贮存容器顶空率对氧化大豆油电导率的影响

刘志明 孙清瑞 唐彦君 张艺玮 刘肇文 刘烁菲

(黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319)

大豆油(soybean oil，SO)因含有丰富的不饱和脂肪酸(unsaturated fatty acid，UFA)而易发生氧化[1-2]，其氧化是深受氧气、温度、湿度、光照、酶和金属离子等因素影响的复杂过程[3-4]，结果导致色味劣化，产生的有害物质危及摄食者健康[5-8]。SO贮存容器顶空率(Head Space Rate，HSR)是指SO贮存容器或氧化试验容器中油上部空气体积占容器容量的百分率，它是影响油脂氧化重要因素之一。SO在长期贮存和缓慢食用过程中难免接触空气，贮存时油气量比(反映贮油容器HSR)及其接触空气时间等问题不容忽视。SO的氧化与其贮存时容器HSR及HSR变化极为相关，研究HSR对SO氧化的影响十分必要。至今国内鲜见到关于HSR影响SO或其他食用油氧化问题的研究报道，现有与“顶空”相关的研究主要集中在检测技术方面，如顶空固相微萃取-气相色谱分析技术、静态顶空GC-MS分析技术、顶空气相色谱法等，主要用于溶剂残留分析、油脂鉴别、贮存期内质量跟踪(通过顶空气体指纹分析研究产品贮藏期内质量变化规律)等，与HSR略相关的只有开、闭口容器贮存状况下氧化程度比较[9-10]和包装内顶空气体对货架期的影响[11-12]，均未定量研究或讨论HSR对油脂氧化影响问题。国外有人报道过顶空体积、顶空氧浓度和油样表面积-体积比对油脂氧化有影响[4]。

SO发生氧化时产生过氧化物、游离脂肪酸、羰基化合物等极性物质[1,4,5]，随着氧化程度不断加重，可电离的极性物质愈来愈多，氧化油样的极性溶剂萃取液导电性也随之增大，故可用电导率(κ)反映该变化。油脂κ的测定方法很多，关键技术是萃取液选择与萃取分离工艺。萃取液主要有水[13]、水-正己烷[14]、丙酮[15]、水-乳化剂[16]和水-石油醚[17-18]等。在水-石油醚萃取液中，水极性强(极性指数10.2[19])，能溶出油样中极性物质，石油醚非极性强(极性指数0.01[19])，可溶解并稀释油样，加之水与石油醚密度悬殊，其混合物一同与油样接触时，可促进油样中极性物质和非极性物质的分离，故水-石油醚萃取液较佳。萃取方式有手摇[13]、机械搅拌[20]、超声震荡[21]等。手摇程度不易掌握，效果差；超声震荡易乳化，难分离，影响电导率测定，故以适度机械搅拌为宜。水-石油醚比例和萃取时机械搅拌(速度和时间)及静置分离条件(静置时间、分离器具)等均有较大影响。试验改进了以水-石油醚为萃取液的萃取分离技术，以κ为表征参数，在不同HSR下进行加速氧化试验，定量研究和描述HSR对大豆压榨油(squeezed soybean oil，SSO)、大豆浸出油(extraction soybean oil，ESO)、大豆调和油(blended soybean oil，BSO)氧化的影响。

1 试验方法

1.1 材料与仪器

SSO(热笨榨油)、ESO(非转基因大豆油)：均符合GB/T 1535—2003[22]三级品要求；BSO：配料为大豆油、油菜籽油、葵花籽油、玉米油、花生油、稻米油、芝麻油和亚麻籽油，SFA∶MUFA∶PUFA为(0.2～0.3)∶(0.6～1.0)∶1.0；石油醚(AR)：沸程60～90 ℃；蒸馏水：符合 GB/T 6682[23]二级水要求；一次性注射器(2 mL)及针式过滤膜(有机型，0.45 μm孔径)等。

FE30型电导率仪；JK-EAB-3104N型电子天平；TES数位式照度计；AR847+型温湿度计；DGG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱；HJ-3型恒温磁力搅拌器。

1.2 试验方法

1.2.1 试样氧化

在温度50 ℃、氧分压21 kPa[大气氧分压，p(O2)]、室内相对湿度(RH，40%)和光照度(840 lx，室内日光折射处光照度，通过调整LED灯位置和角度控制，用照度计测定)的前提下，分别在20%、35%、50%、65%和80%的HSR条件下密闭氧化试样(即油样)。用1 L容积的农夫山泉母婴矿泉水瓶(规则柱状，透明。预画出刻度)盛样，在电热恒温鼓风干燥箱内进行氧化试验。每个HSR试验条件下做3个平行样，连续氧化21 d，每7 d测定1次试样κ值(到设计测样时间时取出盛样容器，摇匀并取出试样，氧化时间以小时计)。

1.2.2 电导率测定

以80:10体积比的水-石油醚混合物为萃取液。称取试样20.0 g(称准至0.1 mg)，放入100 mL烧杯中，加入10 mL石油醚，用磁力搅拌器缓慢搅拌2 min，加入80 mL蒸馏水，再严格控制搅拌速度连续搅拌20 min，将液体全部转入125 mL分液漏斗中，静置40 min，缓慢地将水相液体全部放入100 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，摇匀。依试样水相萃取液κ值范围选择校准液，校准电导率仪，测定水相萃取液κ，并进行平行样和空白样测定。水相萃取液κ测定值减去蒸馏水κ测定值即为试样κ值，并将其校准到25 ℃。

2 结果分析与讨论

SSO、ESO与BSO的各HSR下氧化试样的不同氧化时间(t)时的κ测定数据分别如图1和表1所示。连续氧化21 d时，HSR与κ的关系曲线如图2所示。

图1 各HSR下不同SO氧化试样的κ与t关系曲线

图2 κ与HSR关系曲线

数据表明，在温度、相对湿度、初始氧分压和照度相同时，20%、35%、50%、65%和80%的5种HSR氧化条件下，连续21 d的氧化时间内：1)SSO、ESO和BSO三种SO的κ～t曲线均呈二项式关系，有很好的正相关性，相关系数R在0.982 4～1.000 0之间(如图1～图3所示)。无论在何HSR下，κ总是随t的延长而增大，这反映出t越长氧化产生的极性物质越多；2)三种SO的κ值均随HSR增大而升高(如图2所示)，κ和HSR亦为二项式关系。对SSO，κ=8×10-5HSR2+0.009 4 HSR+1.892 9(R2=0.997 1)；对ESO，κ=3×10-4HSR2-0.011 6 HSR+0.504 1(R2=0.989 6)；对BSO，κ=-3×10-5HSR2+0.020 5 HSR+0.204 3(R2=0.961 1)。

表1 三种大豆油在五个HSR下的氧化试验数据

在非真空、非气调情况下，其他条件相同时，HSR越大，氧气量越充足，一般试样氧化程度越高、一定时间内的氧化速率愈快。HSR的大小反映的是密闭容器内氧气(实为空气)相对量的多少，即顶空气体氧化能力的相对强弱。固定规格的容器中油量一定时，HSR小意味着油相对量大，容器内空气量少，顶空气体相对氧化能力弱，油发生氧化的相对量趋少，其氧化程度趋轻；HSR大，油相对量少，顶空气体相对氧化能力则强，试样氧化程度趋重。Eunok Choe等[4]曾报道：当油样体积小或油样表面积与其体积比高时，氧和食用油能更有效地反应。所言即为此理。因此，SO的氧化表面看是受HSR影响所致，实质上是其氧氛围在发挥作用；3)原始试样κ值依BSO、ESO、SSO顺序递增，氧化试样κ值依ESO、BSO、SSO次序渐大。三种SO的κ值差异较大，可能与其生产工艺[24]、组成[25]和有无添加物[26]有关。

理论上可采取控制温度、光照、水分，添加抗氧化剂，选择隔光、密闭性好的非金属包装，充氮或真空包装等保质贮存措施[27]，但HSR对SO氧化的影响不易消除。无论如何控制影响SO氧化的其他因素(温度、氧分压、相对湿度、照度等)，在不大幅增加包装成本的前提下，HSR问题都难以解决。采用小、微型包装或其他定量包装，其容量均不易与单次消费量匹配(除非采用精细化容量包装)，包装成本亦会大增。虽然真空贮油保质效果好，但通常的真空包装或气调包装不适于多次使用同一包装内SO的情况，而该情况又最为普遍。因此，对于日用量较少的情况，SO宜采用特殊真空包装，以解决食用过程中因HSR逐渐增大而加重其氧化问题。刘志明等[28]设计了一种家庭食用植物油贮存桶，在不锈钢贮油容器内安有弹簧与活塞，可实现食用油的绝氧、避光与隔潮贮存，虽然包装容器制造成本高，但可长期反复使用，包装成本随使用次数增多而逐步降低。工业规格贮油罐引入以活塞隔绝空气的设计亦可起到同样效果。

试样氧化条件与实际情况既有相符性，又有差异性。试验是在5种固定HSR下氧化试样的，而现实的食用油包装状况是初始HSR较小且较为固定，使用中HSR不断增大，并且同一包装内HSR的变化，具有时间的不确定性和速率的不一致性。SO消费过程中HSR总是明确地增大，但另一氧化重要影响因素p(O2)(即顶空氧浓度)却处于不明确的变化之中。在密闭容器内特定初始HSR下的氧化过程中，p(O2)和HSR均不断发生变化，且该变化因初始HSR或试样面积体积比不同而异。控制氧分压时，在封闭试样恒温后，须轻轻地拧开盛样容器盖，将容器内因升温后膨胀空气产生的过压泄掉，再拧紧容器盖，虽在恒温下容器内同时获得大气压力和大气氧分压，但致氧气总量略低于恒温前的室温状态，并且HSR越大，容器内氧气总量越低，在HSR设计合理时也可能无显著影响，即便有影响，由此产生的相对误差亦非越来越大。

由于SO氧化的影响因素较多，其氧化程度是与试验条件和方法相对应的，若改变氧化条件或κ测定方法，κ值可能不同，甚至κ与HSR的数学关系也可能改变。

3 结论

SO氧化的电学规律性较强，可用κ描述其过程。在其他氧化条件相同时，HSR对SO氧化程度影响甚大。用体积比8010的水-石油醚混合物作萃取液，在严格控制搅拌速度、搅拌时间和静置时间条件下，测定SO氧化试样水相分离液的κ，试验条件下HSR越大、t越长，κ越大，氧化越严重。κ～t曲线和κ～HSR曲线均符合二项式数学关系，且呈较好正相关性。HSR对SO试样κ的影响，依SSO、ESO、BSO顺序分别为κ= 8×10-5HSR2+ 0.009 4 HSR+ 1.892 9、κ= 3×10-4HSR2-0.011 6 HSR + 0.504 1和κ= -3×10-5HSR2+ 0.020 5 HSR + 0.204 3。

试样是在统一规格圆筒状容器内氧化的，未考虑容器径高比(内截面积与高度之比，引申为一定量油的表面积与体积之比)的影响。和HSR一样，径高比也是影响油脂氧化的重要因素。静态氧化试验中或通常贮油条件下，包装内的油脂氧化主要发生在油-气界面，即使同样的顶空体积或HSR，空气与油接触面积不同，氧化程度会有显著差异，故细高容器比粗矮容器更有利于油脂的保质贮存。

HSR既是SO氧化的重要影响因素，又是食用植物油贮存和消费过程中普遍存在的复杂问题，在实际贮存条件下，须有针对性地深入研究并加以解决。大容器贮存的食用植物油的销售过程及小包装贮存的食用植物油的消费过程均涉及HSR自小而大的变化，且消费过程中多次开、闭包装，使包装容器内消耗的氧气得到不断补充，故该情况属于HSR递进式变大过程，该问题的研究对于选择正确而有效的贮存方式尤为重要。在当前严控使用抗氧化型食品添加剂(限剂和限量)和食品安全备受重视的形势下，从包装设计入手，尽量消除或减小HSR的影响是解决SO使用过程中保质贮存的根本性措施。