黃會娜,劉玉蘭,,楊爭光,王戩東,王月華
(1.河南工業(yè)大學糧油食品學院,河南 鄭州 450001;2.河北玉星食品有限公司,河北 邢臺 055550;3.山東三星玉米產(chǎn)業(yè)科技有限公司,山東 鄒平 256209)
3-氯丙醇(3-monochloro-1,2-propanediol,3-MCPD)酯是甘油酯的sn-3位被氯取代的一類化合物,縮水甘油酯(glycidyl esters,GEs)可以看成是甘油的2 個羥基脫水縮合并與1 個脂肪酸酯化形成的一類化合物。3-MCPD酯和GEs能在人體腸道脂肪酶的作用下水解為三氯丙醇和縮水甘油[1-2],造成腎臟毒性、遺傳毒性甚至致癌性[3-5]。對我國市售食用植物油的調(diào)查發(fā)現(xiàn),3-MCPD酯和GEs廣泛存在于常見食用油脂中,3-MCPD酯檢出率達83%,含量范圍為0.104~8.580 mg/kg[6];GEs檢出率為86%,含量范圍為0.17~45.71 mg/kg[7]。雖然國內(nèi)對食用植物油中3-MCPD酯和GEs的限量尚未有明確規(guī)定,但近年來業(yè)界已熱點關(guān)注食用植物油中3-MCPD酯和GEs的安全風險問題。目前,國際上已有多個國家及地區(qū)的研究機構(gòu)對3-MCPD酯和GEs的限量進行評估[3,8],歐洲食品安全局對3-MCPD及其酯類的限量(以每千克體質(zhì)量計)為0.8 μg/kg,馬來西亞棕櫚油署限定棕櫚油中3-MCPD酯為2 mg/kg,2018年歐盟委員會發(fā)布了修訂后的EU 1881/2006號法規(guī),規(guī)定食用植物油中GEs的限量為1 mg/kg,嬰兒食品用油中GEs限量為0.5 mg/kg[8]。2019年7月23日,著名的OFI(Oils & Fats International)雜志披露,歐盟委員會建議設(shè)定食用植物油中3-MCPD酯的限量為1.25 mg/kg。
研究發(fā)現(xiàn)3-MCPD酯和GEs主要是在油脂精煉的脫臭過程生成[9-11]。待脫臭油脂中甘一酯、甘二酯含量、脫臭系統(tǒng)的氯離子含量以及脫臭條件尤其是脫臭溫度對3-MCPD酯和GEs的形成產(chǎn)生重要影響[12-15]。雖然可以通過對上述因素的控制防范和消減這2 種風險成分的產(chǎn)生,但無法杜絕其在脫臭過程中形成,即脫臭成品油中總會含有這2 種風險成分,甚至含量很高。因此,需要對油脂中3-MCPD酯和GEs的脫除方法進行研究。目前有利用吸附法脫除油脂中3-MCPD酯和GEs的研究,結(jié)果表明在常用的固體吸附劑中活性炭對GEs的吸附脫除效果最好(脫除率可達95%),但對3-MCPD酯的脫除效果很差[16-17]。最近也有用分子蒸餾法脫除油脂中3-MCPD酯和GEs的報道[18],但可能受工藝條件未進行優(yōu)化的限制,其結(jié)果顯示對3-MCPD酯的脫除率僅有39%。分子蒸餾是利用不同物質(zhì)的分子運動平均自由程的差別進行組分分離的方法,具有操作溫度低、受熱時間短、分離程度高等優(yōu)點[19]。劉玉蘭等[20]利用分子蒸餾實現(xiàn)了對油脂中塑化劑的可靠脫除。本實驗旨在通過對分子蒸餾工藝條件的優(yōu)化,提高對油脂中3-MCPD酯和GEs脫除效果,為食用植物油中3-MCPD酯和GEs的脫除方法的確立提供支持。
成品玉米油,取樣于玉米油加工企業(yè)。
油酸縮水甘油酯、油酸縮水甘油酯-D5、1,2-二油酸-3-氯丙醇酯、1,2-二油酸-3-氯丙醇酯-D5(純度均≥98%)加拿大Toronto Research Chemicals公司;α-、β-、γ-、δ-生育酚和α-、β-、γ-、δ-生育三烯酚標準品(純度≥99%) 北京三區(qū)生物技術(shù)有限公司;膽甾烷醇(純度≥95%) 美國Sigma公司;苯基硼酸(純度≥97%)、正己烷、甲醇、異丙醇、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯均為色譜純;乙醚、溴化鈉、硫酸(質(zhì)量分數(shù)98%)、硫酸鈉、碳酸氫鈉、無水硫酸鎂均為分析純。
KDL-5分子蒸餾儀 德國UIC GmbH公司;Trace1310-ISQ氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Thermo Fisher公司;MTN-2800W氮吹濃縮儀 天津奧得賽恩斯儀器有限公司;SHA-C水浴恒溫振蕩器 天津市塞得利斯實驗分析儀器制造廠;LD5-10臺式大容量離心機北京京立離心機有限公司;2695高效液相色譜儀 美國Waters公司;7890B氣相色譜儀 美國 Agilent公司。
1.3.1 油脂中3-MCPD酯和GEs的分子蒸餾脫除
向分子蒸餾儀的進料器中加入玉米油,旋緊進料閥,依次打開旋片泵、擴散泵,使系統(tǒng)真空度達到0.1 Pa,抽真空過程中冷阱中裝入液氮保持冷阱的強制冷。打開加熱器升溫至設(shè)定的蒸餾溫度,調(diào)節(jié)刮膜轉(zhuǎn)速和進料速率,對油脂進行分子蒸餾。檢測分子蒸餾前后油脂中3-MCPD酯和GEs含量,計算脫除率,分析脫除效果。
分子蒸餾脫除3-MCPD酯和GEs條件優(yōu)化:刮膜轉(zhuǎn)速230 r/min,進料速率50 滴/min,蒸餾溫度分別為180、200、220、240 ℃;蒸餾溫度220 ℃,進料速率50 滴/min,刮膜轉(zhuǎn)速分別為150、190、230、270、310 r/min;蒸餾溫度220 ℃,刮膜轉(zhuǎn)速230 r/min,進料速率分別為30、50、70、90、110 滴/min。
1.3.2 油脂中3-MCPD酯和GEs含量的測定
參照GB 5009.191—2016《食品中氯丙醇及其脂肪酸酯含量的測定》中第三法及苗雨田等[21]、任我行[15]的方法。采用酸水解間接測定的方法,同位素內(nèi)標法進行定量。
色譜條件:色譜柱為HP-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為高純氦氣(純度≥99.999%),流速1 mL/min;升溫程序為85 ℃保持12 min,以20 ℃/min升至165 ℃,保持10 min,再以20 ℃/min升至300 ℃,并保持8 min;進樣口溫度250 ℃;不分流進樣,進樣量1 μL。
質(zhì)譜條件:傳輸線溫度280 ℃,離子源溫度250 ℃;電子電離源,電離能量70 eV;掃描方式為離子監(jiān)測模式。
1.3.3 油脂中VE含量的測定
VE含量測定參照GB/T 26635—2011《動植物油生育酚及生育三烯酚含量測定 高效液相色譜法》和溫運啟等[22]測定方法。取0.50 g油于10 mL棕色容量瓶中,用正己烷定容,經(jīng)0.22 μm有機濾膜過濾后,進高效液相色譜測定。
色譜條件:Waters NH2柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),流速0.8 mL/min;柱溫40 ℃;Waters 2475熒光檢測器,激發(fā)波長298 nm,發(fā)射波長325 nm。
1.3.4 油脂中甾醇含量的測定
甾醇含量測定參照GB/T 25223—2010《動植物油脂甾醇組成和甾醇總量的測定 氣相色譜法》及魏佳麗等[23]測定方法。
取1 mL 2 mg/mL的內(nèi)標置于50 mL圓底燒瓶中,氮吹干,稱取樣品油進行皂化。用正己烷提取不皂化物,水洗至中性,旋蒸出溶劑。用0.4 mL三氯甲烷復溶點板,跑板后刮出甾醇帶用三氯甲烷、乙醚分次萃取,旋轉(zhuǎn)蒸干后進行衍生并用氮氣吹干;正己烷溶解后經(jīng)0.22 μm濾膜進入進樣小瓶,進氣相色譜分析。
氣相色譜條件:HP-5毛細管色譜柱(30.0 m×250 μm,0.25 μm);進樣口溫度300 ℃;載氣為高純氮氣,分流比20∶1,柱流速1.0 mL/min;升溫程序為285 ℃保持30 min,以10 ℃/min的速率升溫至300 ℃,保持5 min;氫火焰離子檢測器溫度360 ℃;進樣量1 μL。
實驗結(jié)果均為3 次實驗的平均值,采用Excel 2016軟件處理數(shù)據(jù),用Origin 9.0.0軟件作圖。
圖1 蒸餾溫度對油脂中3-MCPD酯和GEs脫除效果的影響Fig.1 Effect of molecular distillation temperature on the removal of 3-MCPD ester and GEs from corn oil
如圖1所示,玉米油樣品中3-MCPD酯和GEs含量分別為2.686、5.909 mg/kg,GEs含量遠超歐盟限量標準(1 mg/kg),3-MCPD酯含量高于文獻[6]中玉米油含量的平均值1.160 mg/kg。由圖1可知,蒸餾溫度對油脂中3-MCPD酯和GEs的脫除效果影響較明顯。在分子蒸餾系統(tǒng)中,蒸餾溫度是影響分離效果的關(guān)鍵因素之一[19]。蒸餾溫度越高,物質(zhì)的分子平均自由程越大,輕重組分物質(zhì)的分離效果越好。3-MCPD酯和GEs的脫除率均隨溫度的升高而逐漸提高。經(jīng)180、200、220 ℃分子蒸餾,油脂中3-MCPD酯的脫除率持續(xù)上升,之后趨勢變緩;油脂中GEs在180 ℃蒸餾溫度下脫除效果顯著,之后隨蒸餾溫度升高GEs脫除率呈緩慢升高趨勢。在蒸餾溫度為240 ℃時,3-MCPD酯和GEs的脫除率分別為80.8%、85.9%,含量分別降低至0.516、0.833 mg/kg,其中GEs含量低于歐盟限量。在220、240 ℃時,3-MCPD酯和GEs的脫除率相差不大,考慮到較高溫度可能會形成反式脂肪酸并引起VE和甾醇的較大損失[24],因此選取蒸餾溫度為220 ℃,此時油脂中3-MCPD酯和GEs的含量分別降低至0.556、0.885 mg/kg。
由圖1可以看出,分子蒸餾的溫度條件優(yōu)化過程中3-MCPD酯和GEs達到較好脫除效果分別在220 ℃和200 ℃,并不是在同一溫度條件下,其原因是GEs與3-MCPD酯的分子質(zhì)量有差異,油脂中GEs的相對分子質(zhì)量為338(脂肪酸以油酸計),3-MCPD酯(包括3-MCPD單酯和3-MCPD雙酯)的相對分子質(zhì)量為375~639(脂肪酸以油酸計),根據(jù)分子運動平均自由程公式λm=KT/分子蒸餾過程物質(zhì)分子質(zhì)量越大,分子有效直徑越大,其分子自由程越短,因此相比GEs,3-MCPD酯需要更高的溫度才能達到較好的分離效果。
圖2 刮膜轉(zhuǎn)速對油脂中3-MCPD酯和GEs脫除效果的影響Fig.2 Effect of scraper rotation speed on the removal of 3-MCPD ester and GEs from corn oil
分子蒸餾筒內(nèi)刮膜輥輪的旋轉(zhuǎn)使油脂在筒壁上均勻分布形成薄的液膜,如果轉(zhuǎn)速過小,物料無法在加熱面形成均勻的液膜,導致分離效率降低。提高轉(zhuǎn)速能減小液膜厚度,提高轉(zhuǎn)熱、傳質(zhì)效率,而提高分離效率[25]。由圖2可知,刮膜轉(zhuǎn)速對3-MCPD酯和GEs的脫除效果也有影響,在一定范圍內(nèi),3-MCPD酯和GEs的脫除率隨著刮膜轉(zhuǎn)速的升高而提高。在刮膜轉(zhuǎn)速為230 r/min時,3-MCPD酯的脫除率最高,為79.3%,含量降低至0.556 mg/kg;之后隨著轉(zhuǎn)速的升高3-MCPD酯的脫除率又有所降低。GEs在刮膜轉(zhuǎn)速為190 r/min時脫除率最高,為85.5%,含量降低至0.860 mg/kg,之后再隨刮膜轉(zhuǎn)速的升高,GEs脫除率呈降低趨勢。這可能是因為當刮膜轉(zhuǎn)速過高時,會形成霧沫飛濺[19],輥輪高速旋轉(zhuǎn)使得分子蒸餾蒸發(fā)面上油料液膜非常薄,3-MCPD酯和GEs分子能更快的從油料主體擴散至蒸發(fā)表面,3-MCPD酯和GEs劇烈的分子運動可能會使分子與霧沫液滴碰撞而返回到液面中,從而導致分離效率降低,這也與劉玉蘭[20]、宋志華[24]等的研究結(jié)果一致。綜合考慮,選擇刮膜轉(zhuǎn)速為230 r/min,此時GEs脫除率為85.0%,含量降低至0.885 mg/kg;3-MCPD酯脫除率為79.3%,含量降至0.556 mg/kg。
圖3 進料速率對油脂中3-MCPD酯和GEs脫除效果的影響Fig.3 Effect of feeding rate on the removal of 3-MCPD ester and GEs from corn oil
如圖3所示,在進行分子蒸餾時,進料速率決定物料在蒸發(fā)面的停留時間,加大進料速率,物料在蒸發(fā)面的停留時間縮短,當刮膜轉(zhuǎn)速一定時,進料速率增大,蒸發(fā)面上物料的量增加,蒸發(fā)面上形成的液膜厚度增加。因此選擇合適的進料速率對3-MCPD酯和GEs的分離脫除效果有重要影響[19,25]。由圖3可知,進料速率為30 滴/min時3-MCPD酯的脫除率最高,為84.4%,含量降低至0.418 mg/kg;再隨進料速率的增加,3-MCPD酯的脫除率逐漸降低,原因是隨著進料速率增大,油脂在蒸發(fā)表面的受熱時間變短,且液膜厚度增大,增加了傳熱、傳質(zhì)阻力,不利于目標物的分離,這與劉玉蘭[20]及Moraes[26]等的研究結(jié)果相似。GEs脫除率隨著進料速率的增大呈現(xiàn)先升高后緩慢降低的變化,主要原因可能是在進料速率較低時,物料在蒸發(fā)面上停留時間較長,受熱充分,與3-MCPD酯相比較小分子質(zhì)量的GEs受熱大量餾出,脫除率升高[27]。進料速率為70 滴/min時GEs脫除率最高,為87.6%,含量降低至0.736 mg/kg,然后隨著進料速率的增大,GEs脫除率也呈降低的趨勢。綜合考慮,選取進料速度為50 滴/min,在此條件下,3-MCPD酯和GEs的脫除率分別為79.3%、85.0%,其含量分別降低至0.885、0.556 mg/kg。
采用優(yōu)化的分子蒸餾條件(蒸餾溫度220 ℃,刮膜轉(zhuǎn)速230 r/min,進料速率50 滴/min)對油樣進行蒸餾脫除3-MCPD酯和GEs,對蒸餾前后油樣中甾醇和VE含量進行檢測,分析分子蒸餾對油脂中這2 種營養(yǎng)成分的影響。
表1 分子蒸餾前后油脂中甾醇組分含量變化Table 1 Changes in sterols contents in corn oil after molecular distillation
從表1可以看出,玉米油中主要有菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇、谷甾烷醇4 種甾醇組分,其中β-谷甾醇含量最高(62.68%),豆甾醇含量最低(5.711%)。經(jīng)分子蒸餾后油脂中甾醇含量降至563.7 mg/100 g,損失率為38.2%。造成甾醇損失的原因可能蒸餾過程甾醇隨餾出物逸出[28]或過高的蒸餾溫度導致甾醇結(jié)構(gòu)發(fā)生異構(gòu)化[29]。
表2 分子蒸餾前后油脂中VE組分含量變化Table 2 Changes in vitamin E content in corn oil after molecular distillation
由表2可以看出,蒸餾前玉米油中VE含量為407.8 mg/kg,除含有α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚之外,還含有一定量的(β+γ)-生育三烯酚,其中γ-生育酚的含量最高(45.0%)。分子蒸餾后玉米油中VE含量降至291.3 mg/kg,損失率為28.6%。其中γ-生育酚、α-生育酚的損失率均在40%以上。造成VE損失的原因可能與甾醇損失的原因相同[28,30]。由此可見分子蒸餾在脫除3-MCPD酯和GEs的同時,也會造成甾醇和VE不同程度的損失。
采用蒸餾溫度220 ℃、刮膜轉(zhuǎn)速230 r/min、進料速率50 滴/min的優(yōu)化分子蒸餾條件,玉米油中3-MCPD酯和GEs的脫除率可分別達到79.3%和85.0%,含量分別從5.909、2.686 mg/kg降低至0.516、0.833 mg/kg,GEs含量達到歐盟要求食用油中≤1 mg/kg的限量規(guī)定,3-MCPD酯含量也降低至≤1.25 mg/kg,這是目前所能查閱到的公開報道的最好脫除效果指標。但分子蒸餾會造成油脂中甾醇、維生素不同程度的損失(甾醇、VE損失率分別為38.2%、28.6%)。分子蒸餾法可以作為脫除油脂中3-MCPD酯和GEs的可靠方法。