脂肪酸平衡营养调和油配料软件设计与应用研究

谭量量 翁梦娇 吴 翔 裘正军 沈立荣

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院，馥莉食品研究院, 杭州 310058)

脂肪酸平衡营养调和油配料软件设计与应用研究

谭量量 翁梦娇 吴 翔 裘正军 沈立荣

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院，馥莉食品研究院, 杭州 310058)

基于单纯形法求解目标的线性规划模型，开发了替代数学建模的调和油配料软件系统。该软件由原料油脂肪酸数据库和运算系统2个模块组成，数据库用于存储各种原料油的SFA、MUFA、PUFA、n-3 PUFA和n-6 PUFA百分率；运算系统可根据所输入的SFA：MUFA：PUFA和n-3 PUFA：n-6 PUFA比例指令给出所选原料油的投料量。然后以经气相色谱分析的山茶油、亚麻籽油、红花籽油和菜籽油为原料，通过该软件运算输出符合浙江、江苏和上海居民营养需求的3种调和油的原料油投料量，在通过Matlab软件建模运算验证后，取原料油进行调和油调配。经分析验证，所配调和油的脂肪酸比例与期望值相符。该软件使用便捷，既适合于食用油企业新产品开发，也适合于为居民家庭提供个性化营养服务。

调和油 营养平衡 脂肪酸 配料软件 检测验证

脂肪酸均衡的是维持人体健康的重要膳食因素，是世界卫生组织(WHO)和联合国粮农组织(FAO)以及各国制订的居民膳食营养指南的重要内容，许多国家、地区或组织已制定了膳食脂肪与脂肪酸的参考摄入量[1]。2000年中国营养学会“膳食营养素参考摄入量专家委员会”结合我国居民膳食构成及脂肪酸摄入实际提出，在膳食总脂肪供能20%～30%前提下, 饱和脂肪酸(SFA)、单不饱和脂肪酸(MUFA)、多不饱和脂肪酸(PUFA)的供能分别为<10%、>10%和10%,即1∶1∶1；其中n-6 PUFA(或者ω-6 PUFA)与n-3 PUFA(或者ω-3 PUFA)的适宜比值是(4～6)∶ 1[2]。食用油是我国居民膳食脂肪酸的主要来源，但我国居民的传统食用油通常为脂肪酸组成比较单一的单品种植物油，如菜籽油、花生油、棕榈油等，很容易导致某种或几种脂肪酸摄入不足或过量，尤其是n-3 PUFA摄入不足[3]。大量研究表明，脂类与多种慢性非传染性疾病(慢病)的发生发展直接相关，不同种类的脂肪酸对血脂的影响不同，例如SFA的摄入有升高血脂的作用，而MUFA和PUFA则有降低血脂的作用。同时，膳食中各种脂肪酸构成比不同对血脂代谢、免疫功能调节以及肿瘤发生都具有不同的影响。人体摄入的脂肪酸不但要有适当数量，而且要有适宜的比例，例如PUFA是细胞膜磷脂的重要组成成分，决定了细胞膜的流动性和变形性，n-6 PUFA摄入量过多、n-3 PUFA不足会导致人体代谢紊乱，引发多种慢性病。因此，膳食脂肪酸配比合理与否对人体的生长、发育及疾病防治具有重要意义[4～5]。

调和油可以通过调节不同的原料比例，实现脂肪酸含量的改变，使用调和油是一个使人体膳食脂肪酸达到均衡摄入的有效手段。随着我国经济的高度发展和居民生活水平的快速提高，公众健康意识日益增强，居民膳食结构变化加快，脂肪酸均衡越来越受关注，食用调和油越来越受关注，成为目前中国市场上消费量最大的三大类小包装食用油之一。但目前市售调和油均由大型食用油生产企业大批量生产，在设计和开发调和油产品时，通常按特定时期一般人群和膳食营养推荐比例配比，难以满足特殊人群、特殊地区人群和膳食结构改变后居民的健康需求[3]。因此，很有必要研究开发符合现代个性化营养发展趋势的营养平衡调和油新技术。事实上,调和油加工工艺并不复杂，其关键技术是所用原料油脂肪酸的检测和原料油的配比计算。现有调和油生产通常采用数学模型与计算相结合的方法，也有采用响应面法计算的报道，但这些方法要求操作人员既具备软件编程和数学建模专业知识，又熟悉食品营养知识和脂肪酸检测技能[6-10]，而这正是一般企业、家庭和个人难以逾越的技术障碍。为此，本研究开发了一种替代数学建模和复杂计算的脂肪酸平衡营养调和油配料软件(计算机著者权登记证号：软著登字第0761892号)，该软件由原料油脂肪酸数据库和运算系统2个模块组成，运算系统可根据设定的营养调和油脂肪酸参数，自动给出所选各种原料油的投料比例，并可通过人工调节进行完善。同时，以山茶油、亚麻籽油、红花籽油和菜籽油为原料进行了脂肪酸检测，调和油生产与产品检测验证。该软件既适合生产企业调和油新产品开发，也适合为居民家庭提供个性化营养服务。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

山茶油：浙江常发粮油食品有限公司；菜籽油：宜兴市和润油脂有限公司；亚麻籽油、红花籽油：中粮日清有限公司；脂肪酸混标(色谱纯)：美国Nu-Chek公司；正己烷(色谱纯)、三氟化硼甲醇(分析纯)：美国Sigma公司。

1.2 仪器和设备

GC-14C型气相色谱仪：日本岛津有限公司；DB-23气相色谱柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)：美国安捷伦公司；K30干式加热器：杭州奥盛仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 流程

原料油→气相色谱测定脂肪酸相对含量→建立原料油数据库→调和油配料软件设计→输入目标调和油脂肪酸配比→运行后输出调和油投料量→调和油配料→调和油脂肪酸含量检测。

1.3.2 气相色谱检测脂肪酸

样品前处理：参考文献[11]改进，主要步骤为：取2 μL油脂加入三氟化硼甲醇溶液和正己烷各1.5 mL，充入氮气，密封。在干式加热器中100 ℃条件下加热60 min，冷却至室温。加入1 mL双蒸水，摇匀1 min，3 000 r/min条件下离心5 min，将上层己烷相移到干净的试管中，加入无水硫酸钠除去水分，移取溶液至干净试管，溶液用硅胶柱过滤，收集滤液，氮气吹干，加入100 μL正己烷溶解。

色谱分析条件：FID检测器，调节空气到50 kPa，调节氢气到75 kPa，调节柱温到140 ℃，调节检测器温度到270 ℃，调节进样口温度到270 ℃；柱温升温程序：140 ℃保持1 min，以6 ℃/min升至170 ℃，保持3 min，以9 ℃/min升温至220 ℃，保持18 min，以2 ℃/min升温至230 ℃，保持2 min；进样量1 μL；分流比1∶30。

1.4 软件系统编制与数学建模

1.4.1 数据库

根据常见油料的脂肪酸构成，选择山茶油、亚麻籽油、红花籽油和菜籽油进行脂肪酸检测，建立4种油料的脂肪酸数据库。

1.4.2 运算系统

用线性规划描述调和油配比，通过单纯形法求解目标规划数学模型，使用VB.NET语言在VS2008上开发系统。

1.4.3 系统验证与优化

为验证配料软件系统与实际工艺的匹配性，以上海市粮食科学研究所与上海市营养学会、江苏省营养学会、浙江省营养学会依据上海市、江苏省、浙江省居民膳食营养调查结果，以及所设计的适合三地居民的食用调和油(表1)为配方依据[3]，以适合上海市居民营养需求的调和油为例，采用Matlab软件建立数学模型，对调和油配料软件计算结果进行精确度验证，并根据所发现的问题进行软件优化。然后并据此应用配料软件进行调和油配比，用对所配调和油脂肪酸组成进行检测和验证。

表1 适合上海市、浙江省和江苏省居民的调和油脂肪酸比例[3]

1.5 数据处理与统计

使用Excel求得平行数据的平均值和标准偏差，通过DPS软件用t检验求出脂肪酸实际值与期望值的差异性。

2 结果与分析

2.1 原料油数据库构建

图1为山茶油、亚麻籽油、红花籽油和菜籽油原料脂肪酸的气相色谱图，据该检测结果，计算得到每种油料的脂肪酸相对含量，在此基础理论上，进行脂肪酸归类得到每种油料的SFA、MUFA、n-3 PUFA和n-6 PUFA相对含量(表2)，输入Excel文档，即为软件的数据库。

图1 4种原料油气相色谱图

表2 4种原料油的SFA、MUFA和PUFA相对含量

2.2 运算系统

用线性规划描述调和油配比，建立调和油线性规划数学模型：

F=min{P*[D1,D2]}

式中：

A：矩阵A，表示每种原料油的SFA、PUFA、n-3、n-6含量，Aij表示第i种原料油中第j种脂肪酸的含量；

B：行向量B，为目标调和油的SFA、PUFA、n-3、n-6含量；

D1，D2：与X同维度的行向量，代表计算中加入的偏差；

P：矩阵P，为目标函数F中的权重系数；

F：目标函数，为当F达到最小时可求出模型的最优解；

X：行向量，代表模型可行解X，就是所求目标原料油在配方中所占的比例。

从数据库选择候选油料，将脂肪酸构成参数输入该模型，目标调和油的配比B可根据需要的比例进行换算，该模型的可行解X就是所求的目标原料油在配方中所占的比例。

在VS2008上使用VB.NET语言编写程序，通过单纯形法求解目标原料油的比例，开发得到调和油自动配比软件系统。该系统主要针对调和油生产中原料油的配方计算，主要是SFA、MUFA、n-3 PUFA和n-6 PUFA 4种脂肪酸含量进行计算。通过选择数据库中的原料油种类，设定需要获得的脂肪酸比例，就可以自动计算出特定脂肪酸比例的调和油配方，即各种原料油的投料比例，并可人工调节进行完善。

2.3 软件测试与调整

最初的营养调和油配料软件适合于原料油选择较多情况下的初选，采用该软件可以通过自动配比，给出准确的原料油投料比例，解决了原料油选择和计算配比的繁琐计算问题，并引入了人性化的手动配比。但是通过实际使用和验证发现其存在以下问题：1)当若输入SFA∶MUFA ∶PUFA的配比参数为小数时(见图配比参数区)，不能输出结果；2)所输出结果只有SFA、MUFA、n-3 PUFA和n-6 PUFA在调和油中所占的百分比，不能给出相互间的比值。针对问题对软件进行了调整，使其计算功能能够符合居民膳食指南和调和油生产实际(图2)。

2.4 用Matlab软件验证与优化软件

首先将表所显示的4种原料油的脂肪酸组成输入数据库，然后将符合上海市居民膳食需求的SFA：MUFA：PUFA比值0.24 ∶0.92 ∶1，n-3 PUFA ∶n-6 PUFA 比值1 ∶3.2[4]输入调和油配料窗口。经运算得到的4种原料油的投料量：35%山茶油+17%+亚麻籽油+31%+红花籽油+17%菜籽油，预期调和油的脂肪酸比例为：SFA∶MUFA∶PUFA = 0.245 1∶0.949 1∶1；n-3 PUFA ∶n-6 PUFA =1∶3.336 1。

图2 优化后的调和油配比软件使用界面

然后，用Matlab软件对该软件运算结果的精确性进行验证。根据4种原料油的脂肪酸组成和上海市居民膳食需求的调和油脂肪酸组成，建立线性方程如下：

18.34x1+7.80x2+9.32x3+3.08x4=11.06 (SFA)

(1)

72.15x1+17.73x2+12.30x3+65.42x4=42.86(MUFA)

(2)

0x1+52.77x2+0.43x3+8.83x4=10.97(n-3 PUFA)

(3)

9.51x1+22.70x2+77.96x3+22.66x4=35.11(n-6 PUFA)

(4)

矩阵中x1为山茶油；x2为亚麻籽油；x3为红花籽油；x4为双低菜籽油；系数为4种原料油中4种脂肪酸的百分含量(0%～100%)；xj为各种原料油的添加量(xj≥0且∑xj=100)。

针对线性方程的程序用C语言编写，在Matlab 上运行，输出解为：x1=0.343 0；x2=0.176 8；x3=0.307 3；x4=0.171 2。

根据Matlab软件得到的解配比，配比结果为SFA ∶MUFA∶PUFA = 0.241 5∶0.936 1∶1；n-3 PUFA ∶n-6 PUFA =1∶3.241。相对于软件输出结果，由Matlab软件得到的配比结果更为精确，说明对比可知，初期的调和油配料软件的在算法精度不够。因此，对软件程序源代码进行了完善，使其具备输出结果保留2位小数的功能。

运用优化后的软件再次运行，得到符合上海市居民膳食需求的调和油的4种原料油的投料量为33.44%山茶油+17.86%亚麻籽油+30.67%红花籽油+18.02%菜籽油，调和油的预期脂肪酸比例为SFA ∶MUFA ∶PUFA=0.2374∶0.9301 ∶1∶n-3 PUFA ∶n-6 PUFA =1∶3.201。该结果与Matlab软件得到的解配比比较接近，因此，认为优化后调和油配料软件符合预期要求。

2.5 优化的调和油配料软件运行

反复运行测试结果证明，优化的调和油配比软件可基本满足生产需求，且具有良好的用户体验。该软件由原料油数据库和调和油操作2个界面组成，用户可以根据原料油脂肪酸测定结果，对原料油数据库进行扩充。调节操作界面(图3)由样品选择区、参数输入区、配比显示区、脂肪酸组成区和操作区等5个部分组成。操作流程：第一步：在样品选择区选择需要原料油，在参数输入区输入需要脂肪酸比例。第二步：按下操作区的“自动配比”按钮，在配比显示区会显示各原料油所需的比例，在脂肪酸组成区显示各脂肪酸所占的百分比及相对比例。第三步：原料油配比调整，在配比显示区的配比一栏中进行手动输入，再按下操作区的“手动配比”按钮可以进行人工配比。该软件充分体现了个性化功能，可让用户自主选择原料油进行配比调和，通过智能化简化了复杂计算。

图3 调和油配比软件操作界面

2.6 软件的实际应用与验证

将表1所列适合上海市、江苏省、浙江省居民营养需求的SFA∶MUFA∶PUFA及n-3 PUFA ∶n-6 PUFA比例[4]分别输入软件参数输入区，按“自动配比”按钮运行后分别得到适合三地居民营养需求的调和油配比结果：1)上海市：33.44%山茶油+17.86%亚麻籽油+30.67%红花籽油+18.02%菜籽油；2)浙江省：26.24%山茶油+22.21%亚麻籽油+49.52红花籽油+2.03%双低菜籽油；3)江苏省：27.59%山茶油+17.25%亚麻籽油+44.51%红花籽油+10.21%双低菜籽油。

根据输出结果，取山茶油、亚麻籽油、红花籽油和双低菜籽油，按3种不同比例分别进行投料，并充分搅拌混匀，得到适合三地居民营养需求的调和油样品，然后分别取样进行气相色谱分析。检测结果(图4)显示，3种调和油的脂肪酸比例分别为：浙江省∶SFA∶MUFA∶PUFA =0.19∶0.52∶1.00，n-3 PUFA∶n-6 PUFA =1∶3.91；上海市：SFA：MUFA ∶PUFA =0.25∶0.92∶1.00，n-3 PUFA ：n-6 PUFA =1.00∶3.24；江苏省∶SFA∶MUFA∶PUFA =0.20∶0.66∶1.00，n-3 PUFA∶n-6 PUFA =1.00∶4.35。t检验结果显示，气相色谱检测结果与软件输出的期望值无显著差异(P>0.05)。

图4 3种调和油的气相色谱图

3 讨论

联合粮农组织(FAO)调查表明，工业化、城市化和市场全球化的趋势，极大地促进了发展中和转型期国家的社会经济发展，但由此带来了人们膳食和生活方式的快速改变，引起了疾病谱的极大变化，传染病和营养不良的顺位被逐渐上升的慢病所取代[1]。我国流行病学调查表明，随着我国经济的高度发展，居民生活方式的快速变化，近20多年来我国与膳食密切相关的慢病大幅度上升，并出现年轻化趋势。实施积极的行为干预，特别是膳食干预，是降低慢病发病率、促进健康长寿的一项有效措施[12]。

人类饮食中所含的PUFA均属于n-3和n-6脂肪酸家族，其中n-6 PUFA主要包括亚油酸 (18∶2n-6)、γ-亚麻酸(18 ∶3n-6) 和花生四烯酸(AA)，n-3 PUFA食物主要包括α-亚麻酸(18 ∶3n-3)、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)。当食物中各脂肪酸体积和分子数浓度相等时，亚油酸和α-亚麻酸就会竞争转化各自的长链产物，即分别生成花生四烯酸(AA)和EPA，大量 α-亚麻酸被转化成EPA则极大地减少了其转化成AA的可能性，抑制 AA 代谢和清除AA 代谢产物，起到消炎作用，有助于细胞膜保护和降低炎症风险[13]。为此，FAO/WHO膳食、营养和心血管专家顾问委员会于2003年提出，n-6/n-3平衡膳食对人体健康是必需的，成人n-3 PUFA推荐量为热能的0.5%～2%，n-6 PUFA推荐量为热能的2.5%～9%[1]。进入工业化时代后，由于人类大量食用加工和养殖产品，导致体内n-6 PUFA越来越多，比例严重失调。由于n-6 PUFA类植物油摄入量大幅度上升，n-6/n-3的比值由传统意义上的1～2∶1普遍升高到20～30∶1，导致肥胖、糖尿病、心脑血管疾病、肿瘤等慢病高发和高死亡率，成为影响当代西方人健康状况的重要风险[14]。1971年丹麦戴伯格博士调研发现，格陵兰岛的爱斯基摩人很少患有心肌梗塞、中风类慢性病，冠心病发病率仅是美国、加拿大人的1/10，而这与他们膳食中含大量n-3 PUFA有关，引起了广泛关注。喜食富含n-3 PUFA海鱼的日本人的膳食n-6/n-3比例是4.0，接近WHO推荐的合理膳食摄入比例4～5，其患心血管疾病比率也明显低于西方国家[15]。我国目前城乡居民膳食脂肪摄入明显增加，膳食脂肪酸组成也发生相应变化，在各类脂肪酸中，n-6 PUFA摄入量增加显著增多，但n-3 PUFA的摄入量远不能满足机体需要，导致n-6/n-3 PUFA比值较高。调查表明，由于n-6/n-3比值升高，导致经济发达地区和部分大城市乳腺癌发病率逐年升高[1]。大量研究表明，通过改善n-6/n-3比例，提高n-3 PUFA摄入量来防治慢病的重要性不亚于基因和蛋白的调控作用，甚至更直接、更重要[16]。有脂肪酸构成比对小鼠血脂影响的研究表明，当SFA∶MUFA∶PUFA为1∶1.7∶1.2，n-6 PUFA/n-3 PUFA在(1～5)∶1 时可维持血脂在较低水平；如脂肪酸构成比为1∶1∶1 时，维持较低血脂所需的n-6 PUFA/n-3 PUFA为1∶1；当膳食n-6 PUFA / n-3 PUFA为10∶1时，SFA∶MUFA∶PUFA为1∶1.7∶1.2有利于维持低血脂。研究结果显示，在膳食n-3 PUFA无法增加的前提下，即n-6 /n-3 为10∶1时，SFA∶MUFA∶PUFA为1∶1.7∶1.2比1∶1∶2的脂肪酸构成更有利于维持血脂在较低水平，调节SFA∶MUFA∶PUFA和n-6 /n-3比例对血脂水平的干预效果是非常有效的。还有报道认为，适当减少SFA的比例，适当增加MUFA和PUFA的比例，对于降低血浆中胆固醇和血糖含量，预防心血管疾病以及肿瘤，增强免疫力等具有重要的意义[17]。

随着营养基因组学研究的不断深入，近年来营养学家们发现，人类疾谱的变化与家族和个人的遗传背景相关，营养与营养素，营养素与基因，基因与基因之间均可相互作用和影响，膳食干预措施需要综合考虑干预对象的家庭和个人的基因组特性、年龄、性别、健康状况和饮食结构，运用建立在营养基因组学基础上的个性化营养理论指导居民膳食营养已成为国际最新发展趋势[18-19]。本研究开发的软件正是符合营养基因组学和个性化营养理论，并通过数学模型法验证和实践验证，具有自主知识产权的新型软件，是将个性化营养理论付绪实践的技术创新。与现有的其他调和油配制方法相比，该方法弥补了传统调和油设计以满足一般人群需求为目标，而忽视个性化需求的缺陷，实现了配方智能化和自动化，可为用户免除复杂的数学建模和计算，并可根据需要随时扩充原料油数据库，根据市场需求选择原料油进行配比，大大节约了人力成本，并提高了工作效率，预期具有广阔的应用前景。

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Design and Application of Batching Software Used to Prepare Nutritional Blend Oil with Fatty Acid Balance

Tan Liangliang Weng Mengjiao Wu Xiang Qiu Zhengjun Shen Lirong

(College of Biosystem Engineering and Food Science, Fuli Institute of Food Science,Zhejiang University, Hangzhou, 310058)

A batching software was created which could replace matching mathematical model to design blend oil based on the linear programming model with simplex algorithm for solving target. The software is composed of two modules including the fatty acid database of material oils and arithmetic system. The database is used to store the relative percent of saturated fatty acids (SFA), monounsaturated fatty acids (MUFA), polyunsaturated fatty acids (PUFA), n-3 PUFA and n-6 PUFA of various edible material oils. The arithmetic system could output batching amount of selected material oils according to import instructions on the ratio of SFA：MUFA：PUFA, and ratio of n-3 PUFA: n-6 PUFA. With Camellia seed oil, Flax seed oil, Safflower seed oil and Canola oil which have been analyzed with Gas chromatography (GC), the batching amount of selected material oils is output which are matched respectively to the three recipes of blend oil fitted the nutritional requirements of these populations from Jiangsu, Zhejiang and Shanghai. After verification of the mathematical model built by MATLAB, three blend oils were prepared. Analysis results of fatty acid with GC verified that the fatty acid ratios of three prepared blend oils were consistent with the expected value. The convenient software is appropriate to use in developing new products for edible oil enterprise, and providing individual service of nutrition for citizen family.

blend oil,nutritional balance,fatty acids,batching software,detecting verification

TS224

A

1003-0174(2016)06-0128-07

馥莉食品研究院基金(KY201404)，杭州市青蓝计划(20121331K88)

2014-10-25

谭量量，女，1990年出生，硕士，食品营养与安全

沈立荣，男，1960年出生，教授，食品营养与安全