PDSC法测定南瓜籽油的氧化稳定性

张奥君 周国燕 陆葳坪(上海理工大学生物医学热科学研究所，上海 200093)

南瓜籽油含有丰富的不饱和脂肪酸[1]，具有预防动脉硬化[2]、治疗和预防泌尿系统疾病及前列腺增生、抗肿瘤和缓解眼睛疾病等作用[3-5]。南瓜籽油在食品、医药、保健品等领域有很广阔的应用前景。目前对南瓜籽油的研究主要是通过各种方法[6-7]提取南瓜籽油。

油脂的氧化稳定性反映了油脂的耐贮性，即油脂抵御自动氧化的能力，同时也反映了油脂自动氧化变质的灵敏度[8]。所以，测定油脂的氧化稳定性，对于油脂的生产、贮存和消费等都有重要的意义。目前，油脂氧化稳定性的测定方法有：酸价、过氧化值、活性氧法、Schaal烘箱法、热重法、氧弹法、氧化稳定性测定仪法(Rancimat法)[9]、高压差示扫描量热法(Pressure Differential Scanning Calorimetry，PDSC)[10]、化学发光法(Chemiluminescence，CL)[11]等方法。

PDSC法通过测定油脂样品氧化诱导时间的长短可以了解油脂氧化稳定性的高低，诱导时间越长表明油脂的氧化稳定性就越好，反之，油脂氧化稳定性越差。目前，PDSC法用于工业油的研究较多，但是用于植物油氧化稳定性的研究相对较少，Ciemniewska-Zytkiewicz等[12]使用PDSC法与Rancimat法来评价植物油(榛子油、橄榄油、菜籽油)的氧化稳定性，Lopez-Beceiro等[13]通过PDSC法比较了橄榄油、玉米油、大豆油和葵花籽油的氧化稳定性;Ratusz等[14-15]通过PDSC法和Ranciamt法研究了亚麻籽油和亚麻荠油的氧化稳定性;Adhvayu等[16]使用PDSC法和核磁共振光谱法对从未改性和转基因蔬菜衍生的油(棉籽油、玉米油、红花油、大豆油、葵花油)的氧化动力学进行研究。目前鲜有使用PDSC测定南瓜籽油氧化稳定性的文献报道，以及有关于南瓜籽油动力学参数的研究。

Ciemniewska-Zytkiewicz等[12]使用PDSC法与Rancimat法来评价植物油的氧化稳定性，对比发现：榛子油和橄榄油的氧化稳定性相近，但都高于菜籽油的氧化稳定性，说明这两种方法在测定油脂氧化稳定性的方面结果具有一致性，但是这两种方法之间存在一些不同点，对于在相同温度下进行的实验，使用PDSC得到的氧化诱导时间比使用Rancimat法得到的短50%～78%，所以在确定油脂的氧化稳定性时，PDSC法比Rancimat法更有效、更快、操作更方便、样品用量更少，这在新方法的开发中是非常有益的。

本实验利用PDSC研究南瓜籽油在高压、氧气气氛下的热氧化反应，在不同的氧化温度下测定样品的氧化诱导时间，通过经验公式可推出热氧化反应的动力学参数，并利用外推法估算南瓜籽油在不同贮藏温度下的货架期，为南瓜籽油的货架期提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

食用南瓜籽油：市售。氢氧化钠、乙醚、异丙醇、酚酞指示剂、三氯甲烷、冰乙酸、碘化钾、硫代硫酸钠、1%淀粉指示剂、碘化钾、淀粉、环己烷、一氯化碘：均为AR级，上海维塔化学试剂有限公司。

DSC8500型差示扫描量热仪；ME104/02电子天平。

1.2 实验方法

1.2.1 酸价，过氧化值，胺值

用化学方法检验所用的南瓜籽油的最初的品质。用GB 5009.229—2016[17]来测定南瓜籽油的脂肪酸的含量；用GB 5009.227—2016[18]来测定南瓜籽油的过氧化物的含量；用GB/T 5532—2008[19]来测定南瓜籽油的碘值。

1.2.2 高压差示扫描量热法

使用PDSC(DSC8500)来测定油脂的氧化稳定性，用标准的高纯铟(156.60 ℃，28.45 J/g)和高纯锌(419.47 ℃，108.37 J/g)进行仪器标定。设置氧气流速为20 mL/min，压力为(1 380～1 400)kPa。用天平称取(2.0±0.5) mg样品油脂放入样品铝皿(不加皿盖)中，然后将装有样品油脂的铝皿置于PDSC的实验炉内，不同温度(100、110、120、130、140、150 ℃)下等温。当出现完整的放热峰后，手动停止此次实验。使用Pyris Manager软件来分析放热曲线，氧化诱导时间为氧化反应的放热峰所对应的时间(τmax)，精度为0.001。

1.2.3 数据分析

采用SPSS Statistics软件对实验数据进行显著性分析，P<0.05为显著差异。

表1 南瓜籽油的酸价、过氧化值、碘值的结果

2 结果与分析

2.1 酸价、过氧化值、碘值

南瓜籽油的酸价、过氧化值与碘值的测量结果如表1所示。酸价测出的是油脂中游离脂肪酸的含量，脂肪在长期保藏过程中，由于微生物、酶和热的作用发生缓慢水解，产生游离的脂肪酸。酸价的测量值范围是(1.147±0.031)mg/g，各个测量值相差很小，比较稳定，明显低于食用植物油卫生标准[20]中对酸价的规定(<3 mg NaOH/g)。测量油的过氧化值很低，范围是(1.673±0.110)mmol/kg，低于食用植物油卫生标准[20]中对油脂过氧化值的规定(≤20 mmol/kg)。酸价、过氧化值是食用油检测的关键指标，反应油脂的酸败程度，油脂的酸价和过氧化值越低，油脂的品质也就越高。测试油的酸价和过氧化值都符合国家的卫生标准，可以断定所选的南瓜籽油的品质很好。

碘值表示油脂中不饱和程度的一种指标，根据碘值的大小，可以判断南瓜籽油的不饱和度，碘值越大，油脂的不饱和度越大，则不饱和键就越多，氧化稳定性就越差，越容易被氧化而引起腐败变质。所测的南瓜籽油的碘值的范围在(122.503±4.395)g/100 g，碘值较高，有必要研究了解南瓜籽油的氧化稳定性。

2.2 氧化稳定性分析

油脂的氧化分解会伴随着热量的放出，在PDSC等温曲线上会表现为一个明显的放热峰，如图1所示，在PDSC曲线上从等温开始到放热峰所对应的时间τmax(由放热峰作垂线所对应的横坐标)为油脂的氧化诱导时间。

图1 南瓜籽油在不同温度下等温的氧化分解曲线

由氧化分解曲线得到南瓜籽油在100、110、120、130、140、150 ℃等温的τmax结果(图2)，对数据进行方差分析，发现τmax与等温温度之间有极显著(P<0.01)的关系，而τmax与实验次数之间不显著(P>0.05)，说明实验的重复性好。

等温温度从100 ℃逐渐升高到150 ℃的过程中，τmax也随之减少。温度在从100 ℃增加到120 ℃时，τmax明显降低，再随着温度的增加，τmax变化趋于平缓。在100、110、120、130、140、150 ℃等温的氧化诱导时间的范围分别是(347.630～350.030)、(161.518～153.202)、(71.163～74.377)、(34.458～35.543)、(16.563～16.940)和(8.685～8.840) min。在同样的反应条件下，氧化诱导时间越长表明油脂的氧化稳定性就越好，反之，油脂氧化稳定性越差。在120 ℃时所测的南瓜籽油的τmax比Ciemniewska-Zytkiewicz等[12]研究的榛子油τmax(119.95～191.06) min、橄榄油τmax(134.15～180.07) min和菜籽油τmax(82.41～98.46) min短，说明南瓜籽油的氧化稳定性比榛子油、橄榄油、菜籽油的差；但是比Ratusz等[14-15]研究的亚麻籽油τmax(21.20～24.70) min和亚麻荠油τmax(26.81～37.31) min长，说明了南瓜籽油的氧化稳定性比亚麻籽油和亚麻荠油的好。

Leila等[21]使用Rancimat法测定了南瓜籽油在100 ℃的氧化诱导时间为(18.61±0.42) h，表明南瓜籽油中有高含量的多不饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸，与本研究的南瓜籽油的氧化稳定性一致。Szterk等[11]使用CL法研究了在80 ℃、加入FeCl2的条件下，南瓜籽油与其他几种植物油氧化稳定性，结果表明南瓜籽油诱导时间最长(234.1±28.3) min，亚麻籽油诱导时间最短(24.8±1.2) min，表明南瓜籽油的氧化稳定性比亚麻籽油好，与本研究结果相同。

图2 南瓜籽油τmax与T之间的氧化稳定性

2.3 动力学分析

确定动力学参数对于评估油脂在不同加热方式、贮藏方式下的氧化稳定性是非常重要的[22]。

根据实验结果，作Logτmax与T之间的关系图，如图3所示，可以看出Logτmax与T之间成线性关系，二者关系可以用以下关系式来描述：

Logτmax=aT+b

(1)

式中:la为常数；b为常数；T为温度/℃。

由图3中的直线所对应的的回归系数a，常数b和相关系数R2见表2。R2>0.99，可见τmax与T之间的相关性很高，因此使用此公式，可以用来确定除本研究温度下的氧化诱导时间[22]即外推法。由油脂的反应动力学[22]可知，在氧气中发生的氧化反应属于一级反应，因此，对于油脂氧化的任何恒定转化，都可以使用动力学进行分析。使用PDSC进行研究的植物油在不同温度下氧化峰的热流量随着温度的增加逐渐增大，与自动氧化机理相符合[23]。

图3 南瓜籽油Logτmax与T之间的氧化稳定性

以国际单位制为基础，将数据整理可得出下面方程式，此方程式中的A和B参与动力学参数的计算[14-15]。

Logτmax=AT-1+B

(2)

式中：A为常数；B为常数；T为温度/K。

基于方程式(2)所计算的南瓜籽油的氧化动力学参数如表2所示，表2中包含的值有回归系数a，A，常数b，B，指前相关系数R2，活化能Ea，指前因子Z，速率常数k，活化焓ΔH++，活化熵ΔS++。

表2 以PDSC得出的结果为基础计算出的南瓜籽油的氧化动力学参数

由于Ozawa-Flynn-Wall方程可调整适用于等温过程，即可计算出活化能：

Ea=2.19×R×A

(3)

式中：R为气体常数；A为Logτmax=f(T-1)直线的斜率。

基于温度的倒数所确定的值和阿伦尼乌斯公式(4)即可算出指前因子Z和所有实验温度下的速率常数k：

(4)

式中：k为特定的速率常数。

温度系数Q10通过式(5)计算：

(5)

活化焓(ΔH++)和活化熵(ΔS++)可以使用过渡态理论获得，按式(6)计算[14-15]：

ln(k/T)=23.76+(ΔS++/R)-(ΔH++/RT)

(6)

油脂的氧化速率由多种因素影响，如脂肪酸成分，甘油三酯结构，催化剂，抑制剂等，PDSC法也无法避免这些影响，所以不同温度的速率常数不一样，如在120 ℃时的k值范围是(0.059±0.001)/min,高于Ciemniewska-Zytkiewicz等[12]研究的榛子油(0.031/min)、橄榄油(0.030/min)和菜籽油(0.049/min)，说明南瓜籽油的氧化速率比榛子油、橄榄油和菜籽油的氧化速率快。由表2可看出，油脂氧化反应速率常数k随着温度的增加而升高，与Adhvaryu[16]的结果相符。

在本研究中，Q10值表示较小的温度的变化导致油脂发生氧化反应速率的改变。Q10值在一定程度上也取决于我们所选的温度范围，对于本研究中的南瓜籽油，在从100 ℃到110 ℃和从140 ℃到150 ℃时，Q10值分别是2.176、1.887。说明100 ℃到110 ℃之间的氧化反应速率大于140 ℃到150 ℃之间的氧化反应速率，温度越低，温度改变对油脂的氧化反应速率的影响越大。Q10值平均值是2.020，说明温度每升高10 ℃，氧化反应速率加倍，符合范特霍夫经验规则。

ΔH++和ΔS++是通过直线的斜率和截距计算得到的。ΔH++的范围是(89.011±0.602)kJ/mol，ΔS++的范围是(-44.279±1.703)J mol/K。

南瓜籽油的Ea是(92.344±0.685)kJ/mol，而所研究亚麻籽油的Ea范围是(93.14～94.53)kJ/mol。对这两组数据进行显著性分析，P=0.266>0.05，说明南瓜籽油与亚麻籽油的Ea没有显著性差异，南瓜籽油中的多不饱和脂肪酸的含量与亚麻籽油中的多不饱和脂肪酸的含量相近。南瓜籽油的Ea与Adhvayu等[16]研究玉米油的Ea(77.78 kJ/mol)、Ciemniewska-Zytkiewicz等[12]研究榛子油的Ea(89.064 kJ/mol)相比，引发氧化反应所需要的活化能较高，可能是由于南瓜籽油所含有的多不饱和脂肪酸(亚油酸和亚麻酸)的含量没有玉米油和榛子油的高。Kowalski等[24]研究精炼菜籽油的Ea范围是(66.0～101.9)kJ/mol，与得到南瓜籽油的Ea相比，有高有低。冷压油开始进行氧化反应时需要较低的能量可能取决于很多因素：脂肪酸组成、内源性抗氧化剂和氧化剂等，不仅仅是因为温度条件的不同所引起的[25]，南瓜籽油Ea高可能是由于富含亚麻酸的油脂在与氧气接触的地方容易形成薄层，阻碍氧气的扩散，导致在薄层上残留高含量的不饱和脂肪酸[26]，它可以进一步减缓氧化速率和活化能。

2.4 货架期预测

由图3和表2中的数据和文献[12]可以得出南瓜籽油在高压和氧气中的氧化诱导时间比在常压和空气中的短50～78%，进而通过外推法[27-28]推导出南瓜籽油的货架期。为了保险起见，货架期最短预测情况如表3所示。

从表3可以看出，贮存温度从4 ℃升高到40 ℃，货架期从(557.335±31.562) d明显缩短为(38.930±1.293) d，说明温度对于货架期的影响很大。市售中的南瓜籽油的保质期是540 d，保存条件是置阴凉干燥避光处，开封后需冷藏，说明本研究中的货架期具有参考价值。

表3 南瓜籽油在不同温度下的货架期预测

3 结论

研究掌握植物油的氧化稳定性可以预测其质量变化，给出合理的操作参数和储存条件。PDSC提供了一种有效的方法对食品质量的稳定性进行研究，以指导食品加工和贮藏，PDSC同时预测了南瓜籽油在常压和空气气氛中的货架期。

本研究测定的南瓜籽油的氧化稳定性比榛子油、橄榄油、菜籽油的差，但是却比亚麻籽油的和亚麻荠油的氧化稳定性好。确定了南瓜籽油在氧化中的动力学参数：活化能(Ea)的范围是(92.344±0.685) kJ/mol，指前因子(Z)的范围是(1.121×1011±2.539×1010)，反应的温度系数(Q10)的范围是(2.020±0.009)，活化焓(ΔH++)的范围是(89.011±0.602) kJ/mol，活化熵(ΔS++)的范围是(-44.279±1.703) J mol/K。说明南瓜籽油的氧化速率比榛子油、橄榄油和菜籽油的氧化速率快，南瓜籽油中多不饱和脂肪酸(亚麻酸、亚油酸)的含量和亚麻籽油的多不饱和脂肪酸的含量相近，低于玉米油和榛子油的多不饱和脂肪酸含量。研究的结果证明PDSC法研究南瓜籽油的氧化稳定性和确定氧化中的动力学参数是可行的。

本研究预测了南瓜籽油在不同温度(5～40 ℃)和空气气氛下，货架期从(557.335±31.562) d明显缩短为(38.930±1.293) d，说明在加工与贮藏时最好在低温条件下。

研究结果表明南瓜籽油相对氧化稳定性有待提高，后续研究将针对添加合适的抗氧化剂来增强其氧化稳定性展开。

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