乳脂肪結晶機理研究進展

王筠鈉 李 妍 李 揚 韓 潔 尹未華 張列兵*

（1 中國農業大學食品科學與營養工程學院 北京100083 2 北京工商大學 北京市食品添加劑工程技術研究中心 北京100037）

隨著西方飲食文化的融合和大眾對營養健康的關注，乳制品品種不斷增多，應用范圍不斷拓寬。目前由于原料乳來源、乳脂肪化學組成結構及加工工藝不同，使得乳制品產品質量參差不齊。本文闡述脂肪結晶機理與產品性能的關系，發現脂肪結晶與產品硬度、可塑性等性能變化規律，為乳品科學的深入研究提供一定的理論指導[1-2]。

1 乳脂肪結構與性能

乳脂肪一般以MFG 的形式分散于乳的水相中，尺寸范圍為0.1 μm 至10 μm 或更大（平均粒徑3～4 μm），外層有脂肪球膜 （Milk fat globule membrane，MFGM）包裹。雖然乳脂肪球（Milk fat globule，MFG）相對較小，但是它們數量龐大，在1mL 乳中平均約15×109個，意味著它們有相當大的比表面積。MFG 中約98%為甘油三酯（Triacylglycerol，TAG），通式為CH（OOCR1）（OOCR2）（OOCR3），R1～R3為烷烴或烯烴。超過400 種FA 可隨機組合出600 萬種TAG，其關系如圖1所示。TAG 中脂肪酸（Fatty acid，FA）種類及含量、碳鏈長度、雙鍵位置及不飽和度決定了固體脂肪含量（Solid fat concentration，SFC），從而影響脂肪結晶和熔化性能。

圖1 TAG 分子結構（R 代表不同烴基脂肪酸）Fig.1 Molecular structure of triacylglyceride（R is for different alkyl fatty acid）

乳脂肪中FA 大多數為偶碳直鏈，極少數為奇數碳鏈和具有支鏈的酸，主要種類見表1。區分MF 與其它來源脂肪可根據短鏈FA （C4-C10）的比例相對較高這一特征。其它2%左右非脂成分為甘油一酯、甘油二酯、脂肪酸、磷脂等[3]。

TAG 化學組成和性質是決定乳制品性能及產品質量的關鍵。以Christelle Lopez[4]通過干法分提在21℃分餾獲得不同熔點組分的乳脂肪為例，其TAG 種類及含量見表2。乳脂肪是由不同含量、不同結構的TAG 組成的混合體，碳鏈化學組成結構對油脂熔沸點、硬度、結晶等性能起著決定性作用，其規律為：①若主鏈均由單可內旋轉的單鍵組成，因不同的單鍵鍵長、鍵角、取代基而使旋轉內阻不同，故脂肪的硬度也隨之不同。由此可知，飽和脂肪酸碳鏈越長，分子間作用力就越大，旋轉內阻越大，硬度和熔點升高，即長鏈脂肪酸＞短鏈脂肪酸。②若體系中含不可旋轉的非共軛雙鍵，使非鍵合原子間距離、鍵角和鍵長增大，易內旋，熔點和硬度因此降低。③若體系含有共軛雙鍵，則電子云相互交蓋形成大π 鍵，在同等情況下，與非共軛雙鍵相比，硬度和熔點均提高。綜上所述，在碳鏈長度相同的情況下，熔點由大到小依次為飽和脂肪酸＞共軛三烯酸＞單烯酸＞雙烯酸＞非共軛三烯酸。另外，碳鏈越長疏水性越好，在制備稀奶油時乳化劑用量越高[5]。

表1 乳脂肪中主要脂肪酸組成Table 1 Main fatty acid composition in milk fat

表2 乳脂肪及其分提組分甘三酯組成Table 2 Triacylglycerol composition （mass%） of milk fat and its primary fractions，olein and stearin fractions from main fatty acids

（續表2）

因受季節性影響，乳脂肪熔程范圍-40～50 ℃，5 ℃時只有30%為液態脂肪，近50 ℃時才完全熔化[6-7]。（33±2）℃熔點乳脂肪常溫下為半固態，體溫下熔化，可快速釋放風味物質而不產生膩口感，既能建立結構又有潤滑作用；（43±2）℃的硬脂常溫為固態，可作為晶種并擔當脂肪晶體骨架；（21±2） ℃的軟脂可提供產品室溫下的潤滑性；而熔點低于10 ℃的組分提供冷藏溫度下的流動性和可操作性[8]。

2 脂肪晶體結構及晶體間相互作用

塑性脂肪由液體油和固體脂組成，SFC 可決定其在一定外力下具有的抗變形能力。當SFC 較大時，塑性脂肪會因硬度過大而導致塑性變差；當SFC 較小時，塑性脂肪會因硬度過小而導致結構松軟，塑性變差，易變形[9]。有研究向乳脂肪中添加了具有長鏈脂肪酸的葵花籽油，結果表明混合乳脂肪誘導的結晶行為使得體系具有更高的SFC 和更大的硬度[10-11]。同時，塑性脂肪也因熱力學溫度范圍的變化而有所不同。溫度越寬，塑性脂肪從熔化開始到結束溫差越大，反之越小。如果塑性脂肪的硬度變化隨溫度變化較明顯，說明該產品可塑性差；反之，則可塑性較好[12]。通過X-射線晶體衍射（XRD）和差示掃描量熱儀（DSC）證明，塑性脂肪中同種油脂在外界因素影響下形成不同晶型，從而導致同質多晶現象[13]。由表3可知，典型的晶型主要有α，β′和β，其中α 型最不穩定，熔點最低，通常由熔融的油脂經過快速冷卻得到，在塑性脂肪加工初始階段短暫存在，之后迅速轉變為β′和β 型[14]。β′型為α 和β 晶型間的介穩態，熔點高于α 型，通常呈細針狀，晶體晶粒細膩，使得產品表面光潔，質構柔軟，有較好的可塑性、涂抹性及口感；β 型緊密粗大，穩定性最大，相應的熔點最高，易形成大的板狀結晶體，且隨著時間的延長而增大，因此其包裹液油的能力比β′差[15]。3 種晶型間的轉變順序是α→β′→β，該過程是由非穩態向穩態晶型轉變的不可逆過程[14]。乳脂肪的結晶行為主要由成核速率決定，同時受熱力學和動力學因素控制。同質多晶成核的關鍵是Ostwald 規則，該規則指出相變可能會發生在更穩定的階段[16-17]。當在動力學各因素下誘導成核時，亞穩態晶型先于穩態晶型成核；當動力學或其它外界因素影響最小化時，該規則不成立，穩態晶型隨著動力學因素的減弱逐漸成核[18]。在實際生產中，乳脂肪的同質多晶現象使得此類產品必須冷藏以減緩晶型轉變速度，該轉變主要發生在生產與儲藏階段，受溫度、時間等因素的影響[14-15，19-23]。

除同質多晶外，FA 碳鏈間的相互作用也會對脂肪結晶產生關鍵影響。TAG 晶體是通過分子層堆疊而成，其分子層厚度取決于FA 鏈長度、不飽和度及相對于由TAG 的甲基端基形成的基底面的傾斜角。TAG 縱向堆疊厚度可以通過XRD 小角度0°<θ<5°測量，稱為長間距（LS）。它們主要與在晶體上堆疊并排的鏈長結構有關 （圖2）。對于TAG，該取值通常為2（2L，40～50?）或3（3L，55～70?）。一般情況，三鏈長度（3L）形式通常與低熔點，長鏈單不飽和或長鏈與短鏈混合TAG 相關。雙鏈長度（2L） 結構主要由長鏈，高熔點三飽和TAG 產生。由于鏈長結構不同的混合TAG 易在結晶期間或結晶后儲存期間發生分離，所以同時含有3L 和2L 結構的TAG 是無法穩定互熔的[24]。此外，根據TAG 同質多晶轉化，鏈長結構最終會從雙鏈轉化為三鏈。當用較短或更長碳鏈的FA 或多不飽和FA 代替3 條FA 鏈中的兩條，并將它們與其它脂肪混合時，很可能會發生同質多晶現象和鏈長結構的轉化，從而影響晶體形態，脂肪混合性能和晶體網絡的形成[25]。脂肪碳鏈的橫截面的特征由短間距（SS）決定，與鏈長無關，并且在廣角范圍內可觀察到在8.5°<θ<13°的范圍內[26]。長間距廣泛應用于鑒定乳脂肪同質多晶晶型。當TAG 3條羧酸碳鏈的化學性質相同或非常相似時可形成雙鏈長結構，如三癸酸β 形式[27]。若3 條鏈中的一條或兩條鏈的化學性質與其它部分的大不相同時，鏈排序而形成三鏈長結構，如sn-1，2-二棕櫚酸-3-乙酸（PP2）的β 形式[28]。在三飽和棕櫚酸TAG（PPP）中，脂肪酸碳鏈長度均勻，稱為同酸TAG。PPP 的3 種形式的分子結構簡要說明如下：無序的脂肪鏈構象形成α 晶型，中間部分形成β′晶型，最密集部分形成β 晶型。α 晶型吉布斯自由能最高，其衍射角為4.15?；β′晶型次之，且兩個頻率相似的衍射角，分別為4.2? 和3.8?；β 晶型最低，其衍射角為4.6?[20]。

表3 甘油三酯3 種晶型特征Table 3 The characteristics parameters of the three polymorphs of triglycerides

圖2 脂肪鏈長結構Fig.2 Fatty acid chain length structure

3 脂肪結晶機理及其網絡結構特征

3.1 結晶脂肪潤濕性

乳脂肪作為分散相可以在特定溫度下部分結晶，脂肪晶體對乳狀液穩定性的影響取決于連續相或分散相潤濕性[29]，膠體粒子的潤濕性決定在乳液中的最終位置，結晶過程見圖3。

當乳液冷卻時，剪切力使MFG 間的界面膜被相互接近的MFG 內部晶體刺破，當結晶脂肪碰到其它MFG 的液態油相時，不可避免地發生部分聚結導致最終相轉化。根據相似相容原理，結晶脂肪相比水而言能夠更好地被油潤濕，MFG 中多面體結晶的突起刺破界面膜，作為晶核誘發相鄰脂肪液滴形成晶體[30-31]。隨著MFG 粒徑的增加，結晶溫度升高的趨勢遵循冪律模型，晶核尺寸宜為微米級（～0.50 μm），若＞1 μm 便類似物理屏障，約束和延緩結晶過程，影響結晶行為。而納米級因尺寸過小而不易誘發結晶[32-33]。

圖3 脂肪球部分聚結過程Fig.3 Partial coalescence of partially crystallized milk fat globule

乳脂肪結晶的位置十分重要。結晶脂肪可以在分散相/連續相內或界面內，而脂肪部分聚結發生的先決條件是結晶脂肪必須存在于界面處，吸附原理見圖4。

圖4 結晶脂肪在油-水界面的吸附和接觸角Fig.4 Adsorption and contact angles of fat crystals at the interface of an oil-in-water emulsion

圖4中水為連續相，MFG 和結晶脂肪為分散相，結晶脂肪嵌入O/W 界面聚結并使乳狀液體系穩定[34]。當MFG 與結晶脂肪間距離＜平衡距離時，結晶脂肪嵌入油-水界面內并發生部分聚結[31]。界面處結晶脂肪的潤濕行為可由楊氏方程的界面張力與接觸角描述：

式中：θ——水相接觸角，γ（O/W），γ（O/S），γ（W/S）——油/水，油/固體和水/固體界面的表面張力，γ（O/W）cosθ——粘附張力。

接觸角的變化表明乳狀液穩定性，可通過使用表面活性劑來調節。提高表面活性劑濃度會降低油-水界面張力和水相與結晶脂肪間的接觸角，從而降低MFG 對結晶脂肪的潤濕性[35]。結晶脂肪在固-水-油界面處的接觸角＜90°，可獲得穩定的O/W 乳狀液體系，較佳接觸角應為60～70°。當接觸角＞90°，可獲得穩定的W/O 乳狀液體系。如果接觸角為180°或0°時，則結晶脂肪完全被潤濕或不潤濕。當接觸角=90°，結晶脂肪可被油相和水相同等程度潤濕[35]。由不潤濕至完全潤濕，由冷卻速率及保持溫度所決定，見圖5。

結晶脂肪刺破MFG 液滴界面的方向對脂肪部分聚結尤為重要。當尖端正對界面突出時，脂肪晶體更易刺穿MFG 界面膜，見圖6。

結晶脂肪刺穿相鄰脂肪球的前提條件有兩個：一是結晶脂肪的化學結構組成，二是脂肪球與結晶脂肪間距離，倘若兩者距離＜0.1 μm，結晶脂肪可在數秒內吸附于界面上。Boode 等[36]使用t 來確定結晶脂肪從界面遷移到MFG 液滴中心所需的平均時間。

圖5 粘附張力圖（表明油-水界面上的結晶分配取決于表面活性劑的吸附）Fig.5 An adhesion tension diagram indicating crystal partitioning at an oil-water interface depending on surfactant adsorption

圖6 結晶脂肪方向對油滴聚結及相轉變的重要性Fig.6 Importance of crystal orientation on droplet caolescence and phase inversion

式中：rc——結晶脂肪直徑；rd——MFG 液滴直徑，η0——脂肪液滴黏度。

3.2 乳脂肪結晶網絡

液油在過冷、過飽及外力作用下產生初級及次級晶核，通過傳質傳熱形成微晶（～2～4 μm），并在其表面連續生長[9]，同質多晶行為也在此期間發生[15-18]。在范德華力等作用力下進一步聚集成微晶束（～20～100 μm），各晶束相互聚集、交織，形成聚結塊，并按一定方式排列充填，最終形成類似凝膠的三維結晶網絡，構成宏觀結構體系[37-40]，見圖7。

在晶體成長過程中，還會受諸多因素影響，包括TAG 結構及組成、雙鍵位置和數量等內因及溫度、壓力、攪拌以及乳化劑種類和用量等外因。乳脂肪的脂肪結晶網絡多以固體或半固體狀態存在，不同形態結晶嚴重影響產品的結構及打發性、可塑性、硬度、脆性等功能特性。大部分對脂肪結晶網絡結構和性質的研究主要集中在脂質組成、同質多晶和SFC 上，而很少研究這些因素與外在物性間的關系。

圖7 結晶脂肪網絡形成過程Fig.7 Structure hierarchy of fat crystal networks

3.3 脂肪結晶網絡結構特性

具有屈服應力和黏彈性質的宏觀可塑性源于脂肪結晶三維網絡結構，對塑性脂肪宏觀流變學性質有顯著影響[29，41-43]。脂肪結晶網絡結構的機械強度受原料來源、組成、結構、溫度、外力等因素的影響，從而決定塑性脂肪的口感、延展性、打發性等品質特性[40]。MF 結晶網絡機械性能主要通過硬度和黏彈性表征，硬度常用穿刺法測定。該方法存在一定局限性，測定時脂肪結晶網絡結構遭到破壞，無法準確測量未受到破壞的脂肪結晶對硬度的影響。不能準確表達硬度與脂肪結晶網絡的關系[44]。而采用小形變方法測定，因對脂肪結晶網絡不產生破壞，故能準確反映兩者關系[45]。

生活中不難發現，體系的部分結構與整體結構在形態、功能和信息等方面具有極大的相似性，研究部分結構性能即可推斷整體結構性能[46]。1982年Mendelbret 教授提出分形理論[47]，鑒于分形體系在任何放大倍數下部分與整體均具相似性，結晶網絡結構便可運用該理論進行分析研究。采用激光共聚焦顯微鏡 （CLSM）、偏光顯微鏡（PLM）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X-射線晶體衍射（XRD）等圖片學或波譜學方法對結晶網絡進行不同結構層面的觀察，獲取微觀形貌結構信息[39-41]?？蒲腥藛T發現在分形聚集體中，MFG及脂肪結晶網絡的尺寸及微觀結構的尺寸以分形方式呈一定比例[48-49]：M～RD，其中M-微觀結構質量，R-MFG 半徑。Marangoni 等對塑性脂肪產品黏彈性與結晶網絡結構的關系進行研究，確定楊氏模量與結晶網絡的關系[50]：

式中：Es——楊氏模量；l0——平衡距離；a——粒徑；ε——應力應變；φ——固體體積分數；D——分形維數。

由于該模型的分形維數被假設為定值，所以被Awad 等[51]推翻。Tang 等[52]繼續改進該模型為：

式中：k、b 為常數。

然而，此模型僅用于高 SFC 體系，亦具有局限性。探索機械性能與脂肪結晶網絡結構間關系的新方法一直在進行，其理論還有待完善。

在脂肪體系中根據脂肪狀態大致分為兩種流變體系：一種是以液態脂肪為主的強分子間作用力的流體體系，另一種是以高SFC 為主的低分子間作用力的固態/半固態體系[53]。隨著溫度降低，微晶束不斷增大，聚結體隨之增多，分子間作用力減弱，兩種體系可以相互轉化。流體體系中，結晶網絡結構與黏彈性模量的關系表達式為：

式中：G’——彈性模量；φ——SFC/100；D——分形維度；d——晶體簇幾何直徑；x——化學鍵長度指數。

計算表明G’ 隨著晶體簇及晶體顆粒的大小按照[（d+x）/（d-D）]指數增加。在固態/半固態體系中，結晶脂肪含量高，易形成結晶簇，晶簇間作用力降低。據此，兩者關系可以表達為：

式中：K——彈性常數。

計算表明G’隨著晶體簇及晶體顆粒的大小按[（d-2）/（d-D）]指數增加[39-54]。由此可知，脂肪結晶網絡具有相似性和分形性，分形理論的提出和脂肪結晶模型的建立為探究晶體網絡結構與性能的關系提供新思路。

4 展望

隨著人們對食品安全和質量的關注，天然、健康的飲食理念逐漸深入人心。在乳制品生產、銷售、運輸的過程中，如果乳脂肪類型和工藝選擇不當，易發生各種不穩定現象。如何控制脂肪結晶程度，提高乳品品質是食品工作者亟待解決的問題。本文對乳脂肪結晶行為的探究，有利于行業技術水平和產品質量的提高，具有重要的理論指導意義。