基于氣相色譜的植物油特征脂肪酸高溫熱氧化特性研究

劉 劍，劉元法，李進偉

(江南大學 食品學院，食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫214122)

油脂因其能夠提供高熱值和人體組織發(fā)育必需的脂肪酸，在人類飲食中起著至關(guān)重要的作用。在食品生產(chǎn)加工過程的許多高溫處理過程中，植物油會產(chǎn)生許多工業(yè)所需要的顏色、風味和成分的變化，但同時脂質(zhì)熱氧化也是導致營養(yǎng)損失、油質(zhì)劣化，甚至有毒有害化合物產(chǎn)生的主要原因[1-5]。

植物油在高溫下的熱氧化過程要比自動氧化復雜得多，現(xiàn)有植物油熱氧化機制多是建立在動力學基礎(chǔ)上，通常根據(jù)反應物(如氧氣等)的消耗、特征產(chǎn)物(如氫過氧化物、丙二醛等)的生成，對可能的氧化反應進程進行推斷。但植物油氧化反應體系實際上復雜且多變，加成、脫氫、裂解反應相互競爭會改變氧化路徑和中間產(chǎn)物[6]。由于油脂體系的復雜性，使得直接研究植物油高溫熱氧化的進程變得比較困難，而植物油的基本組成——甘油三酯和脂肪酸則在結(jié)構(gòu)體系上相對簡單。相較于植物油中甘油三酯組成復雜程度，脂肪酸的組成能夠更簡單直接地反映植物油組成情況。并且，關(guān)于植物油熱氧化穩(wěn)定性，許多研究人員都得出相同的結(jié)論：不同種類植物油熱氧化穩(wěn)定性與其脂肪酸組成有直接密切的關(guān)系[1，2，6-9]。還有研究人員進一步提出了植物油氧化穩(wěn)定性和自身脂肪酸組成之間關(guān)系的量化模型、預測模型，其中Kerrihard等[1]的研究表明植物油氧化穩(wěn)定性與其主要脂肪酸組成之間有極強的相關(guān)性(R=0.915)。Redondo-Cuevas等[10]的研究結(jié)果表明幾種主要的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、雙不飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸對植物油氧化穩(wěn)定性的貢獻率達到67%。因此，植物油的氧化進程、氧化特性與其主要組成的脂肪酸息息相關(guān)，組成植物油主要的脂肪酸在高溫條件下的氧化模型、氧化特性、穩(wěn)定性的研究，對揭示復雜的植物油體系熱氧化進程有著指導作用。由此可以推測植物油和其組成中的主要脂肪酸在熱氧化動力學模型和參數(shù)上也可能存在較好的相關(guān)性，甚至由脂肪酸體系到復雜植物油體系，在氧化穩(wěn)定性等特性方面可能存在一定的預測性，但關(guān)于植物油基本組成脂肪酸的氧化進程、氧化特性方面的研究報道甚少。

許多相關(guān)研究表明常用植物油脂肪酸組成中含量最高的是棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸[1,11-12]。因此，本研究著眼于植物油煎炸等高溫處理過程，將反應理想化為高溫、無催化劑、氧氣充足條件下的氧化過程，以組成常用植物油的4種主要脂肪酸棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸為研究對象，分析其在不同的高溫條件下(120、140、160、180℃)的熱氧化過程，建立動力學模型，并對動力學參數(shù)進行求解，分析特征脂肪酸氧化特性，為甘油三酯、植物油體系高溫熱氧化進程的動力學研究提供支持，為揭示植物油與其本身脂肪酸組成之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。另一方面，通過對植物油特征脂肪酸熱氧化特性的研究，可以對不同種類植物油在實際加工過程中的高溫氧化進行預估，對氧化控制提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸，均購于百靈威官網(wǎng)，為色譜純。三氟化硼乙醚溶液(分析純)，甲醇溶液(分析純)，正己烷(分析純、色譜純)，脂肪酸甲酯混標，二十一碳烷酸甲酯(色譜純)，氯化鈉，去離子水。

熱氧化發(fā)生裝置(自制)；數(shù)顯恒溫油浴鍋，氫火焰離子化檢測器自動進樣氣相色譜儀(Shimadzu GC-2010PLUS，日本)，離心機，分析天平，數(shù)顯恒溫水浴鍋，離心管，濾膜，注射器。

1.2 試驗方法

1.2.1 模擬熱氧化

將50 g脂肪酸樣品放入內(nèi)徑5 cm、高度15 cm的厚壁玻璃試管內(nèi)，通過試驗用氧氣瓶提供30 mL/min 的穩(wěn)定氧氣流，吹掃容器中樣品表面。厚壁試管置于自動數(shù)顯恒溫油浴鍋中持續(xù)加熱，通過控制反應溫度使試樣加速氧化，恒溫油浴鍋溫度設置分別為120、140、160、180℃。定時取樣，對每種脂肪酸分別間隔0、1、2、3 ……12 h取樣，迅速對所取樣品進行冰浴冷卻。

1.2.2 底物殘余量測定

對1.2.1保存的樣品及時進行甲酯化操作，方法參照GB/T 17377—2008《動植物油脂 脂肪酸甲酯的氣相色譜分析》，隨后以二十一碳烷酸甲酯為內(nèi)標物，利用氣相色譜分別測定120、140、160、180℃恒溫加熱條件下，不同時間點試樣熱氧化后的底物殘余量。

氣相色譜條件：TR-FAME 260M154P色譜柱(60 m×0.25 mm，0.25 μm)；程序升溫為60℃保持3 min，以5℃/min升至175℃，保持 15 min，以2℃/min 升至220℃，保持10 min；載氣為高純氮氣；分流比100∶1；進樣量1 μL；進樣口溫度250℃；檢測器溫度250℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 底物殘余量分析

采用內(nèi)標法用氣相色譜儀對試樣中的脂肪酸殘余量進行定量檢測，繪制出不同底物不同溫度恒溫熱氧化降解過程。圖1為棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸在120、140、160、180℃恒溫加熱條件下的殘余量變化曲線。由圖1可知，在120、140、160、180℃恒溫加熱條件下，所有的脂肪酸試樣都發(fā)生了顯著的氧化降解，且隨著恒溫熱處理溫度升高，氧化程度不斷加深。對于同一種脂肪酸試樣，隨著恒溫熱處理的溫度升高，底物發(fā)生氧化降解反應的進程也存在顯著差異，整個反應的平均速率隨著溫度升高而顯著提高；不同溫度下反應速率均符合先增后減再緩慢增加的趨勢，但在較低溫度下出現(xiàn)反應速率減緩的“臺階”過程更加顯著。此外，在同一溫度下，不同的脂肪酸發(fā)生氧化降解的進程和反應速率也存在顯著差異，不飽和度越高的脂肪酸起始氧化速率和平均降解速率越快，這是由于脂肪酸碳鏈不飽和鍵的熱氧化穩(wěn)定性決定的，即在相對分子質(zhì)量接近的情況下，隨著不飽和度的增加，脂肪酸氧化穩(wěn)定性降低[13]。利用Origin 7.5軟件對不同溫度下的4種脂肪酸殘余量(cA)隨加熱時間(t)變化過程進行多項式擬合，結(jié)果見表1。由表1可知，多項式擬合結(jié)果均為極顯著，且相關(guān)性均高于0.99。

圖1 4種脂肪酸在不同溫度下的熱氧化降解曲線

試樣溫度/℃回歸方程R2棕櫚酸120cA=-0.166t3+4.299t2-41.122t+978.6910.999140cA=-0.139t3+3.699t2-42.736t+975.0510.996160cA=-0.215t3+5.435t2-57.555t+973.7520.995180cA=-0.280t3+7.812t2-86.104t+981.5400.998油酸 120cA=-0.194t3+3.417t2-30.009t+948.0230.996140cA=-0.137t3+2.198t2-31.586t+943.0330.994160cA=-0.138t3+3.475t2-53.979t+951.1700.998180cA=-0.437t3+9.341t2-91.816t+951.4810.996亞油酸120cA=-0.322t3+4.466t2-29.577t+901.6930.996140cA=-0.302t3+4.879t2-43.625t+895.3800.997160cA=-0.446t3+8.889t2-80.613t+896.3530.997180 cA=-0.459t3+11.157t2-113.171t+882.1620.994

續(xù)表1

試樣溫度/℃回歸方程R2亞麻酸120cA=-0.257t3+4.877t2-44.271t+698.7010.991140cA=-0.296t3+6.042t2-57.721t+696.2100.995160cA=-0.161t3+3.844t2-59.661t+689.7160.997180cA=-0.253t3+7.953t2-101.790t+686.4100.996

2.2 動力學參數(shù)計算及熱氧化模型建立

利用表1中對不同脂肪酸試樣在不同溫度下熱氧化過程的擬合方程，采用化學動力學的分析方法，對整個氧化反應的反應級數(shù)進行確定。高溫下脂肪酸氧化的過程可以簡化為氧氣與脂肪酸發(fā)生反應，生成一種氧化產(chǎn)物的過程，其宏觀反應速率方程為：

(1)

式中：rA為化學反應速率；k為反應速率常數(shù)；cA為脂肪酸試樣的瞬時殘余量；cB為反應過程中氧氣的質(zhì)量濃度；n、m分別表示反應底物脂肪酸和氧氣的反應級數(shù)。

(2)

此外，整個反應的速率可以用任意時刻t及其對應的反應體系中的脂肪酸殘余量cA來表示：

(3)

對方程(3)兩邊取自然對數(shù)得：

ln(-dcA/dt)=nlncA+lnk1

(4)

由方程(4)可知，ln(-dcA/dt)與lncA呈現(xiàn)線性關(guān)系。結(jié)合表1各種脂肪酸在不同溫度下的氧化降解過程的多項式擬合方程，并對各自不同條件下的擬合方程進行求導，可分別求出0、1、2……12 h所對應的ln(-dcA/dt)與lncA數(shù)值，將所得數(shù)據(jù)繪圖，進行線性擬合，可得到一條直線。4種脂肪酸在不同溫度下的化學反應級數(shù)n和反應速率常數(shù)k1可分別通過該直線的斜率n和截距l(xiāng)nk1求得，計算結(jié)果見表2。

表2 棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸在不同溫度條件下熱氧化過程的動力學參數(shù)

化學反應速率常數(shù)其數(shù)值表示相當于參加反應的物質(zhì)都處于單位濃度(1 mol/L)時的反應速率，受溫度、催化劑、反應物表面性質(zhì)的影響。由表2可知，4種脂肪酸的反應速率常數(shù)隨不飽和度的增加而增大，且對于同一種脂肪酸其反應速率常數(shù)，隨溫度升高而增大。說明隨著不飽和度的增加，整個反應的速率加快，隨著溫度上升，脂肪酸氧化反應速率加快，且都存在數(shù)量級的差距，說明不飽和度和反應溫度對脂肪酸熱氧化反應速率有顯著影響。在植物油的應用過程中應該更加注重高不飽和脂肪酸的影響，需高溫處理的過程建議選用飽和脂肪酸含量較高的植物油。對于高不飽和脂肪酸含量高的植物油，則需要嚴格控制溫度，這一點可結(jié)合Chen等[14]的研究建議：通過研究棕櫚酸的熱氧化自由基變化過程，確定了氧化速率突變的溫度點為175℃，從而建議高棕櫚酸含量的植物油最高加工溫度不宜超過175℃，其他種類植物油可以參照此法找到適宜的加工溫度。同時，在抗氧化劑的添加上，應該著重添加對不飽和脂肪酸含量高的植物油氧化酸敗抑制效果好的抗氧化劑，以及充分利用多種抗氧化劑復配效果的優(yōu)勢[15]。比較相同溫度下不同脂肪酸氧化的反應速率常數(shù)可知，棕櫚酸與油酸的反應速率常數(shù)、亞油酸與亞麻酸的反應速率常數(shù)差距較大，溫度每升高20℃，反應速率常數(shù)相差近105倍；而油酸與亞油酸之間反應速率常數(shù)的差距較小，溫度每升高20℃，反應速率常數(shù)相差約102倍。比較同一脂肪酸在不同溫度下的反應速率常數(shù)變化可知，不飽和度越高，溫度對其反應速率的影響越大。由此可見，在對植物油熱氧化進行控制時，高不飽和脂肪酸含量越高的植物油，對溫度的控制更顯重要。

2.3 氧化穩(wěn)定性評價

對Arrhenius方程k=Aexp(-Ea/RT)的兩邊取對數(shù)得：

lnk=-Ea/RT+lnA

(5)

式中：k為反應速率常數(shù)；Ea為活化能；R為理想氣體常數(shù)；T為溫度；A為指前因子。由方程(5)可知，lnk與1/T呈線性相關(guān)關(guān)系，根據(jù)4個不同溫度下得到的速率常數(shù)，以lnk對1/T進行線性回歸分析，結(jié)果見圖2。

圖2 4種脂肪酸熱氧化過程中l(wèi)nk對1/T的線性回歸分析

由圖2可知，4種脂肪酸高溫條件下熱氧化過程的lnk對1/T的線性相關(guān)性均較好，其中棕櫚酸、油酸、亞油酸線性回歸分析顯示其P值均小于0.01，呈極顯著線性關(guān)系，亞麻酸熱氧化過程中l(wèi)nk對1/T的線性回歸分析P值為0.018 5，呈顯著的線性關(guān)系。依據(jù)方程(5)，根據(jù)其直線斜率-Ea/R和截距l(xiāng)nA，可計算出4種脂肪酸熱氧化降解反應活化能Ea和指前因子A(見表3)。由表3可以看出，棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸的氧化活化能Ea依次降低，即發(fā)生氧化降解所需要的能量越來越低，因此可以得出熱氧化穩(wěn)定性排序：棕櫚酸 > 油酸 > 亞油酸 > 亞麻酸。Nik等[16]和Refaat[17]的研究得出了與此相同的結(jié)論，原因就在于4種脂肪酸的相對分子質(zhì)量差異不大的情況下，不飽和度越高，碳碳共價鍵對溫度越敏感，發(fā)生反應所需的最低能量越低。

表3 棕櫚酸、油酸、亞油酸、亞麻酸高溫熱氧化模型的氧化活化能(Ea)和指前因子(A)

3 結(jié) 論

(1)方法建立：利用自制模擬高溫熱氧化裝置和氣相色譜檢測方法，結(jié)合微分動力學方程，能夠很好地求解植物油特征脂肪酸高溫熱氧化過程的動力學參數(shù)和氧化降解模型。鑒于體系之間的相似性和相關(guān)性，這種方法可被推薦用于甘油三酯、植物油等體系熱氧化反應動力學參數(shù)的求解和氧化反應進程模型的建立。

(3)熱氧化特性：不同的熱氧化模型及相應動力學參數(shù)(Ea、n、k)，可用于比較不同種類脂肪酸的氧化特性。氧化活化能Ea能夠很好地反映不同試樣的氧化穩(wěn)定性，隨著不飽和度的升高，4種脂肪酸氧化活化能降低，即氧化穩(wěn)定性降低；不飽和度越高，脂肪酸熱氧化受濃度的影響越小，因此植物油中占一定比例的高不飽和度脂肪酸是決定其氧化穩(wěn)定性的關(guān)鍵，在熱氧化控制中應該著重控制高不飽和度的脂肪酸氧化進程。同時，不飽和度越高，溫度對其反應速率的影響越大。由此可見，在對植物油熱氧化進行控制時，高不飽和脂肪酸含量越高的植物油，對溫度的控制和抗氧化劑的使用更顯重要。本研究能夠為植物油煎炸等高溫處理條件下的氧化控制提供指導，對復雜體系的植物油熱氧化過程、氧化降解模型、氧化特性、熱氧化穩(wěn)定性的研究提供支持。結(jié)合此研究的結(jié)果，以不同植物油為研究對象進行相關(guān)研究，將有助于反映植物油熱氧化和基本脂肪酸組成之間的關(guān)系，進一步揭示植物油體系熱氧化的過程及特性。