內(nèi)源性痕量物質(zhì)及其聯(lián)合膠體對脂肪氧化的影響

高 偉 丁陽平 楊 堅（西南大學食品科學學院，重慶 400716）

油脂是日常消費和食品加工中的重要原料，廣泛用于食品加工，起到改善產(chǎn)品性質(zhì)，賦予食品良好風味和質(zhì)地等作用。另外，油脂本身作為人類三大營養(yǎng)素之一，具有極高的熱能，在人體內(nèi)具有重要的生理功能［1］。但是含不飽和脂肪酸的油脂食品在貯運、加工中極易氧化，這些氧化產(chǎn)物會對含油食品的風味、色澤及質(zhì)地產(chǎn)生極大的負面影響，從而縮短貨架期，最終降低食品的營養(yǎng)品質(zhì)［2］。更嚴重的是某些油脂氧化產(chǎn)物，如4－HNE（4－羥基壬烯醛）和 MDA（丙二醛）還會對生物體細胞膜、酶及蛋白質(zhì)造成破壞，并導致炎癥、動脈粥樣硬化及癌癥等嚴重危害人體健康的疾病［3］。因此，如何有效防止或延長脂肪氧化是近年來的研究熱點。國內(nèi)外學者［4］對油脂氧化機理及相應氧化過程進行了深入的研究，用以尋找有效方法防止含多不飽和脂肪酸油脂食品的氧化酸敗，從而保證食品品質(zhì)，延長貨架期。

之前的研究［3］表明油脂是一種連續(xù)性均一體系，近年來的研究［3］發(fā)現(xiàn)油脂中的內(nèi)源性痕量物質(zhì)對其物化性質(zhì)有重要的影響，文章結合近年來國內(nèi)外在該領域的研究成果，就油脂中內(nèi)源性痕量物質(zhì)對油脂氧化的影響進行全面綜述。

1 油脂氧化機理

1.1 自由基鏈式反應機理

眾所周知，油脂氧化的一個主要機制是自由基鏈式反應，也被稱為自動氧化，該反應是通過系列自由基反應包括起始、延長和終止3個階段，整個過程發(fā)生了一系列復雜的化學變化［5］。自由基鏈式反應的基本機理見圖1。

油脂自動氧化是一種最為常見的氧化過程，是油脂與空氣中的氧發(fā)生的反應，它是通過自由基鏈式反應進行的［7］。當在較高溫度下發(fā)生熱氧化反應時，自動氧化反應過程會被加速。此外，當存在如光、酶、金屬、蛋白質(zhì)和微生物等促氧化環(huán)境時，油脂也容易受到氧化，同時還伴有除自動氧化外的光催化氧化和酶促氧化反應等。然而它們中的絕大多數(shù)反應都是以自由基或者其它活性物質(zhì)作為中間載體實現(xiàn)的［8］，比如光催化氧化反應是在光敏劑被光能激發(fā)后，形成的自由基將轉(zhuǎn)移到油脂不飽和雙鍵或氧分子中，最終引起不飽和脂肪酸的自由基鏈式反應［9］。此外，脂肪氧化反應也能被某些酶催化加速，如脂肪酶等［10］。

1.2 氧氣

由于自然存在的氧為三線態(tài)氧，而不飽和脂肪酸的雙鍵是單線態(tài)，因此氧氣不能與脂肪酸中不飽和雙鍵直接反應［11］。根據(jù)量子力學角動量守恒定律，以上兩者要發(fā)生反應，不飽和脂肪酸的雙鍵就要被激發(fā)到三線態(tài)或氧轉(zhuǎn)變成單線態(tài)［12］。前者由于需要外加能量，理論上將不會自發(fā)發(fā)生。同時，三線態(tài)氧同樣也不能轉(zhuǎn)變成相應的單線態(tài)，因此，在油脂中氧與油中不飽和雙鍵是不會直接發(fā)生反應的［13］。然而，在其它痕量物質(zhì)的存在下，這一反應是可以發(fā)生的，如光敏劑葉綠素能將三線態(tài)氧轉(zhuǎn)變成單線態(tài)形式，其形成機制見圖2。

圖1 自由基鏈式反應的基本機理［6］Figure 1 The basic mechanism of free radical chain reaction

圖2 三線態(tài)氧轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉€態(tài)氧Figure 2 Triplet oxygen into singlet oxygen

除了上述將三線態(tài)氧變成單線態(tài)氧外的可能途徑外，氧氣還可以與低價鐵離子反應并形成一可與不飽和脂肪酸反應的中間產(chǎn)物，并最終生成烷基自由基，該反應機制見圖3。

圖3 氧氣與低價態(tài)鐵離子反應Figure 3 The oxygen react with low state of iron

三線態(tài)氧參與脂肪氧化的方式是通過與體系中已有的烷基自由基反應，之后再形成脂過氧自由基見圖4。

圖4 三線態(tài)氧與自由基反應Figure 4 Triplet oxygen and free radicals reaction

有研究［14］表明降低植物油中氧的濃度可以提高其貨架期。以橄欖油為例，18個月的貨架測試表明在開始時，溶解氧的濃度最低，與此同時氧化反應發(fā)生得最慢，當用氮氣清除橄欖油中的氧氣后，可以明顯降低相同貯藏期的氫過氧化值。這催生了像氧氣凈化膜之類的包裝技術，用以提高植物油的氧化穩(wěn)定性［15］。

2 內(nèi)源性痕量物質(zhì)的影響

食用油脂在過去被認為是連續(xù)的均一體系，主要由甘油三酯組成［16］。然而，近年來的深入研究［16］發(fā)現(xiàn)，除了近95%的甘油三酯外，植物油脂還含有約5%的痕量物質(zhì)，其中包括甘油二酯、單甘油酯、游離脂肪酸、磷脂、水、生育酚、金屬離子、色素、雜化物質(zhì)及抗氧化物質(zhì)。有研究［17］表明，這些痕量物同樣能影響油脂的氧化穩(wěn)定性，并且某些痕量物質(zhì)在植物油中自發(fā)形成的微觀物理結構還能影響到油脂的氧化機制。

2.1 水

水在植物油中的含量盡管較低（200～1 000mg/L），但仍能影響植物油的氧化速度和程度，并在一定條件下決定脂肪氧化機理，這是因為它能為油脂中的痕量物質(zhì)，如過渡金屬、游離脂肪酸和脂質(zhì)氫過氧化物等充當親水性介質(zhì)［17］。研究人員［18］發(fā)現(xiàn)，與最初含有200mg/L水的大豆油比較，通過使用硅酸與活性炭的柱層析脫水的純化大豆油，在脂質(zhì)氧化的停滯階段，水濃度的增加（＜1 000mg/L）對油脂氧化影響較小。

具體來說，少量的水分（Aw＜0.2）有益于油脂的穩(wěn)定性，油脂從極低的水分活度開始氧化，速度隨著水分的增加而降低，這是由于這部分水能與油脂氧化的自由基反應中的氫過氧化物形成氫鍵，氫鍵可以保護氫過氧化物的分解，因此可以降低過氧化物分解時的初速度。同時，催化氧化作用的微量金屬水合后降低了氧化活性，阻礙了氧化的進行。但當水分活度不斷增大（0.2＜Aw＜0.8），增加的水分增加了氧的溶解度，也使脂肪大分子腫脹，暴露了更多的氧化部位，加速了氧化。當水分活度繼續(xù)增大（Aw＞0.8）后，水對催化劑的稀釋降低了催化效力和反應物濃度，氧化速度降低［19］。

2.2 游離脂肪酸

總體來說，與脂肪酸酯和甘油三酯相比，含不飽和鍵的游離脂肪酸的氧化穩(wěn)定性較低。此外，研究［20］表明游離脂肪酸本身能加速植物油中甘油三酯的氧化，顯示其促氧化作用。并且，不同游離脂肪酸具有不同的氧化傾向。Yoshida等［20］研究發(fā)現(xiàn)在脫色素的大豆油中游離脂肪酸能增加氧化程度，其程度與游離脂肪酸的不飽和度呈正相關。Aubourg等［21］也證實短鏈脂肪酸（如月桂酸和豆蔻酸）比長鏈脂肪酸更容易促進體系氧化。Paradis等［22］也發(fā)現(xiàn)痕量的游離脂肪酸能促進甘油三酯氧化，并在氧化產(chǎn)物中檢測到甘油三酯二聚體的存在，進一步證實了游離脂肪酸的促氧化作用。通常接受的游離脂肪酸促氧化機制包括其加速分解氫過氧化物，以及結合過渡態(tài)金屬等，最終促進脂肪氧化。

因此，如何有效控制脂肪酸含量及防止游離脂肪酸生成對原油和精煉植物油品質(zhì)有著非常重要的作用。降低游離脂肪酸的方法包括減少油脂與水的接觸、降低加工和存儲溫度、防止與脂酶接觸及避免曝露在極端pH值條件下［23］。

2.3 單甘油酯和甘油二酯

植物油中單甘油酯（MAG）和甘油二酯（DAG）對其氧化穩(wěn)定性的影響已有報道。Mistry等［24］發(fā)現(xiàn)大豆油中的0～0.5%的單硬脂酸甘油酯、甘油二硬脂酸酯以及甘油二亞油酸酯充當了促氧化劑。Colakoglu［25］發(fā)現(xiàn)大豆油中含有1%的油酸單甘油酯能夠引起體系耗氧量的增加，顯示其促氧化作用。有研究［26］發(fā)現(xiàn)，增加玉米油中單甘油酯和甘油二酯含量（分別從0和1.4%到0.3%和5.1%），其氧化速度顯著加快。與此相反，Gomes等［27］發(fā)現(xiàn)在60℃時1%～3%MAG能降低脫色橄欖油的氧化速率。由此可見，單甘油酯和甘油二酯對植物油氧化穩(wěn)定性的影響還未得到統(tǒng)一，其原因可能與所選用的試驗對象不同有關。因此，需要開展更多系統(tǒng)性的研究以明確單甘油酯和甘油二酯對植物油氧化穩(wěn)定性的影響。

2.4 磷脂

磷脂在植物油氧化過程中的作用同樣存在爭議。研究［28］發(fā)現(xiàn)，二棕櫚酰磷脂酰膽堿（DPPC）和二棕櫚?；字Ｒ掖及罚―PPE）在50℃時抗氧化活性比較低，并且與生育酚沒有協(xié)同作用。而來自蛋黃的卵磷脂和磷脂酰乙醇胺能加速對亞油酸甲酯的氧化。Tankenaka等［28］也發(fā)現(xiàn)在缺少α－生育酚時，PC（磷脂酰膽堿）和PE（磷脂酰乙醇胺）能促進鰹魚油的氧化。然而也發(fā)現(xiàn)在沒有PC時，PE與α－生育酚顯示出了協(xié)同抗氧化作用。然而磷脂的抗氧化作用也有報道，Bandarra等［29］發(fā)現(xiàn)在40℃時，0.5%的PC在沙丁魚油中起到較好的抗氧化效果。此外，研究［29］發(fā)現(xiàn)在相同的機制下PE與α－生育酚的混合物具有更好的協(xié)同效果。

2.5 生育酚

生育酚是植物油中最常見的自由基清除劑。源于植物種子的植物油，其生育酚的濃度范圍是200～1 000mg/L。在精煉之后，約有70%的生育酚將保留在油中，另外30%在除臭過程中被去掉。生育酚的抗氧化機制見圖5。

然而，在一定條件下增加α－生育酚的濃度反而會降低其抗氧化效果，有時還顯示出促氧化作用。這主要是因為它能還原油脂中的內(nèi)源性高價態(tài)過渡金屬物質(zhì)。這些被還原的過渡態(tài)金屬離子能促進脂類和氫過氧化物的分解，并最終加速脂肪氧化，其作用機制見圖6。

圖5 生育酚的抗氧化機制Figure 5 Antioxidative mechanism of tocopherol

圖6 金屬離子促進脂類和氫過氧化物的反應Figure 6 Prooxidative effect of tocopherol on lipid oxidation

Yoshida等［30］發(fā)現(xiàn)100μmol/Lα－生育酚和α－生育三烯酚能還原高價態(tài)銅離子（300μmol/L），所形成的α－醋酸醌和α－生育三烯酚能用紫外吸收光譜和液相色譜檢測到。有趣的是，β－、δ－和γ－生育酚并沒有發(fā)現(xiàn)相同的作用。

此外，在高溫精煉之后，油脂中將會產(chǎn)生微量的氧化生育酚。Chen Bing－can等［31］報道在避光且溫度為50℃時，氧化α－、γ－和δ－生育酚能促進精制大豆油的氧化。這些氧化生育酚除來源于精煉過程天然生育酚的氧化外，也可能來源于人工添加的氧化生育酚原料。至于氧化的生育酚是如何影響生育酚的抗氧活性及其促氧化機制還有待進一步研究。

2.6 色素

葉綠素和類胡蘿卜素是兩種能影響油脂氧化的內(nèi)源性色素。葉綠素是一種光敏劑，當受光照時能產(chǎn)生單線態(tài)氧因而產(chǎn)生氧化性。如前所述，葉綠素能在光敏作用下吸收光能并轉(zhuǎn)移到敏化劑，自身起光化學反應，最終作用于三線態(tài)氧形成單線態(tài)氧。所生成的單線態(tài)氧則可直接與不飽和脂肪酸的雙鍵反應形成氫過氧化物，所以單線態(tài)氧可以直接引起脂肪氧化。在儲運過程中，大多數(shù)植物油都是存儲在透明的塑料包中，因此在精煉過程中應盡可能地除去葉綠素。

類胡蘿卜素可通過猝滅單線態(tài)氧和激發(fā)光敏劑，從而抑制脂肪氧化。Burton［32］也提出在低分壓的情況下，β－胡蘿卜素能充當一種斷鏈的脂溶性抗氧化劑。同時，該研究也發(fā)現(xiàn)氧分壓在20kPa或更高時，類胡蘿卜素氧化產(chǎn)物在亞油酸甲酯模型中也能起到抗氧化作用。當油脂高溫精煉時，類胡蘿卜素可發(fā)生降解。但類胡蘿卜素是如何影響油脂的氧化穩(wěn)定性及其相關機制仍不明確，需進一步研究。

2.7 雜化物質(zhì)

除含有以上痕量物質(zhì)外，植物油中還含有少量像角鯊烯和固醇等雜化物質(zhì)，同樣對油脂氧化穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。研究［33］發(fā)現(xiàn)，當在避光且溫度為62℃時，低濃度角鯊烯（200 mg/L）對純化橄欖油的影響有限。但在相同條件下，高濃度角鯊烯（7 000mg/L）顯示出抗氧化作用。Malecka等［33］研究發(fā)現(xiàn)當菜籽油在170℃下加熱10h后，濃度為4 000mg/L的角鯊烯能提高菜籽油的氧化穩(wěn)定性。Mateos等［34］發(fā)現(xiàn)常溫下角鯊烯（0～8 000mg/L）對純化后的葵花油的氧化性沒有顯著的影響。與此相反，在100℃時角鯊烯能加速純化橄欖油的氧化。

Gordon等［35］探究了在180℃時固醇類物質(zhì)對橄欖油氧化的影響，發(fā)現(xiàn)5－燕麥甾－烯醇 （△5－avenasterol）和巖藻固醇（fucosterol）在濃度為0.1%時是一種有效的抗氧化劑，但其它的固醇類如膽固醇和豆固醇則無效。另外，植物固醇在大豆、米糠及向日葵油中也能起到抗氧化效果。

Yoon等［36］研究發(fā)現(xiàn)將氧化的甘油三酯加入到純化的豆油中，其能促進油脂的氧化。Gomes等［37］發(fā)現(xiàn)氧化三酰甘油高聚物能快速促進脂肪的氧化。

3 植物油中的膠體結構和脂肪氧化的關系

3.1 植物油中聯(lián)合膠體存在的理論基礎

植物油中的痕量物質(zhì)如單甘油酯、甘油二酯、磷脂、固醇、游離脂肪酸和來自油脂氧化的極性產(chǎn)物都具有一定的表面活性。理論上，這些表面活性物質(zhì)能在植物油中自發(fā)形成物理結構，從而截留精煉油中的少量水分（0～300mg/L），這種結構被稱為聯(lián)合膠體。證據(jù)［37］表明，聯(lián)合膠體可能存在于精煉油和天然油中，這是因為在溫度高達200℃的情況下，要完全去除植物油中的水分仍然是非常困難的。植物油中水的存在為形成聯(lián)合膠體提供了可能，表面活性物質(zhì)可在非極性溶劑中發(fā)生自組裝，形成如反向膠體、微乳液和層狀結構等各種聯(lián)合膠體。

3.2 聯(lián)合膠體是否對脂肪氧化有影響

許多參與脂質(zhì)氧化的化合物如氫過氧化物、游離脂肪酸和抗氧化劑都是表面活性劑。前期研究［38］顯示水包油表面的理化性質(zhì)在脂肪氧化中起到重要作用，并能同時影響促氧化劑和抗氧化劑的反應活性和作用方式。這就表明類似于水包油乳液的聯(lián)合膠體及其現(xiàn)成的界面也可能以微反應器方式來影響植物油的氧化。Koga等［38］發(fā)現(xiàn)磷脂在含有1%水的純化油脂中能加強α－生育酚的抗氧化活性。研究還發(fā)現(xiàn)磷脂現(xiàn)成的反向膠束能影響抗氧化劑清除自由基的能力。Chaiyasit等［39］在一個含有2－乙基己基（AOT）反向膠束的模型油中研究了水、氫過氧化物、油酸、卵磷脂對反向膠束結構的影響，發(fā)現(xiàn)它們能改變反膠束的大小和脂肪氧化的速率。然而，對植物油中的聯(lián)合膠體如何影響油脂氧化的研究相對較少，目前僅有少數(shù)實驗室開展了相應的研究［39］，因此需要投入更多研究以最終揭示聯(lián)合膠束對植物油氧化作用機制。

4 結論

不同的痕量物質(zhì)對油脂的氧化穩(wěn)定性作用各有不同，產(chǎn)生的效應機理也各不一樣。這就需要對油脂產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行更加嚴格的把控，在不影響人體健康及食品風味的前提下，加強油脂自身痕量物質(zhì)含量標準的制定和有效控制，以期提高植物油脂及相關食品的保存期和貨架期。此外，了解和深入研究由表面活性物所形成的聯(lián)合膠體對脂肪氧化的影響，將為揭示脂肪氧化機制及設計新型抗氧化劑提供新的思路。

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