高溫條件下亞麻籽油二次氧化產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化

姚云平，杜 樂(lè)，宋 潔，曹睿智，李昌模

(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，食品營(yíng)養(yǎng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

亞麻籽油富含不飽和脂肪酸，其含量約為90%，其中n-3多不飽和脂肪酸α-亞麻酸含量最高，超過(guò)44%，是世界上公認(rèn)的α-亞麻酸含量最高的植物油之一[1-2]。然而，正因?yàn)閬喡樽延透缓?亞麻酸等不飽和脂肪酸，使亞麻籽油對(duì)熱、氧和光高度敏感，極易發(fā)生氧化酸敗，在普通條件下難以長(zhǎng)期保存。亞麻籽油氧化變質(zhì)產(chǎn)生醛、酮、酸等化合物，不僅失去原有風(fēng)味和功能活性，影響油脂品質(zhì)，更會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)不利影響，成為制約其廣泛應(yīng)用因素之一。

近年來(lái)的研究主要集中于對(duì)亞麻籽油脂質(zhì)成分的分析[3]，不同加工工藝亞麻籽油特征風(fēng)味成分的分析，以及對(duì)其熱穩(wěn)定性方面的研究等[4-5]。但是，對(duì)亞麻籽油在高溫氧化過(guò)程中的氧化指標(biāo)及氧化產(chǎn)物的分析還未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究詳細(xì)分析了亞麻籽油在高溫氧化過(guò)程中過(guò)氧化值、酸價(jià)、羰基值以及二次氧化產(chǎn)物脂肪族醛類(lèi)化合物的動(dòng)態(tài)變化,以期為亞麻籽油的高溫氧化機(jī)理及食用條件提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

市售亞麻籽油；異丙醇、正己烷、乙腈為色譜純；37種脂肪酸甲酯混標(biāo)；冰醋酸、異辛烷、無(wú)水乙醇、甲醇、濃硫酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉、氫氧化鉀、2,4-二硝基苯肼為分析純；丙醛、反-2-丁烯醛、戊醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、己醛、反-2-壬烯醛、反，反-2，4-癸二烯醛、壬醛標(biāo)品；酚酞指示劑、淀粉指示劑現(xiàn)配現(xiàn)用。

分析天平，電熱恒溫水浴鍋，油浴加熱循環(huán)器，離心機(jī)，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，島津GC-2010氣相色譜儀，島津LC-20AT液相色譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 亞麻籽油脂肪酸組成測(cè)定

參照王永進(jìn)等[6]的方法進(jìn)行亞麻籽油脂肪酸組成的測(cè)定。

1.2.2 亞麻籽油的氧化處理

分別稱(chēng)取約10.00 g亞麻籽油置于50 mL燒杯中，分別在100、120、140、160、180、200℃氧化1、3、5 h，氮封，-80℃條件下保存。

1.2.3 亞麻籽油理化指標(biāo)的測(cè)定

過(guò)氧化值按照GB 5009.227—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過(guò)氧化值的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定；酸價(jià)按照GB 5009.229—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中酸價(jià)的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定；羰基值參考文獻(xiàn)[7]采用比色法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4 高效液相色譜法(HPLC)檢測(cè)亞麻籽油中的脂肪族醛類(lèi)化合物

1.2.4.1 高效液相色譜條件

島津LC-20AT液相色譜儀，配備SPD-M20A二極管陣列檢測(cè)器，檢測(cè)范圍200～800 nm，色譜柱為T(mén)SK GEL ODS-80Ts C18柱(250 mm×4.6 mm)，以乙腈-水(體積比75∶ 25)作為流動(dòng)相，柱溫50℃，檢測(cè)波長(zhǎng)365 nm，流速1.3 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。

1.2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取丙醛、反-2-丁烯醛、戊醛、反-2-戊烯醛、反-2-己烯醛、己醛、反-2-壬烯醛、反,反-2,4-癸二烯醛和壬醛各10.00 mg于10 mL棕色容量瓶中，用異丙醇溶解，定容至刻度，振蕩混勻，作為標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，質(zhì)量濃度為1 mg/mL，氮封，-20℃下保存。用移液管精確移取不同體積的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于10 mL棕色容量瓶，用異丙醇稀釋制得1、2、5、10、20、50 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)工作液混標(biāo)，氮封，-20℃下保存。準(zhǔn)確移取不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作液1 mL于10 mL比色管中，加入1 mL 2,4-二硝基苯肼溶液，于40℃水浴加熱30 min，在冷水中停止反應(yīng)，冷卻至室溫。用0.22 μm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過(guò)濾，取20 μL注入HPLC按1.2.4.1進(jìn)行檢測(cè)。以各標(biāo)品的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.2.4.3 脂肪族醛類(lèi)化合物的檢測(cè)

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取0.200 g不同方式氧化處理的亞麻籽油，置于10 mL的棕色容量瓶中，用異丙醇定容至刻度，振蕩混勻。精確移取1 mL該樣品溶液于10 mL比色管中，平行3組，分別加入1 mL 2,4-二硝基苯肼溶液，于40℃水浴加熱30 min，在冷水中停止反應(yīng)，冷卻至室溫。用0.22 μm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過(guò)濾，取20 μL注入HPLC進(jìn)行檢測(cè)，將峰面積代入標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程中計(jì)算脂肪族醛類(lèi)化合物的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞麻籽油的脂肪酸組成(見(jiàn)表1)

表1 亞麻籽油的脂肪酸組成及相對(duì)含量

由表1可知，亞麻籽油中不飽和脂肪酸含量達(dá)到89.87%。亞麻籽油的主要脂肪酸是亞麻酸，其相對(duì)含量為49.29%，脂肪酸組成中以α-亞麻酸為主，相對(duì)含量為(45.17±0.27)%，其次是油酸和亞油酸，相對(duì)含量分別為(22.57±0.22)%、(17.49±0.19)%，棕櫚酸、硬脂酸等飽和脂肪酸相對(duì)較少，相對(duì)含量在4%～6%范圍內(nèi)。

2.2 高溫條件下亞麻籽油過(guò)氧化值的動(dòng)態(tài)變化(見(jiàn)圖1)

圖1 亞麻籽油的過(guò)氧化值在不同溫度下隨加熱時(shí)間的變化

氫過(guò)氧化物是油脂氧化過(guò)程的一次產(chǎn)物，測(cè)定過(guò)氧化值可判斷油脂初級(jí)氧化程度。由圖1可知，在高溫條件下，亞麻籽油的過(guò)氧化值在不同溫度下隨加熱時(shí)間的變化趨勢(shì)有明顯差異。在100℃加熱3 h，過(guò)氧化值為5.27 mmol/kg，依然符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，隨著加熱時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，過(guò)氧化值逐漸升高。在較高的溫度條件(120～200℃)下過(guò)氧化值均先升高后下降。在120～160℃下加熱3 h，亞麻籽油的過(guò)氧化值達(dá)到極值。由于高溫下過(guò)氧化物形成的速率高于分解速率，其平衡傾向于過(guò)氧化物的積累，超過(guò)一定時(shí)間后過(guò)氧化物分解速率加快導(dǎo)致過(guò)氧化值的降低。在180℃僅加熱1 h，亞麻籽油的過(guò)氧化值即達(dá)到最高值，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)過(guò)氧化物分解速率加快導(dǎo)致過(guò)氧化值的降低。

2.3 高溫條件下亞麻籽油酸價(jià)的動(dòng)態(tài)變化(見(jiàn)圖2)

圖2 亞麻籽油的酸價(jià)在不同溫度下隨加熱時(shí)間的變化

酸價(jià)是反映油脂酸敗的主要指標(biāo)，也是表征油脂高溫氧化常用的指標(biāo)之一。由圖2可知，在高溫條件下，隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，亞麻籽油的酸價(jià)穩(wěn)步增加，并且在加熱1 h內(nèi)溫度越高，酸價(jià)增加越快，加熱1 h后，隨著加熱溫度的升高，酸價(jià)增加的速率減緩，可能是加熱1 h后有部分水解生成的游離脂肪酸發(fā)生氧化導(dǎo)致。

2.4 高溫條件下亞麻籽油羰基值的動(dòng)態(tài)變化(見(jiàn)圖3)

圖3 亞麻籽油的羰基值在不同溫度下隨加熱時(shí)間的變化

油脂的羰基值是油脂氧化、劣變的重要指標(biāo)。由圖3可知，在高溫條件下，隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，亞麻籽油的羰基值增加，在200℃加熱5 h時(shí)羰基值達(dá)到最大值(44.54±0.32)meq/kg，是未加熱亞麻籽油的8.26倍。加熱1 h內(nèi)，隨著加熱溫度的升高，羰基值增加的速率最快，說(shuō)明在加熱1 h內(nèi)即有大量的羰基化合物生成，且加熱溫度越高，油脂氧化生成羰基化合物的速率越快；加熱1 h后，隨著加熱溫度的升高，羰基值增加的速率減緩。

2.5 高溫條件下亞麻籽油中脂肪族醛類(lèi)化合物的動(dòng)態(tài)變化

亞麻籽油中油酸、亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸在高溫條件下發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生二次產(chǎn)物脂肪族醛類(lèi)化合物[8]。

2.5.1 亞麻酸氧化的特征二次產(chǎn)物

當(dāng)亞麻酸受到氧的攻擊時(shí)，在C11和C14上的兩個(gè)活性亞甲基上的氫脫除產(chǎn)生兩個(gè)戊二烯基，這些中間體與末端碳上的氧反應(yīng)，生成C9-、C12-、C13-、C16-氫過(guò)氧化物的混合物。其中C9-氫過(guò)氧化物進(jìn)一步氧化裂解生成癸三烯醛和含辛酸的中碳鏈甘油三酯，C12-氫過(guò)氧化物進(jìn)一步氧化裂解生成2,4-庚二烯醛，C13-氫過(guò)氧化物進(jìn)一步氧化裂解生成反-2-己烯醛和反-2-戊烯醛，C16-氫過(guò)氧化物進(jìn)一步氧化裂解生成丙醛和丁烯醛[8]。檢測(cè)到高溫氧化亞麻籽油中亞麻酸氧化的特征二次產(chǎn)物有丙醛、反-2-戊烯醛和反-2-己烯醛，其他脂肪族醛類(lèi)化合物含量微量，形成的醛類(lèi)化合物含量變化見(jiàn)圖4。

由圖4A可知，在100～140℃下，隨著加熱溫度的升高及加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，丙醛含量急劇增加，160℃以后，隨加熱溫度升高及加熱時(shí)間延長(zhǎng)，丙醛含量降低。在160℃加熱1 h時(shí)丙醛含量最高，為(18.44±0.25)mg/kg。當(dāng)加熱溫度達(dá)到200℃時(shí)，丙醛含量有些許下降但仍然較高，加熱5 h為(11.03±0.13)mg/kg。由圖4B可知，隨著加熱溫度的升高及加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，反-2-戊烯醛的生成量逐漸增加，在100～140℃時(shí)其生成量較小，當(dāng)加熱溫度超過(guò)160℃后，隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，反-2-戊烯醛生成量快速增加，在200℃加熱5 h時(shí)其生成量達(dá)到(1.27±0.01)mg/kg。由圖4C可知，100℃加熱1～5 h并沒(méi)有反-2-己烯醛的生成，在120℃加熱1 h時(shí)反-2-己烯醛含量為(0.49±0.04)mg/kg，之后隨著加熱溫度的升高及加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，反-2-己烯醛的含量增加，在200℃加熱3 h時(shí)達(dá)到最大，為(1.97±0.04)mg/kg。但200℃加熱5 h反-2-己烯醛的含量反而下降，可能是由于此加熱溫度已大大超過(guò)反-2-己烯醛的沸點(diǎn)(150℃)，也可能是由于長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱使反-2-己烯醛氧化生成相應(yīng)的酸所致。

圖4 高溫氧化亞麻籽油中亞麻酸氧化的特征二次產(chǎn)物的含量變化

綜合分析以上3種脂肪族醛類(lèi)化合物，丙醛的生成量最大，說(shuō)明丙醛是亞麻酸氧化最易形成的脂肪族醛類(lèi)化合物。相比而言，反-2-戊烯醛和反-2-己烯醛產(chǎn)生較晚、較慢，說(shuō)明亞麻酸外側(cè)的C16位置比內(nèi)側(cè)的C13位置在高溫條件下更易被氧攻擊發(fā)生氧化斷裂。

2.5.2 亞油酸氧化的特征二次產(chǎn)物

當(dāng)亞油酸受到氧的攻擊時(shí)，在活性雙烯丙基C11上的氫脫除產(chǎn)生戊二烯基。該中間體在兩端與氧反應(yīng)以產(chǎn)生共軛的C9-氫過(guò)氧化物和13-氫過(guò)氧化物的混合物。其中：C9-氫過(guò)氧化物通過(guò)裂解生成反-2-壬烯醛、9-氧代壬酸酯、反,反-2,4-癸二烯醛和含辛酸的中碳鏈甘油三酯；C13-氫過(guò)氧化物通過(guò)裂解生成己醛、戊烷、1-戊醇和戊醛。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到亞麻籽油中的亞油酸氧化特征二次產(chǎn)物有己醛、反-2-壬烯醛和反,反-2,4-癸二烯醛，形成的醛類(lèi)化合物的含量變化如圖5所示。

圖5 高溫氧化亞麻籽油中亞油酸氧化的特征二次產(chǎn)物的含量變化

由圖5A可知，當(dāng)加熱溫度在100～140℃時(shí)，隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)己醛含量增加，在140℃加熱5 h時(shí)含量達(dá)到最高，為(1.58±0.04) mg/kg。當(dāng)加熱溫度在160～200℃時(shí)，隨加熱時(shí)間從3 h延長(zhǎng)至5 h和加熱溫度升高，己醛含量降低，說(shuō)明當(dāng)加熱溫度超過(guò)160℃后，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，己醛的揮發(fā)量大于生成量，導(dǎo)致含量減少。由圖5B可知，亞麻籽油在100℃加熱時(shí)產(chǎn)生少量反-2-壬烯醛，隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，反-2-壬烯醛含量總體增加。加熱溫度在100～140℃時(shí)，反-2-壬烯醛含量在油脂中增加的速率較慢，加熱溫度在160～200℃時(shí)，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)反-2-壬烯醛生成速率加快。由圖5C可知，亞麻籽油在120℃加熱5 h時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生反,反-2,4-癸二烯醛，隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)反,反-2,4-癸二烯醛含量緩慢增加，當(dāng)加熱溫度為180℃時(shí)，反,反-2,4-癸二烯醛含量快速增加，在200℃加熱3 h時(shí)含量達(dá)到最高值(1.58±0.04)mg/kg。

綜合分析以上3種脂肪族醛類(lèi)化合物，己醛最先生成，反-2-壬烯醛和反,反-2,4-癸二烯醛生成較晚、較慢，說(shuō)明亞油酸C13位置比C9位置更易被氧攻擊，氧化最先在C13位置發(fā)生。另外，在相同的加熱溫度和加熱時(shí)間下亞麻酸氧化特征二次產(chǎn)物的積累量是亞油酸氧化特征二次產(chǎn)物積累量的5～11 倍，說(shuō)明在相同的高溫條件下亞麻酸比亞油酸更易發(fā)生氧化。

2.5.3 油酸氧化的特征二次產(chǎn)物

當(dāng)油酸受到氧的攻擊時(shí)，在C8和C11上的氫脫除形成兩個(gè)烯丙基。氧攻擊這些中間體的末端碳位置，生成C9-氫過(guò)氧化物和C10-氫過(guò)氧化物的混合物。C9-或C10-氫過(guò)氧化物進(jìn)一步氧化裂解形成壬醛。亞麻籽油中油酸氧化二次產(chǎn)物壬醛的含量變化如圖6所示。

圖6 高溫氧化亞麻籽油中油酸氧化的特征二次產(chǎn)物壬醛的含量變化

由圖6可知，亞麻籽油在120℃加熱1 h時(shí)并未發(fā)現(xiàn)壬醛的生成，加熱3～5 h隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)壬醛含量增加。140～200℃，壬醛含量均在加熱3 h時(shí)達(dá)到最高值后有所下降，可能是由于長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱壬醛的揮發(fā)量大于生成量或是壬醛進(jìn)一步氧化生成相應(yīng)的酸所致。

綜上所述，亞麻籽油中含有大量的不飽和脂肪酸如油酸、亞油酸和亞麻酸，通過(guò)分析氧化裂解產(chǎn)生的脂肪族醛類(lèi)化合物，不同的不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)生的特征二次產(chǎn)物含量由多到少依次為亞麻酸>亞油酸>油酸，其中亞麻酸產(chǎn)生的特征二次產(chǎn)物中丙醛的含量為其特征二次產(chǎn)物中其他兩種醛類(lèi)化合物的6～21倍。

3 結(jié) 論

亞麻籽油由于富含大量的不飽和脂肪酸極易發(fā)生氧化，在高溫條件下(100～200℃)，過(guò)氧化值先升高后降低(除100℃)，而酸價(jià)、羰基值持續(xù)升高。亞麻籽油高溫氧化的特征二次產(chǎn)物中亞麻酸氧化的特征二次產(chǎn)物為丙醛、反-2-戊烯醛和反-2-己烯醛；亞油酸氧化的特征二次產(chǎn)物為己醛、反-2-壬烯醛和反,反-2,4-癸二烯醛；油酸氧化的特征二次產(chǎn)物為壬醛。