不同溫度和濃度下α-生育酚在玉米油中的抗氧化規(guī)律

葉玉蘭，劉文強(qiáng)，朱雪梅，張建飛，熊華

(南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌， 330047)

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不同溫度和濃度下α-生育酚在玉米油中的抗氧化規(guī)律

葉玉蘭，劉文強(qiáng)，朱雪梅*，張建飛，熊華

(南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌， 330047)

摘要研究不同溫度下α-生育酚在玉米油中的抗氧化規(guī)律。添加不同量的α-生育酚到純化玉米油中，通過Schaal 烘箱氧化實(shí)驗(yàn)，定期測定過氧化值和茴香胺值，并計算總氧化值。運(yùn)用動力學(xué)模型擬合過氧化值和茴香胺值、總氧化值與氧化時間的擬合方程，符合線性規(guī)律，并通過Arrnenus方程進(jìn)行認(rèn)證。實(shí)驗(yàn)選用溫度為40、75 ℃，α-生育酚添加量分別為50、100、200、400 mg/kg。結(jié)果表明：玉米油的速率常數(shù)的對數(shù)與溫度倒數(shù)間存在非常好的線性關(guān)系(R2>0.982)，符合阿倫尼烏斯定律; 當(dāng)溫度為75， 60和 40 ℃時，α-生育酚在玉米油中最適抗氧化濃度分別為100，100和400 mg/kg。

關(guān)鍵詞α-生育酚；油脂氧化；抗氧化效能；動力學(xué)

油脂在人們?nèi)粘Ｉ詈突瘜W(xué)工業(yè)上都占有十分重要的地位。作為食品工業(yè)的主要原料之一，其品質(zhì)及抗氧化穩(wěn)定性直接影響到食品的質(zhì)量[1]。但是食用油極易發(fā)生氧化，油脂氧化所生成的氧化產(chǎn)物不僅影響油脂食品的風(fēng)味、色澤、營養(yǎng)價值，還會對膜、酶、蛋白質(zhì)造成破壞，誘發(fā)癌癥等多種疾病[2]。由于許多食品原料中包含不飽和脂肪酸，使得食品容易出現(xiàn)酸敗現(xiàn)象，因此人們開始著力研究可以延緩食品酸敗的方法。通常是加入抗氧化劑?？寡趸瘎┑募尤肟梢匝娱L油品氧化反應(yīng)的誘導(dǎo)期、減緩油品氧化速度和延長油品使用壽命[3]。目前常用的方法是在油脂中添加抗氧化劑，但是一般合成的抗氧化劑對人體有一定傷害作用，用天然抗氧化劑代替人工合成抗氧化劑越來越得到更多人的認(rèn)可[4-6]。

玉米油中亞油酸和亞麻油酸含量占總脂肪酸含量的50%以上，而外側(cè)第一和第三位上酯化的幾乎全部是飽和脂肪酸[7]。源于玉米油的高營養(yǎng)價值，探究其氧化特性，估算保質(zhì)期具有重要意義。自然界中的天然α-生育酚廣泛存在于含油種子、葉及其他高等植物的綠色部位中。通常食用的植物油中含有少量生育酚，但是一般會在油脂加工精煉過程中損失掉[8]。它最主要的抗氧化途徑是向脂氧自由基或脂過氧自由基提供·H，使鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)中斷。同其他抗氧化劑一樣，生育酚的抗氧化效能不僅受光、熱、氧氣濃度等外部因素影響，還受油脂結(jié)構(gòu)的影響，不同脂肪酸組成的油脂氧化穩(wěn)定性不同，生育酚的抗氧化效能不同，最佳抗氧化濃度也有差異，因此欲以天然生育酚代替合成抗氧化劑，必須從不同油脂中生育酚抗氧化效能出發(fā)研究生育酚的抗氧化規(guī)律[2]。

本課題通過 Schaal 烘箱氧化實(shí)驗(yàn)，研究不同濃度α-生育酚對氧化過程中玉米油的過氧化值和茴香胺值的差異，并計算總氧化值，探討通過氧化值、茴香胺值、總氧化值與氧化時間之間的關(guān)系，初步了解油脂氧化及生育酚抗油脂氧化的規(guī)律。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)原料、試劑

實(shí)驗(yàn)材料: 玉米油，當(dāng)?shù)爻壥袌?；?生育酚標(biāo)準(zhǔn)品，Sigma 公司；正己烷(色譜純)、異辛烷(色譜純)，美國天地試劑有限公司(上海)；脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品，美國 Nu-Chekprep 公司；三氯甲烷、冰醋酸，成都市科龍化工試劑廠 ；KI、乙醚、Na2S2O3、無水乙醚、無水乙醇、異辛烷 ， 天津市大茂化學(xué)試劑廠；可溶性淀粉，天津市永大化學(xué)試劑有限公司；茴香胺 ，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；活性白土，北京康普匯維科技有限公司；淀粉，江西金佳谷物股份有限公司；蔗糖，北京康普匯維科技有限公司；甲醇鈉，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸 ，吳江市匯通化工有限公司。

1.2儀器和設(shè)備

HP6890型氣相色譜儀(配有火焰離子化檢測器和自動進(jìn)樣器) ，美國Agilent 公司; 紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司; DHG -9240 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海銀澤儀器設(shè)備有限公司; RV10 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海圣科儀器設(shè)備有限公司; BS224S 型電子天平，德國賽多利斯; HH- S4 型電熱恒溫水浴鍋，上海雙旭電子有限公司。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1油脂的純化[9]

用硅膠300 g、50.4 g活性炭和硅藻土混合物(質(zhì)量比2∶1)；150 g蔗糖和硅藻土的混合物(質(zhì)量比2∶1)填充制備層析柱。取350 g油過柱，隨后用正己烷沖洗。通過蠕動泵對層析柱施加微小負(fù)壓從而使出口流速為0.25 mL/min。然后先用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)和吹氮?dú)獾姆椒ǔナＳ嗾和?，終樣品于-4 ℃冷藏備用。

1.3.2樣品的制備

制備一系列濃度的α-生育酚乙醇溶液，置于冰箱中備用。對照組加入乙醇溶劑。另稱取50 g純化后的油脂于100 mL的燒杯中，依次加入不同濃度的生育酚溶液和同量的乙醇溶液，使α-生育酚在油脂中的含量分別為50、100、200、400 mg/kg。充分?jǐn)嚢?0 min，再通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去殘留的乙醇溶液，得到最終樣品。

1.3.3脂肪酸組成分析

油脂的甲基化[10]：取2 mg的脂肪樣品，加入1.5 mL正己院溶解，分別加入40 μL乙酸甲酯和100 μL甲醇鈉-甲醇溶液(0.5 mol/L)，渦流混勻，37 ℃下反應(yīng)20 min后立即冷凍10 min (-20 ℃)，迅速加入60 μL草酸，離心棄去沉淀，濾液用無水Na2SO4過濾以除去水分，氮?dú)獯蹈珊?，加? mL正己烷，備用。

GC分析條件：Agilent公司6890型氣相色譜儀，CP-Sil 88石英毛細(xì)管柱，F(xiàn)ID檢測器；載氣為氫氣；進(jìn)樣口溫度為250 ℃；程序升溫：45 ℃下保持5 min，再以13 ℃/min的速率升溫到175 ℃，并保持30 min，再以4 ℃/min的升溫速度至215 ℃，并保持30 min。通過與脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)對照，利用面積歸一法確定各個脂肪酸的相對百分含量。每個樣品進(jìn)行3次重復(fù)測定，記錄為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.4加速氧化實(shí)驗(yàn)

采用Schaal[11]烘箱氧化實(shí)驗(yàn)法。取50 g油樣于燒杯中，燒杯用鋁箔包裹，將油樣分別置于40 ℃和75 ℃烘箱中，保持烘箱暗黑，定期(0，6，12，18，24，30，36，42，50，56 d) 取樣分析。

1.3.5油樣主要指標(biāo)分析

酸價(AV)按GB/T 5009.36—2003《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》測定；過氧化值(POV)按GB/T 5538—2005《動植物油脂過氧化值測定》測定；茴香胺值(PAV)按GB/T 24304—2009《動植物油脂茴香胺值測定》測定；總氧化值(TOTOX)為衡量油脂氧化的綜合指標(biāo)，總氧化值等于2倍的過氧化值與茴香胺值的和。

氧化誘導(dǎo)時間的測定[12]：取3 g油樣放置于Rancimat反應(yīng)管中，通過Rancimat反應(yīng)管的空氣流速設(shè)定為10 L/h，并保持110 ℃的恒溫。油樣在高溫氧化過程中產(chǎn)生出來的氣體，通過氣流進(jìn)入裝有50 mL去離子蒸餾水的燒瓶中并溶于蒸餾水，通過在燒瓶中的一個電極測定電導(dǎo)率的變化。每個樣品進(jìn)行3次重復(fù)測定，記錄為平均值±誤差。

1.3.6氧化動力學(xué)模型的建立

采用Matlab 數(shù)學(xué)工具，通過多次分析擬合，探討油脂在特定氧化狀態(tài)過氧化值、茴香胺值、總氧化值與氧化時間與氧化時間之間的關(guān)系。并由Arrnenus方程，推出不同添加量的α-生育酚在油脂中的抗氧化性。

2結(jié)果與討論

2.1油脂的提純

一般油脂中都會含有少量生育酚，為消除在α -生育酚抗氧化性研究中產(chǎn)生影響，需要對油脂進(jìn)行純化。另外純化也可以除去油脂中游離脂肪酸、過氧化物、微量金屬元素等。從表1可以看出，純化前玉米油的過氧化值和茴香胺值分別為0.6 mmol/kg和0.1。

表1　玉米油純化前后過氧化值和茴香胺值

注：不飽和相對值=(C18∶1+ 2×C18∶2+ 3×C18∶3)×100；ND，未檢出。

純化后的過氧化值和茴香胺值均為未檢出，可知純化效果較為理想。

由表1可知，玉米油主要的不飽和脂肪酸是油酸和亞油酸，含量分別為29.16%～29.25%、59.39%～59.38%，另玉米油中除了油酸和亞油酸外，還含有1.78%～1.79% 的亞麻酸。含量最多的為多不飽和脂肪酸61.15%～61.17%，其次是單不飽和脂肪酸29.15%～29.16%，不飽和相對值為150.69～150.78。純化前后脂肪酸組成并無明顯差異。

2.2玉米油氧化誘導(dǎo)時間

由表2的誘導(dǎo)時間的長短可以看出，在玉米油里，100 mg/kg的α-生育酚抗氧化性能強(qiáng)于50 mg/kg 和200 mg/kg的α-生育酚的抗氧化性，400 mg/kg的α-生育酚起到了促氧化作用。

表2　玉米油的氧化誘導(dǎo)時間

2.3過氧化值

氫過氧化物是油脂初級氧化產(chǎn)物的含量，其值反映油脂初期氧化程度。由圖1可以看出，在40 ℃下，18 d之前，α-生育酚并無明顯抗氧化效果；直至第36天，100 mg/kg和400 mg/kg的α-生育酚抗氧化性能強(qiáng)于200 mg/kg的α-生育酚；36 d之后，400 mg/kg的α-生育酚出現(xiàn)明顯抗氧化效果，50 mg/kg的α-生育酚對過氧化值影響不大，不同濃度的α-生育酚均未出現(xiàn)促氧化效果。在75℃下，18 d之后，α-生育酚抗氧化性能才逐漸顯現(xiàn)出來；直至36 d，100 mg/kg的α-生育酚抗氧化性能優(yōu)于其他濃度；42 d之后，400 mg/kg的α-生育酚抗氧化效果最佳。

2.4茴香胺值

油脂的初級氧化產(chǎn)物氫過氧化物不穩(wěn)定，在高溫下易分解生成次級氧化產(chǎn)物，茴香胺值(p-AV)表示植物油中的次級氧化產(chǎn)物中羰基化合物的含量，其值越大，說明油樣被氧化程度越厲害。從圖2可以看出，在40 ℃下，400 mg/kg α-生育酚抑制茴香胺值的效果較100 mg/kg和50 mg/kg時抑制茴香胺生成的能力要強(qiáng)，但在各個α-生育酚添加量中均無促進(jìn)茴香胺生成的現(xiàn)象出現(xiàn)。在75℃下，在玉米油里抑制茴香胺值生成的最適添加量為200 mg/kg和100 mg/kg。

圖1　不同添加量α-生育酚對玉米油過氧化值的影響Fig.1　different amounts α- tocopherol impact on corn oil peroxide value

圖2　不同添加量α-生育酚對玉米油茴香胺值的影響Fig.2　Effect of different amounts of corn oil α- tocopherol anisidine value

2.5總氧化值

總氧化值(TOTOX)涵括了初級氧化產(chǎn)物含量和次級氧化產(chǎn)物茴香胺值，用來綜合表征油脂氧化程度的一個指標(biāo)?？梢愿C合更合理地體現(xiàn)不同添加量的α-生育酚在油脂中的抗氧化效能及油脂的氧化程度。由圖3可知，在玉米油中總氧化值的增長趨勢與POV值的增長趨勢大體一致，由此可以得出玉米油的氧化產(chǎn)物仍以初級氧化產(chǎn)物為主。

圖3　不同添加量α-生育酚對玉米油總氧化值的影響Fig.3　Effect of different amounts of corn oilα- tocopherol total oxidation value

2.6玉米油抗氧化動力學(xué)模型的建立

劉建平[13]驗(yàn)證在一般油脂自氧化符合零階動力學(xué)方程，在植物油中添加抗氧化劑后，其氧化會同時符合零階和一階動力學(xué)反應(yīng)。試驗(yàn)中由零階動力學(xué)反應(yīng)所得直線的回歸系數(shù)要優(yōu)于一階動力學(xué)反應(yīng)。所以可以通過零階動力學(xué)反應(yīng)來建立過氧化值、茴香胺值、總氧化值與氧化時間之間的關(guān)系模型。

式中: k0為氧化反應(yīng)的速率常數(shù); Pt為反應(yīng)進(jìn)行到t 時刻的過氧化值、茴香胺值和總氧化值; P0為初始反應(yīng)時的過氧化值、茴香胺值和總氧化值; t 為氧化時間。

由表3、表4可以看出，在油脂氧化初期，過氧化值、茴香胺值、總氧化值與氧化時間之間滿足一定的線性關(guān)系，由此可以計算出過氧化值、茴香胺值、總氧化值在油脂氧化初期某一個時刻的具體數(shù)值，進(jìn)而可以初步預(yù)測油脂的貨架期。還可以看出過氧化值與氧化時間之間的線性回歸系數(shù)大于茴香胺值與氧化時間之間的線性回歸系數(shù)，故可以通過過氧化值與氧化時間之間的擬合方程計算油脂的氧化速率常數(shù)，即用氫過氧化物的生成速率常數(shù)代替油脂的氧化速率常數(shù)。

表3　40 ℃過氧化值、茴香胺值、總氧化值(y)與氧化時間(x)之間的擬合方程

表4　75℃過氧化值、茴香胺值、總氧化值(y)與氧化時間(x)之間的擬合方程

由表5、表6可以看出，100 mg /kg添加量的α-生育酚氫過氧化物速率常數(shù)低于其他，即為為玉米油的最適宜α -生育酚添加量。隨著α-生育酚添加量的不斷增加，氫過氧化物速率常數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢，但是整體并未出現(xiàn)促氧化現(xiàn)象。

表5　氫過氧化物、羰基化合物、總氧化值在40℃

表6　氫過氧化物、羰基化合物、總氧化值在75℃

油脂的氧化分為過氧化物平穩(wěn)增長的誘導(dǎo)期和過氧化物急速增長的傳播期，因?yàn)檫^氧化物在誘導(dǎo)期的產(chǎn)生較為緩慢，其在傳播期增長較為迅速，所以將油脂的氧化速率常數(shù)定義為傳播期氧化速率。此時所得油脂的氧化速率常數(shù)與溫度呈冪函數(shù)關(guān)系，即符合Arrnenus方程：

lnK=lnA+Ea/RT

式中：K為油脂的氧化反應(yīng)的速率；A為指數(shù)前因子；Ea為活化能；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度。

由Arrnenus方程可知，油脂氧化速率與加速氧化的溫度有關(guān)。一般而言，溫度越高油脂氧化速率越快。但由于油脂本身的結(jié)構(gòu)和添加α-生育酚濃度的不同，油脂氧化的速率和溫度的關(guān)系并非完全一樣，所以得到的Arrnenus方程也不一樣。即可根據(jù)具體的Arrnenus方程，推出不同添加量的α-生育酚在油脂中的抗氧化性；也可在高溫下收集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)Arrnenus方程推出較低溫度下油脂的穩(wěn)定情況。

圖4　溫度對玉米油氧化速率的影響(玉米油60℃氧化數(shù)據(jù)引自張建飛[14])Fig.4　Effect of temperature on the oxidation rate of corn oil (corn oil 60 ℃ oxidation data taken from ZHANG[14])

由圖4和表7可以看出，玉米油的速率常數(shù)的對數(shù)與溫度倒數(shù)間存在非常好的線性關(guān)系(R2﹥0.982)，符合阿倫尼烏斯定律。溫度的差異性對α-生育酚在玉米油中的最適抗氧化濃度有顯著影響，當(dāng)氧化溫度為75， 60和 40 ℃時，α-生育酚在玉米油中最適抗氧化濃度分別為100，100和400 mg/kg。同時,當(dāng)α-生育酚濃度相同時，氧化溫度越高，所得到的速率常數(shù)就會越大，說明α-生育酚的抗氧化效能越低。

由表7可以看出，添加α-生育酚抗氧化劑后玉米油的活化能與氣體常數(shù)比均比未添加α-生育酚抗氧化劑的玉米油高，添加α-生育酚抗氧化劑后玉米油的氧化反應(yīng)較難進(jìn)行。添加不同濃度的α-生育酚的茶油的活化能與氣體常數(shù)比從高到低依次為，100 mg/kg(4 130K)>400 mg/kg(3 950K) >50 mg/kg (3 418K)>200 mg/kg(3 027K) >0 mg/kg(2 979K)。由表7可以得知，在玉米油里α-生育酚添加量0、50、100、200和400 mg/kg時所對應(yīng)的Arrnenus方程分別為：lnK=-2 979/T+0.49、lnK=-3 418/T+1.57、lnK=-4 130/T+3.48、lnK=-3 027/T+0.57和lnK=-3 950/T+3.16。

表7　添加不同濃度α-生育酚的玉米油的

3結(jié)論

通過分別設(shè)置氧化溫度和生育酚添加量為變量，進(jìn)行Schaal 烘箱氧化實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用動力學(xué)方程，在油脂氧化初期，擬合過氧化值、茴香胺值、總氧化值與氧化時間之間的擬合方程，從而可以預(yù)測油脂在特定時刻的過氧化值、茴香胺值、總氧化值，可以初步得到玉米油保質(zhì)期。并通過Arrnenus方程發(fā)現(xiàn)，在油脂氧化過程里，初級產(chǎn)物的生成速率的對數(shù)與加速氧化的絕對溫度的倒數(shù)之間存在較好的線性關(guān)系(R2﹥0.982)，符合方程規(guī)律。

通過不同添加量α-生育酚對玉米油過氧化值的影響以及油脂的氫過氧化物生成的速率常數(shù)可以看出，在40℃下，添加100 mg /kg 的α-生育酚時為最適添加量，隨著添加量增加α-生育酚并未呈現(xiàn)促氧化作用。在75℃下，α-生育酚的最佳添加量為100 mg /kg，隨著添加量的增加α-生育酚呈現(xiàn)一定促氧化作用。同時得出在油脂的氧化初期符合Arrnenus方程，從而可以推出在不同溫度下玉米油氧化速率常數(shù)，得出在玉米油中α-生育酚的最佳添加量。

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The antioxidant activity of α- tocopherol in corn oil at different temperatures and concentrations

YE Yu-lan, LIU Wen-qiang,ZHU Xue-mei*,ZHANG Jian-fei,XIONG Hua

(Nanchang University, Food Science and Technology of State Key Laboratory, Nanchang 330047,China)

ABSTRACTThe antioxidation of α- tocopherol in corn oil at different temperatures were studied. Different dosages of α- tocopherol were added into pure corn oil, then Schaal oven oxidation experiment was conducted，and peroxide values and p- anisidine values were determined regularly and total oxidation values were calculated. Using kinetic model to fit peroxide values , p- anisidine values, total oxidation values and oxidation time, the fitting equations are linear and confirmed by Arrnenus equation. In the experiment, the temperature was 40 ℃,75 ℃, the amount of α- tocopherol were 50,100,200,400 mg/kg, respectively. The results showed that: There is a very good linear relationship between the rate constant of corn oil and the logarithm of temperature (R2>0.982). When corn oil stored at 75, 60 and 40℃, the optimal antioxidant concentration of α-tocopherol in corn oil was 100 mg/kg, 100 mg/kg and 400 mg/kg, respectively.

Key wordsα- tocopherol; lipid oxidation; antioxidant effect; kinetics

收稿日期：2015-09-17，改回日期：2015-10-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(31460427)；國家留學(xué)基金(教外司留20130693)；江西省自然科學(xué)基金(20132BAB204001)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603005

第一作者：碩士研究生(朱雪梅副教授為通訊作者，E-mail：zhuxuemei@ncu.edu.cn)。