菜籽油精炼热处理对紫外光谱的影响

2018-07-12余盖文王明明李云雁刘大川

中国粮油学报 2018年6期

余盖文刘晔王明明李云雁刘大川

(武汉轻工大学化学与环境工程学院1，武汉 430023) (武汉轻工大学食品学院2，武汉 430023)

精炼加工是去除毛油杂质、保障油品质量的关键环节，对于食用油的营养价值及加工性能产生重要影响[1-2]。然而，过度精炼加工不仅造成毛油中营养成分的损失和能耗物耗增加[3]，还会导致有害物的生成[4]。因此，掌握油脂精炼过程中有害物的形成规律，探索有害物的防控方法，发展轻简化的适度精炼工艺成为当前研究热点之一[4-6]。

常规油脂精炼加工中，脱胶、脱酸、脱色和脱臭等操作均不可避免地涉及一定程度的热处理，而绝大部分危害物的形成均与热处理相关。在受热条件下，油脂可发生氧化、水解、异构化以及聚合等变化[7]，形成包括反式脂肪酸、聚氧化甘油酯、氯丙醇酯等在内的多种危害物[7-9]。因此，建立对于油脂受热处理程度的综合表征指标及方法，对于油脂精炼加工危害物的防控具有重要价值。考虑到油脂经历热处理后，脂肪酸碳链上引入杂原子、烯键重排共轭化、聚合及环化等行为均能为紫外吸收光谱所表征，故在本研究中以菜籽油为典型大宗油品样本，考察精炼加工操作对油品紫外吸收光谱的影响，提取可用以表征油脂热处理程度的特征信息，为油脂精炼热处理进程的表征及危害物形成风险的评估提供快捷灵敏的技术手段。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菜籽：安陆天星粮油机械有限公司；活性白土：江西永平元昶膨润土有限公司；氮气：武汉市明辉龙祥特气营销部，纯度99.99%；所用化学试剂均为分析纯。

1.2 设备与仪器

主要实验仪器：HJ-L-20榨油机：武汉好机汇机械设备制造有限公司；DF-1集热式磁力搅拌器：常州国华电器有限公司；NC-2064高速离心机：安徽中科中佳科学仪器有限公司； RE-52AA旋转蒸发器：上海垒固仪器有限公司；SZCL-2数显智能控温磁力搅拌电热套：巩义市予华仪器有限责任公司；V-i120SV真空泵：浙江飞越机电有限公司；TU-1901双光束紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限公司。

光谱薄膜样品池为自制仪器(如图1所示)，由精密垫片、石英片、夹持片等构成。其中精密垫片中部设有圆形样品孔，与其两侧的石英片构成的薄膜状空间用以承载待测油样。样品池光程可通过精密垫片厚度(在0.01～0.1 mm可选)调节，组合后插入紫外-可见光分光光度计光路中即可采集光谱信号。

图1 薄膜样品池示意图

1.3 实验方法

1.3.1 菜籽油精炼

称取一定量菜籽置于60 ℃烘箱中预热20 min后入榨，油相经过滤除杂后得菜籽毛油。将所得菜籽毛油于水浴中加热到90 ℃，在120 r/min搅拌条件下均匀缓慢滴加油重5%的去离子水并持续搅拌至设定时间后，以1750×g离心20 min并取上清液，在90 ℃和-0.1 MPa下真空干燥得菜籽脱胶油。将所得菜籽脱胶油置于水浴中加热到90 ℃，在上述搅拌速度下均匀缓慢滴加油重5%的5%NaOH溶液，并持续搅拌至设定时间，取油体积5%的去离子水洗涤直至水相pH值达中性，然后在上述相同条件下离心分离并真空干燥得菜籽脱酸油；在菜籽脱酸油中加入5%的白土，抽真空并加热到82 ℃，以200r/min搅拌至设定时间，离心分离废白土得菜籽脱色油；在-0.1 MPa真空下，将对菜籽脱色油通N2加热至230 ℃，至设定时间后用水浴冷却至60 ℃以下得菜籽脱臭油。

1.3.2 油品紫外光谱采集

将薄膜样品池的光程设置为0.05 mm，滴加待测油品于样品孔中，组合样品池并置于紫外分光光度计光路上。以1 nm的波长分辨率和120 nm/min的扫描速度采集样本在200～350 nm波段间的吸收光谱信号，再以350 nm处吸光度为基准，采用双波长法校正油品紫外吸收光谱曲线。

1.3.3 光谱信号处理

油品紫外光谱在不同波段分别经一阶导数变换及双波长差处理得到D245和R272两个特征参数。其中D245值采用公式计算：

D245= |A247-A243| / 4×100

式中：A243和A247分别为243 nm和247 nm处吸光度值；D245值为245 nm处吸光度随波长变化率的绝对值放大100倍。而R272则采用公式计算：

R272=(A272-A282) /A282×100

式中：A272和A282分别为样本在272 nm和282 nm处的吸光度。

基于以上特点，此阶段要综合考虑能力和风险两个问题。家族掌握控股所必需的份额，企业决策由企业主及家族成员把舵，具体的职能部门和小的经营事务由专业人士来管理，组建成一个以内为主、内外兼容的企业组织结构，逐渐建立和完善规范化管理制度，实现由家长式管理向科学决策和管理的机制过渡。企业若不能突破家族经营制束缚，往往就此止步，甚至逐渐衰败倒闭。

2 结果与讨论

2.1 菜籽油的紫外光谱特征

由于紫外分光光度计广泛普及且操作简便，因此许多研究者采用紫外光谱表征食用油脂化学特征[10-12]，欧盟也在橄榄油品质标准中列入K232和K270等指标[11]。然而，在采集紫外吸收信号前，往往需采用环己烷、己烷或异辛烷等溶剂对油品实施大比例稀释(100～1 000倍)[10-12]，不仅操作复杂而且引入稀释误差及溶剂干扰，降低了光谱分析的可靠性和通用性，因此油脂的紫外吸收信号往往只被用作一种参考性指标。在本研究中，采用薄膜样品池直接采集油品紫外光谱信息，光程仅有标准比色皿(10 mm)的数百分之一，可避免稀释操作的局限且能在5 min内完成采样分析，有利于准确刻画油脂经历精炼热处理时的化学变化。

图2显示了菜籽低温压榨毛油及其经历各阶段精炼加工后的紫外吸收光谱。所有油品均在210 nm附近出现最强吸收信号，但无法体现出差异；在230 nm附近，各油品的光谱中出现强弱动态范围极大的吸收峰，是脂肪酸上共轭二烯及α，β-不饱和醛酮两类二元共轭结构的共有吸收特征[13]；在270～285 nm波段，各油品显现强弱不一的宽幅吸收，则主要与脂肪酸碳链上的共轭三烯有关[13]；脱臭菜籽油还在305 nm和320 nm开始出现吸收信号，显示更为多元的共轭结构生成[14]。由此可见，在经历不同阶段精炼加工后，菜籽油的吸收光谱在230 nm和272 nm附近凸显差异，分别反映二元和三元共轭结构的形成及累积。

图2 菜籽毛油及各阶段精炼油的紫外光谱曲线

需要说明，天然菜籽油的脂肪酸中并不含有共轭结构，但在经历热处理时可发生多种形式的共轭化转变：1)热诱导烯键重排形成共轭烯键结构，并随机生成多种顺反异构混和产物[15]；2)氧化重排导致烯键迁移并形成共轭烯键产物，其中反式结构因热稳定性较高而更易积累[16]；3)初级氧化所生成的氢过氧化物分解产生次级氧化产物，产生α，β-不饱和醛酮等共轭化产物[2]；4)氢过氧化物分解产生烯醇结构，进而发生分子内脱水环化而生成共轭烯键[17]。其中2)、3)类共轭化产物还将进一步参与氧化聚甘油酯的生成[7]。由此可知，利用紫外特征信号表征脂肪酸共轭化信息，对于油脂精炼危害物，尤其是反式脂肪酸以及氧化聚甘油酯的生成及积累具有明确指向性。

2.2 油脂紫外特征信号的提取

利用薄膜样品池可快速采集油脂紫外吸收光谱信号，但直接利用吸光度值反映油脂化学特征存在较大局限性。其中230 nm附近的吸收信号变异范围极大，往往超出分光光度计定量测定范围，此外还易于受到210 nm吸收拖尾信号的重叠干扰；而270～285 nm波段的吸收信号虽变化趋势稳定但变化幅度偏低，易于受到基线扰动及临近吸收峰的重叠干扰。针对上述局限性，经对比分析发现分别采用一阶导数和双波长差处理，可较好地提取上述两个波段的烯键共轭结构的特征信号。

图3 二元共轭吸收特征信号的提取

图4 三元共轭吸收特征信号的提取

由图2可知，在230 nm菜籽油吸光度信号变化幅度极大，往往超出光谱定量测定范围；而图3则显示，经过一阶导数处理，在245 nm附近获得吸光度随波长变化的增量数值，可反映230 nm处二元共轭吸收峰的陡峭程度和吸收强度，并能避免因210 nm强吸收拖尾信号导致的重叠干扰。由于一阶导数数值较小，将优选波长下导数值放大100倍并记为D245，用于表征油品中二元共轭结构的多寡。

由图4可见，热处理油脂在270～285 nm区间的吸收区存在272 nm和282 nm两个吸收峰，在油脂受热处理后二者均可稳定地上升，但272 nm信号上升幅度显著大于282 nm信号。利用这一特性，采用双波长差可消减临近峰重叠干扰；进而以282 nm吸光值为基准引入波长比处理，又可消除基线波动的影响，所得比值放大100倍记为R272，用于表征油品中三元共轭结构的多寡。

2.3 脱胶操作的影响

脱胶是去除毛油中水溶性及水合性杂质的常规操作，根据不同的脱胶工艺，油脂可在60～90 ℃范围内与水、酸、无机盐以及空气等发生接触[18]。在本研究中，选择常规水化脱胶工艺，考察高温水化脱胶条件下(90 ℃)菜籽油紫外光谱的变化规律，结果如图5所示。

a 紫外光谱曲线

b 特征参数曲线
图5 脱胶时间对菜籽油紫外光谱的影响

2.4 脱酸操作对紫外光谱图的影响

对于游离脂肪酸含量不高或不饱和度较高的油品，碱炼脱酸操作较为适宜，因此在工业上应用更为普遍。在本研究中，选择高温碱炼操作考察菜籽油紫外光谱的变化规律，结果如图6所示。

a 紫外光谱曲线

b 特征参数曲线
图6 碱炼时间对菜籽油紫外光谱的影响

图6a显示，在碱炼脱酸热处理条件下菜籽油紫外光谱总体变化仍不明显。而从图6b中则可看出，D245先经历短暂的快速上升，随后即趋于稳定；R272则在120 min内上升5.0个单位，然后趋于稳定；较之脱胶处理R272同期仅上升2.1个单位，显示菜籽油在碱炼中共轭结构累积更快。这是由于碱对烯键重排有催化促进作用，因此即便处理温度相同，脂肪酸烯键共轭化趋势也更为明显。

2.5 脱色操作对紫外光谱图的影响

脱色操作对于控制油品色泽十分重要，主要通过物理吸附去除色素成分[15]。由于脱色操作通常在真空下实施，故因氧化引发的脂肪酸烯键迁移风险较低。在本研究中，选择典型的菜籽油脱色温度考察脱色时间对油脂紫外光谱的影响，结果如图7所示。

a 紫外光谱曲线

b 特征参数曲线
图7 脱色时间对菜籽油紫外光谱的影响

由图7a可见，脱色操作对于菜籽油紫外吸收的影响主要仍然体现在230 nm和272 nm附近波段。图7b显示，脱色操作中D245值先下降了0.35个单位，然后才逐步上升，表明活性白土对脱酸油中积累的α，β-不饱和醛酮产物产生吸附和脱除作用，但随着热处理的持续又开始产生新的二元共轭结构。而R272值则持续上升，显示三元共轭结构是不断累积且不易为白土所吸附的。

2.6 脱臭操作对紫外光谱图的影响

脱臭是在高温高真空条件下分离油脂中挥发性成分的解吸操作，不仅可脱除异味和提高烟点，也可用于游离脂肪酸的脱除(物理精炼)。通常，脱臭操作温度高达200 ℃以上，对于精炼危害物防控而言是最为值得关注的环节。脱臭操作时间对于菜籽油紫外光谱的影响如图8所示。

由图8a可见，脱臭操作对菜籽油紫外光谱产生大范围影响，在230 nm和272 nm附近均出现大幅且有规律的吸收信号增长，而在305 nm和320 nm也开始出现小幅的吸收增强。图8b显示随脱臭时间的延长，D245在开始阶段显示缓慢增长，但25 min后急速上升，5 min内D245的增幅即高达7.2个单位，分别达到脱胶和脱酸D245值同期增幅的11.3和15.2倍;而在30 min内R272值增长了18.2个单位，是脱胶和脱酸R272值同期增幅的33.4倍和77.8倍。该现象表明，脱臭操作中，二元和三元共轭结构都可快速积累，尤其当脱臭时间超过25 min将导致精炼危害物的形成风险急剧增加。