食用植物油水分含量檢測方法研究進展

李夢雨,楊紫怡，陳嘉，趙國華,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室，重慶，400715)

食用植物油是人們膳食結(jié)構(gòu)中不可或缺的物質(zhì)，它能夠為人體提供能量、必需脂肪酸和脂溶性維生素等維持人體正常機能的物質(zhì)。食用植物油常以干燥油料為原料通過壓榨或浸提制取，但鑒于過度干燥對油脂氧化的影響以及油料在使用前貯藏運輸過程中可能發(fā)生的吸潮等現(xiàn)象，成品食用植物油中都含有一定量的水分，會加速油脂水解、促進油脂氧化，嚴重影響食用植物油的穩(wěn)定性和食用品質(zhì)。此外，水分的存在還易導致有害微生物的大量繁殖。因此，檢測和控制食用植物油的水分含量在油脂工業(yè)中具有重要意義[1]。

水分含量是食用植物油的關(guān)鍵質(zhì)量指標。我國相關(guān)標準對不同等級食用植物油的水分含量有不同要求，一般一級、二級和三級食用植物油的水分含量分別不得超過0.10、0.15和0.20 g/100g[2-3]。由于食用植物油中水分含量較低，其檢測方法要求具有檢出限低、靈敏度高的特點。傳統(tǒng)食用植物油中水分含量的檢測方法有共沸蒸餾法、卡爾費休法、色譜法以及國家標準中使用的沙浴(電熱板)法、電熱干燥箱法[4]等，這些方法不同程度地存在測定過程耗時、檢測過程繁瑣、需要大型儀器設(shè)備、難于現(xiàn)場使用等缺點。紅外光譜法和熒光探針法等新方法，致力于實現(xiàn)檢測靈敏、便攜、簡單、低成本等目標，對革新食用植物油水分檢測有重要作用，為推動其研究與應(yīng)用，本文通過文獻調(diào)研加以綜述。

1 食用植物油水分檢測經(jīng)典方法的改進

1.1 卡爾費休法

卡爾費休法是測定水分的經(jīng)典方法之一，也是目前檢測食品中水分最常用、準確率最高的方法之一。該方法利用碘、二氧化硫的氧化還原反應(yīng)需要水參與的特點，在吡啶和甲醇存在的情況下，生成氫碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，根據(jù)到達終點時卡爾費休試劑的消耗量計算得到樣品中的水分含量。經(jīng)典卡爾費休法經(jīng)過改進可以實現(xiàn)自動化并且更加準確和直接進行測定。自動化卡爾費休法可以提高重現(xiàn)性以及精度，并且可以在更短的時間內(nèi)處理更多的樣品[5-6]。同時卡爾費休法也可以與其他方法相結(jié)合，如與直接注射焓法結(jié)合，能夠降低檢出限[7]。雖然卡爾費休法準確且易于自動化，但是其對于樣品具有一定的選擇性并且需要復(fù)雜儀器以及化學藥品，因此隨著其他方法的研究逐漸深入，卡爾費休法的應(yīng)用逐漸減少。

1.2 頂空氣相色譜法

頂空氣相色譜法是將含有揮發(fā)性組分的樣品置于密閉系統(tǒng)中，在一定溫度下使樣品中的揮發(fā)性組分在氣-液兩相中的分配達到平衡，然后取凝聚相上端的氣體送入氣相色譜儀進行分析的方法。該方法可以分析具有復(fù)雜干擾的液體樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)，也可對食用油樣品中的水分含量進行分析，其結(jié)果的精密度較高，并且具有較好的重復(fù)性，整體相對標準偏差小于1.13%，與干燥失重法相比，相對差異不超過1.62%。但是由于不同食用植物油極性存在差異，導致水分在不同使用植物油中具有不同的水油分配系數(shù)，這給頂空氣相色譜法測定食用油脂水分含量帶來一定的困難[8-9]。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的方法也常被用于經(jīng)典共沸蒸餾測定水分含量的結(jié)果校正。由于水溶性揮發(fā)有機化合物的干擾，當食用植物油水分含量較高時，共沸蒸餾測定結(jié)果偏高，需經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜校正，校正后的結(jié)果在99%置信區(qū)間范圍內(nèi)與卡爾費休法一致[10]。

1.3 電化學檢測法

電化學檢測方法是基于食用油中水分含量變化導致體系的電化學性質(zhì)發(fā)生改變的原理進行檢測的，采用電化學方法檢測食用植物油中水分含量的研究報道相對較少。RAGNI等[11]使用基于多個平行電容器的電容技術(shù)對商品特級初榨橄欖油的水分含量進行了檢測分析，發(fā)現(xiàn)由于特級初榨橄欖油水分含量極低，檢測難度高，相對偏差較大，其主要誤差來源于化學成分如脂肪酸的復(fù)雜變化以及揮發(fā)性化合物造成的影響。

2 食用植物油水分檢測新興檢測技術(shù)

2.1 傅里葉紅外光譜檢測法

具體可以通過以下3種方式進行定量。表1總結(jié)了傅里葉紅外光譜檢測食用植物油水分含量的研究情況。第一種方式是通過水分在1 630 cm-1處的H—O—H彎曲吸收或者在3 629 cm-1處—OH的拉伸吸收條帶進行分析。結(jié)果表明，上述2種特征吸收條帶均可以實現(xiàn)定性與定量分析，但水分的彎曲吸收比拉伸吸收條帶干擾少，準確性更高[12]。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)所檢測樣品具體情況選擇干擾相對較少的條帶進行分析。在進行樣品前處理時，水分的萃取可根據(jù)樣品性質(zhì)選擇不同的萃取劑，如乙醇、二甲亞砜等。鑒于乙腈對水分的提取基本不受氫鍵影響，且提取物可在相對較長光程的樣品池中進行分析[13]，是最常用并且被認為是最佳的水分萃取劑。在測定時，常使用特征條帶峰面積與相應(yīng)純乙腈峰面積之比進行定性分析[14-15]。為避免乙腈的影響以及提高實驗精度，可以使用光譜稀釋矯正程序、偏最小二乘法差譜的二階導數(shù)等進行分析[12,16-17]。由于此方法可以通過調(diào)整乙腈和樣品的比例調(diào)整靈敏度并且不需要其他方法進行校準，因此很容易實現(xiàn)自動化，通過自動進樣器與傅里葉紅外光譜儀進行耦合進行分析，其回歸方程的決定系數(shù)(R2)可高達0.997，相對標準偏差僅為14 mg/kg，可以實現(xiàn)全自動分析并且滿足大批量分析的要求[15]。通過此種方法進行食用油中水分的定量及定性分析，檢測精度相對較高，并且有高靈敏度、高精度以及高自動化的發(fā)展?jié)摿?，有廣闊的研究前景和應(yīng)用價值。

表1 傅里葉紅外光譜法在食用植物油水分檢測中的應(yīng)用效果Table 1 Application effect of Fourier infrared spectroscopy in the moisture detection of edible vegetable oil

第二種方式是食用油中的水分與特殊物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)后的產(chǎn)物，經(jīng)處理在紅外光譜中產(chǎn)生特征峰以進行定量定性分析[20]。VOORT等[19]的研究表明,利用甲苯磺酰異氰酸酯與植物油中的水分發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳再通過中紅外光譜對2 335 cm-1處二氧化碳的響應(yīng)峰進行檢測，實現(xiàn)對水分含量的測定。由于二氧化碳的特征吸收波長與大多數(shù)有機物的吸收波長不同，因此該方法干擾小、靈敏度高、特異性好、準確度高，可實現(xiàn)自動化。但是，此方法需要進行校準，常通過比較不同含水量二惡烷與干燥二惡烷的標準圖譜進行校準。

第三種方式是通過檢測由于水分存在而導致食用油紅外光譜的其他特征變化而實現(xiàn)對水分含量的分析。例如當橄欖油中存在水分時，其在5 260 cm-1處會出現(xiàn)弱的特征吸收峰，歸因于水中O—H的影響[13,18]。與卡爾費休法對比可知，在95%的置信區(qū)間中，此方法與卡爾費休法的結(jié)果沒有顯著差異，并且其檢測時間僅為1～2 min，且不需要樣品的前處理以及化學試劑，可以作為一種相對高效低成本的替代方法進行使用。但是，這種方法對于水分含量以及油的種類有特殊要求，只有在5 260 cm-1處具有特征近紅外帶并且近紅外光譜與橄欖油相似的其他食用油脂才可以使用，且只有在水分含量低于0.15 g/100g時才具有較高的定性定量能力[13,18]。

通過傅里葉紅外光譜進行食用油中水分含量的分析的前提是需要了解樣品油的紅外光譜信息，以反映其化學組成和通過官能團吸收而引起的變化[21]，從而選擇合適的特征峰以及方法進行分析。通過紅外光譜進行分析，其分析結(jié)果準確度基本與卡爾費休法類似，并且易于自動化，但是對于復(fù)雜樣品的精度和準確度相對不穩(wěn)定，近年來常被看為是卡爾費休法的一種替代方法進行使用，具有很好的研究前景。

2.2 熒光探針法

2.2.1 熒光染料探針法

在各類熒光檢測中，有機熒光染料是最早應(yīng)用的熒光探針，其通常由三部分組成[22]：熒光發(fā)色團、識別部位和連接基團。識別部位要求能夠靈敏識別被檢測物質(zhì)并與其充分反應(yīng)，連接基團將識別信號傳遞給熒光發(fā)色團，在特定激發(fā)波長照射時，熒光探針呈現(xiàn)出熒光增強、減弱、紅藍移等光學信號，并以此為檢測結(jié)果定性或定量依據(jù)[23]。一般來說，具有連續(xù)共軛π鍵剛性平面結(jié)構(gòu)的化學物質(zhì)具有良好的熒光特性，常用做熒光探針的有氟化硼二吡咯類、香豆素類、熒光素和羅丹明類、花青素類、萘酰亞胺類以及一些新型的小分子染料。這些化合物在不同的激發(fā)波長下有明顯的熒光效應(yīng)，通常需要根據(jù)被檢測物質(zhì)的結(jié)構(gòu)選擇合適的熒光染料[24]。

以有機熒光染料作為探針檢測痕量水分時，識別基團將化學信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕闹饕獧C理包括光誘導電子轉(zhuǎn)移、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移和熒光共振能量轉(zhuǎn)移等[24]。例如KUMAR等[22]以染料與氟離子結(jié)合化合物為探針，利用陰離子受體質(zhì)子化和去質(zhì)子化，即水破壞染料和陰離子之間的氫鍵，在脫質(zhì)子化過程中，負電荷的大量離域通常會導致溶液的大紅移，從而導致溶液顏色的劇烈變化，實現(xiàn)了對有機溶劑中微量水分的熒光檢測。針對有機熒光探針在檢測食品痕量水方面研究相對較少。大多方法的建立以有機溶劑為模型油脂，在實際測定時將一定量油脂溶于有機溶劑后測定。表2列出了有機熒光探針法在測定食用植物油中痕量水分的效果。ROY等[25]以4-甲基-2,6-二甲酰苯酚為熒光染料，二甲基亞砜為溶劑，分別檢測了低水分含量的酥油、椰子油，高水分含量的黃油、奶酪中的含水量，結(jié)果顯示該熒光探針的水誘導線性范圍在0%～12%(體積分數(shù))。KIM等[26]探索了氟化硼二吡咯類熒光染料探針可用于測定葡萄籽油中水分含量，其測定結(jié)果[0.153%(體積分數(shù))]與經(jīng)典卡爾費休法結(jié)果[0.16%(體積分數(shù))]無顯著差異。目前為止，熒光染料探針大部分還處于探索階段，每種熒光發(fā)色團都存在一定局限性，且熒光染料具有合成步驟復(fù)雜、成本高、熒光現(xiàn)象不明顯、容易受到溫度和pH的影響等缺點。因此，熒光染料做探針雖然具有迅速、便攜、檢出限低等優(yōu)點，但暫時還很難應(yīng)用于食品領(lǐng)域的水分檢測。

表2 有機熒光染料法在有機溶劑或食用植物油水分檢測中的應(yīng)用效果Table 2 The application effect of organic fluorescent dye method in the water detection of edible vegetable oil and organic solvent

續(xù)表2

2.2.2 碳點探針法

碳點(carbon dot, CD)是一種尺寸在1～10 nm的碳納米粒子，其熒光的產(chǎn)生是由于其表面缺陷而引起的發(fā)光，由于碳點的發(fā)光特性，常被用作熒光探針檢測有機溶劑中的水分含量。根據(jù)合成原料和過程的不同，可以形成具有不同表面表征的碳點，不同表征不同溶劑均會影響其熒光特征以及水分檢測原理、現(xiàn)象以及檢測范圍,具體見表3。

合成碳點的前體物質(zhì)選擇豐富，檸檬酸是常見的碳點前體原料。無水檸檬酸與鄰苯二胺共同合成的碳納米點在有機溶劑中對于發(fā)射峰沒有明顯的波長依賴性[33],檸檬酸不僅可以合成具有超高熒光量子產(chǎn)率(96.9%)的碳量子點[34],還可以與還原性谷胱甘肽共同合成碳點，并與水化學傳感器結(jié)合，用于有機溶劑中水分含量的測定，其原理主要是由于水分子的存在破壞了原體系中的光誘導電子轉(zhuǎn)移過程，使被光誘導電子轉(zhuǎn)移猝滅的熒光強度恢復(fù)[35]。

在不同的有機溶劑體系中，碳點的發(fā)光特性以及水分的檢測原理均有差異。以鄰苯二酚作為原料可以合成一種具有溶劑依賴性的碳點，即在不同的有機溶劑體系中表現(xiàn)出不同顏色的熒光并且此種發(fā)光特性與熒光的激發(fā)無關(guān)，當有機體系中存在水分時，會導致最大發(fā)射波長紅移，根據(jù)發(fā)射峰的位置與水分含量的線性關(guān)系進行水分含量的定量[36]。SENTHAMIZHAN等[37]研究了不同溶劑中碳點的水致變色原理，非質(zhì)子傳遞溶劑，如乙腈、丙酮、四氫呋喃與電子傳遞溶劑，如異丙醇、丁醇中碳點的水致變色特性與原理不同，非質(zhì)子傳遞溶劑中的水含量的增加，會使非輻射弛豫途徑如與周圍分子的振動耦合、分子內(nèi)旋等增強，使熒光強度降低，并且會使碳點連續(xù)聚集，導致最大發(fā)射波長的紅移；質(zhì)子傳遞溶劑體系中水分的增加，會使核心的光致發(fā)光的輻射途徑優(yōu)于非輻射途徑，表現(xiàn)為熒光強度的增強。

采用熒光碳點的方式進行水分含量的測定，合成簡單、材料容易獲取、檢測方法簡單快速，但是在由于其具有一定的溶劑依賴性，同時，不同方法合成的具有不同表征的碳點本身具有一定的差異，線性范圍相對較窄，在定量方面存在一定的困難。在食品中常用于酒類產(chǎn)品的水分檢測[38]，而在食用油水分檢測的可行性方面需要進一步的驗證。

表3 碳點熒光探針法在食品及有機溶劑水分檢測中的應(yīng)用效果Table 3 Application effect of carbon dot fluorescence probe method in food and organic solvent moisture detection

2.2.3 金屬有機框架探針法

金屬有機框架(metal organic frame, MOF)是由有機連接基和金屬節(jié)點通過配位鍵形成的多孔晶體材料，部分金屬元素作為配位中心合成的金屬有機框架能夠產(chǎn)生強烈的熒光發(fā)射，例如鑭系元素離子(如Eu3+、Tb3+)和堿土元素離子(Mg2+、Zn2+)。在金屬有機框架中引入能與水分子靈敏反應(yīng)的化學結(jié)構(gòu)，水分進入有機溶劑體系后，體系中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)受到水的極性、氫鍵結(jié)構(gòu)的影響，通過分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移、化學結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、能量轉(zhuǎn)移等，使熒光探針的紫外發(fā)射光譜紅移，體系最終在紫外光照射下發(fā)射的熒光顏色產(chǎn)生差異，從而對被檢測樣品中的水分含量定量具體見表4。

表4 金屬有機框架探針法在食用植物油及有機溶劑水分檢測中的應(yīng)用效果Table 4 The application effect of metal organic frame probe method in the moisture detection of edible vegetable oil and organic solvent

鑭系金屬用于有機溶劑體系的水分檢測主要有2種原理：(1)水分子與鑭系金屬離子之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的相互作用，即水分子與配位的鑭系金屬離子重新發(fā)生配位反應(yīng)，非輻射能轉(zhuǎn)移到水分子的O—H振動，產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象；(2)水分子本身會直接吸收激發(fā)能量導致熒光強度的降低，產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象?，F(xiàn)階段多采用鑭系金屬與有機化合物配位反應(yīng)形成的熒光晶體進行檢測。氨基苯甲酸及其衍生物類化合物由于其具有良好的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移特性，能夠促進熒光現(xiàn)象的發(fā)生，常被用于合成MOF。

非鑭系金屬的有機配位化合物在食品水分含檢測中有所應(yīng)用。基于丹磺?；姆菬晒忏~配位化合物形成的探針，其分子內(nèi)部具有電子轉(zhuǎn)移行為，隨著水分含量的增加，導致熒光發(fā)射行為的變化，從而定量檢測水分含量，目前已成功應(yīng)用于鹽、糖、小麥中[42]。KUMAR等[43]基于丹磺?；衔锏墓w-受體特性，通過分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移表現(xiàn)出溶劑致變色現(xiàn)象，可以定性和定量的檢測油料作物(如花生、芥末、葵花籽、芝麻和杏仁)中的痕量水分。

為了更加顯著地觀察熒光變色，構(gòu)成金屬有機框架的連接基以及其客體可均由具有熒光特性的材料充當。DONG等[45]創(chuàng)造性的將金屬有機框架與碳點結(jié)合，將發(fā)射藍色熒光氮硫共摻的碳基點封裝進有強紅色熒光的Eu-MOF，在有機溶劑中體系呈現(xiàn)紅色熒光，當微量水分進入有機溶劑體系時，由于O—H震蕩破壞Eu-MOF，使體系呈現(xiàn)N,S-CDs的藍色熒光，擴大了熒光的變色范圍，便于觀察。WU等[46]在此基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新，制備出與碳點結(jié)合的雙發(fā)射金屬有機框架。用發(fā)綠色熒光的Tb-MOF封裝發(fā)射紅色熒光的碳點，該探針分散在乙醇溶液中，產(chǎn)生紅光和綠光。p-CD的紅色發(fā)光強度更強，最終顯示出紅色的發(fā)光顏色。當碳點分散在水溶液中，團聚作用使紅光被熄滅，僅顯示Tb3+的綠色熒光。

金屬有機框架可同時擁有多色發(fā)光，這一特性顯著擴大了MOF作為熒光探針檢測食品中水分含量的檢測范圍，提高了檢測結(jié)果的準確性。金屬有機框架探針化學性質(zhì)穩(wěn)定，靈敏度高，成本低，每次使用后用指定的有機溶劑洗滌，干燥后即可反復(fù)使用，在現(xiàn)場、實時、快速檢測方面充滿潛力。

3 展望

食用油中的水分檢測方法逐步朝向自動化、高準確度、高靈敏度并且綠色簡單的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的檢測方法，如卡爾費休法和頂空氣色譜法均具有一定的樣品選擇性，電化學測定的準確度受到一定的限制，因此出現(xiàn)了許多新興檢測方法，其中以傅里葉紅外光譜法和熒光比色檢測法研究最多，在一定條件下檢出限可達到10-4級。傅里葉紅外光譜法需要專門的儀器，該法準確度高、易于自動化，適合實驗室檢測。熒光檢測新材料如碳點，金屬有機框架等的開發(fā)，不僅改善了熒光染料的發(fā)光易受到溶劑、溫度和pH的影響的缺點，而且延長了熒光探針的使用壽命、提高了檢測精度和靈敏度。熒光試紙條、熒光薄膜等的開發(fā)，使熒光檢測更加適用于現(xiàn)場快速檢測。食用油中的水分檢測方面，紅外檢測技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，而熒光檢測技術(shù)雖然應(yīng)用與研究都較少，但均取得了良好成果，可以看出其具有良好的研究和應(yīng)用前景。