核磁共振氢谱法在食用油研究中的应用

杨登辉，江秀明*

（河南工业大学化学化工与环境学院，河南 郑州 450001）

食用油是含有多种化合物的混合物，主要由多种脂肪酸甘油酯与少量游离脂肪酸和其它非极性化合物构成。这些脂肪酸主要为不饱和的油酸、亚油酸和亚麻酸与饱和的棕榈酸、硬脂酸。油脂的测定方法有很多，传统测定油脂指标的方法主要集中在气相色谱[1]、液相色谱[2]及其联用技术。气相色谱法，也是国家标准方法，该方法在测定前需要先进行甲酯化，且测定耗时较长。在液相色谱法中，油脂同样也需要进行衍生化处理。然而，这些方法繁琐，具有破坏性，并且通常需要复杂的样品预处理。因此，为了克服这些缺点，最近应用了许多快速、非侵入性和可重复的技术，包括红外光谱[3]和近红外光谱[4]、拉曼光谱[5]等。红外光谱是根据各个官能团的特征吸收峰进行定性、定量分析，具有快速简便的优势。而近红外光谱则是通过采集光谱信息，结合化学计量学方法进行油脂的分析。红外光谱法需要进行样品的预处理，近红外光谱法几乎无需样品前处理，但后期建立模型较为繁琐。与上述方法相比较而言，核磁共振氢谱法显示出较多优势。它利用不同的质子氢与相应的脂肪酸建立起来的对应关系，利用峰面积进行分析，不依赖标准物质。因此核磁共振技术在油脂研究中越来越受到重视，也成为传统色谱方法潜在的良好替代法。

1 油脂指标的1H NMR 分析

油脂是由长链的脂肪酸甘油三酯组成，核磁共振氢谱能够提供油脂中化合物的氢原子信息，由于受到不同基团的影响，油脂中各种质子氢化学位移不同（如图1 所示）。甘油三酯中甘油骨架及其脂肪酰基骨架共有10 种不同类型的质子氢，为便于表述，分别用符号A～J 表示。峰B 仅与亚麻酰基中的甲基氢有关，峰A 和B 由甘三酯中的甲基产生，峰C 与酰基链上亚甲基有关，峰D 为羰基β 位质子氢，峰E 位烯丙基质子氢，峰F 为羰基α 位质子氢，峰G 由亚麻酰基和亚油酰基的双烯中间的亚甲基氢产生，峰H 和I 分别为甘油骨架sn-1 和sn-2 位置中质子氢产生，峰J由不饱和酰基中的烯氢产生。为方便对照，将关系列入表1 中。

根据各峰与质子氢之间的关系，计算油脂的指标有多种不同表述方法。先将采集的1H NMR谱图校正基线并进行峰面积积分，然后根据积分面积去进行指标的计算。在早些时候，Georgia Vigli 等人[6]观察到B 峰与亚麻酸(linolenic)甲基质子有关，A 峰是除亚麻酸外所有甲基质子的信号，而油酸(oleic)、亚油酸(linoleic)、所有饱和酸(SFA)含量与A、E、G 峰的峰面积有关，得出如下关系式（公式(1～4)）：

图1 食用油核磁共振氢谱(1H NMR)谱图

表1 食用油核磁共振氢谱各峰归属

由于B 峰仅与亚麻酸有关，且A 峰和B 峰包含了所有甘油三酯中的甲基，故用公式(1)表示亚麻酸含量；双烯丙基质子(G 峰)主要存在于亚油酸和亚麻酸中，且一分子亚油酸含有两个双烯丙基质子，一分子亚麻酸含有四个双烯丙基质子，因此可用公式(2)计算亚油酸含量；不饱和酸中均存在烯丙基质子，因此用不饱和酸总量减去亚油酸和亚麻酸的量得到油酸总量。

另外，峰A、峰B 与峰F 三者峰面积之间的存在以下关系：因此上述表示方法还可变为以下结果：

油脂中的烯烃含量可直接油I 峰的面积确定，在此基础上，María Dolores Guillén[7]得到碘价（IV）与烯烃质子的百分比(%OP)的关系。

David Castejón[8]团队也利用了相似的方法，得出了类似的公式，并进行了分类整理。同时，他们对提出的六种不同的表达式也进行了评估比较，并对出现偏差的可能的原因进行了分析。

2 油脂产地及掺伪的1H NMR 分析

部分油脂（如橄榄油等）具有丰富的营养、较高的品质，但由于气候差异、树种的不同、种植管理等因素影响，油脂的化学成分可能会发生变化，因此油脂的产地和质量等级也成为人们关心的一个方面。对产自土耳其不同地区的多种橄榄油，Īlker ün 等人[9]利用核磁共振氢谱法进行了分析。通过将核磁共振谱图对应的各个质子氢进行归属，计算各脂肪酸含量。他们得出以下结论：不同地区的橄榄油亚油酰基含量有着明显的变化，据此可进行橄榄油产地的鉴别。油脂保质期的确定，主要通过量化脂肪酰基的含量、检测一些次要成分（如甾醇、酚类化合物、醇衍生物等）。因此，可观察NMR 谱图上这些微量成分的共振峰变化，确定橄榄油的保质期。

食用油的来源十分广泛，多种油料作物均可为人类提供植物油，食用油的商业价值和营养品质取决于它们的成分组成，但不同植物来源的食用油有着相似的主要成分，因此使用廉价的植物油混合昂贵的植物油也成为了商家以次充好的常用手段。为了寻找食用油种类鉴别的可行性方法，Yan Zhang 等人[10]利用核磁共振氢谱结合多变量统计分析，成功地用于鉴别七种植物来源的精制食用油（包括葵花籽、油菜籽、芝麻、大豆、花生、玉米和橄榄油）。该团队通过1H NMR 图谱测量来量化食用油中的各种脂肪酸（包括油酸，亚油酸，亚麻酸，饱和脂肪酸）和相应的碘值，并且使用主成分分析来区分它们的植物来源。结果表明，葵花籽油、玉米油、芝麻油、大豆油等食用油成分相互接近，橄榄油，花生油等成分差别较大；且相较于其他植物油，橄榄油具有更高的酪醇、1,3-甘油二酯和更低水平的酚类化合物、β-谷甾醇、β-胡萝卜素。

通过以上研究可知，三酰基甘油是食用油的主要成分，但不同油中的含量差别较大，利用食用油主要成分和次要成分的差异的比较，加之主成分分析和其他的化学计量学技术，为油脂产地的区分和油脂种类及油脂掺伪的鉴别提供了新的分析方法。

3 油脂氧化过程的1H NMR 分析

脂质氧化通常通过氧化稳定性指数来评估，是影响食用油的应用和储存性能的最重要因素之一。在氧化过程中，几乎所有指数，包括过氧化值(POV)，总极性物质(TPM)，酸值(AV)，脂肪酸(FA)成分等指标都会有明显变化[11]。高温会加速油脂的氧化，在高温油炸过程中，油脂和食物均会经历非常复杂的化学和物理变化，并且还可能形成对健康具有重要影响的有害化合物。Andrea Martínez-Yusta 等人[12]使用特级初榨橄榄油作为原始油炸介质，对三种组成不同的食物进行了三个系列的十四次油炸实验，通过1H 核磁共振监测油炸过程中油脂组成随时间的演变。他们根据先前的研究与发现的新信号，与不同标准品（不同类型的甘油三酯、甘油二酯和不同类型的醛）进行比较，用于油脂氢谱的定性与定量。结果表明，在氧化过程中，双键的含量在不断减少，其直观结果是油酸、亚油酸、亚麻酸含量都在减少，饱和酸含量在不断增加，其中油酸的降低速率高于亚油酸和亚麻酸。在加热过程中甘油三酯结构保持完整的同时，油脂链会发生改变，引入新的含氧官能团（氢过氧基，羟基，环氧基等）或新的不饱和度（共轭二烯或三烯体系），同时油脂也会发生聚合反应，通过打开的双键形成二聚体或者多聚体。

4 结语

随着人们生活水平提高，近些年来，食品安全问题越来越受到人们的重视，油脂作为人们饮食中的重要组成部分，其安全性也不可忽略。传统的检测方法大都存在检测时间长、试剂消耗量大、操作繁琐等问题，核磁共振技术因其高效快速、灵敏精确等特点迅速崛起，使其在各个行业应用越来越广泛。虽然目前核磁共振成本较高，但随着低成本、高灵敏度核磁的研发，核磁共振技术必将会在油脂检测领域取得长效持久的应用与发展。