复炼菜籽废油的紫外光谱辨识指标

余盖文，刘 晔,*，王明明，李云雁，刘大川

（1.武汉轻工大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430023；2.武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023）

近年来，食用油加工和消费领域受到餐饮废油回流问题的影响，不仅导致行业信誉严重受损，而且对产业升级形成重大阻碍，成为公众广泛关注的食品安全问题[1-3]。为此，人们开发了众多餐饮废油辨识方法。根据辨识指标来源，可分为基于外源性指标物（包括金属离子[4]、芳烃[5]、真菌毒素[6]、外源基因片段[7]等）的辨识方法和基于内源性指标物（包括游离脂肪酸[8]、单/二甘油酯[9]、脂肪酸氢过氧化物及其分解产物[10]等）的辨识方法。然而，绝大部分上述指标物可通过常规油脂精炼处理而去除或消减，往往导致相关辨识方法失效[11]；而基于反式脂肪酸或聚甘油三酯等稳定指标的辨识方法往往使用气相色谱[12]、液相色谱[13]、红外光谱[14]等高级分析仪器，难以推广应用。因此，现有餐饮废油辨识方法对于实现食用油脂加工、流通及消费等各环节的常态化、临场化监管而言仍存在较大局限性。

正规成品油与餐饮废油存在一个重要且稳定差异，前者经历了制油及精炼加工中的热处理，而后者则进一步经历了不同程度的高温氧化热过程（包括煎炸、烘烤、蒸煮等）。高温氧化热过程是否会在油脂中留下某种不因精炼而消减的印记成为值得关注的问题，若存在该印记，且能够被快速识别并定量，将可作为餐饮废油快速辨识的可靠的指标。在本研究中，以加工方式及产品等级最为多样的菜籽油为典型大宗油品样本，对比考察精炼加工、高温氧化及复炼处理对其紫外吸收光谱的影响规律，提取其热处理特征信号并建立多指标分支辨识流程，以期获得对于高温氧化及其复炼菜籽油的有效辨识。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菜籽由安陆天星粮油机械有限公司提供，为当年产油料；活性白土 江西永平元昶膨润土有限公司；氮气（纯度99.99%） 武汉市明辉龙祥特气营销部；氢氧化钠、丙酮、无水乙醇、异辛烷等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

QX-FD506小型榨油机 惠州群兴科技有限公司；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；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（图1），由精密垫片、石英片、夹持片等构成。精密垫片中部设有圆形样品孔，与其两侧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（本研究选择0.05 mm）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 油脂薄膜样品池Fig. 1 Schemetic drawing of the thin fi lm chamber

1.3 方法

1.3.1 油脂样本制备工艺流程

1.3.2 压榨毛油的制备

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压榨毛油。

1.3.3 油脂精炼

将所得压榨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质量的5%去离子水并持续搅拌至设定时间后，以1 750×g离心20 min并取上清液，在90 ℃和-0.1 MPa真空干燥即得脱胶油。将所得脱胶油置于水浴中加热到90 ℃，在120 r/min搅拌下均匀缓慢滴加油质量5%的NaOH溶液（质量分数为5%），并持续搅拌至设定时间，取油体积分数5%的去离子水洗涤直至水相pH值达中性，然后离心分离并真空干燥，即得碱炼油；在碱炼油中加入质量分数5%的活性白土，抽真空并加热到82 ℃，以200 r/min搅拌至设定时间，离心分离废白土得脱色油；在-0.1 MPa真空下，将对脱色油通N2加热至230 ℃，至设定时间后用水浴冷却至60 ℃以下得脱臭油。

1.3.4 油脂高温氧化

取一定量的碱炼油于250 mL三口烧瓶中放入油浴锅中，在设定温度油浴下恒温并通入0.4 L/min的空气鼓泡至设定时间，随后冷却至室温即得高温氧化油。

1.3.5 油脂复炼

以上述高温氧化油为原料，依次按照1.3.3节中所述各步实施精炼操作，制得复炼脱胶油、复炼碱炼油、复炼脱色油、复炼脱臭油。

1.3.6 油脂掺杂

将脱臭油和复炼脱臭油按照不同质量百分比勾兑混和，得到系列掺杂油样。

1.3.7 油脂紫外光谱采集

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。在波长分辨率1 nm和扫描速率120 nm/min的条件下采集样本在200～350 nm波段间的吸收光谱信号，再以350 nm波长处吸光度为基准，采用双波长法校正油品紫外吸收光谱曲线。

参照GB/T 22500—2008《动植物油脂紫外吸光度的测定》，以异辛烷为稀释剂制备质量浓度0.5 g/100 mL的油脂样本溶液，用10 mm光程比色皿采集油样的稀释法吸收光谱，其他信号采集和处理参数与上述薄膜法相同。

1.3.8 光谱信号处理

油品薄膜样品池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D245nm和R272nm两个特征参数。分别按式（1）、（2）计算：

式中：A243nm和A247nm分别为243 nm和247 nm处吸光度，则D245nm值为245 nm处吸光度随波长变化率的绝对值放大100 倍。

式中：A272nm和A282nm分别为样本在272 nm和282 nm波长处的吸光度。

1.4 化学分析及数据统计[15]

所有样本的光谱数据以不少于3 次平行测定的平均值为准。掺杂油的最低检测浓度根据国际理论与应用化学联合会的方法计算，其中未掺杂油样的标准偏差根据20 次平行测定值计算，最低检测浓度根据该标准偏差的3 倍（置信水平90%）计算。

2 结果与分析

2.1 菜籽油热处理的紫外光谱特征

紫外吸收光谱设备成本低、操作便捷，易于推广应用。而对于食用油脂品质表征，无论是欧盟的标准方法，还是已报道的其他方法均需采用环己烷、己烷或异辛烷等溶剂对油样实施大比例稀释（100～1 000 倍）才能采集紫外光谱，其不仅操作复杂而且引入稀释误差及溶剂干扰，影响了方法的可靠性和易用性[16-18]。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1/200，无需稀释操作即可在5 min内获得油品吸收光谱特征。多个热处理阶段的菜籽油紫外光谱如图2所示。

如图2所示，所有样本均在210 nm波长附近出现最强吸收信号，但无法体现出差异；在230 nm波长附近，各样本的光谱中出现强弱差异极大的窄吸收峰，主要由二元共轭结构产物产生[19]；而在270～285 nm波段，各油品显现强弱不一的宽幅吸收，主要归因于三元共轭结构[20]；此外，高温氧化油（160 ℃、有氧）和复炼脱臭油（230 ℃、-0.1 MPa）还在305 nm和320 nm波长处开始出现吸收信号，表明生成更为多元的共轭产物[21]。需要说明，天然菜籽油的脂肪酸中并不含有共轭结构，因此在紫外波段并无特征吸收。正是由于热处理才导致氧化诱导烯键重排、热重排、氢过氧化物分解或氧化甘油三酯聚合等反应发生而生成上述共轭结构[22-24]。除此之外，采用稀释法（0.5 g/mL、10 mm光程）和采用薄膜法（0.05 mm光程）所得压榨毛油光谱曲线大部重叠，说明两种方法吸收信号接近，均可反映油脂样本的特征吸收。

图2 经历不同热处理阶段的菜籽油紫外光谱Fig. 2 UV spectra of rapeseed oil at different stages of heat treatment

课题组之前研究发现直接利用吸光度反映油脂化学特征存在较大局限性。其中230 nm波长处吸光度变异范围极大，往往超出定量测定范围。而经一阶导数处理，在245 nm波长附近获得吸光度随波长变化的增量数值，可反映230 nm波长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波长处强吸收拖尾信号导致的重叠干扰。此外，270～285 nm波段的吸光度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，而采用双波长差可消减上述影响。为此采用D245nm和R272nm两个特征参数分别用于表征油品中二元共轭结构和三元共轭结构的多寡。

2.2 精炼操作对菜籽油紫外特征参数的影响

油脂精炼是脱除毛油杂质、保障油品质量的关键加工环节，涉及一系列不同化学环境、不同温度和时间的油脂热处理[25-26]。在本研究中，采集了菜籽油经历常规油脂精炼处理后的紫外吸收信息，所得紫外特征参数与精炼处理时间的关系如图3所示。

图3 菜籽毛油不同精炼程度热处理的特征参数Fig. 3 Characteristic parameters of rapeseed oil with different refining degrees

由图3可见，在常规油脂精炼条件下，菜籽油的D245nm值随脱胶时间的延长呈现持续缓慢增长，而R272nm则在120 min前持续增长随后趋于平稳，表明在脱胶热处理条件下二元和三元共轭结构均有少量累积。碱炼油的D245nm和R272nm值的变化趋势与脱胶油相同，且总体上均较同期脱胶油参数值更高，显示油脂在碱性环境中其共轭结构累积更快。脱色处理导致D245nm值先下降0.35 个单位，然后才逐步上升，表明活性白土对碱炼油中积累的α、β-不饱和醛酮产物产生吸附脱除作用，但随着热处理的持续又开始产生新的共轭结构；而其R272nm值则显示了持续缓慢上升的趋势。脱臭处理可导致D245nm和R272nm值增长速率分别达到前述3 种精炼处理最大值的11 倍和33 倍以上，而且超过25 min之后还将急速上述，显示油中二元和三元共轭结构都可快速积累。

在正常的菜籽油精炼操作中，各阶段热处理时长都不会超过本研究的观测范围，因此经历脱胶、碱炼和脱色的菜籽油D245nm和R272nm值不会超过3.9和4.0；而通常脱臭处理时长也不宜超过25 min，否则将因过度精炼而在油中累积大量有害物[27-29]，因此其D245nm和R272nm值不会超过4.8和12.9。上述数值可视为菜籽油正常精炼处理后的特征参数边界值。

2.3 高温氧化处理的影响

在食品加工过程中，油脂主要充当传热介质为其他化学组分熟化或水分汽化提供热量，这些操作通常与空气接触而属于高温氧化过程，由此导致油脂参与一系列复杂反应[30-32]。在本研究中，采集不同时间、温度下氧化油的紫外信号，进而计算其特征参数的定量数值，为油品辨识提供依据。

图4 高温氧化温度对菜籽碱炼油紫外光谱的影响（30 min）Fig. 4 Effect of high-temperature oxidation on ultraviolet spectrumof rapeseed oilon

图5 高温（160 ℃）氧化时间对菜籽碱炼油紫外光谱的影响Fig. 5 Effect of oxidation time on UV spectrum of rapeseed oil

如图4A、5A所示，碱炼油吸收光谱受到高温氧化温度和时间的显著影响。当受热温度升高或热处理时间延长时，230、272 nm以及305 nm几个波长附近的信号增幅显著增加，表明共轭结构产物迅速积累。当氧化温度高达180 ℃时，R272nm值在30 min内可上升27.89 个单位（图4B），较之脱臭操作（230 ℃）同期增加57%，说明氧的存在大幅促进了三元共轭结构产物的生成。需要说明，在180 ℃以上氧化30 min或160 ℃氧化超过45 min，都将使245 nm波长附近的吸光度超过光谱仪量程（A≥9.9）而无法显示差异，从而使一阶导数计算值为0，显示此时油中二元共轭产物含量极高（图5B）。根据上述光谱变化规律可推测，在经历更为剧烈的高温氧化处理（如高温煎炸，油温可高达200 ℃以上）后，油样的R272nm值还将进一步增加，成为区分高温氧化油与正常加工油的一个显著指标。

2.4 复炼操作的影响

前述研究表明，D245nm和R272nm作为光谱特征参数可指示油脂经历热处理时二元和三元共轭结构产物的累积量及形成规律。为研究上述参数及其所代表的化学成分在精炼操作中的消减情况，采用经历160 ℃氧化30 min的氧化油模拟餐饮废油样本，对其再次实施脱胶、碱炼、脱色及脱臭等精炼操作（称作复炼处理），以考察上述特征参数的稳定性和可靠性，结果如图6所示。

图6 复炼操作对菜籽油紫外光谱的影响Fig. 6 Effect of repetitive refining on UV spectrum of rapeseed oil

由图6可见，对于高温氧化油，复炼脱胶和碱炼可显著增大D245nm值，而脱色可显著降低前一阶段的D245nm值，表明D245nm值可经复炼脱色消减；复炼脱臭则将使该波段吸收超过量程而使D245nm计算值为0。表明D245nm值这一指标存在不确定性，但该指标对于热处理过程非常灵敏，因此作为判别依据仍有较大价值。而对于高温氧化油的R272nm值，所有复炼处理均不能显著消减，复炼脱臭甚至进一步增大该数值，说明油中的三元共轭产物稳定性较高且不易为复炼操作所去除，是一种十分稳定的油脂热处理指标。

2.5 菜籽高温氧化或复炼油的辨识流程

前述研究表明，菜籽油的R272nm值显示其中三元共轭结构的多寡，伴随热处理强度的增加和时间的延长而稳定上升；而D245nm值则可灵敏地反映油脂初级氧化产物及其分解产物的含量。可见，结合运用上述两个特征参数建立辨识流程，可将经历常规精炼、高温氧化或复炼处理的菜籽油分别判定归属。

图7显示了基于紫外吸收特征参数建立的油品分支判别流程。其中，当油品R272nm＞12.9时，其受热程度超过油脂精炼加工热处理的正常范围，可归属长时高温氧化油、复炼油或过度精炼（脱臭）油；而当R272nm≤12.9且D245nm＞4.8时，可判别为短时高温氧化油；当油品R272nm≤12.9且D245nm≤4.8时，可归属于正常加工的菜籽油，其中，D245nm不大于3.9的油品未经高温脱臭处理。上述两个参数值越低表明油脂受热程度越低，有利于其天然营养和风味成分的保留。利用该分支判别流程，可将高温氧化油及其复炼油与正常加工菜籽油产品快速区分开来，而且能在一定范围内辨识过度精炼油，为精炼工艺的改善和精炼危害物的防控提供简便易行的方法。

图7 菜籽油热处理阶段及模式分支判别图Fig. 7 Branch discrimination of rapeseed oil at different stages of heat treatment

2.6 掺杂验证实验结果

将复炼后的餐饮废油与正常加工油品勾兑可大幅降低复炼油本身的特征信号，从而对辨识方法的有效性提出更大的挑战。通常，不经脱臭复炼的餐饮废油难以满足气味和烟点标准，易于被辨识。为此，选择菜籽脱臭油-复炼脱臭油掺杂系列油样，用以模拟餐饮废油复炼后再与正常加工油勾兑的情况，进而验证本研究所述辨识流程及指标的灵敏度和可靠性。采用菜籽脱臭油-复炼脱臭油掺杂系列油样的光谱曲线及特征参数如图8所示。

由图8可见，纯菜籽脱臭油和复炼脱臭油光谱曲线差异明显，后者的R272nm值高达27.9，采用前述分支判别流程可有效辨识。然而在掺杂系列中，随着复炼脱臭油掺杂比例的下降，掺杂油的光谱曲线与纯菜籽脱臭油逐步接近，且R272nm和D245nm值与掺杂比呈现规律性变化。以前述D245nm和R272nm边界值为判别指标，复炼脱臭油的最低检出限分别为2.3%和4.6%。其中，D245nm指标灵敏度较高，但在高浓度掺杂时（可能导致245 nm附近波段吸光度达到仪器量程而致一阶导数值为0）R272nm指标将更为可靠。

图8 复炼油掺杂量对脱臭油紫外光谱的影响Fig. 8 Effect of addition of repeatedly refined oil on UV spectrum of deodorized oil

需要说明，本研究仅以菜籽油为样本考察了多种热处理对油脂紫外光谱的影响，其特征参数的边界值并不通用于其他种类的油脂。然而，热处理导致各类油脂中累积二元或三元共轭结构产物，进而引起D245nm和R272nm值两个特征参数变化的趋势一致，仅将因脂肪酸组成的差异而影响判别边界的取值。因此，考察热处理对多种油脂D245nm和R272nm值的影响进而确定判别边界，将拓展该方法的应用范围。

3 结 论

菜籽油经历正常精炼热处理后，其紫外光谱特征参数D245nm和R272nm值分别在4.8和12.9以内，高温氧化可导致特征参数的显著上升，而复炼处理则不能降低R272nm值，由此利用特征参数边界值可将正常加工的菜籽油与高温氧化油、复炼油或过度精炼油区分开来。采用0.05 mm薄膜样品池采集油样紫外吸收光谱，结合D245nm和R272nm值的分支判别流程可在5 min内完成油样归属判别，对于复炼脱臭油对菜籽脱臭油掺杂的检出限可达2.3%。