙条件为180℃、20 min。烘烤结束后立即取出，自然冷却1 h后切片。

1.3.7.2 蛋糕面糊比重测定

同等体积条件下，面糊质量与纯水质量的比值为蛋糕面糊比重。

1.3.7.3 蛋糕比容测定

用菜籽替代法测定重油蛋糕的体积，电子天平测量蛋糕质量，体积与质量之比即为蛋糕的比容。

1.3.7.4 蛋糕质构测定

参考王凤等[21]的方法并稍作修改，将烘焙后的新鲜蛋糕在室温25℃下冷却1 h后，切成14 mm的均匀蛋糕片，待测蛋糕的组合高度为28 mm，采用物性分析仪对蛋糕进行质构分析。选用25 mm的圆柱形探头，试验参数设定为：测前速度为1 mm/s，测试速度为5 mm/s，测后速度为5 mm/s，下压程度为50%。两次压缩之间时间间隔为5 s。

1.3.8 数据处理

本文中数据结果用SPSS软件进行数据的相关性和显著性分析，分析结果中P<0.05；用Origin 8.5软件作图分析；每组做3次平行试验。

2 结果与分析

2.1 分子蒸馏提纯聚甘油工艺的优化

2.1.1 温度对聚甘油提纯的影响

分子蒸馏是通过不同物质分子之间运动平均自由程的不同而进行分离，轻、重相均被加热形成轻、重分子逸出液面进入气相，因为轻、重分子平均自由程的不同，轻分子从液面逸出距离长，重分子逸出液面距离短，在二者距离之间设立冷凝板即可将轻分子冷凝从轻相口流出，重分子由混合液流出。因此温度为分子蒸馏提纯聚甘油的关键因素之一[22]。表1为通过不同温度的分子蒸馏后产品的组成分析。

表1 不同温度蒸馏后各组分的分析Table 1 Analysis of components after distillation at different temperatures

从表1可以看出，未蒸馏的聚甘油中含有接近30%的甘油，随着蒸馏温度的升高，被蒸馏出的甘油越来越多，余下的聚甘油含量也越来越高。当温度在150℃时，甘油含量从29.3%降到11.7%，蒸馏不彻底。而当温度从160℃升到170℃左右时，虽然甘油含量仅有2.23%，但同时二聚甘油和三聚甘油的含量也相对降低，原因是温度过高，不仅将甘油蒸馏出来，同时也会将部分二聚甘油和三聚甘油蒸馏出来，导致二聚甘油和三聚甘油的含量相对降低，此时得率只有57.93%，不适合工业生产。而在蒸馏温度160℃的条件下，甘油含量与170℃条件下接近，同时二聚甘油和三聚甘油含量并未明显降低，得率达到74.21%。因此，在真空度为5 Pa，转速350 r/min，蒸馏温度在160℃下蒸馏效果最优。

2.1.2 刮膜转速对聚甘油提纯的影响

刮膜转速也是影响聚甘油提纯的关键因素之一。薄膜的厚度是影响蒸馏的关键因素，转速越快，薄膜越薄，越容易蒸馏分离出去。表2为不同的转速对提纯的影响。

从表2中可以看出，随着转速的增加，甘油的含量越来越低。这是因为转速越快，薄膜被打得越薄，使得蒸馏更容易进行。刮膜转速从300 r/min提高到350 r/min时，甘油含量降低，脱除更彻底，但是当转速达到400 r/min时，聚甘油的含量明显下降，因为转速过快使得膜越来越薄，更利于产品的蒸馏，不仅使甘油蒸馏除去，聚甘油也会随之蒸馏出去，产品的损失较大。因此在真空度5 Pa，蒸馏温度160℃条件下，刮膜转速为350 r/min时蒸馏效果最优。

虽然真空度对于分子蒸馏的影响也很关键，但是真空度是和温度相关的，真空度越低，分子蒸馏需要温度越低，相反，真空度越高，需要温度也就越高，二者是相结合的。因此，确定较佳的分子蒸馏条件为真空度5 Pa，蒸馏温度160℃，刮膜转速350 r/min。在此条件下聚甘油的分离除杂效果最好。

表2 不同转速蒸馏后各组分的分析Table 2 Analysis of components after distillation at different rapids

2.2 不同甘油含量的聚甘油对合成PGFE性质的影响

本文对蒸馏后的聚甘油添加适当甘油，制备成甘油含量分别为2.5%、5%、10%、20%、30%的聚甘油（分别用 2.5%-PGFE、5%-PGFE、10%-PGFE、20%-PGFE、30%-PGFE表示），通过相同的参数进行酯化反应，得到聚甘油脂肪酸酯，研究不同甘油含量的聚甘油对合成聚甘油脂肪酸酯的性质影响。

2.2.1 不同甘油含量的聚甘油对合成PGFE层状结构的影响

图1～图5分别为不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的X衍射图。

图1 30%-PGFE的X衍射图Fig.1 X-ray diffraction pattern of 30%-PGFE

可以看出，图4和图5中的散射矢量Q值比例分别为 1.06∶2.06∶3.11∶4.17和 1.03∶2.14∶3.10∶4.33，比例约等于1∶2∶3∶4，可以确定其为层状结构，而图1、图2、图3中的散射矢量Q值均不成比例，说明不存在层状结构。原因可能是聚甘油中含有的大量甘油，在酯化合成聚甘油脂肪酸酯的同时也反应生成了大量的单、双甘油脂肪酸酯，这些高含量单、双甘油脂肪酸酯的存在影响到了聚甘油脂肪酸酯的层状结构，只有当聚甘油中甘油含量降低至5%及其以下时，酯化生成的少量单、双甘油脂肪酸酯才不会影响到聚甘油脂肪酸酯的层状结构。

图2 20%-PGFE的X衍射图Fig.2 X-ray diffraction pattern of 20%-PGFE

图3 10%-PGFE的X衍射图Fig.3 X-ray diffraction pattern of 10%-PGFE

图4 5%-PGFE的X衍射图Fig.4 X-ray diffraction pattern of 5%-PGFE

图5 2.5%-PGFE的X衍射图Fig.5 X-ray diffraction pattern of 2.5%-PGFE

2.2.2 不同甘油含量的聚甘油对合成PGFE搅打起泡性的影响

不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的起泡性如表3所示。

表3 不同甘油含量的聚甘油对合成PGFE的搅打起泡性影响Table 3 Effects of polyglycerol with different glycerol contents on the hairiness of synthetic PGFE

由表3可以很明显看出，2.5%-PGFE和5%-PGFE 起泡性比 10%-PGFE、20%-PGFE、30%-PGFE都要好很多，分别达到458.3 mL和452.5 mL，并且泡沫更加稳定。导致这一差异的原因是较高含量的甘油使得酯化反应生成大量的单、双甘油脂肪酸酯，其本身为稳定的β晶型，打发性较差，同时它们的大量存在影响到了聚甘油脂肪酸酯的α层状结构，使得打发效果更差。

2.2.3 不同甘油含量的聚甘油对合成PGFE蛋糕烘焙特性的影响

不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的蛋糕烘焙特性见表4。

通过表4可以看出，添加了2.5%-PGFE和5%-PGFE的蛋糕，孔泡较均匀，质地松软，其面糊比重分别为0.41 g/cm3和0.43 g/cm3，明显比其它含量以及空白对照组面糊比重低很多。空白对照组因为未添加任何乳化剂，所以有些未完全打发，面糊比重较大，硬度较大。添加了2.5%-PGFE和5%-PGFE的蛋糕比容分别为3.88 mL/g和3.84 mL/g，说明在搅打过程中掺入大量的空气，导致面糊比重降低，比容增大；5%-PGFE做出的蛋糕质地松软，硬度仅有484 g，远低于10%、20%、30%含量的 543、541、557 g和对照组的575 g，与2.5%-PGFE做出的蛋糕硬度相接近，说明只有聚甘油中甘油含量在5%及其以下时，所制得的聚甘油脂肪酸酯在烘焙特性上最佳。

表4 不同甘油含量的聚甘油合成的PGFE的蛋糕烘焙特性Table 4 Cake baking characteristics of PGFE synthesized from polyglycerol with different glycerol content

3 结论

本研究通过分子蒸馏对聚甘油进行提纯，并且探究聚甘油中不同甘油含量对合成聚甘油脂肪酸酯性质的影响。结果表明：当分子蒸馏的蒸馏参数为真空度5 Pa，蒸馏温度160℃、刮膜转速350 r/min时，提纯效果最好，甘油仅存3.61%，聚甘油产品得率为74.21%。当聚甘油中甘油含量较高时，该聚甘油通过酯化反应合成聚甘油脂肪酸酯的同时也生成了大量的单、双甘油脂肪酸酯，这些单、双甘油脂肪酸酯的大量存在影响到了聚甘油脂肪酸酯的层状结构，使得聚甘油脂肪酸酯的搅打起泡性较差，其用于蛋糕制作的效果也较差；只有当聚甘油中甘油含量在5%及其以下时，酯化反应中仅生成少量的单、双甘油脂肪酸酯，这些少量的单、双甘油脂肪酸酯并不会影响到聚甘油脂肪酸酯的层状结构，此时，该聚甘油脂肪酸酯的搅打起泡性较好，起泡性能达到452.5 mL，泡沫稳定性高达95.8%，泡沫也更加细腻，此聚甘油脂肪酸酯通过一步打蛋法制备的蛋糕品质较好，质地松软，面糊比重在0.43 g/cm3，蛋糕比容为3.84 mL/g，蛋糕硬度为484 g。