天然抗氧化剂对玉米油稳定性的影响

王 旭，赵 月，李婷婷，张如春，李 丹，刘 芳，郭文奎,2,*，于殿宇,*

玉米油又叫粟米油、玉米胚芽油，是从玉米胚芽中提炼出来的一种优质植物油脂[1]。玉米油中不饱和脂肪酸质量分数高达86%[2]，包含人体所必需的亚油酸和油酸[3]。因玉米油中不饱和脂肪酸含量较高，所以在贮藏运输中很容易被氧化酸败[4-5]。氧化酸败是指油脂曝露在空气中会自发地进行氧化[6]，这种氧化反应一旦开始，就会一直进行到氧气耗尽或自由基结合产生稳定的化合物为止。它经历了链引发、链传播、链终止这三大阶段的连锁反应[7]。这种油脂的过度氧化会产生哈喇味，从而严重影响产品的感官品质和食用品质[8]。

抗氧化剂是防止食品氧化变质的一种食品添加剂，能为易氧化物质提供氢原子，捕获并中和自由基。少量油脂抗氧化剂的（0.02%）存在就能使油脂经自动氧化产生的自由基还原成分子，从而延缓自动氧化过程，防止食品被氧化[9]。传统上使用的抗氧化剂基本上都是合成的[10]。但是自70年代以来，人们不断发现部分人工合成的抗氧化剂有一定的毒性[11]，影响人体呼吸酶的活性，有的甚至还有致畸、致癌作用，从而引起人们对其的不安全感[12]。因此，越来越多的国家开始限制或禁止使用某些合成抗氧化剂，寻找安全的天然抗氧化剂已成为食品添加剂的一个重要研究[13-14]。

VE是一种脂溶性维生素，其水解产物为生育酚，可有效对抗自由基，是应用最广的天然抗氧化剂之一[15]，现在玉米油中大多都是添加生育酚来延长货架期。β-胡萝卜素是类胡萝卜素之一，是橘黄色脂溶性化合物，它是自然界中最普遍存在也是最稳定的天然色素。β-胡萝卜素是自由基强有力的克星[16]，β-胡萝卜素可以作为一种抗氧化剂添加到玉米油中，可减缓玉米油的氧化。大量研究证明许多药草以及植物香辛料提取物都具有很好的抗氧化作用[17]，其中迷迭香提取物就是比较常见的一种，它对各种复杂的类脂物的氧化有强大的抑制效果[18]。Jongberg等[19]发现迷迭香提取物可以有效抑制脂肪氧化。在纯化玉米油中添加天然抗氧化剂，不仅可以使玉米油具有高抗氧化活性以延长保质期[20]，而且还可以作为脂质伴随物减少对人体健康的危害[21]。Vieira[22]和Sultana[23]等报道纯化后玉米油的稳定性相对于添加抗氧化剂后玉米油的稳定性较差，所以本实验向纯化玉米油中添加3 种天然抗氧化剂，以提高玉米油的稳定性。

本实验将生育酚、β-胡萝卜素和迷迭香提取物作为抗氧化剂添加到纯化玉米油中，对比纯化玉米油，研究添加抗氧化剂后玉米油的稳定性及抗氧化规律，采用Schaal烘箱加速氧化法，测定玉米油的过氧化值（Peroxide value，POV）、茴香胺值（p-anisidine value，PAV）和酸价（acid value，AV），利用Arrhenius公式，推测出添加不同天然抗氧化剂后，玉米油在不同温度条件下的贮藏时间，为提高玉米油的货架期提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

一级玉米油 益海嘉里（哈尔滨）粮油食品工业有限公司；生育酚（生物试剂，纯度99%） 西安百川生物科技有限公司；β-胡萝卜素（生物试剂，纯度97%）赣州华汉生物科技有限公司；迷迭香提取物（生物试剂，纯度98%） 西安四季生物科技有限公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HWS-280型数显智能恒温恒湿箱、FA505N型万分之一天平 上海丙林电子科技有限公司；KMS-151E型磁力搅拌器 精凿科技（上海）有限公司；DL-720E型智能超声波清洗器 上海之信仪器有限公司；3L-ARE型旋转蒸发器 上海皓庄仪器有限公司；UV7型分光光度计、Pipet-Lite XLS＋型手动单道移液器 梅特勒-托利多国际有限公司；UV-2800型双光束分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司；ZJH罗茨真空泵 海门市华丰真空设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米油的纯化

玉米油含有的抗氧化剂会对本实验结果产生影响，因此抗氧化实验需要对玉米油进行纯化，在Jung等[24]的提纯油脂方法的基础上稍加修改，除去玉米油里原有的抗氧化剂，得到较为纯净的油脂。

1.3.2 油样的制备

分别称取0.02 g（精确至0.001 g）的生育酚、β-胡萝卜素和迷迭香提取物，分别添加到100 g（精确至0.1 g）玉米油中，先经磁力搅拌10 min让生育酚、β-胡萝卜素和迷迭香提取物溶解，再经过超声处理10 min让生育酚、β-胡萝卜素和迷迭香提取物与玉米油更好地结合，纯化的玉米油经上述同样处理作空白对照。制备好的样品放在锥形瓶中，并用锡纸包裹。

1.3.3 油样的加速氧化

采用Schaal烘箱法加速玉米油的氧化。制备好的油样分别放在30、40、50、60 ℃的恒温培养箱中，每隔6 d取油样分别测定其POV、PAV、AV。

1.3.4 油脂理化指标的测定

POV测定采用GB 5009.227—2016《食品中过氧化值的测定》；PAV测定采用GB/T 24304—2009《动植物油脂茴香胺值的测定》；AV测定采用GB 5009.229—2016《食品中酸价的测定》。

1.3.5 油脂氧化动力学反应模型建立

大量研究表明，零级动力学方程与一级动力学方程可以很好地描述食品在贮藏过程中品质的变化[25]。零级动力学方程和一级动力学方程如式（1）、（2）所示：

式中：c为t时油脂理化指标的值/（mmol/kg）；c0为油脂理化指标的初始值/（mmol/kg）；k为反应速率常数；t为时间/d。

1.3.6 货架期预测

上述动力学方程中的化学反应速率常数k随食品贮藏温度变化的关系可由Arrhenius公式表示，从而预测货架期，如式（3）所示：

方程两边同时取对数，可得到Arrhenius公式的对数形式，如式（4）所示：

式中：T为绝对温度/K；k为温度T时的反应速率常数；A为指前因子，也称为阿伦尼乌斯常数；Ea为实验活化能，一般可视为与温度无关的常数/（J/mol）；R为摩尔气体常数/（J/mol•K）。

1.4 数据处理

所有实验数据均重复3 次测定，结果取平均值，数据采用Origin 8.5软件进行分析和绘制，用SPPS 19.0软件进行数据拟合。

2 结果与分析

2.1 油脂纯化

由于一级玉米油中含有少量的VE，以及一些可以导致油脂氧化酸败的物质，它们的存在会对实验结果产生影响，因此要把这些物质去除，结果如表1所示。

表1 玉米油纯化前后各指标的变化Table 1 Changes in various indexes before and after purification of corn oil

从表1可以看出，纯化前玉米油的POV、PAV和AV分别为0.91 mmol/kg、0.53和0.11 mg/g，纯化后数值明显降低；而VE纯化后未检出，说明纯化效果较理想。且研究发现纯化前后基本不会影响玉米油的脂肪酸组成。

2.2 温度对油脂POV的影响

POV是衡量油脂酸败程度的指标[26]，一般来说POV越高油脂的酸败越重[27]。油脂在败坏的过程中，不饱和脂肪酸被氧化，形成活性很强的过氧化物，该值越大，表示油脂的氧化程度越严重，油脂越不可食用。由图1可知，在同一温度条件下，添加同一种抗氧化剂后玉米油的POV随着时间的延长而增大。因不饱和脂肪酸中含有大量的双键，在高温与长时间接触空气的情况下，玉米油就会不断发生氧化，直至双键完全消失才会终止氧化。通过对比可知，随着温度的升高，POV也随之增加。在油脂氧化中温度是一个重要因素，随着温度的升高，反应速率也会升高，会加速油脂的氧化，从而导致油脂的POV不断升高[28]。例如，在30 ℃时，添加生育酚的玉米油在经过36 d的持续氧化后，POV从初始的0.10 mmol/kg升高到1.76 mmol/kg，而在60 ℃时，添加生育酚的玉米油同样经过36 d的持续氧化后，POV却高达42.00 mmol/kg，已经严重超过了国家规定一级玉米油POV的标准5.00 mmol/kg。从总体来看，未添加抗氧化剂的纯化玉米油抗氧化能力最差，添加不同抗氧化剂的玉米油抗氧化能力也不同，且添加迷迭香提取物后玉米油的抗氧化能力最强，添加生育酚的玉米油的抗氧化能力最弱。

图1 温度对油脂POV的影响Fig. 1 Effect of temperature on oil POV

2.3 温度对油脂PAV的影响

图2 温度对油脂PAV的影响Fig. 2 Effect of temperature on oil PAV

PAV是油脂中的次级氧化产物，即羰基化合物的含量[5]。PAV越大，样品中的醛类物质含量越高，脂肪的氧化劣变程度越严重[29]，说明油样被氧化的程度越严重。由图2可知，在同一温度条件下，随着氧化时间的延长，玉米油的PAV也随之增大，且温度升高变化的幅度越大。例如，在30 ℃时添加迷迭香提取物的玉米油经过36 d的加速氧化后，PAV只有1.40，而在60 ℃时添加迷迭香提取物的玉米油，同样经过36 d的加速氧化，PAV已经高达5.76。也可整体看出3 种抗氧化剂在同一温度条件下的抗氧化能力为迷迭香提取物＞β-胡萝卜素＞生育酚。

2.4 温度对油脂AV的影响

图3 温度对油脂AV的影响Fig. 3 Effect of temperature on oil AV

AV是对化合物（例如脂肪酸）或混合物中游离羧酸基团数量的一个计量标准[30]，是脂肪中游离脂肪酸含量的标志，AV越小，说明油脂质量越好。油脂在烘箱氧化过程中，受持续高温的影响，脂肪酶活性较高，而脂肪酶的作用会使植物油脂中游离脂肪酸的含量升高，从而造成AV过高。由图3可知，在60 ℃时，再添加过抗氧化剂后玉米油的初始AV只有0.01 mg/g，在经过36 d的持续高温氧化后，分别添加生育酚、β-胡萝卜素和迷迭香提取物的玉米油的AV分别升高到0.84、0.75、0.68 mg/g，均严重超过了国家规定的一级玉米油的AV标准0.20 mg/g。这说明持续的高温会加速玉米油的氧化，也可推测出3 种抗氧化剂的抗氧化能力为迷迭香提取物＞β-胡萝卜素＞生育酚。

2.5 添加抗氧化剂后玉米油的氧化动力学反应模型

表2 空白对照组玉米油POV的回归方程Table 2 Regression equations for POV of corn oil in blank control group

表3 添加生育酚组玉米油POV的回归方程Table 3 Regression equations for POV of corn oil in tocopherol group

表4 添加β-胡萝卜素组玉米油POV的回归方程Table 4 Regression equations for POV of corn oil in β-carotene group

表5 添加迷迭香提取物组玉米油POV的回归方程Table 5 Regression equations for POV of corn oil in rosemary extract group

预测货架期可以根据POV与AV来预测[31]，但AV与POV的关系为：AV高，POV一定高，但POV高，AV不一定高。用AV预测玉米油的货架期误差比较大，所以本实验用POV来预测玉米油的货架期。为更好研究添加抗氧化剂后玉米油的氧化动力学，分别用零级反应方程与一级反应方程对玉米油不同温度条件下POV进行拟合，结果如表2～5所示。同一温度条件下，零级反应方程的相关系数均大于一级反应方程的相关系数，拟合度更高，各回归方程线性相关且相关度均显著[32-33]。说明添加抗氧化剂后，玉米油的氧化符合零级动力学方程。

图4 玉米油POV变化的Arrhenius曲线Fig. 4 Arrhenius curve of corn oil POV

表6 玉米油的氧化反应动力学模型Table 6 Kinetic model for oxidation of corn oil

2.6 货架期的预测

国标规定一级玉米油的POV不超过5.00 mmol/kg，以POV为5.00 mmol/kg作为一级玉米油的货架期终点（初始POV为0.10 mmol/kg），根据添加抗氧化剂后玉米油的氧化动力学模型，进行玉米油货架期的预测。由表6可计算出玉米油在不同温度条件下的反应速率常数，代入零级反应方程，可得出玉米油添加不同抗氧化剂后的货架期。由表7可知，添加抗氧化剂后玉米油的货架期随着温度的升高而缩短。在室温（25 ℃）条件下，添加迷迭香提取物的玉米油货架期为27 个月，添加生育酚的玉米油货架期有19 个月，但是未添加抗氧化剂的纯化玉米油货架期只有15 个月，说明玉米油中添加迷迭香提取能增强其稳定性并延长货架期。由表7也可得出，3 种抗氧化剂的抗氧化能力为迷迭香提取物＞β-胡萝卜素＞生育酚。

表7 不同温度条件下玉米油的货架期Table 7 Shelf life of corn oil at different temperatures

3 结 论

添加不同天然抗氧化剂后，玉米油的货架期也不尽相同，且添加过抗氧化剂后玉米油的氧化遵循零级化学反应；反应速率的对数与温度的倒数成线性关系。得出添加生育酚、β-胡萝卜素和迷迭香提取物后的动力学模型，由此推测出添加3 种抗氧化剂后，一级玉米油在不同温度条件下的货架期。以迷迭香提取物为抗氧化剂添加到玉米油中，可明显提高玉米油的货架期。