基于榛子酱中团聚体驱动油固定化的微观与宏观分析及其对产品稳定性的影响

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Micro- and Macroscopic Analysis of Agglomerate-Driven Oil Immobilization in Nut-Based Pastes

本文通过多尺度分析方法，系统研究了研磨与混合工艺对榛子酱油脂流动性的影响机制。研究发现，辊式精磨（roller refining）可在含糖基质中形成包裹油脂的团聚体（agglomerates），显著提升油脂结合能力（OBC）与产品稳定性；而剪切型混合会破坏团聚体结构，导致油脂释放。该研究为脂肪基食品的加工优化提供了关键理论依据。

　　

1. 引言

榛子酱（如牛轧糖）是由糖、烘烤榛子、可可粉等固体颗粒分散于油脂连续相中形成的复杂体系。其油脂相主要包含富含不饱和低熔点甘油三酯（TAGs）的榛子油，在室温下具有高流动性。油脂流动性过强易导致产品表面析油、质地油腻及氧化稳定性下降。以往研究多关注配方（如脂肪-糖比例、糖替代物、脂肪结晶行为）对稳定性的影响，而研磨（grinding）与混合（mixing）等加工步骤通过结构变化（如团聚体形成）对油脂固定的作用尚不明确。本研究提出假设：研磨（尤其是辊式精磨）通过形成包裹油脂的团聚体抑制油脂分离，而后续混合通过剪切力破坏团聚体结构，导致油脂释放。研究采用多尺度分析策略，结合显微技术（光学显微镜、核磁共振扩散法）直接观测团聚体，并通过宏观测试（油脂结合能力OBC、流变学、储存期油脂分离）揭示其功能，系统探讨不同复杂度榛子酱（纯榛子酱、榛子-糖酱、牛轧糖）中团聚体的形成机制与工艺依赖性。

2. 材料与方法

2.1. 榛子酱样品的制备

研究设计了三种复杂度递增的体系：纯榛子酱（100% w/w 榛子）、榛子-糖酱（70% w/w 榛子、30% w/w 糖）及实验室/工业规模生产的牛轧糖酱。比较了切割机（cutter）、球磨机（ball mill）和辊式精磨机（roller refiner）三种研磨技术在不同强度下的效果。通过调控研磨程度（G）、混合温度（MT）与混合时间（MD）评估工艺参数的影响。采用光学显微镜与核磁共振扩散测量（PFG-STE）表征微观结构，并通过离心法测定OBC、流变仪分析粘弹性行为，追踪4周储存期油脂分离情况。

2.2. 微观尺度团聚体的识别

2.2.1. 颗粒与团聚体的尺寸形态

激光衍射与光学显微镜结果显示，辊式精磨二次过料（15 bar）可在含糖基质中形成>50 μm的团聚体，而切割机与球磨机样品中未观察到类似结构。团聚体形成依赖于研磨技术强度与配方组成：纯榛子酱中无团聚体，而添加糖或可可粉的体系在精细研磨后出现明显团聚结构。

2.2.2. 核磁共振分析油脂受限流动性

PFG-STE扩散测量结合MCPR模型显示，辊式精磨样品的等效直径d_33,ed不随扩散时间（Δ）变化，表明油脂被封闭在球形团聚体内；而切割机处理的样品d_33,ed随Δ增加，说明油脂流动性受限程度低。质量相关初始信号强度（S₀m^?1）在精细研磨样品中降低10²–10⁴倍，表明比表面积增大增强了表面弛豫效应。MRI图像进一步证实，机械旋转可导致团聚体内油脂释放，中心区域信号强度升高约6.5倍。

3. 结果与讨论

3.1. 微观尺度团聚体的功能验证

光学显微镜与NMR数据共同表明，辊式精磨在含糖体系中形成稳定团聚体，有效包裹油脂。团聚体形成需满足两个条件：一是研磨至粒径≤40 μm，二是基质中存在糖等固体颗粒。糖的亲水表面可形成粘性薄膜，促进颗粒间结合。而球磨样品虽粒径与辊式精磨相近，但因持续混合作用破坏团聚体结构，微观图像中未观测到团聚体。核磁共振弛豫速率R₂的空间分辨图像显示，精细研磨样品的R₂值更高，说明油脂分子与颗粒表面相互作用增强。

3.2. 宏观尺度油脂固定化效应

3.2.1. 油脂结合能力与流变特性

在牛轧糖酱中，精细研磨（G-fine）样品的OBC和屈服点（τ₀）显著高于粗磨样品（G-coarse）。存储模量（G′）和损耗模量（G″）随研磨细度增加而升高，表明团聚体增强了体系粘弹性。相反，纯榛子酱的OBC在粗磨时更高，因大颗粒保留更多完整油体（oleosomes）。混合时间延长（MD-10至MD-60）导致OBC与屈服点下降，证实剪切力破坏团聚体结构。

3.2.2. 储存稳定性

实验室规模牛轧糖酱在4周储存实验中，粗磨与中磨样品出现表面析油（最高20.3% w/w），而所有精细研磨样品无油脂分离。工业规模产品中，粒径≤20 μm的过细研磨反而导致OBC降低，可能因过度研磨释放油脂超过吸附容量。

4. 结论

本研究通过多尺度分析揭示了榛子酱中油脂固定的双重机制：一是团聚体物理包裹油脂，二是小粒径颗粒增大比表面积促进油脂吸附。辊式精磨在含糖基质中形成的团聚体是提升产品稳定性的关键结构，但其对剪切敏感，混合工艺需优化以避免破坏。该研究为脂肪基食品加工提供了微观结构调控与宏观功能关联的理论基础，对延长货架期、减少固体脂肪添加剂使用具有实践意义。