建立衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法测定食用油的过氧化值

郭 娜，王鹤达，江秀明*，向国强，何丽君

1.河南工业大学 化学化工学院，河南 郑州 450001 2.陕西中烟工业有限责任公司技术中心，陕西 西安 710000

油脂是维持人类身体健康必不可少的营养物质之一，在化学化工行业也占有十分重要的地位。食用油在使用过程中发生水解、氧化和聚合等化学反应，导致变质，部分氧化产物还具有致癌作用，影响人类的身体健康[1-2]。油脂的过氧化值(POV)是衡量油脂氧化程度的指标，一般以每千克油脂中过氧化物氧的克当量数表示，以此衡量油脂是否因为氧化物含量过高而变质[3-4]。

目前，检测食用油POV的国际通用方法为碘量法，这种方法虽然操作简单，但需要消耗大量溶剂，对人类和环境存在潜在风险。随着现代分析技术的发展，一些仪器分析方法已经逐步应用于食用油POV的测定，包括紫外-可见分光光度法[5-6]、红外和近红外光谱法[7-8]、荧光光谱法[9]、伏安法[10]、核磁共振氢谱法[11]和高效液相色谱法[12]等。

测定油脂中过氧化值的红外光谱(FTIR)方法包括直接法和间接法。直接法是通过测定氢过氧化物中的氢氧键的伸缩振动吸收峰的吸光度计算过氧化物的含量[13]，但由于氢过氧化物只是食用油氧化产生的多种过氧化物中的一种，因此这种方法较适用于单一品种油脂过氧化值的测定[13]和油脂氧化过程的跟踪研究[14-15]。间接法大多通过油脂中过氧化物与三苯基膦(TPP)间的定量反应实现油脂样品POV的定量测定[16]。

衰减全反射(ATR)技术由于样品用量小、操作简单、能够控制测量光程，特别适合于液体样品的定量分析，已经广泛应用于食用油等液态样品的FTIR光谱测定，如Cebi等[17]利用ATR-FTIR技术研究茶叶和咖啡中的西布曲明掺假问题，Rios-Reina等[18]则将ATR-FTIR技术与化学计量学方法相结合用于高品质食醋的分类研究。

红外光谱间接法测定食用油POV时，通常将食用油样品与TPP溶液按照1∶ 1(体积比)混合[7,16]，在此过程中需要使用至少0.5 mL有机试剂，在带来一定的环境问题的同时又稀释样品，降低测定的灵敏度，使得建立的方法仅适合高POV油脂样品的测定[16]。作者拟通过油脂中过氧化物与TPP间的定量反应，利用ATR-FTIR技术，合理控制油脂样品和反应试剂TPP的使用量，建立一种简单的油脂样品POV测定方法，以减少测量过程中有机试剂的用量，简化操作流程，降低对操作者的技术要求，实现食用油POV的准确、快速测定。

1 材料与方法

1.1 材料

三苯基膦(TPP)、三苯基氧膦(TPPO)：Sigma-Aldrich公司；三氯甲烷、冰乙酸、丙酮、无水乙醇、碘化钾和硫代硫酸钠：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

金龙鱼、鲁花、福临门、胡姬花、西王等品牌的大豆油、花生油、芝麻油、亚麻籽油、葵花籽油、玉米油、橄榄油、菜籽油和米糠油共28种，均购自超市。

1.2 仪器与设备

AUY120分析天平(精确至0.000 1 g)：日本岛津公司；配备有ATR附件的Spectrum two FTIR光谱仪：铂金埃尔默企业管理有限公司；MXW-20D涡旋振荡器：杭州齐威仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 碘量法(国标法)测定食用油的过氧化值

所有食用油样品均按照GB 5009.227—2016方法测定过氧化值。

1.3.2 标准样品及 TPP 反应液的制备

标准样品的配制：准确称取0.3 g TPPO溶于0.5 mL乙醇中，加玉米油至总质量为20 g，配制TPPO储备液，其中TPPO的浓度约为50 mmol/kg，相当于过氧化值为50 mmol/kg的食用油与TPP反应生成的TPPO。利用此储备液和不同质量的玉米油混合，稀释至不同浓度，配制不同过氧化值的油脂标准样品。

TPP反应液的配制：以丙酮为溶剂，配制含有15% TPP的反应液，用于与油脂中过氧化物反应，定量生成TPPO。

1.3.3 油脂样品的FTIR光谱法测定

移取1 mL油样至2 mL样品管中，加入15%的TPP丙酮溶液约40 μL，盖紧塞子，振荡混合均匀，使油样中的过氧化物与TPP反应生成TPPO，制成红外光谱测定液。移取测定液约10 μL，均匀覆盖在ATR晶体表面，测定其在400～4 000 cm-1波数区间内的红外谱图(分辨率4 cm-1，扫描16次)，每次测定结束后用酒精棉球将晶体表面清理干净。每种食用油平行测定3次，取平均值计算POV。

1.4 数据处理

使用 Microsoft Excel 2010和 Origin 2021 进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 红外光谱法测定食用油过氧化值的原理

油脂中1 mol过氧化物与1 mol 的TPP反应，定量生成1 mol 的TPPO[19]。通过测定反应生成的TPPO的量，计算过氧化物的量，从而得知油脂的过氧化值。食用油中的过氧化物与TPP的反应产物TPPO在542 cm-1处呈现较强的特征吸收峰[4]。食用油与TPP的丙酮溶液的复合物的ATR-FTIR谱图(图1)显示，在TPPO特征吸收峰附近存在1个位于530 cm-1附近由反应液中丙酮产生的吸收峰，两峰间重叠较为严重。确定TPPO特征峰的强度时，需建立连接542 cm-1吸收峰两侧峰谷A、B两点的基线，测量峰高D(542)。

图1 三苯基氧膦(TPPO)的ATR-FTIR特征吸收峰Fig.1 ATR-FTIR characteristic absorption peak of triphenylphosphine oxide (TPPO)

依据Lambert-Beer定律，TPPO红外吸收峰峰高D(542)与测试液中TPPO浓度c(TPPO)间存在定量关系。

D(542)=a(TPPO)·b·c(TPPO)，

(1)

式中：a(TPPO)为TPPO在542 cm-1处特征峰的吸收系数；b为样品吸收光程。根据ATR测定原理，对于食用油样品，其吸收光程可视作常数。

基于油脂中过氧化物与TPP反应生成TPPO的化学计量关系，测定液中TPPO浓度与样品POV间存在定量关系。

c(TPPO)=[VS/(VS+VR)]·POV·10-3·ρ，

(2)

式中：VS为油脂样品体积，1 mL；VR为TPP溶液的体积，40 μL，VS/(VS+VR)=0.962；ρ为样品密度，食用油密度通常介于0.91和0.93之间[20]，可视为定值；10-3为单位转换时系数。根据式(1)和(2)可导出式(3)，D(542)与食用油样品POV之间呈正比关系。

D(542)=a(TPPO)·b·[VS/(VS+VR)]·

ρ·10-3·POV。

(3)

2.2 TPP溶液的稳定性

三苯基膦具有较强的还原性，能够被食用油中的过氧化物氧化为TPPO，同时，TPP也有可能被空气中的氧气氧化，从而生成少量TPPO，干扰油脂POV的测定，导致测定结果不可靠。

为探讨TPP溶液的空气氧化对测定的影响，TPP溶液配制后置于室温，间隔不同时间测试同一食用油样品的ATR-FTIR谱图，计算TPPO特征峰的峰高D(542)。结果显示，48 h内D(542)没有明显变化(图2)，表明配置的TPP溶液在48 h内稳定，没有被空气中的氧气氧化，不会对POV的测定造成干扰。

图2 TPPO特征峰的峰高与TPP溶液存放时间的关系曲线Fig.2 Relationship between characteristic peak height of triphenylphosphine oxide (TPPO) and storage time of TPP solution

2.3 标准曲线的建立

配制含有不同浓度TPPO的油脂样品作为过氧化值测定的标准样品，标准样品中TPPO浓度处于0～25 mmol/kg区间。因为1 mol过氧化物与TPP定量反应生成1 mol 的TPPO，标准样品中的TPPO可视作由食用油中的过氧化物与TPP反应产生，标准样品具有与其TPPO浓度相等的过氧化值，即标准样品的POV等于在油脂样品中加入的TPPO的浓度，也处于0～25 mmol/kg区间。ATR-FTIR的测定结果显示，标准样品的POV与TPPO特征峰的峰高D(542)之间存在良好的线性关系(图3)，线性方程为D(542)=-7.64×10-4+5.16×10-4POV，R2=0.996 2。

图3 食用油过氧化值(POV)测定标准曲线Fig.3 Standard curve of peroxide value of edible oil

2.4 实际样品的测定

采用建立的样品测定方法，对28种食用油进行ATR-FTIR光谱扫描，利用TPPO特征峰峰高计算样品过氧化值，记作POVATR-FTIR。同时，根据国家标准方法测定油脂过氧化值，记作POVGB。

图4 ATR-FTIR光谱法和国标法测定结果的线性关系Fig.4 Linear relationship between ATR-FTIR spectrophotometry and national standard method for POV determination

利用ATR-FTIR法测定的28个实际油样过氧化值(POVATR-FTIR)与国标法测定结果(POVGB)一致，两种方法的测量结果间具有良好的线性关系(图4)，POVATR-FTIR=0.20+0.97 POVGB，R2=0.986 0，R2很接近1，表明本试验建立的测定方法可以很方便地测定油脂样品的红外光谱。

2.5 精密度及检出限

在2 mL塑料管中量取1 mL玉米油，加入40 μL 15% TPP丙酮溶液，振荡混合均匀后，测定其ATR-FTIR光谱图。平行测定11次，计算TPPO特征峰峰高和POV。11次平行测定的平均过氧化值为14.46，标准偏差为0.42，相对标准偏差为2.91%，说明ATR-FTIR用于测定食用油POV，具有良好的重现性。同时，根据式(2)，由于样品体积VS(大约1 mL)远远大于TPP溶液体积VR(大约40 μL)，VS和VR在一定范围内变化，对VS/(VS+VR)影响很小。当VS在0.8～1.2 mL变化，VR在30～50 μL变化时，VS/(VS+VR)最小为0.941(此时，VS=0.8 mL，VR=50 μL)，最大为0.976(此时，VS=1.2 mL，VR=30 μL)，相对偏差仅为3.6%。说明测量时油脂样品和TPP溶液的体积都不需要准确计量，无须对操作人员做特殊要求。

根据空白值的3倍标准偏差估算得到的POV的检出限为0.61 mmol/kg。

3 结论

利用过氧化物氧化TPP定量生成TPPO的反应，建立了仅使用40 μL有机试剂的食用油POV测定的ATR-FTIR方法。与传统方法相比，ATR-FTIR法测定油脂的过氧化值既简便又快捷，使用的有机溶剂量很少；测定时，食用油和三苯基膦溶液的用量在一定范围内变化，不会引起POV的测定误差，有利于食用油POV的快速测定。同时，可以消除滴定过程中的误差，提高测定结果的准确度，是一种切实可行的测定方法，为油脂的过氧化值测定提供了有力的支持。