劉其聳，石麗花，孫旭媛，李進(jìn)偉

(1.煙臺(tái)新時(shí)代健康產(chǎn)業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 264006； 2. 江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

隨著人民生活水平的不斷提高，食用油脂具有更加廣大的市場需求。而食用植物油熱加工過程中的氧化反應(yīng)對(duì)于油脂的風(fēng)味、營養(yǎng)價(jià)值和健康均具有重要影響。油脂的氧化與自由基密切相關(guān)，可以說自由基的生成是油脂氧化進(jìn)程開始的標(biāo)志。充分了解食用植物油熱加工過程中的氧化產(chǎn)物和關(guān)鍵控制點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)氧化危害控制的核心。目前，油脂氧化主要集中在傳統(tǒng)化學(xué)指標(biāo)和氧化危害產(chǎn)物的分析方面，缺乏對(duì)熱加工過程中氧化產(chǎn)物與自由基生成的定性定量研究。電子自旋共振(ESR)是一種直接檢測和研究具有未成對(duì)電子的化合物的現(xiàn)代分析方法，其主要研究對(duì)象為自由基、雙基或多基、具有奇數(shù)電子的原子以及含有單電子的分子等，并且已被廣泛應(yīng)用于油脂氧化過程中自由基含量的測定[1]。為此，本文采用ESR方法探究不同植物油在不同加熱條件下自由基信號(hào)強(qiáng)度與油脂氧化的相關(guān)性，為進(jìn)一步科學(xué)有效地表征油脂熱氧化程度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

未添加抗氧化劑的棕櫚油、菜籽油、葵花籽油，上海益海嘉里有限公司；未添加抗氧化劑的冷榨亞麻籽油，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟紅井源油脂有限責(zé)任公司；甲苯(分析純)、N-叔丁基-α-苯基硝酮(PBN，純度≥98%)、5，5-二甲基-1-吡咯啉氮氧化物(DMPO，純度>97%)，上海百靈威科技有限公司。

EL204電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司； EMXplus-10/12電子自旋共振波譜儀，德國布魯克(Bruker)公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 植物油加熱試驗(yàn)

將4種植物油置于煎炸鍋中，分別在120、150℃和180℃條件下加熱一定時(shí)間，定期取樣，裝入棕色瓶中，充氮?dú)獗Ｗo(hù)，置于-20℃冰箱中儲(chǔ)藏備用。

1.2.2 自由基信號(hào)強(qiáng)度的測定

儀器參數(shù)：中心場強(qiáng)335.4 mT；掃描寬度10 mT；掃描時(shí)間40 s；分辨率1 024；微波強(qiáng)度20 mW；調(diào)制頻率100 kHz；調(diào)制幅度0.1 mT；轉(zhuǎn)換時(shí)間1.28 ms；時(shí)間常數(shù)20.48 ms；加熱溫度(393.15±1.00)K。

以溶于甲苯的DMPO或PBN為捕獲劑。參照文獻(xiàn)[2]按照過量添加原則將捕獲劑配成100 mmol/L進(jìn)行添加，以便及時(shí)捕獲所有生成的自由基。將100 μL待測油樣及20 μL捕獲劑加入核磁管中振蕩均勻。當(dāng)諧振腔達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)放入核磁管。調(diào)節(jié)儀器處于最佳檢測狀態(tài)后開始檢測，每隔5 min測定一次自由基譜圖直至30 min，所有樣品均在避光條件下進(jìn)行檢測。自由基譜圖處理主要使用Sigma Plot 12.5軟件以及ESR儀器的Xenon軟件(Bruker，Germany)，優(yōu)化信噪比后，通過Xenon軟件計(jì)算自由電子因子(g)值和超精細(xì)分裂常數(shù)，所得參數(shù)的精確度為3%[3]。ESR信號(hào)的強(qiáng)度，即低場下峰到峰的振幅，可由WINEPR軟件程序確定[4]。

1.2.3 過氧化值的測定

過氧化值測定參照GB/T 5538—2005《動(dòng)植物油脂 過氧化值測定》。

1.2.4 相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)植物油自由基信號(hào)強(qiáng)度與過氧化值進(jìn)行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示3次平行試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物油加熱氧化過程中過氧化值的變化

油脂的氧化過程是較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程，同時(shí)存在著氫過氧化物的形成與分解。4種植物油分別在120、150、180℃加熱36 h，間隔4 h取樣，測定其過氧化值變化，結(jié)果見圖1。

圖1 4種植物油不同溫度加熱氧化過程過氧化值變化

從圖1可看出，120℃時(shí)4種植物油過氧化值隨加熱時(shí)間延長逐漸增加，說明氫過氧化物呈積累趨勢。植物油的氧化是一個(gè)連續(xù)的過程，氫過氧化物在產(chǎn)生的同時(shí)伴隨著部分分解，但是分解過程中產(chǎn)生的烷基自由基會(huì)使植物油的氧化反應(yīng)循環(huán)下去而產(chǎn)生更多的氫過氧化物，氫過氧化物呈積累趨勢，因而過氧化值隨加熱時(shí)間延長不斷增大。對(duì)于150℃及180℃，植物油在加熱過程中過氧化值呈現(xiàn)出波動(dòng)增加的變化趨勢，此時(shí)油脂中氫過氧化物的分解速率明顯加快。加熱初期產(chǎn)生的氫過氧化物是一種反應(yīng)中間體，其形成速率取決于氧的可用性和溫度，在常溫下相對(duì)穩(wěn)定[5]。此時(shí)植物油中的脂肪酸碳鏈并未斷裂，然而氫過氧化物一旦形成后，容易分解成烷氧基，然后在金屬存在或高溫條件下，與—OOH相連的碳原子兩邊的鍵進(jìn)一步發(fā)生斷裂，形成醛、酮、酸、酯、醇和短鏈烴，當(dāng)氫過氧化物達(dá)到一定含量時(shí)其分解速率將大于生成速率，從而導(dǎo)致氫過氧化物含量下降[6]。

2.2 植物油的電子自旋共振技術(shù)分析

2.2.1 自旋捕獲劑的選擇

脂質(zhì)類自由基具有極短的半衰期，如烷氧自由基、超氧陰離子自由基和羥基自由基，檢測時(shí)需要使用自旋捕獲劑。針對(duì)本試驗(yàn)研究體系，首先對(duì)自旋捕獲劑進(jìn)行選擇。圖2為兩種捕獲劑及未添加自旋捕獲劑時(shí)棕櫚油150℃加熱20 min的ESR本底信號(hào)。

由圖2可以看出，PBN和DMPO均未產(chǎn)生自由基或干擾信號(hào)，且在未添加自旋捕獲劑的情況下，棕櫚油中幾乎無法檢測到任何自由基信號(hào)。因此，研究油脂熱氧化過程自由基變化，需要加入適當(dāng)?shù)淖孕东@劑。

圖3為150℃加熱20 min時(shí)PBN和DMPO捕獲下棕櫚油中自由基的ESR譜圖。

由圖3(a)可以看出，用PBN捕獲后所得自由基峰型為裂分的三重峰(即六重峰)，測定其g值為2.007 0，接近自由電子g值(2.003 0)，符合自由基的基本特性[7]。計(jì)算機(jī)擬合得到其超精細(xì)分裂常數(shù)αN=1.47 mT，αH=2.07 mT，為多種碳中心自由基相互疊加的結(jié)果。由于PBN捕獲自由基加合物的譜圖非常相似，所得譜圖提供自由基信息較少，難以區(qū)分和判別自旋加合物的分子結(jié)構(gòu)特征。

由圖3(b)可以看出，與PBN相比，DMPO作為捕獲劑時(shí)所得到的自由基ESR譜圖明顯更為復(fù)雜，呈現(xiàn)出多種自由基相互疊加的效果。由于DMPO捕捉自由基的動(dòng)力學(xué)速率優(yōu)于PBN[8]，形成的各種自旋加合物的信號(hào)的β-H超精細(xì)耦合參數(shù)差異較大，因而更利于分析和鑒別體系中同時(shí)捕獲到的幾種分子結(jié)構(gòu)不同的自由基。因此，DMPO是研究油脂熱氧化過程的自由基變化和氧化途徑合適的自旋捕獲劑。

2.2.2 不同植物油加熱氧化過程自由基信號(hào)強(qiáng)度的變化

圖4為4種植物油在120、150、180℃加熱氧化過程中的自由基信號(hào)強(qiáng)度變化。

由圖4可知，新鮮植物油中自由基信號(hào)強(qiáng)度從高到低依次為亞麻籽油、葵花籽油、菜籽油、棕櫚油。棕櫚油和菜籽油在加熱12 h前的自由基信號(hào)強(qiáng)度相近，說明二者氧化速率相近，均低于葵花籽油和亞麻籽油。12～36 h，菜籽油樣品的自由基信號(hào)強(qiáng)度分別在0.67～1.83(120℃)、0.08～0.23(150℃)和0.09～0.36(180℃)之間，高于棕櫚油的自由基信號(hào)強(qiáng)度。研究表明植物油脂肪酸組成對(duì)其氧化穩(wěn)定性有很大影響[9]，常見脂肪酸中亞麻酸(C18∶3)最容易氧化，其次是亞油酸(C18∶2)、油酸(C18∶1)。菜籽油富含不飽和脂肪酸C18∶1、C18∶2，棕櫚油富含飽和脂肪酸棕櫚酸(C16∶0)，相同加熱條件下，菜籽油更容易氧化，因而其自由基信號(hào)強(qiáng)度高于棕櫚油。與棕櫚油和菜籽油相比，葵花籽油的自旋加合物形成速率較高，葵花籽油樣品的自由基信號(hào)強(qiáng)度隨加熱時(shí)間延長顯著升高。180℃加熱亞麻籽油的自由基信號(hào)強(qiáng)度的變化趨勢與其他油不同。當(dāng)在180℃加熱時(shí)，亞麻籽油中自旋加合物的衰減速率高于其生成速率，導(dǎo)致自由基信號(hào)強(qiáng)度降低。這與Roman等[10]研究的動(dòng)力學(xué)模型結(jié)果一致，較高的自由基信號(hào)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致自旋加合物的衰減速率較高。

綜上所述，脂質(zhì)類自由基信號(hào)強(qiáng)度隨著加熱時(shí)間的延長而增加。這表明氧化程度與自由基加合物的量成正相關(guān)，可以使用自由基加合物的量作為參數(shù)評(píng)估在特定溫度條件下植物油的熱氧化程度。

2.3 自由基信號(hào)強(qiáng)度表征植物油熱氧化

比較3種溫度條件加熱下4種植物油自由基信號(hào)強(qiáng)度與過氧化值之間的相關(guān)性，以評(píng)估ESR方法的準(zhǔn)確度，結(jié)果見表1。

表1 自由基信號(hào)強(qiáng)度與過氧化值之間的相關(guān)性

由表1可知，在整個(gè)加熱過程中，自由基信號(hào)強(qiáng)度與過氧化值呈線性關(guān)系，且二者為強(qiáng)相關(guān)(R2>0.83，P<0.05)。表明植物油在加熱0～36 h的條件下，ESR可以預(yù)測油脂的氧化穩(wěn)定性。這與Papadimitriou 等[11]的研究結(jié)果一致，其通過ESR測定橄欖油在70℃加熱條件下PBN自旋加合物的量確定橄欖油的氧化誘導(dǎo)期，從而對(duì)橄欖油的氧化穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié) 論

DMPO是研究油脂熱氧化過程的自由基變化和氧化途徑合適的自旋捕獲劑，在相同加熱溫度下，植物油的自由基信號(hào)強(qiáng)度隨著加熱時(shí)間的延長而增加，自由基信號(hào)強(qiáng)度與過氧化值的相關(guān)性較強(qiáng)(P<0.05)，故ESR方法可用于表征植物油的熱氧化程度。