分子蒸餾脫除玉米油中3-氯丙醇脂肪酸酯和縮水甘油酯效果的研究

程 倩，王風(fēng)艷，苗 木，周澍堃，王滿意，彭許云， 黃昭先，周勝利，于 燕，惠 菊

(1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，老年?duì)I養(yǎng)食品研究北京市工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102209； 2.中糧集團(tuán)中糧油脂研發(fā)中心，天津300452； 3.中糧東海糧油工業(yè)(張家港)有限公司，江蘇 張家港215634)

3-氯-1，2-丙二醇(3-MCPD)和縮水甘油被聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)報(bào)道為具有腎臟、生殖、遺傳和神經(jīng)毒性的物質(zhì)，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)也分別將其歸為人類2B和2A級致癌物質(zhì)，其安全性也成為國內(nèi)外食品領(lǐng)域的焦點(diǎn)。在油脂中，3-MCPD多數(shù)是以脂肪酸酯(3-MCPDE)的形式存在，而3-MCPDE可以在胃腸道內(nèi)完全水解生成3-MCPD，從而間接對人體造成傷害。縮水甘油則主要以縮水甘油酯(GE)的形式存在，GE本身不具有致癌性，但是在人體內(nèi)通過脂代謝產(chǎn)生的縮水甘油具有基因毒性。

目前，已有大量研究發(fā)現(xiàn)3-MCPDE和GE在多種食用油中普遍存在[1-5]。2009年，在檢測日本花王集團(tuán)“Econa”烹調(diào)油產(chǎn)品中3-MCPDE問題時，發(fā)現(xiàn)其中也存在大量的GE。2018年，深圳市疾病防控中心對深圳市場上93 份食用植物油樣品進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3-MCPDE檢出率為28%，其中棕櫚油、大豆油、玉米油產(chǎn)品中3-MCPDE檢出率分別為100%、56%和30%，且含量為0～73.70 mg/kg[6]。

迫于健康飲食的需求，油脂中3-MCPDE和GE的問題逐步引起重視。目前，已經(jīng)有多個國家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)開始對油脂中的3-MCPDE和GE含量進(jìn)行監(jiān)測評估和限定[7-9]。2016年5月，歐洲食品安全局(EFSA)設(shè)定3-MCPD的每日最大耐受量(TDI)降低至0.8 μg/kg，GE含量盡可能低。同年9月，馬來西亞棕櫚油局(MPOA)設(shè)定所有棕櫚油3-MCPDE的最大值為2 mg/kg。聯(lián)合國食品添加劑委員會 (JECFA)設(shè)定3-MCPD的TDI降低至4 μg/kg，GE含量盡可能降低到合理可行的范圍。2017年1月，歐盟油脂和蛋白協(xié)會(FEDIOL)設(shè)定精煉油GE含量小于1 mg/kg，并得到歐盟委員會(EC)同意；同時FEDIOL也限定植物油中GE限量為1 mg/kg，嬰兒食品用油中GE限量為0.5 mg/kg。2017年1月EFSA重新對3-MCPD進(jìn)行風(fēng)險評估，并于2018年2月重新設(shè)定3-MCPD的TDI為2 μg/kg。

3-MCPDE和GE給油脂的安全性帶來了極大的挑戰(zhàn)，如何有效去除3-MCPDE和GE成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，國內(nèi)外的研究進(jìn)展主要集中于3-MCPDE和GE的形成機(jī)理及檢測方法等的研究，對于如何有效去除3-MCPDE的研究報(bào)道則相對較少[3-4,10-14]。分子蒸餾有別于普通蒸餾技術(shù)，是工業(yè)生產(chǎn)中常用的分離液體混合物的手段。本實(shí)驗(yàn)主要圍繞采用分子蒸餾技術(shù)脫除玉米油中3-MCPDE和GE的脫除效果及其影響因素展開了研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

市售玉米油。1，2-二亞油酸-3-氯丙醇酯標(biāo)品(純度98%)；氘代同位素1，2-二月桂酸-3-氯丙醇酯(d5-3-MCPD酯，純度98%)、d5-縮水甘油酯(純度98%)，加拿大 Toronto Research Chemicals公司；苯基硼酸(純度大于97%)，色譜純，德國Sigma-Aldrich公司；甲基叔丁基醚、甲醇、正己烷、乙酸乙酯、乙醚、異丙醇，均為色譜純，德國CNW公司；無水硫酸鎂、無水硫酸鈉、碳酸氫鈉、溴化鈉、硫酸，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

安捷倫GC 7890B-5977 MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，安捷倫科技有限公司；TTL-DC Ⅱ氮吹儀，北京同泰聯(lián)科技發(fā)展有限公司；KDL-1短程分子蒸餾裝置，德國UIC公司；Thermo Sorvall ST16R通用臺式離心機(jī)，美國Thermo Fisher Scientific賽默飛世爾；VORTEX-6旋渦混合器，中國海門市其林貝爾儀器制造有限公司；ME204/02電子天平，Mettler Toledo梅特勒-托利多；DKZ-1系列電熱恒溫振蕩水槽，上海一恒科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分子蒸餾脫除3-MCPDE和GE

依次打開油浴循環(huán)加熱系統(tǒng)，進(jìn)料器溫度達(dá)到80℃，冷凝器溫度達(dá)到40℃，蒸發(fā)器溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)指定溫度。向冷阱中添加液氮，依次按照要求打開旋片泵、擴(kuò)散泵使真空度達(dá)到0.1 Pa。向進(jìn)料器中加入市售玉米油，預(yù)熱10 min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分別調(diào)節(jié)刮膜速率和進(jìn)油速度至實(shí)驗(yàn)指定條件。

1.2.2 油脂中3-MCPDE和GE的檢測

1.2.2.1 樣品的前處理

參照AOCS Cd 29a-13方法測定油脂中的3-MCPDE和GE含量。植物油中的3-MCPDE在酸性甲醇溶液中會轉(zhuǎn)化為游離的3-MCPD，3-MCPD用苯基硼酸衍生后進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜法分析。以3-MCPD含量評價植物油中3-MCPDE的含量，內(nèi)標(biāo)法定量。植物油中的GE在溴化鈉的酸性水溶液中轉(zhuǎn)化為3-MBPD(3-溴代丙二醇)單酯；然后，在酸性甲醇溶液中，3-MBPD單酯轉(zhuǎn)化為游離的3-MBPD形式，3-MBPD用苯基硼酸衍生后進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜法分析。最終以縮水甘油含量評價植物油中GE含量，內(nèi)標(biāo)法定量。

1.2.2.1.1 開環(huán)反應(yīng)

準(zhǔn)確稱取(100±5)mg樣品，各加入60 μL內(nèi)標(biāo)d5-3-MCPDE標(biāo)準(zhǔn)品溶液(5 μg/mL)和d5-縮水甘油酯標(biāo)準(zhǔn)品溶液(5 μg/mL)，用2 mL甲基叔丁基醚(MTBE)充分溶解。加入30 μL的溴化鈉酸性溶液(3 mg/mL)，混勻后50℃恒溫水浴15 min。加入3 mL 0.6%的碳酸氫鈉溶液以終止反應(yīng)。加2 mL正己烷，渦旋15 s，使油脂從水相中分離出來。靜置分離，轉(zhuǎn)移上層有機(jī)相至干凈的玻璃管中，氮吹干，并用1 mL甲基叔丁基醚復(fù)溶。

1.2.2.1.2 酸水解

加1.8 mL硫酸-甲醇溶液(體積分?jǐn)?shù)1.8%)，置于(40±1 )℃恒溫振蕩16 h。加0.5 mL飽和碳酸氫鈉溶液，終止反應(yīng)。氮吹至1 mL，除去有機(jī)溶劑，待凈化。

1.2.2.1.3 凈化

加2 mL硫酸鈉溶液(200 g/L)和2 mL正己烷，渦旋后靜置5 min，分層后棄去正己烷，并用正己烷重復(fù)洗滌1次。隨后加入1 mL乙酸乙酯-乙醚混合溶液(體積比40∶60)，充分混勻，靜置分層，轉(zhuǎn)移上層溶液至裝有少量無水硫酸鎂的玻璃試管中，重復(fù)提取3次，待衍生化反應(yīng)。

1.2.2.1.4 衍生化

加200 μL飽和苯基硼酸，混勻，靜置5 min。氮吹干，加500 μL正己烷復(fù)溶，用濾膜(0.2 μm)過濾轉(zhuǎn)移至進(jìn)樣小瓶。

1.2.2.2 氣相色譜條件

HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；升溫程序?yàn)?5℃保持12 min，以20℃/min的速率升溫至165℃，保持10 min，然后以20℃/min 的速率升溫至300℃，保持8 min；進(jìn)樣口溫度250℃；載氣為高純氦氣(純度≥99.999%)，恒流模式，流速1 mL/min;進(jìn)樣體積1.0 μL。

1.2.2.3 質(zhì)譜條件

電子轟擊離子源(EI)；離子源溫度230℃；傳輸線溫度300℃；四極桿溫度150℃；溶劑延遲時間7 min；掃描方式為離子監(jiān)測模式(SIM)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸餾溫度對玉米油中3-MCPDE和GE脫除效果的影響

取進(jìn)油速度160 mL/h、刮膜速率240 r/min，在蒸餾溫度分別為170、190、210、230、250℃的條件下對玉米油進(jìn)行分子蒸餾處理，玉米油中3-MCPDE和GE的含量變化如表1所示。

表1 蒸餾溫度對玉米油中3-MCPDE和GE含量 及脫除效率的影響

注：市售玉米油中3-MCPDE含量2.90 mg/kg，GE含量4.73 mg/kg。下同。

由表1可知，玉米油中3-MCPDE的含量隨著蒸餾溫度的升高而降低，在230℃時降到1 mg/kg以下，脫除效率達(dá)71.7%(230℃)、79.3%(250℃)。溫度和物質(zhì)的相對分子質(zhì)量是影響分子蒸餾系統(tǒng)內(nèi)待分離物質(zhì)的分子自由程的重要因素，從而影響分子蒸餾的分離效果。物質(zhì)的分子自由程與溫度成正比，與物質(zhì)的相對分子質(zhì)量成反比[15-17]。因此，高溫利于比甘油三酯的相對分子質(zhì)量更小的3-MCPDE更好地向冷凝面富集轉(zhuǎn)移。

由表1可知，分子蒸餾對市售玉米油中GE的脫除效果也存在顯著性的影響。在5組實(shí)驗(yàn)條件下，分子蒸餾均可有效地將GE含量從4.73 mg/kg降到0.5 mg/kg以下，脫除效率均在91.8%以上。GE含量首先隨著蒸餾溫度的升高而降低，在230℃時達(dá)到最低，隨后隨著蒸餾溫度的升高而升高。高溫利于比甘油三酯相對分子質(zhì)量更小的GE更好地向冷凝面富集轉(zhuǎn)移。因此，當(dāng)蒸餾溫度低于230℃，隨著溫度升高，GE含量有所下降，但是高溫(超過230℃)也有利于GE的生成[10,18]。這可以解釋250℃時，GE含量又略有上升的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，蒸餾溫度是影響3-MCPDE和GE脫除效果的重要因素。

2.2 進(jìn)油速度對玉米油中3-MCPDE和GE脫除效果的影響

取蒸餾溫度210℃、刮膜速率240 r/min，在進(jìn)油速度分別為60、120、160、200、240 mL/h的條件下對玉米油進(jìn)行分子蒸餾處理，玉米油中3-MCPDE和GE的含量變化如表2所示。

表2 進(jìn)油速度對玉米油中3-MCPDE和GE含量 及脫除效率的影響

由表2可知，進(jìn)油速度小于200 mL/h時，市售玉米油中3-MCPDE含量隨著進(jìn)油速度的減緩而逐步降低，脫除效率分別為60.3%(60 mL/h)、35.9%(120 mL/h)、24.5%(160 mL/h)。但在該實(shí)驗(yàn)條件下，200 mL/h和240 mL/h的進(jìn)油速度對3-MCPDE 脫除效果的影響差異不大。在5組實(shí)驗(yàn)條件下，分子蒸餾均可有效地將GE含量從4.73 mg/kg 降到0.5 mg/kg以下，脫除效率均在92.4%以上。

玉米油進(jìn)入到蒸發(fā)器內(nèi)，在刮膜輥輪的轉(zhuǎn)動下均勻地分散到蒸發(fā)器的內(nèi)表面。當(dāng)進(jìn)油速度降低，玉米油在蒸發(fā)器內(nèi)的量也隨之減少，而蒸發(fā)器的內(nèi)表面積是恒定的。在刮膜輥輪的轉(zhuǎn)動下，玉米油在蒸發(fā)器的內(nèi)表面形成的油膜更薄，進(jìn)而增加了油中的3-MCPDE和GE與環(huán)境接觸的機(jī)會，從而使3-MCPDE 和GE更好地從玉米油中分離出來[17]。當(dāng)進(jìn)油速度達(dá)到200 mL/h時，3-MCPDE的脫除效果達(dá)到極限，不再受進(jìn)油速度的明顯影響。在該組實(shí)驗(yàn)中，5種不同進(jìn)油速度對3-MCPDE的脫除效果存在不同的影響，對GE脫除的影響顯著。

2.3 刮膜速率對玉米油中3-MCPDE和GE脫除效果的影響

取蒸餾溫度210℃、進(jìn)油速度160 mL/h，在刮膜速率分別為120、180、240、300、360 r/min的條件下對玉米油進(jìn)行分子蒸餾處理，玉米油中3-MCPDE和GE的含量變化如表3所示。

由表3可知，5組實(shí)驗(yàn)中3-MCPDE的含量均由2.90 mg/kg降到了2 mg/kg左右，脫除效率在27.9%～39.0%之間。在5組實(shí)驗(yàn)條件下，分子蒸餾均可有效地將GE含量從4.73 mg/kg降到0.5 mg/kg以下，脫除效率均在93.0%以上。

表3 刮膜速率對玉米油中3-MCPDE和GE含量 及脫除效率的影響

當(dāng)進(jìn)油速度恒定，刮膜輥輪會盡可能地將玉米油均勻分散到蒸發(fā)器的內(nèi)表面。刮膜速率過低會導(dǎo)致玉米油在蒸發(fā)器內(nèi)表面分散不夠均勻，在重力作用下沿內(nèi)壁直接流入重相中，嚴(yán)重減少3-MCPDE和GE與蒸發(fā)器內(nèi)環(huán)境的接觸機(jī)會，從而影響3-MCPDE和GE的脫除效果[17]。過高的刮膜速率，盡管有利于3-MCPDE、GE與甘油三酯的分離，但是綜合實(shí)驗(yàn)條件和成本，也并不可取。在該組實(shí)驗(yàn)中，5種不同刮膜速率對3-MCPDE的脫除效果并不顯著，對GE脫除的影響顯著。結(jié)果表明，在蒸餾溫度210℃、進(jìn)油速度160 mL/h、系統(tǒng)真空度0.1 Pa的條件下，刮膜速率不是影響3-MCPDE脫除效果的主要因素。

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地研究了分子蒸餾方法在脫除玉米油中3-MCPDE和GE的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分子蒸餾可以有效脫除玉米油中的3-MCPDE和GE，其中蒸餾溫度和進(jìn)油速度是影響脫除效果的關(guān)鍵因素，蒸餾溫度越高、進(jìn)油速度越低越有利于3-MCPDE和GE的脫除。而實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到高溫會帶來VE、甾醇等營養(yǎng)物質(zhì)的損失，建議在3-MCPDE和GE的含量達(dá)到要求的情況下，應(yīng)選擇較低的蒸餾溫度。