分子蒸餾法脫除油脂中3-氯丙醇酯和縮水甘油酯

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。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

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。

1.2 儀器與設(shè)備

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 方法

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。

1.4 數(shù)據(jù)處理

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。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸餾溫度對3-MCPD酯和GEs脫除效果的影響

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。

2.2 刮膜轉(zhuǎn)速對油脂中3-MCPD酯和GEs脫除效果的影響

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。

2.3 進料速率對油脂中3-MCPD酯和GEs脫除效果的影響

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。

2.4 分子蒸餾對油脂中甾醇和VE含量的影響

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。

3 結(jié) 論

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。