光誘導(dǎo)乳脂肪氧化的研究進(jìn)展

譚冬飛，王少雷，張清陽，蘇美丞，賈 曼，陳 剛*

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，北京 100081）

乳脂肪是牛乳的重要成分，也是人類飲食中營(yíng)養(yǎng)和能量的重要來源。乳脂肪由甘油和大量脂肪酸組成，含有400多種脂肪酸，其中包含66%飽和脂肪酸、30%單不飽和脂肪酸和4%多不飽和脂肪酸[1-2]。不飽和脂肪酸，尤其是多不飽和脂肪酸具有抗癌和減少脂肪沉積的功效，但是很容易被氧化產(chǎn)生酸敗，不僅會(huì)導(dǎo)致牛乳營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的下降，而且會(huì)嚴(yán)重影響牛乳的風(fēng)味，對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響[3-4]。隨著消費(fèi)者對(duì)乳制品品質(zhì)及美觀的需求，大量乳制品選用透明包裝，而在貨架陳列過程中不可避免地會(huì)暴露在光照下，容易造成光氧化問題。因此，了解乳脂肪光氧化機(jī)理、抑制乳脂肪光氧化的發(fā)生是保證牛乳營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和延長(zhǎng)牛乳保質(zhì)期的關(guān)鍵因素，也是保障乳制品安全、降低企業(yè)成本的重要因素。

1 乳脂肪光氧化的主要機(jī)理

光誘導(dǎo)是導(dǎo)致不飽和脂肪酸氧化的主要因素之一，乳脂肪中的色素可以吸收紫外光或可見光，激發(fā)光敏劑使其達(dá)到激發(fā)態(tài)，一方面，激發(fā)態(tài)的光敏劑從底物中獲得1 個(gè)氫離子或1 個(gè)電子產(chǎn)生自由基，直接與不飽和脂肪酸產(chǎn)生的脂肪酸游離基直接反應(yīng)，發(fā)出磷光或產(chǎn)生自由基，從而發(fā)生氧化反應(yīng)，這類反應(yīng)被稱為Ⅰ類光敏反應(yīng)，這類反應(yīng)的氧化速率取決于光敏劑和底物的類型和濃度，被激發(fā)的光敏劑被稱為Ⅰ類光敏劑，如核黃素；另一方面，激發(fā)態(tài)光敏物質(zhì)不會(huì)直接與脂肪酸游離基發(fā)生反應(yīng)，而是與基態(tài)氧3O2發(fā)生反應(yīng)，將三線態(tài)氧3O2轉(zhuǎn)化為高能的單線態(tài)1O2，單線態(tài)的1O2具有更強(qiáng)的吸電子能力，會(huì)攻擊不飽和脂肪酸的高密度電荷區(qū)域（—C＝C—），從而形成過渡態(tài)的六元環(huán)，然后通過雙鍵的位移形成氫過氧化物，但是氫過氧化物化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，會(huì)進(jìn)一步分解生成醛、酮、醇、酸等羰基化合物，這些產(chǎn)物也是導(dǎo)致牛乳味道和氣味發(fā)生改變的主要原因，這類反應(yīng)被稱為Ⅱ類光敏反應(yīng)，這類反應(yīng)的氧化速率取決于體系中氧氣的溶解度和濃度，被激發(fā)的光敏物質(zhì)被稱為Ⅱ類光敏劑，如核黃素、葉綠素、四吡咯等化合物[4-6]。

2 乳脂肪光氧化的感官影響

光照射會(huì)在牛乳中誘導(dǎo)產(chǎn)生2 種不同的異味，一種是“陽光”味，經(jīng)光照2～3 d時(shí)，牛乳中會(huì)有燒焦味和氧化氣味，這種味道產(chǎn)生的主要原因是二甲基二硫醚和蛋氨酸等含硫氨基酸氧化產(chǎn)生的甲烷造成的；另一種味道為“金屬味或紙板味”，這種味道隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)而形成，來自于脂質(zhì)氧化的次級(jí)產(chǎn)物，包括羰基化合物（己醛、戊醛、庚醛和酮）、醇和碳?xì)浠衔?，其含量隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加，由于這些不飽和的醛和酮感官閾值很低，因此經(jīng)常被認(rèn)為是氧化酸敗的主要原因[7-9]。盡管目前光誘導(dǎo)揮發(fā)性化合物的機(jī)理尚不清楚，但是研究發(fā)現(xiàn)，這些化合物的形成與牛乳中脂肪光氧化密切相關(guān)。

3 影響乳脂肪光氧化的主要因素

3.1 促氧化因素

3.1.1 脂肪酸的種類

牛乳含有400多種脂肪酸，其中飽和脂肪酸約占70%，主要包括棕櫚酸（C16:0，43.7%）、肉豆蔻酸（C14:0，12.8%）和硬脂酸（C18:0，11.3%），不飽和脂肪酸約占30%，主要包括單不飽和脂肪酸，如油酸（C18:1，23.8%），以及多不飽和脂肪酸，如亞油酸（C18:2，1.5%）和亞麻酸（C18:3，0.7%）等。由于從不飽和脂肪酸雙鍵上脫氫所需的能量更低，因此不飽和脂肪酸更容易發(fā)生氧化反應(yīng)，而氧化速率取決于不飽和程度，如油酸、亞油酸和亞麻酸的氧化速率比為3∶4∶7。Liu Qingsheng等[10]研究發(fā)現(xiàn)，提高牛乳中不飽和脂肪酸（尤其是n-3脂肪酸）的含量，降低了乳脂肪的氧化穩(wěn)定性。Lee等[7]在不同含量乳脂肪牛乳（脫脂乳、部分脫脂乳、全脂乳）的光氧化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氧化產(chǎn)物戊醛、己醛和庚醛的形成與脂肪含量呈正相關(guān)（P＜0.05）。Lee[7]、Dalsgaard[8]等研究發(fā)現(xiàn)，乳制品中己醛、戊醛的形成與牛乳中n-6多不飽和脂肪酸（如亞油酸）含量密切相關(guān)，戊醛是Ⅰ類光氧化反應(yīng)的主要產(chǎn)物，而己醛是Ⅱ類光氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，因此二者的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不盡相同。己醛是牛乳脂肪成分的主要氧化產(chǎn)物，經(jīng)常用于評(píng)價(jià)n-6多不飽和肪酸的氧化水平和新鮮牛乳的質(zhì)量[9,11]。Timm-Heinrich等[12]研究表明，庚醛是不飽和氧化酸亞油酸（C18:2）和油酸（C18:1）產(chǎn)生的主要揮發(fā)物之一。而丙醛在黑暗條件下的樣品中達(dá)到較高含量，在光照條件下被耗盡，說明丙醛為光氧化的前體物質(zhì)[9]，另一方面，丙醛可以用來監(jiān)測(cè)n-3多不飽和肪酸的氧化[13-14]。目前，牧場(chǎng)為提高牛乳產(chǎn)量，常用超量的精飼料喂養(yǎng)奶牛，導(dǎo)致大量的多不飽和脂肪酸進(jìn)入乳脂，降低了牛乳的氧化穩(wěn)定性[15-16]。因此，牛乳中不飽和脂肪酸的種類和數(shù)量是影響乳脂肪光氧化的重要因素之一。

3.1.2 光敏劑

核黃素又被稱為VB2，是一種水溶性的光敏劑，也是目前普遍認(rèn)為對(duì)牛乳光氧化和乳制品光誘導(dǎo)異味的形成起重要作用的光敏劑之一。核黃素在可見光譜的紫色和藍(lán)色區(qū)域（λ=400～500 nm）有明顯吸收，吸收紫外或可見光光能后，可以與底物發(fā)生反應(yīng)（Ⅰ類），也可以與三線態(tài)氧3O2反應(yīng)產(chǎn)生單線態(tài)氧1O2（Ⅱ類）。核黃素的光敏作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化，使氨基酸、脂質(zhì)、維生素等重要營(yíng)養(yǎng)素含量下降[17-18]。全脂牛乳中核黃素含量為0.17 mg/100 g，是牛乳中含量最多的一類光敏劑。核黃素主要參與牛乳中亞油酸體系的氧化反應(yīng)，Lee等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)牛乳中添加的核黃素質(zhì)量濃度0～50 μg/mL時(shí)，戊醛和己醛的峰面積在2 h內(nèi)分別增加35%和150%，核黃素與揮發(fā)性的己醛和戊醛的形成有關(guān)。

四吡咯，如原卟啉、葉綠素等是一類脂溶性光敏劑，與脂質(zhì)含量密切相關(guān)，當(dāng)牛乳中的脂肪含量為3.5 g/100 mL時(shí)，四吡咯的含量約為0.8 ng/mL，約為核黃素含量的1/250，這類化合物不僅對(duì)藍(lán)光和紫光（400～500 nm）有較強(qiáng)的吸收，而且對(duì)于波長(zhǎng)大于500 nm的光也有一定的吸收能力，因此較長(zhǎng)波長(zhǎng)引起的牛乳中的光氧化更多歸因于這類化合物[4,6]。熒光光譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，四吡咯類化合物被橙光（590～610 nm）降解的程度大于被藍(lán)光（505～470 nm）降解的程度，并且其降解程度與感官異味的形成密切相關(guān)，感官實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)大于575 nm的光比波長(zhǎng)小于500 nm的光引起的異味更加明顯[6]。研究發(fā)現(xiàn)，卟啉類與卟吩的降解與乳制品的氧化味、陽光味和酸味的相關(guān)性較好（r＞0.9），而核黃素的降解僅與氧化味相關(guān)性較好，而與陽光味和酸味的相關(guān)性較差（r=0.65～0.69）[19]。

3.1.3 氧氣

在光照條件下，脂肪酸的光氧化主要包括自由基氧化（Ⅰ類）和單線態(tài)氧氧化（Ⅱ類）2 種類型，這2 種氧化反應(yīng)是相互競(jìng)爭(zhēng)的[4]。研究發(fā)現(xiàn)，自由基氧化初期，單線態(tài)氧氧化是主要誘因，氧化速率取決于體系中氧的溶解度和濃度，并且單線態(tài)氧氧化不受貯藏溫度的影響，即使在很低溫度下，單線態(tài)氧的反應(yīng)速率也比基態(tài)氧的反應(yīng)速率快，單線態(tài)氧對(duì)亞油酸的氧化作用是游離基氧化作用的1 450 倍以上[15]。因此，食物中單線態(tài)氧是造成脂肪氧化的直接原因，添加單線態(tài)氧淬滅劑（如疊氮化鈉）的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，牛乳中己醛和庚醛含量明顯降低，這意味著己醛和庚醛可以通過單線態(tài)氧或Ⅱ型光敏劑氧化形成[7]。食物中單線態(tài)氧形成最重要的機(jī)制是光敏氧化，牛乳中常見的光敏劑包括核黃素、四吡咯、葉綠素和卟啉等，在氧氣和光照存在的條件下，1 分子光敏劑可以產(chǎn)生103～105分子單線態(tài)氧[4,20]。Wold等[4]在光氧化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，放置在空氣中保存的牛乳樣品比保存在氬氣或氮?dú)庵械臉悠芳喝┖扛?。Mestdagh等[21]在研究不同包裝材料對(duì)牛乳光氧化的影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，黑暗環(huán)境貯藏60 d條件下，溶解氧含量從6 μg/mL下降至4 μg/mL，而光照條件下，溶解氧含量降低更明顯，說明自發(fā)氧化和光氧化均存在氧氣消耗。

氧氣影響光敏劑的降解，研究發(fā)現(xiàn)，不同貯藏條件對(duì)核黃素的降解影響不大，但對(duì)四吡咯類化合物影響較大，原卟啉和葉綠素類化合物在空氣中貯藏比在N2中貯藏有更大程度的降解[22]。感官評(píng)價(jià)方面，Veberg等[23]在研究黃油的光氧化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，氧氣濃度越高，樣品的感官劣變程度越高，在低氧氣濃度下紫光導(dǎo)致的光氧化普遍比綠光和紅光嚴(yán)重，而在高氧氣濃度下差異不大。

3.1.4 光照波長(zhǎng)、光照強(qiáng)度和光照時(shí)間

乳制品暴露在可見光下會(huì)被氧化，與光照的波長(zhǎng)有關(guān)，特別是紫光和藍(lán)光，但也會(huì)受到綠光、黃光和紅光的氧化，這是由不同光敏劑引發(fā)的光敏氧化所致[24]。核黃素的吸收波長(zhǎng)在可見光譜的紫色和藍(lán)色區(qū)域（λ=400～500 nm），而四吡咯類化合物的吸收波長(zhǎng)涉及整個(gè)可見光區(qū)域。光照強(qiáng)度也是影響脂肪光氧化的重要因素之一，張海容等[25]在研究光照對(duì)牦牛乳脂肪氧化的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度20 lx條件下的氧化程度與964 lx和1 550 lx條件下相比有15 d的滯后期，說明光照強(qiáng)度在一定程度上能加快氧化反應(yīng)速率。Intawiwat等[22]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于貯藏在空氣中的巴氏乳樣品，入射光的總體強(qiáng)度降低會(huì)導(dǎo)致較少腐爛味道的產(chǎn)生，其中通過紅色濾光片和綠色濾光片的光照強(qiáng)度最低，其誘導(dǎo)巴氏乳的光氧化作用較小。在室溫、30 min熒光照射下，核黃素的損失率高達(dá)30%，而煮沸過程中核黃素的損失率僅為12%[26]。Huang等[20]研究也證實(shí)，光照條件下貯藏在4、20 ℃溫度下的豆乳樣品中，核黃素的降解沒有顯著差異，因此溫度對(duì)脂肪光氧化的影響較小，而光照強(qiáng)度和光照時(shí)間對(duì)脂肪光氧化作用的影響更大。

3.2 抗氧化因素

3.2.1 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素是牛乳中一種重要的抗氧化劑，尤其是含有共軛雙鍵的類胡蘿卜素抗氧化效果最好，其中β-胡蘿卜素作為一種高活性的單線態(tài)1O2淬滅劑，在全脂牛乳中含量為20 μg/L，并且與核黃素存在相同的吸收波長(zhǎng)，因此會(huì)在一定程度上通過競(jìng)爭(zhēng)吸收光而抑制核黃素的降解，從而在一定程度上抑制脂肪光氧化的發(fā)生[27]。

3.2.2 生育酚類

生育酚是VE的主要成分，是天然的自由基清除劑，具有抗氧化作用，可以通過阻止光氧化物分解，從而抑制乳脂肪的氧化，其中最主要的是α-生育酚，在全脂牛乳中含量為20 mg/g，牛乳中的α-生育酚主要來源于奶牛日糧，研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛日糧中添加α-生育酚可以有效降低牛乳的氧化速率[28-29]。

3.2.3 蛋白質(zhì)類

蛋白質(zhì)類是牛乳及乳制品的主要營(yíng)養(yǎng)成分之一，可以直接吸收光能以及被光敏劑誘導(dǎo)產(chǎn)生光氧化，另一方面，牛乳中蛋白質(zhì)經(jīng)酶水解產(chǎn)生抗氧化活性肽，其對(duì)乳脂肪的氧化具有一定抑制作用[30-31]。研究發(fā)現(xiàn)，牛乳中的乳清蛋白和酪蛋白均具有一定的抗氧化能力，但酪蛋白比乳清蛋白抗氧化能力更強(qiáng)[32]。牛乳中含硫氨基酸經(jīng)熱處理后，產(chǎn)生硫醇等化合物，尤其是β-乳球蛋白，在一定程度上具有抗氧化作用，Tong等[33]比較不同殺菌溫度全脂乳粉的氧化穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，低溫處理全脂乳粉的氧化穩(wěn)定性比中高溫加熱處理的全脂乳粉弱，感官評(píng)價(jià)更差，游離的硫醇基更少，說明高溫加熱在一定程度上產(chǎn)生更多的硫醇基，具有更強(qiáng)的抗氧化作用。

4 乳脂肪氧化檢測(cè)的主要方法

4.1 化學(xué)方法

目前評(píng)估食品氧化酸敗的方法包括量化初級(jí)氧化和次級(jí)氧化產(chǎn)物2 種方法。量化初級(jí)氧化，包括量化不飽和脂肪酸損失和初級(jí)氧化產(chǎn)物（過氧化物、共軛雙烯）的生成。目前過氧化值（peroxide value，POV）法測(cè)定脂質(zhì)初級(jí)氧化產(chǎn)物是測(cè)定初級(jí)氧化的傳統(tǒng)方法之一，但是由于初級(jí)氧化產(chǎn)物分解成二次產(chǎn)物的速率較快，所以POV可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)氧化程度的低估，因此該方法被認(rèn)為更適合于測(cè)量低溫貯藏的未煮熟產(chǎn)品中的低水平氧化[34]。次級(jí)氧化產(chǎn)物的測(cè)定，包括羰基和碳?xì)浠衔锏臏y(cè)定，目前硫代巴比妥酸反應(yīng)物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARs）值是評(píng)估脂質(zhì)氧化最常用的方法之一，主要通過硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）與次級(jí)氧化產(chǎn)物丙二醛的反應(yīng)評(píng)估，該方法操作簡(jiǎn)單，但是對(duì)丙二醛的檢測(cè)特異性和靈敏度較差，如其他與脂質(zhì)氧化無關(guān)的化合物也能與TBA反應(yīng)，因此該方法容易導(dǎo)致對(duì)氧化程度的高估[35-36]，而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TBARs值的測(cè)定結(jié)果與感官評(píng)價(jià)的相關(guān)性較差[21]。

4.2 感官評(píng)價(jià)

感官評(píng)價(jià)作為評(píng)估脂肪光氧化的重要手段之一被廣泛應(yīng)用，通常由有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員組成品嘗小組，采用風(fēng)味打分的方式進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單且直觀，最能直接反映食品的可接受程度，研究表明，感官評(píng)價(jià)對(duì)乳制品中的光氧化屬性分析比傳統(tǒng)的儀器方法（如POV、氣相色譜法和TBARs值）更敏感，而儀器方法能夠測(cè)定更具體的化合物。另外，感官評(píng)價(jià)受評(píng)價(jià)人員的主觀因素影響較大，可重復(fù)性較差[20,23]。

4.3 物理方法

低分子質(zhì)量醛及碳?xì)浠衔镒鳛橹竟庋趸闹匾渭?jí)產(chǎn)物之一，與感官評(píng)價(jià)密切相關(guān)，因此逐漸成為測(cè)定乳脂肪氧化程度的重要手段。己醛作為脂肪氧化生成的主要醛類已成為檢測(cè)脂肪氧化的重要指標(biāo)之一[37-38]，戊醛和己醛可以用來監(jiān)測(cè)高n-6 PUFA含量乳及乳制品中的氧化變化，而丙醛可以用來監(jiān)測(cè)高n-3 PUFA含量乳及乳制品中的氧化變化，戊烷含量與感官評(píng)價(jià)密切相關(guān)，相比于己醛，戊烷的優(yōu)點(diǎn)是其穩(wěn)定性[39]。氣相色譜已經(jīng)被廣泛用于揮發(fā)性化合物的檢測(cè)，但是由于揮發(fā)性成分以微量形式存在，因此對(duì)其進(jìn)行分析必須進(jìn)行分離和濃縮，目前常用的方法有固相萃取、液-液萃取、蒸餾、頂空分析等方法[34,39]。固相微萃取技術(shù)由于操作簡(jiǎn)便、重現(xiàn)性好并且能夠消除樣品基體的干擾，而且具有很好的選擇性，被廣泛用于脂肪氧化的檢測(cè)，其通過纖維吸附樣品中的分析物，使基體和涂覆纖維的固定相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，集采樣、萃取、濃縮和進(jìn)樣為一體，目前固相微萃取結(jié)合頂空進(jìn)樣技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于檢測(cè)不同食物和飲料的揮發(fā)性成分組成[35]。Sandoval-Copado等[40]利用頂空固相微萃取法對(duì)新鮮瓦哈卡干酪22 d貯藏期內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行定量分析，F(xiàn)enaille等[41]利用頂空固相微萃取技術(shù)對(duì)嬰兒乳粉中主要揮發(fā)性成分飽和醛類進(jìn)行鑒定，評(píng)價(jià)其氧化水平。

5 結(jié) 語

乳制品質(zhì)量安全已經(jīng)成為我國(guó)食品及農(nóng)產(chǎn)品最受關(guān)注的問題之一，牛乳在貨架陳列過程中不可避免會(huì)暴露在光照下，抑制牛乳的脂肪光氧化過程是保持牛乳營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和延長(zhǎng)牛乳保質(zhì)期的關(guān)鍵因素，而目前對(duì)于乳脂肪光氧化的研究還是主要集中在氧化和抗氧化等因素方面，乳品企業(yè)把更多的注意力投放在包裝材料方面的研究，對(duì)于乳脂肪光氧化及代謝物變化機(jī)理及其對(duì)感官的影響尚且沒有系統(tǒng)的報(bào)道，缺乏必要的理論基礎(chǔ)指導(dǎo)。因此，研究乳脂肪光氧化對(duì)于保障乳制品安全、指導(dǎo)乳業(yè)生產(chǎn)及銷售具有重要意義。