建立衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜法測定食用油的過氧化值

郭 娜，王鶴達，江秀明*，向國強，何麗君

1.河南工業(yè)大學 化學化工學院，河南 鄭州 450001 2.陜西中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，陜西 西安 710000

油脂是維持人類身體健康必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)之一，在化學化工行業(yè)也占有十分重要的地位。食用油在使用過程中發(fā)生水解、氧化和聚合等化學反應，導致變質(zhì)，部分氧化產(chǎn)物還具有致癌作用，影響人類的身體健康[1-2]。油脂的過氧化值(POV)是衡量油脂氧化程度的指標，一般以每千克油脂中過氧化物氧的克當量數(shù)表示，以此衡量油脂是否因為氧化物含量過高而變質(zhì)[3-4]。

目前，檢測食用油POV的國際通用方法為碘量法，這種方法雖然操作簡單，但需要消耗大量溶劑，對人類和環(huán)境存在潛在風險。隨著現(xiàn)代分析技術的發(fā)展，一些儀器分析方法已經(jīng)逐步應用于食用油POV的測定，包括紫外-可見分光光度法[5-6]、紅外和近紅外光譜法[7-8]、熒光光譜法[9]、伏安法[10]、核磁共振氫譜法[11]和高效液相色譜法[12]等。

測定油脂中過氧化值的紅外光譜(FTIR)方法包括直接法和間接法。直接法是通過測定氫過氧化物中的氫氧鍵的伸縮振動吸收峰的吸光度計算過氧化物的含量[13]，但由于氫過氧化物只是食用油氧化產(chǎn)生的多種過氧化物中的一種，因此這種方法較適用于單一品種油脂過氧化值的測定[13]和油脂氧化過程的跟蹤研究[14-15]。間接法大多通過油脂中過氧化物與三苯基膦(TPP)間的定量反應實現(xiàn)油脂樣品POV的定量測定[16]。

衰減全反射(ATR)技術由于樣品用量小、操作簡單、能夠控制測量光程，特別適合于液體樣品的定量分析，已經(jīng)廣泛應用于食用油等液態(tài)樣品的FTIR光譜測定，如Cebi等[17]利用ATR-FTIR技術研究茶葉和咖啡中的西布曲明摻假問題，Rios-Reina等[18]則將ATR-FTIR技術與化學計量學方法相結合用于高品質(zhì)食醋的分類研究。

紅外光譜間接法測定食用油POV時，通常將食用油樣品與TPP溶液按照1∶ 1(體積比)混合[7,16]，在此過程中需要使用至少0.5 mL有機試劑，在帶來一定的環(huán)境問題的同時又稀釋樣品，降低測定的靈敏度，使得建立的方法僅適合高POV油脂樣品的測定[16]。作者擬通過油脂中過氧化物與TPP間的定量反應，利用ATR-FTIR技術，合理控制油脂樣品和反應試劑TPP的使用量，建立一種簡單的油脂樣品POV測定方法，以減少測量過程中有機試劑的用量，簡化操作流程，降低對操作者的技術要求，實現(xiàn)食用油POV的準確、快速測定。

1 材料與方法

1.1 材料

三苯基膦(TPP)、三苯基氧膦(TPPO)：Sigma-Aldrich公司；三氯甲烷、冰乙酸、丙酮、無水乙醇、碘化鉀和硫代硫酸鈉：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

金龍魚、魯花、福臨門、胡姬花、西王等品牌的大豆油、花生油、芝麻油、亞麻籽油、葵花籽油、玉米油、橄欖油、菜籽油和米糠油共28種，均購自超市。

1.2 儀器與設備

AUY120分析天平(精確至0.000 1 g)：日本島津公司；配備有ATR附件的Spectrum two FTIR光譜儀：鉑金埃爾默企業(yè)管理有限公司；MXW-20D渦旋振蕩器：杭州齊威儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 碘量法(國標法)測定食用油的過氧化值

所有食用油樣品均按照GB 5009.227—2016方法測定過氧化值。

1.3.2 標準樣品及 TPP 反應液的制備

標準樣品的配制：準確稱取0.3 g TPPO溶于0.5 mL乙醇中，加玉米油至總質(zhì)量為20 g，配制TPPO儲備液，其中TPPO的濃度約為50 mmol/kg，相當于過氧化值為50 mmol/kg的食用油與TPP反應生成的TPPO。利用此儲備液和不同質(zhì)量的玉米油混合，稀釋至不同濃度，配制不同過氧化值的油脂標準樣品。

TPP反應液的配制：以丙酮為溶劑，配制含有15% TPP的反應液，用于與油脂中過氧化物反應，定量生成TPPO。

1.3.3 油脂樣品的FTIR光譜法測定

移取1 mL油樣至2 mL樣品管中，加入15%的TPP丙酮溶液約40 μL，蓋緊塞子，振蕩混合均勻，使油樣中的過氧化物與TPP反應生成TPPO，制成紅外光譜測定液。移取測定液約10 μL，均勻覆蓋在ATR晶體表面，測定其在400～4 000 cm-1波數(shù)區(qū)間內(nèi)的紅外譜圖(分辨率4 cm-1，掃描16次)，每次測定結束后用酒精棉球將晶體表面清理干凈。每種食用油平行測定3次，取平均值計算POV。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用 Microsoft Excel 2010和 Origin 2021 進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 紅外光譜法測定食用油過氧化值的原理

油脂中1 mol過氧化物與1 mol 的TPP反應，定量生成1 mol 的TPPO[19]。通過測定反應生成的TPPO的量，計算過氧化物的量，從而得知油脂的過氧化值。食用油中的過氧化物與TPP的反應產(chǎn)物TPPO在542 cm-1處呈現(xiàn)較強的特征吸收峰[4]。食用油與TPP的丙酮溶液的復合物的ATR-FTIR譜圖(圖1)顯示，在TPPO特征吸收峰附近存在1個位于530 cm-1附近由反應液中丙酮產(chǎn)生的吸收峰，兩峰間重疊較為嚴重。確定TPPO特征峰的強度時，需建立連接542 cm-1吸收峰兩側峰谷A、B兩點的基線，測量峰高D(542)。

圖1 三苯基氧膦(TPPO)的ATR-FTIR特征吸收峰Fig.1 ATR-FTIR characteristic absorption peak of triphenylphosphine oxide (TPPO)

依據(jù)Lambert-Beer定律，TPPO紅外吸收峰峰高D(542)與測試液中TPPO濃度c(TPPO)間存在定量關系。

D(542)=a(TPPO)·b·c(TPPO)，

(1)

式中：a(TPPO)為TPPO在542 cm-1處特征峰的吸收系數(shù)；b為樣品吸收光程。根據(jù)ATR測定原理，對于食用油樣品，其吸收光程可視作常數(shù)。

基于油脂中過氧化物與TPP反應生成TPPO的化學計量關系，測定液中TPPO濃度與樣品POV間存在定量關系。

c(TPPO)=[VS/(VS+VR)]·POV·10-3·ρ，

(2)

式中：VS為油脂樣品體積，1 mL；VR為TPP溶液的體積，40 μL，VS/(VS+VR)=0.962；ρ為樣品密度，食用油密度通常介于0.91和0.93之間[20]，可視為定值；10-3為單位轉換時系數(shù)。根據(jù)式(1)和(2)可導出式(3)，D(542)與食用油樣品POV之間呈正比關系。

D(542)=a(TPPO)·b·[VS/(VS+VR)]·

ρ·10-3·POV。

(3)

2.2 TPP溶液的穩(wěn)定性

三苯基膦具有較強的還原性，能夠被食用油中的過氧化物氧化為TPPO，同時，TPP也有可能被空氣中的氧氣氧化，從而生成少量TPPO，干擾油脂POV的測定，導致測定結果不可靠。

為探討TPP溶液的空氣氧化對測定的影響，TPP溶液配制后置于室溫，間隔不同時間測試同一食用油樣品的ATR-FTIR譜圖，計算TPPO特征峰的峰高D(542)。結果顯示，48 h內(nèi)D(542)沒有明顯變化(圖2)，表明配置的TPP溶液在48 h內(nèi)穩(wěn)定，沒有被空氣中的氧氣氧化，不會對POV的測定造成干擾。

圖2 TPPO特征峰的峰高與TPP溶液存放時間的關系曲線Fig.2 Relationship between characteristic peak height of triphenylphosphine oxide (TPPO) and storage time of TPP solution

2.3 標準曲線的建立

配制含有不同濃度TPPO的油脂樣品作為過氧化值測定的標準樣品，標準樣品中TPPO濃度處于0～25 mmol/kg區(qū)間。因為1 mol過氧化物與TPP定量反應生成1 mol 的TPPO，標準樣品中的TPPO可視作由食用油中的過氧化物與TPP反應產(chǎn)生，標準樣品具有與其TPPO濃度相等的過氧化值，即標準樣品的POV等于在油脂樣品中加入的TPPO的濃度，也處于0～25 mmol/kg區(qū)間。ATR-FTIR的測定結果顯示，標準樣品的POV與TPPO特征峰的峰高D(542)之間存在良好的線性關系(圖3)，線性方程為D(542)=-7.64×10-4+5.16×10-4POV，R2=0.996 2。

圖3 食用油過氧化值(POV)測定標準曲線Fig.3 Standard curve of peroxide value of edible oil

2.4 實際樣品的測定

采用建立的樣品測定方法，對28種食用油進行ATR-FTIR光譜掃描，利用TPPO特征峰峰高計算樣品過氧化值，記作POVATR-FTIR。同時，根據(jù)國家標準方法測定油脂過氧化值，記作POVGB。

圖4 ATR-FTIR光譜法和國標法測定結果的線性關系Fig.4 Linear relationship between ATR-FTIR spectrophotometry and national standard method for POV determination

利用ATR-FTIR法測定的28個實際油樣過氧化值(POVATR-FTIR)與國標法測定結果(POVGB)一致，兩種方法的測量結果間具有良好的線性關系(圖4)，POVATR-FTIR=0.20+0.97 POVGB，R2=0.986 0，R2很接近1，表明本試驗建立的測定方法可以很方便地測定油脂樣品的紅外光譜。

2.5 精密度及檢出限

在2 mL塑料管中量取1 mL玉米油，加入40 μL 15% TPP丙酮溶液，振蕩混合均勻后，測定其ATR-FTIR光譜圖。平行測定11次，計算TPPO特征峰峰高和POV。11次平行測定的平均過氧化值為14.46，標準偏差為0.42，相對標準偏差為2.91%，說明ATR-FTIR用于測定食用油POV，具有良好的重現(xiàn)性。同時，根據(jù)式(2)，由于樣品體積VS(大約1 mL)遠遠大于TPP溶液體積VR(大約40 μL)，VS和VR在一定范圍內(nèi)變化，對VS/(VS+VR)影響很小。當VS在0.8～1.2 mL變化，VR在30～50 μL變化時，VS/(VS+VR)最小為0.941(此時，VS=0.8 mL，VR=50 μL)，最大為0.976(此時，VS=1.2 mL，VR=30 μL)，相對偏差僅為3.6%。說明測量時油脂樣品和TPP溶液的體積都不需要準確計量，無須對操作人員做特殊要求。

根據(jù)空白值的3倍標準偏差估算得到的POV的檢出限為0.61 mmol/kg。

3 結論

利用過氧化物氧化TPP定量生成TPPO的反應，建立了僅使用40 μL有機試劑的食用油POV測定的ATR-FTIR方法。與傳統(tǒng)方法相比，ATR-FTIR法測定油脂的過氧化值既簡便又快捷，使用的有機溶劑量很少；測定時，食用油和三苯基膦溶液的用量在一定范圍內(nèi)變化，不會引起POV的測定誤差，有利于食用油POV的快速測定。同時，可以消除滴定過程中的誤差，提高測定結果的準確度，是一種切實可行的測定方法，為油脂的過氧化值測定提供了有力的支持。