王未君,楊 博,李文林,馬 旋,劉昌盛
(中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所,油料油脂加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油料加工重點實驗室,油料脂質(zhì)化學與營養(yǎng)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430062)
菜籽油是我國第一國產(chǎn)大宗食用油。菜籽油營養(yǎng)豐富,富含各種微量生物活性物質(zhì),包括不飽和脂肪酸、多酚、生育酚和植物甾醇等。菜籽油精煉是指通過一系列精煉工序處理改善油的質(zhì)量。傳統(tǒng)精煉通常包括脫膠、脫酸、脫色、脫臭和脫蠟[1],但存在過度精煉的問題。研究報道傳統(tǒng)精煉過程會導致菜籽油中微量生物活性化合物的損失,其中可使菜籽油中的酚類化合物減少90%[2],使生育酚和植物甾醇含量分別損失27.82%和25.34%[3]。
熱預處理可以顯著提高菜籽油中生物活性物質(zhì)的含量[4-5],并能賦予菜籽油濃郁的香味,從而制得濃香菜籽油[6-7]。菜籽油中的2,6-二甲氧基-4-乙烯基苯酚,也稱為canolol,是一種高活性的抗氧化劑和有效的脂質(zhì)過氧基清除劑,由Koski等[8]最先發(fā)現(xiàn)并報道,而濃香菜籽油中的多酚以canolol為主[9]。濃香菜籽油在具有好氣味的同時,一般顏色也會很深,這對油品的外觀造成了一定的不良影響,但菜籽油的充分精煉過程往往會消除其濃香風味[10]。因此,通過適度精煉得到色香味形俱佳的菜籽油產(chǎn)品就顯得尤為重要。
低溫吸附精煉是指在較低溫度下(一般為30~60 ℃),利用具有吸附作用的固體材料除去油中的雜質(zhì),是一種溫和、綠色、環(huán)保的方法,屬于適度精煉的范疇。低溫吸附精煉常用的吸附劑包括凹凸棒土[11]、活性白土[12]、二氧化硅[13]等。其中二氧化硅比表面積較大、熱膨脹系數(shù)較低[14],具有吸附油中色素、磷脂等成分的作用[15]。二氧化硅表面存在硅羥基,使得其粉體表面呈親水性[16]。含水二氧化硅又稱硅膠,劉玉蘭等[17]用其對花生油和大豆油進行了吸附精煉處理,何蘭珍等[18]用其與雙氧水相聯(lián)合去除地溝油中的雜質(zhì),孟思等[19]采用活性白土和硅膠聯(lián)合吸附方法對米糠油進行了脫色,尤夢圓等[20]研究了硅膠對油脂極性組分的吸附特性,都取得了較好的效果,但這些研究采用的均是高溫條件下進行吸附精煉植物油。
目前,二氧化硅在菜籽油低溫吸附精煉中的應用也已有所報道[13],但不同種類二氧化硅的表征及在濃香菜籽油低溫吸附精煉中的應用鮮見報道。鑒于此,為探究更優(yōu)良的二氧化硅產(chǎn)品,本實驗首先對S655、R92和R40F二氧化硅進行各種表征,包括掃描電子顯微鏡、比表面-孔徑分析、X射線衍射分析和傅里葉變換紅外光譜分析,并對其在濃香菜籽油低溫吸附精煉中的應用進行研究,考察低溫吸附精煉效果和對濃香菜籽油微量組分及揮發(fā)性風味成分的影響,旨在為不同種類二氧化硅在濃香菜籽油低溫吸附精煉中的應用提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。
濃香菜籽油 武漢中油康尼科技有限公司;S655、R92、R40F二氧化硅 市售;甲醇、乙酸、正己烷為色譜純;其他試劑均為分析純。
Du800紫外分光光度計 日本島津公司;超高效液相色譜儀 美國Waters科技有限公司;GC7890氣相色譜儀 美國安捷倫有限公司;PFXi880L全自動羅維朋測色儀 英國羅維朋有限公司;S-3400N型掃描電子顯微鏡 日本日立公司;AS-1C-VP型比表面-孔徑分布測定儀 美國Quanta公司;Rigaku X射線衍射儀 日本理學公司;Nieolet紅外光譜儀 美國賽默飛公司;ZS-90納米粒度分析儀 英國馬爾文儀器公司。
1.3.1 不同種類二氧化硅的表征
1.3.1.1 掃描電子顯微鏡分析
采用掃描電子顯微鏡觀察二氧化硅的形貌,取二氧化硅樣品并進行噴金處理,然后進行觀測。加速電壓為20 kV。
1.3.1.2 比表面-孔特性分析
采用BET(Brunauer-Emmett-Teller)分析法測定二氧化硅粉體的比表面積、孔徑和孔容。準確稱取0.1000 g二氧化硅粉末在150 ℃脫氣8 h,然后使用儀器進行分析。
1.3.1.3 粒徑分析
取一定量的樣品分散于去離子水中(質(zhì)量分數(shù)0.1%),超聲振蕩3 min,用粒度分析儀測定粒徑分布,測試3 次取平均值。
1.3.1.4 X射線衍射分析
取適量二氧化硅樣品,放入X射線衍射槽內(nèi)進行X射線衍射分析。條件設(shè)置:管壓40 kV、管電流50 mA、掃描速率15°/min、步長0.02°、樣品測試衍射角掃描范圍5°~90°。
1.3.1.5 紅外光譜分析
采用溴化鉀壓片法制樣,將二氧化硅樣品與溴化鉀粉末按照1∶100質(zhì)量比均勻研磨并進行壓片處理,然后置于紅外光譜儀中進行掃描。測試波數(shù)范圍為400~4000 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為32。
1.3.2 不同種類二氧化硅應用于濃香菜籽油吸附精煉的實驗
向濃香菜籽油中加入1.0%的不同種類二氧化硅,在45 ℃吸附精煉30 min,然后在10000 r/min離心20 min,所得上清液即為樣品油,放置于4 ℃冰箱待測。
1.3.3 濃香菜籽油基本指標的測定
1.3.3.1 色澤的測定
在全自動羅維朋測色儀的專用玻璃比色皿中加入10 mL濃香菜籽油,光路設(shè)定在25.4 mm,同時記錄L、a、b值。
1.3.3.2 磷脂含量的測定
參照GB/T 5537—2008《糧油檢驗 磷脂含量的測定》。用坩堝稱取3 g油樣,加氧化鋅0.5 g,在電爐上加熱至炭化,然后在575 ℃馬弗爐中灼燒2 h至灰化。用10 mL鹽酸(1∶1)溶液溶解灰分并加熱至微沸,過濾注入100 mL容量瓶中,用熱水沖洗坩堝和濾紙。用50%氫氧化鉀溶液中和至出現(xiàn)混濁,滴加鹽酸溶液使氧化鋅沉淀全部溶解,最后用水稀釋定容至刻度并搖勻。同時制備一份樣品空白。用移液管吸取被測液10 mL到50 mL比色管中。加入8 mL硫酸聯(lián)氨溶液(質(zhì)量分數(shù)0.015%)和2 mL鉬酸鈉稀硫酸溶液(質(zhì)量分數(shù)2.5%)后加塞振搖,去塞后放入沸水浴中加熱10 min,冷卻后用水稀釋至刻度,充分搖勻后靜置10 min。在波長650 nm處測定吸光度,計算磷脂含量。
1.3.3.3 酸價的測定
參照GB 5009.229—2016《食品中酸價的測定》。稱取試樣3 g于250 mL錐形瓶,加入乙醚-異丙醇混合液50 mL和3 滴酚酞指示劑,充分振搖溶解試樣。再用氫氧化鉀標準溶液對試樣溶液進行手工滴定,當試樣溶液初現(xiàn)微紅色且15 s內(nèi)無明顯褪色時為滴定終點。同時進行空白實驗。酸價以消耗氫氧化鉀計(mg/g)。
1.3.3.4 過氧化值的測定
參照GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》。稱取試樣3 g于250 mL碘量瓶中,加入30 mL 三氯甲烷-冰乙酸混合液,振搖使試樣完全溶解。加入1 mL飽和碘化鉀溶液,振搖后在暗處放置3 min。取出加100 mL水,搖勻后加1 mL淀粉指示劑,用硫代硫酸鈉標準溶液滴定,至溶液藍色消失為終點。同時進行空白實驗。
1.3.3.5 生育酚含量的測定
參照GB/T 26635—2011《動植物油脂 生育酚及生育三烯酚含量測定 高效液相色譜法》。稱取2 g油于25 mL的棕色容量瓶中,用正己烷定容至刻度,充分搖勻,過0.22 μm濾膜,濾液用于高效液相色譜分析。流動相為正己烷-異丙醇(99.5∶0.5,V/V),進樣量20 μL,流速為1.0 mL/min。
1.3.3.6 植物甾醇含量的測定
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》。稱取0.2 g油于離心管中,加入10 mL KOH-乙醇溶液(2 mol/L)和0.5 mL 5α-膽甾醇內(nèi)標溶液(0.5 mg/mL),旋渦后于60 ℃水浴搖床中皂化1 h,冷卻后加蒸餾水4 mL、正己烷10 mL,旋渦混勻后離心,取上層清液。重復提取3 次,合并上清液。除去正己烷后,加入100 μLN,O-雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(衍生化試劑),使混合物在105 ℃烘箱中反應15 min。衍生物用正己烷再溶解用于氣相色譜分析。色譜柱為Agilent DB-5HT毛細管柱,載氣為氦氣,流速為2 mL/min。
1.3.3.7 脂肪酸組成的測定
參照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的測定》。取3 滴待測油樣于10 mL離心管中,加入2 mL正己烷和500 μL 0.5 mol/L甲醇鈉溶液,旋渦混合5 min,5000 r/min離心10 min,取上清液進行氣相色譜分析。色譜柱為HP-INNOWAX毛細管柱,載氣為氮氣,流速為1.5 mL/min。
1.3.4 濃香菜籽油中多酚的提取與測定
參照Khattab等[21]的方法。取1.25 g菜籽油到離心管,加入1.5 mL正己烷和1.5 mL 80%甲醇溶液,充分渦旋和混合5 min,然后5000 r/min離心10 min,重復提取3 次。將提取液過0.22 μm濾膜,濾液用于超高效液相色譜分析。canolol檢測波長為280 nm。
1.3.5 濃香菜籽油中總酚的測定
參照Folin-Ciocalteau法[22]。取0.5 mL菜籽多酚提取液到10 mL比色管中,再依次添加5 mL蒸餾水和0.5 mL福林-酚試劑,充分混勻后放置3 min,最后加入1 mL澄清的飽和碳酸鈉溶液并用蒸餾水定容,混勻后靜置1 h,在765 nm波長處測定吸光度,結(jié)果用芥子酸當量表示(mg/kg)。
1.3.6 濃香菜籽油中揮發(fā)性風味成分的測定
參考周琦等[23]的方法并稍作修改。取4 g菜籽油于頂空瓶中,加入10 μL的內(nèi)標(2-甲基-3-庚酮溶液),混合均勻,在50 ℃頂空萃取40 min。然后將萃取頭插入GC-MS儀進樣口,推出纖維頭,在250 ℃解吸5 min,抽回纖維頭后拔出萃取頭,最后啟動儀器采集數(shù)據(jù)?;衔锝?jīng)計算機檢索同時與NIST譜庫相匹配,并分析可能屬于菜籽油特有風味成分但匹配度低于80%的成分。采用內(nèi)標法計算各揮發(fā)性風味成分的含量。
2.1.1 掃描電子顯微鏡
掃描電子顯微鏡低放大倍數(shù)主要用于觀察形貌,高放大倍數(shù)主要用來觀察更微觀的孔結(jié)構(gòu)。如圖1所示,3 種二氧化硅的形貌大致上相同,均為橢球形的顆粒結(jié)構(gòu),且均具有豐富的疏松多孔結(jié)構(gòu),與文獻[24]的報道具有一致性,因此推測這3 種二氧化硅均具有較好的吸附性能。
圖1 不同種類二氧化硅的掃描電子顯微鏡圖Fig.1 Scanning electron micrographs of different kinds of silicon dioxide
2.1.2 比表面積和孔特性分析
通過N2吸附-解吸法對3 種二氧化硅的比表面積和孔徑特性進行測定,結(jié)果如表1所示。一般來說,吸附材料的比表面積和孔容越大,吸附能力越好。而至于孔徑,則需要考慮其與吸附質(zhì)之間大小的關(guān)系,若過小則難以達到吸附的理想效果,若過大則會使有效比表面積減小從而不利于吸附效果[25]。由表1可知,3 種二氧化硅的比表面積、孔容和孔徑大小之間均存在顯著差異(P<0.05),其中比表面積從大到小依次為R40F二氧化硅(892.192 m2/g)、R92二氧化硅(635.769 m2/g)、S655二氧化硅(249.215 m2/g)。3 種二氧化硅的孔容從大到小依次為R92二氧化硅(1.134 cm3/g)、R40F二氧化硅(1.014 cm3/g)、S655二氧化硅(0.454 cm3/g),孔徑均處于介孔范圍(2~50 nm)內(nèi),從大到小依次為S655二氧化硅(7.085 nm)、R92二氧化硅(6.964 nm)、R40F二氧化硅(4.259 nm)。從這些差異可推測出3 種二氧化硅用于濃香菜籽油吸附精煉時可能將產(chǎn)生不同的效果。
表1 不同種類二氧化硅的比表面積和孔特性分析Table 1 Specific surface area and pore characteristics of different kinds of silicon dioxide
2.1.3 粒徑分布、X射線衍射和紅外光譜分析
粒徑分布是用來表征物質(zhì)顆粒度大小的常用指標;X射線衍射分析是使樣品在X射線照射作用下發(fā)生衍射,從而獲得具有樣品自身特性的衍射圖;紅外光譜是一種基于分子振動的光譜技術(shù),是常用的表征物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和官能團的技術(shù)[26],而吸附材料表面的官能團對材料的吸附性能有較大的影響[27],因此,對吸附材料進行紅外表征進而分析其官能團具有一定的意義。
由圖2 A 可知,3 種二氧化硅的粒徑分布呈現(xiàn)出明顯的不同,其中S 655 二氧化硅的粒徑最大(750.0~3090.9 n m),R 92 二氧化硅次之(295.3~750.4 n m),R 40 F 二氧化硅最?。?64.2~341.9 nm)。由圖2B可知,3 種二氧化硅的X射線衍射圖形狀和衍射峰的位置及強度均基本相同,表明它們的結(jié)晶區(qū)基本相同。由圖2C可知,3 種二氧化硅的紅外光譜圖峰形總體很相似,其中3420 cm-1左右處為硅羥基和水分子中—OH的伸縮振動吸收峰,有研究表明硅膠表面的羥基基團可以吸附油中的游離脂肪酸[28],465、961 cm-1和1630 cm-1處可分別歸屬于Si—O—Si、—Si—OH和水分子中H—O—H的彎曲振動吸收峰,800 cm-1和1091 cm-1處可分別歸屬于Si—O—Si的對稱伸縮振動吸收峰和反對稱伸縮振動吸收峰[29]??梢园l(fā)現(xiàn),S655和R40F二氧化硅的峰形和峰數(shù)基本一致,但出峰的位置稍有移動,而R92二氧化硅在1737.47 cm-1左右處有一個吸收峰,這是因為這種二氧化硅在合成的過程中添加了檸檬酸,而此處的吸收峰可以歸屬于檸檬酸分子C=O的伸縮振動吸收峰[30-31]。這些差異說明3 種二氧化硅的物質(zhì)組成和官能團存在略微不同,可能是合成途徑不同導致,因此推測它們可能具有不同的吸附性能。
圖2 不同種類二氧化硅的粒徑分布(A)、X射線衍射圖(B)和紅外光譜圖(C)Fig.2 Particle size distribution (A),X-ray diffraction profiles (B) and infrared spectra (C) of different kinds of silicon dioxide
同時考察不同種類二氧化硅用于濃香菜籽油低溫吸附精煉的脫磷、脫酸和脫色效果。由表2可知,添加量為1%,45 ℃吸附反應30 min,S655、R92和R40F二氧化硅對菜籽油的脫磷率分別為90.3%、99.6%和88.5%,使菜籽油L值分別提高49.9%、52.5%和53.9%,a值分別降低31.5%、23.4%和37.8%,b值分別提高17.3%、20.0%和20.6%,即R40F二氧化硅對色澤的改善效果最佳,這可能是因為吸附劑的比表面積與脫色能力呈正相關(guān)[32],其比表面積相對最大,因而脫色能力相對最佳。3 種二氧化硅對菜籽油的脫酸率分別為17.8%、16.7%和17.5%,相互之間無顯著差異。3 種二氧化硅均能顯著降低菜籽油的過氧化值,分別降低41.1%、45.8%和49.4%,這可能是因為二氧化硅可以脫除油脂中的部分氧化產(chǎn)物[20]。
表2 二氧化硅種類對濃香菜籽油吸附精煉效果的影響Table 2 Adsorption refining effects of different kinds of silicon dioxide on fragrant rapeseed oil
由表3可知,就多酚而言,3 種二氧化硅中R92二氧化硅對總酚和canolol的保留率均最高,分別為98.1%和99.4%;就生育酚而言,3 種二氧化硅精煉對菜籽油α-生育酚、γ-生育酚和總生育酚含量均無顯著影響(P>0.05),其中R40F二氧化硅保留率均最高,分別為99.9%、98.5%和98.9%;就甾醇而言,3 種二氧化硅精煉對菜籽油保留率均較高,均在97.1%以上,其中S655和R92二氧化硅的影響之間無顯著差異(P>0.05)。因此,3 種二氧化硅精煉對菜籽油不同微量組分的影響略有差異,這可能是因為不同種類二氧化硅的結(jié)構(gòu)存在差異,且不同微量組分的分子結(jié)構(gòu)也存在差異,從而相互作用的程度不同。但總體來看,保留率均很高。
表3 二氧化硅種類對濃香菜籽油吸附精煉微量組分的影響Table 3 Effects of different kinds of silicon dioxide on microcomponents during adsorption refining of fragrant rapeseed oil mg/kg
由表4可知,菜籽油含有棕櫚酸(3.667%)、棕櫚油酸(0.242%)、硬脂酸(2.141%)、油酸(64.201%)、亞油酸(17.153%)、亞麻酸(8.662%)、花生酸(0.564%)、花生一烯酸(1.811%)和芥酸(1.561%),其中飽和脂肪酸為6.371%、單不飽和脂肪酸為67.815%、多不飽和脂肪酸為25.815%、不飽和脂肪酸為93.630%。3 種二氧化硅吸附精煉后,各脂肪酸組成變化不大,只有油酸、亞油酸、亞麻酸、花生一烯酸和芥酸發(fā)生輕微變化,但總體看,飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的組成變化不顯著(P>0.05)。因此,3 種二氧化硅用于菜籽油吸附精煉對脂肪酸組成無顯著影響。
表4 二氧化硅種類對濃香菜籽油吸附精煉脂肪酸組成的影響Table 4 Effects of different kinds of silicon dioxide on fatty acid composition during adsorption refining of fragrant rapeseed oil%
濃香菜籽油由于具有濃郁的香味,因而有利于增加產(chǎn)品對消費者的吸引力。然而傳統(tǒng)菜籽油精煉過程往往會使菜籽油的香味喪失,這是因為隨著精煉程度的加深,菜籽油的特征香味物質(zhì)如吡嗪類化合物和硫苷降解產(chǎn)物的種類和含量顯著降低[33],因此精煉過程中菜籽油揮發(fā)性風味成分的變化值得關(guān)注。Yao Yingzheng等[24]報道了二氧化硅精煉對菜籽油風味的影響,但不同種類二氧化硅用于濃香菜籽油吸附精煉時對揮發(fā)性風味成分的影響鮮見報道。不同種類二氧化硅用于濃香菜籽油吸附精煉時對揮發(fā)性風味成分的影響如表5所示。
表5 二氧化硅種類對濃香菜籽油吸附精煉揮發(fā)性風味成分的影響Table 5 Effects of different kinds of silicon dioxide on volatile flavor components during adsorption refining of fragrant rapeseed oil mg/kg
由表5可知,濃香菜籽油中的揮發(fā)性風味成分主要包括硫苷降解產(chǎn)物、雜環(huán)類物質(zhì)和氧化揮發(fā)物三大類。3 種二氧化硅吸附精煉之后,濃香菜籽油中的硫苷降解產(chǎn)物含量均發(fā)生了顯著變化,2-丁烯腈、3-丁烯腈、3-甲基巴豆腈、(2Z)-戊-2,4-二烯腈、5-己烯腈、3-丁烯基異硫氰酸酯、異硫氰酸烯丙酯均顯著增加,5-甲硫基戊腈顯著減少,這表明吸附精煉對不同種類硫苷降解產(chǎn)物具有不同的影響,可能是因為其分子結(jié)構(gòu)不同所致。而硫苷降解產(chǎn)物總量均顯著增加,其中以R92二氧化硅精煉油中增加最多(63.1%)。
濃香菜籽油中的雜環(huán)類物質(zhì)主要有吡嗪類、呋喃類和吡喃類,其中以吡嗪類的種類和含量最多,占主導地位。3 種二氧化硅吸附精煉對菜籽油吡嗪類物質(zhì)的影響呈現(xiàn)出較大差異,比如S655二氧化硅精煉油中不再檢出2-乙基-6-甲基吡嗪,R40F二氧化硅精煉油中不再檢出3,5-二乙基-2-甲基吡嗪,而R92二氧化硅精煉油中這兩種吡嗪含量均顯著增加(P<0.05)。3 種二氧化硅吸附精煉之后吡嗪類、呋喃類和吡喃類總量均顯著增加,與蘇曉霞等[33]的報道具有一致性,這可能是因為吸附精煉過程中的加熱攪拌作用促使了體系中某些反應的發(fā)生,從而引發(fā)了這些成分的增加。吸附精煉后吡嗪類仍占主導地位??偟膩砜?,以R92二氧化硅精煉油中增加最多,吡嗪類、呋喃類和雜環(huán)類物質(zhì)總量分別增加了18.4%、28.5%和19.2%。
濃香菜籽油中的氧化揮發(fā)物主要有醛類、醇類和酮類,其中醛類種類最多、總量也最大。3 種二氧化硅吸附精煉后,醛類總量均增加且仍占主導地位,其中糠醛的含量最高??啡┖腿扇┖烤@著降低,苯乙醛含量均顯著升高,其中R92二氧化硅精煉油中增加最高,達2.1 倍。3 種二氧化硅吸附精煉后,醇類、酮類含量也均顯著增加,這可能是因為精煉過程會對油脂造成一定程度的氧化,從而使得氧化產(chǎn)物增加[34];就氧化揮發(fā)物總量而言,3 種二氧化硅吸附精煉后均顯著增加,其中R92二氧化硅精煉油中增加最高(26.7%)。因此,綜合來看,R92二氧化硅對濃香菜籽油揮發(fā)性風味成分影響最大。
3 種二氧化硅均具有疏松的多孔結(jié)構(gòu),但它們的粒徑分布、比表面積、孔容和孔徑呈現(xiàn)出明顯的不同。在添加量為1%時,在45 ℃吸附反應30 min,S655、R92和R40F二氧化硅對濃香菜籽油的脫磷率分別為90.3%、99.6%和88.5%,L值分別提高49.9%、52.5%和53.9%,a值分別降低31.5%、23.4%和37.8%。而3 種二氧化硅精煉對甾醇保留率均較高,對脫酸率、生育酚含量和脂肪酸組成的影響之間無顯著差異。R92二氧化硅對濃香菜籽油總酚、canolol、芥子酸的保留率均最高。揮發(fā)性風味成分中,硫苷降解產(chǎn)物、吡嗪類、呋喃類、吡喃類、醛類、醇類、酮類含量均顯著增加。因此,綜合來看,R92和R40F二氧化硅對濃香菜籽油具有更優(yōu)的精煉效果。