大豆油煎炸过程理化指标与LF－NMR弛豫特性的相关性研究

史 然，王 欣，刘宝林，卢海燕，赵婷婷

(上海理工大学 食品质量与安全研究所，上海 200093)

煎炸老油是指饮食行业多次煎炸食品残剩的不可再食用的油脂。由于在长时间高温加热过程中，油脂与空气中的氧、煎炸食物所带入水分等成分作用，发生水解、氧化、缩合等一系列复杂的化学反应，产生一系列饱和及不饱和的醛、酮、内酯等物质，甚至变性为三致物质，从而可能对消费者的身体健康产生负面影响［1］。由于我国饮食特色，煎炸食品食用量均相对较高。而部分煎炸食品的生产厂家为了降低成本，其所用的煎炸油脂会长时间反复利用;此外，有不法分子被巨额利润所诱惑，大肆收集煎炸老油并经简单加工处理后，以极低价格卖给饮食店、油脂作坊重新使用，或掺入合格食用油中，以假乱真。因此，加强对煎炸油脂品质的监管可有效保障煎炸食品的品质，对避免“地沟油”流入餐饮服务环节，切实保护消费者饮食安全具有重要意义。

常规理化指标如油脂的酸价、粘度、过氧化值、吸光值等被广泛应用于油脂品质的分析。对煎炸油脂而言，油脂的总极性化合物含量也是衡量煎炸油脂品质的重要指标，有研究表明，油脂中的极性成分会严重影响食品的微观结构，也在一定程度上影响食品的质构品质［2］。一般以达到24% ～27%的总极性化合物(TPC)含量作为煎炸油脂使用终点的判断指标［3］，对油脂中TPC含量的检测一般可用柱层析法进行。而以上理化指标的传统检测方法均需使用大量有机溶剂，操作繁琐且耗时较长。因此，探索一种快速、便捷、灵敏、低成本的新型检测方法成为煎炸油脂品质监测的一个研究重点［4］。

低场核磁共振(LF－NMR)被认为是一种非常有潜力的油脂快速检测新技术，并已成功应用于油脂固体脂肪指数及油料种子含油率的测定［5］。最近，Franz等［6］对应用低场核磁共振技术监测多种反应过程的研究进展进行了综述，研究表明反应过程中体系组成成分的变化可以通过其低场核磁共振弛豫特性的变化进行监测。而Martina等［7］的研究则表明煎炸油脂的低场核磁弛豫时间会随其所含的极性化合物含量的增加而缩短，利用这一数学关系，可以对煎炸油的质量进行评判。王永巍等［8］应用LF－NMR对大豆油的无物料煎炸过程进行研究，发现油脂煎炸过程中T2多组分弛豫图谱中出现的特征小峰T21的面积比例(S21)及T2W(单组份弛豫时间)与煎炸时间、酸价、粘度、吸光值和极性组分含量呈现良好的规律性，认为该方法可以有效反映煎炸油的品质变化。然而该研究对象仅限于无料煎炸大豆油，且未对理化指标与LF－NMR弛豫特性之间的相关性进行深入研究。而Adolfo［9］和Wakako［10］等的研究结果表明，煎炸油的理化性质变化与其油脂品种及煎炸物料相关。因此，开展不同煎炸物料油脂的低场LF－NMR弛豫特性与其理化性质的相关性研究将有助于后期将低场核磁共振技术应用于煎炸油脂品质的检测。

在前期建立的油脂LF－NMR检测方法的基础上，以大豆油为研究对象，分别对其在无料/薯条煎炸过程［(180±5)℃，持续煎炸36 h］中多种理化指标(酸价、粘度、吸光值及TPC含量等)及LFNMR弛豫特性(T21、T22、T23峰起始时间、S21、S22、S23、T2W)的变化规律进行研究，进而利用多元回归分析建立LF－NMR检测结果与其理化指标的相关性模型，并进行了验证。研究可为LF－NMR技术应用于煎炸油脂品质监控提供必要的基础数据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

乙醚、石油醚、氢氧化钾、正己烷(分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司)，硅胶(60～100目)为色谱纯，新鲜金龙鱼大豆油(益海嘉里食品工业有限公司);速冻薯条(上海长生食品厂)。

09款流线型5.5 L电炸炉(广州汇利有限公司);PQ－001型核磁共振分析仪，氢谱，共振频率23 MHz(上海纽迈电子科技有限公司，配套T－invfit反演拟合软件和Φ15 mm核磁共振专用测试管);层析柱(上海市崇明建设玻璃仪器厂);NDJ－1型旋转粘度计(东莞市精鼎仪器有限公司);751－G分光光度计(200～1 000 nm，上海分析仪器厂)。

1.2 试验设计

1.2.1 煎炸油的制备 无料煎炸油:在煎炸锅中加入6 L大豆油，每天在油温为 (180±5)℃下连续煎炸12 h，共持续36 h;薯条煎炸油:在煎炸用油种类、用量及油温与无物料煎炸油制备过程相同的条件下，每批取60 g薯条投入煎炸锅中煎炸3 min(Kgpotatoes/Loil=1∶100)［11］，每小时煎炸4批，每天连续煎炸12 h，共持续36 h。在以上煎炸过程中，取新鲜未煎炸油样作为对照，随后每4 h取150 mL油样，冷却至室温，滤去沉淀后贮于样品瓶中，4℃冷藏备用进行理化指标分析及LF－NMR检测，并以此数据进行相关性分析。

1.2.2 理化指标检测 ①粘度的测定:取100 mL油样倒入150 mL烧杯中，25℃恒温10 min，并用玻璃棒搅拌均匀，立即用旋转粘度计对油样进行测定，结果取3次测量平均值。②吸光值的测定参考GB/T 22500－2008［12］。③酸价的测定参考 GB/T 509.37－2003［13］。④极性组分含量测定参考 GB/T 509.202 －2003［14］。

1.2.3 LF－NMR横向弛豫时间(T2)测量及数据处理［15］利用CPMG脉冲序列测定样品的横向弛豫时间(T2)，设备参数设置为:重复采样等待时间TR=2 000 ms，半回波时间τ=200 μs，回波个数EchoCount=5 000个，重复扫描次数NS=4次，采样点数TD=500 050，谱宽SW=250 kHz。将2.5 mL样品移入核磁共振试管，先在32℃恒温10 min，再置于核磁探头中稳定1 min后采样，采样完毕后将样品重新置于32℃恒温5 min，以便进行下次采样，结果取3次测量平均值。

利用T－invfit软件对LF－NMR弛豫测量得到的自由诱导指数衰减曲线进行反演拟合，可得到油样的多组分弛豫时间(T2)数据图谱并获知样品的T21、T22、T23峰起始时间及其相应的峰面积比例S21、S22、S23。当将样品看作一个整体组分分析时，可反演得到样品的单组份弛豫时间(T2W，单位:ms)。

1.2.4 相关性分析 利用SPSS软件的多元回归分析法，因变量选取酸价、TPC含量、粘度、吸光值;自变量选取LF－NMR弛豫结果(T21、T22、T23峰起始时间、S21、S22、S23、T2W)，采用向后剔除变量法，将不显著的自变量剔除，最终使模型中只包含显著变量且变量间构成最优组合，建立LF－NMR检测结果与煎炸油理化指标的相关性模型。

1.2.5 模型的验证 参照“1.2.1”的方法制备无料/薯条煎炸油，从煎炸2 h起每4 h取150 mL油样，冷却至室温，滤去沉淀后贮于样品瓶中，4℃冷藏备用进行理化指标分析及LF－NMR检测，并将获得的LFNMR检测数据分别代入“1.2.4”中建立的不同理化指标与LF－NMR弛豫特性的相关性模型，计算获得该理化指标的理论预测值，并与其实测值建立回归曲线，分析相关性，对模型的可靠性进行验证。

1.3 数据分析

每组试验均进行3次重复，实验结果以(平均值±相对偏差)表示。应用Origin8.0、SPSS18.0软件对数据进行处理及统计分析，以P＜0.05(差异显著)作为差异显著性判断标准。

2 结果与讨论

2.1 理化指标

2.1.1 酸 价 酸价反映的是油脂中自由脂肪酸的多少，是体现油脂酸败程度的重要指标之一。大豆油在无料/薯条180℃煎炸过程中酸价随煎炸时间的变化规律如图1A所示。由图可知，随煎炸时间的延长，大豆油的酸价逐渐升高，且与煎炸时间呈良好线性关系(r2分别为0.942和0.978)，但煎炸36 h后，两组煎炸油的酸价均小于国标规定的油脂煎炸过程中的酸价标准5 mgKOH/g。与无料煎炸过程相比，相同的煎炸时间下，薯条煎炸油的酸价显著升高(P＜0.05)。这是由于在煎炸过程中，油脂在高温(185℃左右)下易发生水解、氧化、分解或聚合等反应，产生游离脂肪酸，进而使其酸价升高。而引入煎炸物料(薯条)后，由于煎炸物料中含有水分较多，促进了油脂在煎炸条件下的分解，因而使反应产物相对增加［16］，导致酸价显著升高。

2.1.2 粘 度 粘度为油样分子间摩擦力大小的标度，其大小与其碳链长度有关。大豆油在无料/薯条煎炸过程中粘度(25℃)随煎炸时间的变化规律如图1B所示。由图可以看出，随煎炸时间的延长，两种煎炸条件下大豆油的粘度逐渐增大，并均呈二项式关系(r2分别为0.934和0.994)，这是因为油脂在高温下发生热聚合和热氧化聚合反应，生成了环状聚合物及甘油酯二聚合物等粘稠的成分。同时，油脂在煎炸过程中还会发生部分水解及缩合反应，形成分子量较大的醚型化合物，从而使油脂的粘度增加。此外，与无料煎炸油相比，添加薯条进行煎炸后，由于薯条中的淀粉、水分子也会与油脂分子在高温下发生反应，使油脂的粘度进一步增大(P＜0.05)［17］。

2.1.3 吸光值 油脂色泽是油脂中各种色素的综合体现，随着油脂品质的劣变，其色泽加深，吸光值(A)亦将逐渐增大。大豆油在无料/薯条煎炸过程中吸光值随煎炸时间的变化规律如图2A所示。图2A表明，随着煎炸时间的延长，两种煎炸条件下大豆油的吸光值均逐渐增加，并趋于平稳。油样吸光值与煎炸时间呈二项式关系(r2分别为0.986和0.983)。与无料煎炸油相比，当油脂中添加薯条进行煎炸时，大豆油吸光值增加较显著(P＜0.05)，这是由于食物组分与煎炸油相互作用以及煎炸油中所含食品杂质均会加深油脂的颜色所致［18］。

2.1.4 TPC含量 油脂的总极性化合物(TPC)含量是衡量煎炸油脂品质的重要指标。大豆油在无料/薯条煎炸过程中TPC含量随煎炸时间的变化规律如图2B所示。由图可见，在煎炸过程中，两种煎炸条件下大豆油的TPC含量均逐渐升高，且与煎炸时间呈良好线性关系(r2分别为0.989和0.978)。与无料煎炸油相比，添加薯条进行煎炸36 h后，油脂的TPC含量显著升高(P＜0.05)，这是由于食品物料中的成分尤其是其中包含的水分会加速油脂的水解、分解和聚合反应而生成各种极性较大的化合物，从而促进煎炸油极性化合物含量的增加［19］。

2.2 LF－NMR弛豫特性

2.2.1 多组分弛豫图谱(T2) 大豆油在无料/薯条煎炸过程中LF－NMR检测得到的多组分弛豫图谱(T2)如图3所示。参照文献 ［8］对T2图谱的命名方法，将各峰按出现顺序分别命名为T21峰、T22峰及T23峰，对应的峰面积比例表示为S21、S22及S23。

由图3A、B可以看出，经无料/薯条煎炸后，大豆油的多组分弛豫图谱(T2)变化规律相似，煎炸初期的大豆油T2图谱均由T22、T23两个主峰构成，随着煎炸时间的延长，在其图谱18 ms左右有T21小峰出现，且图谱有逐渐左移趋势，峰面积比例S21逐渐增大，S22、S23比例也略有变化。大豆油在无料煎炸4 h后开始出现T21小峰，而加入薯条煎炸2 h后便出现T21小峰，为了进一步分析煎炸过程中LFNMR信号的变化规律，将T21、T22、T23峰起始时间随煎炸时间的变化情况列于图4。

由图4A、B可以看出，在无料/薯条煎炸条件，大豆油T21、T22峰起始时间均随煎炸时间的延长而缩短，且呈良好线性关系(r2＞0.90)，与无料煎炸过程相比，引入薯条煎炸使得T21、T22峰起始时间的缩短速度加快。而图4C中T23峰起始时间则随煎炸时间无明显规律性变化。这一变化可能与油脂在高温煎炸过程中发生水解、热聚合及热氧化聚合等复杂化学反应而生成脂质氧化物和过氧化物等产物相关，与油脂中的甘油三酯成分相比，煎炸过程中形成的氧化产物聚合度相对增大，而LF－NMR检测得到的T2弛豫时间能够反映自旋核子种类及其物理化学环境的变化。当氧化产物形成并积累到一定程度后，在T2谱图上出现了T21特征峰，且随反应产物聚合度的增加，其分子中氢质子所受束缚力增大，导致弛豫过程缩短，从而表现为T2值缩小［20］。且随着煎炸时间的延长，油脂中所形成氧化物质聚合度亦逐渐增大，从而导致油样T2弛豫分布逐渐左移，而以T21、T22峰起始时间的减小最为显著。进一步研究了油脂在煎炸过程中各峰面积比例(S21、S22、S23)随煎炸时间的变化 (如图5所示)。结果表明，随煎炸时间的延长，无料/薯条煎炸条件油样的S21逐渐增大，S22呈增大趋势，而S23呈减小趋势。其中，S21与煎炸时间呈良好线性关系(r2＞0.90)，与无料煎炸过程相比，引入薯条煎炸使得S21的增加速度加快，说明煎炸物料的引入加剧了煎炸油脂的化学反应程度。这是由于，T21特征峰反映的是在煎炸过程中区别于甘油三酯成分的一类氧化产物的形成及积累过程，随着煎炸时间的延长，具有类似T21值的化合物含量增加，从而使其LF－NMR的信号响应增加，导致T2图谱中相应峰面积(S21)增加。

2.2.2 单组份弛豫时间(T2W) 将不同煎炸时间的油样看作一个整体组分进行反演，可得到大豆油煎炸过程中的单组份弛豫图谱。结果表明，随煎炸时间延长，薯条煎炸油的单组份弛豫时间(T2W)逐渐减小。图6为无料/薯条煎炸条件下大豆油的T2W值随煎炸时间的变化关系。由图可见，在无料/薯条煎炸条件，大豆油T2W值均随煎炸时间的延长而显著缩短，且二者之间呈良好线性关系(r2＞0.90);此外，与无料煎炸过程相比，引入薯条煎炸使得T2W值缩短速度加快。这是由于，油样的组成成分在高温煎炸过程中发生的水解、热聚合及热氧化聚合等复杂化学反应作用下发生了改变，从而使得LF－NMR检测得到的反映样品整体特征的T2W弛豫特性也发生了改变［9］。

2.3 油脂煎炸过程中理化指标与LF－NMR弛豫特性的相关性模型的建立及验证

从以上分析可看出，油脂的理化指标及其LF－NMR的多个检测指标均随煎炸时间呈规律性变化，为进一步研究油脂煎炸过程中理化指标与LF－NMR弛豫特性是否存在一定的相关性，利用多元回归分析法建立了LF－NMR检测结果与煎炸油理化指标的相关模型。通过采用向后剔除变量法，将不显著的自变量剔除，最终使模型中只包含显著变量且变量间构成最优组合。所建立的酸价、粘度、吸光值及TPC含量与LF－NMR检测结果(T21、T22、T23峰起始时间、S21、S22、S23、T2W)间的相关性模型如表1所示。

表1 LF－NMR检测结果与各项理化指标的回归模型Table 1 Correlation models between LF－NMR results and the analytical indicators

由表1可知，TPC含量、酸价与T2W、T21间均存在良好的相关性，r2可达0.96以上;油脂粘度与T2W、吸光值与S21呈二项式关系(r2=0.939～0.992)。此外，对模型进行验证试验，将验证油样的LF－NMR检测数据分别代入表1所建立的相关性模型中，计算获得该理化指标的理论预测值，其与实测值的相符性分析结果见图7。由图7可见，各理化指标的理论预测值与实测值之间有较高的相符性，r2可达0.938～0.996，说明在试验范围内，表1中建立的回归方程具有较好的预测效果，通过油样的LF－NMR弛豫特性(如T2W、T21、S21等)可有效反映油样理化指标的变化规律。

3 结论

本文以常用的大豆油为研究对象，对其无料/薯条煎炸过程中多种常规理化指标(酸价、粘度、吸光值及TPC含量等)及其LF－NMR弛豫特性的变化规律进行了研究。研究结果表明:随煎炸时间延长，大豆油的酸价、TPC含量及S21峰面积均线性增大，T21、T22峰起始时间及T2W线性减小(r2＞0.90)，粘度、吸光值的升高规律则符合二项式关系(r2＞0.90)，T23峰起始时间及S22、S23与煎炸时间之间无明显规律性变化。煎炸薯条可使油样的酸价、粘度、TPC含量、吸光值及S21均较无料煎炸时显著增大(P＜0.05)，而T21、T22峰起始时间及T2W显著缩短。多元回归分析表明，酸价及TPC含量与T2W、T21，粘度与T2W，吸光值与S21间均可建立良好的相关性模型(r2＞0.93)。模型验证合理可靠，说明可通过油样的LF－NMR弛豫特性检测结果有效预测其理化指标的变化。本研究可为将LF－NMR技术有效应用于煎炸油脂品质快速有效监控提供必要的基础数据。

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