余蓋文 劉 曄 王明明 李云雁 劉大川

(武漢輕工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院1，武漢 430023) (武漢輕工大學(xué)食品學(xué)院2，武漢 430023)

精煉加工是去除毛油雜質(zhì)、保障油品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于食用油的營養(yǎng)價(jià)值及加工性能產(chǎn)生重要影響[1-2]。然而，過度精煉加工不僅造成毛油中營養(yǎng)成分的損失和能耗物耗增加[3]，還會導(dǎo)致有害物的生成[4]。因此，掌握油脂精煉過程中有害物的形成規(guī)律，探索有害物的防控方法，發(fā)展輕簡化的適度精煉工藝成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[4-6]。

常規(guī)油脂精煉加工中，脫膠、脫酸、脫色和脫臭等操作均不可避免地涉及一定程度的熱處理，而絕大部分危害物的形成均與熱處理相關(guān)。在受熱條件下，油脂可發(fā)生氧化、水解、異構(gòu)化以及聚合等變化[7]，形成包括反式脂肪酸、聚氧化甘油酯、氯丙醇酯等在內(nèi)的多種危害物[7-9]。因此，建立對于油脂受熱處理程度的綜合表征指標(biāo)及方法，對于油脂精煉加工危害物的防控具有重要價(jià)值。考慮到油脂經(jīng)歷熱處理后，脂肪酸碳鏈上引入雜原子、烯鍵重排共軛化、聚合及環(huán)化等行為均能為紫外吸收光譜所表征，故在本研究中以菜籽油為典型大宗油品樣本，考察精煉加工操作對油品紫外吸收光譜的影響，提取可用以表征油脂熱處理程度的特征信息，為油脂精煉熱處理進(jìn)程的表征及危害物形成風(fēng)險(xiǎn)的評估提供快捷靈敏的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽：安陸天星糧油機(jī)械有限公司；活性白土：江西永平元昶膨潤土有限公司；氮?dú)猓何錆h市明輝龍祥特氣營銷部，純度99.99%；所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 設(shè)備與儀器

主要實(shí)驗(yàn)儀器：HJ-L-20榨油機(jī)：武漢好機(jī)匯機(jī)械設(shè)備制造有限公司；DF-1集熱式磁力攪拌器：常州國華電器有限公司；NC-2064高速離心機(jī)：安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司； RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海壘固儀器有限公司；SZCL-2數(shù)顯智能控溫磁力攪拌電熱套：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；V-i120SV真空泵：浙江飛越機(jī)電有限公司；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限公司。

光譜薄膜樣品池為自制儀器(如圖1所示)，由精密墊片、石英片、夾持片等構(gòu)成。其中精密墊片中部設(shè)有圓形樣品孔，與其兩側(cè)的石英片構(gòu)成的薄膜狀空間用以承載待測油樣。樣品池光程可通過精密墊片厚度(在0.01～0.1 mm可選)調(diào)節(jié)，組合后插入紫外-可見光分光光度計(jì)光路中即可采集光譜信號。

圖1 薄膜樣品池示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 菜籽油精煉

稱取一定量菜籽置于60 ℃烘箱中預(yù)熱20 min后入榨，油相經(jīng)過濾除雜后得菜籽毛油。將所得菜籽毛油于水浴中加熱到90 ℃，在120 r/min攪拌條件下均勻緩慢滴加油重5%的去離子水并持續(xù)攪拌至設(shè)定時(shí)間后，以1750×g離心20 min并取上清液，在90 ℃和-0.1 MPa下真空干燥得菜籽脫膠油。將所得菜籽脫膠油置于水浴中加熱到90 ℃，在上述攪拌速度下均勻緩慢滴加油重5%的5%NaOH溶液，并持續(xù)攪拌至設(shè)定時(shí)間，取油體積5%的去離子水洗滌直至水相pH值達(dá)中性，然后在上述相同條件下離心分離并真空干燥得菜籽脫酸油；在菜籽脫酸油中加入5%的白土，抽真空并加熱到82 ℃，以200r/min攪拌至設(shè)定時(shí)間，離心分離廢白土得菜籽脫色油；在-0.1 MPa真空下，將對菜籽脫色油通N2加熱至230 ℃，至設(shè)定時(shí)間后用水浴冷卻至60 ℃以下得菜籽脫臭油。

1.3.2 油品紫外光譜采集

將薄膜樣品池的光程設(shè)置為0.05 mm，滴加待測油品于樣品孔中，組合樣品池并置于紫外分光光度計(jì)光路上。以1 nm的波長分辨率和120 nm/min的掃描速度采集樣本在200～350 nm波段間的吸收光譜信號，再以350 nm處吸光度為基準(zhǔn)，采用雙波長法校正油品紫外吸收光譜曲線。

1.3.3 光譜信號處理

油品紫外光譜在不同波段分別經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)變換及雙波長差處理得到D245和R272兩個(gè)特征參數(shù)。其中D245值采用公式計(jì)算：

D245= |A247-A243| / 4×100

式中：A243和A247分別為243 nm和247 nm處吸光度值；D245值為245 nm處吸光度隨波長變化率的絕對值放大100倍。而R272則采用公式計(jì)算：

R272=(A272-A282) /A282×100

式中：A272和A282分別為樣本在272 nm和282 nm處的吸光度。

基于以上特點(diǎn)，此階段要綜合考慮能力和風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)問題。家族掌握控股所必需的份額，企業(yè)決策由企業(yè)主及家族成員把舵，具體的職能部門和小的經(jīng)營事務(wù)由專業(yè)人士來管理，組建成一個(gè)以內(nèi)為主、內(nèi)外兼容的企業(yè)組織結(jié)構(gòu)，逐漸建立和完善規(guī)范化管理制度，實(shí)現(xiàn)由家長式管理向科學(xué)決策和管理的機(jī)制過渡。企業(yè)若不能突破家族經(jīng)營制束縛，往往就此止步，甚至逐漸衰敗倒閉。

2 結(jié)果與討論

2.1 菜籽油的紫外光譜特征

由于紫外分光光度計(jì)廣泛普及且操作簡便，因此許多研究者采用紫外光譜表征食用油脂化學(xué)特征[10-12]，歐盟也在橄欖油品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中列入K232和K270等指標(biāo)[11]。然而，在采集紫外吸收信號前，往往需采用環(huán)己烷、己烷或異辛烷等溶劑對油品實(shí)施大比例稀釋(100～1 000倍)[10-12]，不僅操作復(fù)雜而且引入稀釋誤差及溶劑干擾，降低了光譜分析的可靠性和通用性，因此油脂的紫外吸收信號往往只被用作一種參考性指標(biāo)。在本研究中，采用薄膜樣品池直接采集油品紫外光譜信息，光程僅有標(biāo)準(zhǔn)比色皿(10 mm)的數(shù)百分之一，可避免稀釋操作的局限且能在5 min內(nèi)完成采樣分析，有利于準(zhǔn)確刻畫油脂經(jīng)歷精煉熱處理時(shí)的化學(xué)變化。

圖2顯示了菜籽低溫壓榨毛油及其經(jīng)歷各階段精煉加工后的紫外吸收光譜。所有油品均在210 nm附近出現(xiàn)最強(qiáng)吸收信號，但無法體現(xiàn)出差異；在230 nm附近，各油品的光譜中出現(xiàn)強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)范圍極大的吸收峰，是脂肪酸上共軛二烯及α，β-不飽和醛酮兩類二元共軛結(jié)構(gòu)的共有吸收特征[13]；在270～285 nm波段，各油品顯現(xiàn)強(qiáng)弱不一的寬幅吸收，則主要與脂肪酸碳鏈上的共軛三烯有關(guān)[13]；脫臭菜籽油還在305 nm和320 nm開始出現(xiàn)吸收信號，顯示更為多元的共軛結(jié)構(gòu)生成[14]。由此可見，在經(jīng)歷不同階段精煉加工后，菜籽油的吸收光譜在230 nm和272 nm附近凸顯差異，分別反映二元和三元共軛結(jié)構(gòu)的形成及累積。

圖2 菜籽毛油及各階段精煉油的紫外光譜曲線

需要說明，天然菜籽油的脂肪酸中并不含有共軛結(jié)構(gòu)，但在經(jīng)歷熱處理時(shí)可發(fā)生多種形式的共軛化轉(zhuǎn)變：1)熱誘導(dǎo)烯鍵重排形成共軛烯鍵結(jié)構(gòu)，并隨機(jī)生成多種順反異構(gòu)混和產(chǎn)物[15]；2)氧化重排導(dǎo)致烯鍵遷移并形成共軛烯鍵產(chǎn)物，其中反式結(jié)構(gòu)因熱穩(wěn)定性較高而更易積累[16]；3)初級氧化所生成的氫過氧化物分解產(chǎn)生次級氧化產(chǎn)物，產(chǎn)生α，β-不飽和醛酮等共軛化產(chǎn)物[2]；4)氫過氧化物分解產(chǎn)生烯醇結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)生分子內(nèi)脫水環(huán)化而生成共軛烯鍵[17]。其中2)、3)類共軛化產(chǎn)物還將進(jìn)一步參與氧化聚甘油酯的生成[7]。由此可知，利用紫外特征信號表征脂肪酸共軛化信息，對于油脂精煉危害物，尤其是反式脂肪酸以及氧化聚甘油酯的生成及積累具有明確指向性。

2.2 油脂紫外特征信號的提取

利用薄膜樣品池可快速采集油脂紫外吸收光譜信號，但直接利用吸光度值反映油脂化學(xué)特征存在較大局限性。其中230 nm附近的吸收信號變異范圍極大，往往超出分光光度計(jì)定量測定范圍，此外還易于受到210 nm吸收拖尾信號的重疊干擾；而270～285 nm波段的吸收信號雖變化趨勢穩(wěn)定但變化幅度偏低，易于受到基線擾動(dòng)及臨近吸收峰的重疊干擾。針對上述局限性，經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)分別采用一階導(dǎo)數(shù)和雙波長差處理，可較好地提取上述兩個(gè)波段的烯鍵共軛結(jié)構(gòu)的特征信號。

圖3 二元共軛吸收特征信號的提取

圖4 三元共軛吸收特征信號的提取

由圖2可知，在230 nm菜籽油吸光度信號變化幅度極大，往往超出光譜定量測定范圍；而圖3則顯示，經(jīng)過一階導(dǎo)數(shù)處理，在245 nm附近獲得吸光度隨波長變化的增量數(shù)值，可反映230 nm處二元共軛吸收峰的陡峭程度和吸收強(qiáng)度，并能避免因210 nm強(qiáng)吸收拖尾信號導(dǎo)致的重疊干擾。由于一階導(dǎo)數(shù)數(shù)值較小，將優(yōu)選波長下導(dǎo)數(shù)值放大100倍并記為D245，用于表征油品中二元共軛結(jié)構(gòu)的多寡。

由圖4可見，熱處理油脂在270～285 nm區(qū)間的吸收區(qū)存在272 nm和282 nm兩個(gè)吸收峰，在油脂受熱處理后二者均可穩(wěn)定地上升，但272 nm信號上升幅度顯著大于282 nm信號。利用這一特性，采用雙波長差可消減臨近峰重疊干擾；進(jìn)而以282 nm吸光值為基準(zhǔn)引入波長比處理，又可消除基線波動(dòng)的影響，所得比值放大100倍記為R272，用于表征油品中三元共軛結(jié)構(gòu)的多寡。

2.3 脫膠操作的影響

脫膠是去除毛油中水溶性及水合性雜質(zhì)的常規(guī)操作，根據(jù)不同的脫膠工藝，油脂可在60～90 ℃范圍內(nèi)與水、酸、無機(jī)鹽以及空氣等發(fā)生接觸[18]。在本研究中，選擇常規(guī)水化脫膠工藝，考察高溫水化脫膠條件下(90 ℃)菜籽油紫外光譜的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

a 紫外光譜曲線

b 特征參數(shù)曲線
圖5 脫膠時(shí)間對菜籽油紫外光譜的影響

2.4 脫酸操作對紫外光譜圖的影響

對于游離脂肪酸含量不高或不飽和度較高的油品，堿煉脫酸操作較為適宜，因此在工業(yè)上應(yīng)用更為普遍。在本研究中，選擇高溫堿煉操作考察菜籽油紫外光譜的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

a 紫外光譜曲線

b 特征參數(shù)曲線
圖6 堿煉時(shí)間對菜籽油紫外光譜的影響

圖6a顯示，在堿煉脫酸熱處理?xiàng)l件下菜籽油紫外光譜總體變化仍不明顯。而從圖6b中則可看出，D245先經(jīng)歷短暫的快速上升，隨后即趨于穩(wěn)定；R272則在120 min內(nèi)上升5.0個(gè)單位，然后趨于穩(wěn)定；較之脫膠處理R272同期僅上升2.1個(gè)單位，顯示菜籽油在堿煉中共軛結(jié)構(gòu)累積更快。這是由于堿對烯鍵重排有催化促進(jìn)作用，因此即便處理溫度相同，脂肪酸烯鍵共軛化趨勢也更為明顯。

2.5 脫色操作對紫外光譜圖的影響

脫色操作對于控制油品色澤十分重要，主要通過物理吸附去除色素成分[15]。由于脫色操作通常在真空下實(shí)施，故因氧化引發(fā)的脂肪酸烯鍵遷移風(fēng)險(xiǎn)較低。在本研究中，選擇典型的菜籽油脫色溫度考察脫色時(shí)間對油脂紫外光譜的影響，結(jié)果如圖7所示。

a 紫外光譜曲線

b 特征參數(shù)曲線
圖7 脫色時(shí)間對菜籽油紫外光譜的影響

由圖7a可見，脫色操作對于菜籽油紫外吸收的影響主要仍然體現(xiàn)在230 nm和272 nm附近波段。圖7b顯示，脫色操作中D245值先下降了0.35個(gè)單位，然后才逐步上升，表明活性白土對脫酸油中積累的α，β-不飽和醛酮產(chǎn)物產(chǎn)生吸附和脫除作用，但隨著熱處理的持續(xù)又開始產(chǎn)生新的二元共軛結(jié)構(gòu)。而R272值則持續(xù)上升，顯示三元共軛結(jié)構(gòu)是不斷累積且不易為白土所吸附的。

2.6 脫臭操作對紫外光譜圖的影響

脫臭是在高溫高真空條件下分離油脂中揮發(fā)性成分的解吸操作，不僅可脫除異味和提高煙點(diǎn)，也可用于游離脂肪酸的脫除(物理精煉)。通常，脫臭操作溫度高達(dá)200 ℃以上，對于精煉危害物防控而言是最為值得關(guān)注的環(huán)節(jié)。脫臭操作時(shí)間對于菜籽油紫外光譜的影響如圖8所示。

由圖8a可見，脫臭操作對菜籽油紫外光譜產(chǎn)生大范圍影響，在230 nm和272 nm附近均出現(xiàn)大幅且有規(guī)律的吸收信號增長，而在305 nm和320 nm也開始出現(xiàn)小幅的吸收增強(qiáng)。圖8b顯示隨脫臭時(shí)間的延長，D245在開始階段顯示緩慢增長，但25 min后急速上升，5 min內(nèi)D245的增幅即高達(dá)7.2個(gè)單位，分別達(dá)到脫膠和脫酸D245值同期增幅的11.3和15.2倍;而在30 min內(nèi)R272值增長了18.2個(gè)單位，是脫膠和脫酸R272值同期增幅的33.4倍和77.8倍。該現(xiàn)象表明，脫臭操作中，二元和三元共軛結(jié)構(gòu)都可快速積累，尤其當(dāng)脫臭時(shí)間超過25 min將導(dǎo)致精煉危害物的形成風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。

a 紫外光譜曲線

b 特征參數(shù)曲線
圖8 脫臭時(shí)間對菜籽油紫外光譜的影響

3 結(jié)論

3.1 采用0.05 mm光程薄膜樣品池能快速采集菜籽油紫外吸收光譜并計(jì)算D245和R272兩個(gè)特征參數(shù)值，可分別反映油中二元和三元共軛結(jié)構(gòu)的多寡，進(jìn)而指示油脂受熱處理程度及危害物形成風(fēng)險(xiǎn)；

3.2 菜籽油精煉熱處理溫度對菜籽油中共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的形成具有重要影響，脫膠、脫酸和脫色條件下，菜籽油中可持續(xù)緩慢累積共軛化產(chǎn)物；脫臭條件下25 min后共軛化產(chǎn)物急劇上升，顯示精煉危害物形成風(fēng)險(xiǎn)較高。