4種植物油熱氧化同步熒光光譜分析

李泳霖，谷宇欣，宮 婷，王子健，潘政道，于修燭

（西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

0 引言

食用油在加熱過程中易發(fā)生氧化酸敗，導(dǎo)致其品質(zhì)下降。目前，檢測(cè)食用油氧化變質(zhì)的方法很多，包括傳統(tǒng)化學(xué)指標(biāo)、紅外光譜、色譜分離等[1]，傳統(tǒng)化學(xué)指標(biāo)分析雖然可行，但檢測(cè)指標(biāo)較多時(shí)，檢測(cè)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。紅外光譜可以記錄分子吸收紅外光輻射后發(fā)生振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷的信息，能較快速地檢測(cè)油脂氧化程度，但存在樣品前處理復(fù)雜、吸收強(qiáng)度較弱、靈敏度不高等缺點(diǎn)[2-3]。色譜分離可以具體檢測(cè)到某一種物質(zhì)的變化，但是同樣存在操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)[4]。食用油中生育酚、色素等物質(zhì)會(huì)發(fā)出較強(qiáng)的熒光，油脂的氧化產(chǎn)物同樣有熒光響應(yīng)，這些熒光物質(zhì)與油脂的氧化進(jìn)程存在一定的關(guān)系[5]，而且熒光檢測(cè)樣品前處理簡(jiǎn)單、耗時(shí)短，因此熒光光譜可作為監(jiān)測(cè)油脂氧化程度的判斷依據(jù)[6-7]。為研究食用油在氧化過程中熒光物質(zhì)的變化規(guī)律，選取4種植物油為原料，在50℃和150℃下氧化，掃描其同步熒光光譜，結(jié)合二維相關(guān)光譜分析闡明同步熒光光譜及熒光物質(zhì)變化情況，為更準(zhǔn)確、便捷地監(jiān)控食用油的氧化程度提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料

亞麻籽油（一級(jí)），錫林郭勒盟紅井源油脂有限公司提供；葵花籽油（一級(jí)），陜西糧農(nóng)油脂集團(tuán)有限公司提供；大豆油（一級(jí)）、菜籽油（一級(jí)），中糧福臨門食品營(yíng)銷有限公司提供。

1.1.2 儀器與試劑

PerkinElmer LS 55型熒光分光光度計(jì)，珀金埃爾默儀器（上海） 有限公司產(chǎn)品；正己烷（分析純），廣州市金華大化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熱氧化分析

取200 mL植物油于250 mL燒杯中，置于50℃烘箱中氧化30 d，每48 h取一次樣得到包括原油在內(nèi)的16個(gè)樣品，對(duì)樣品進(jìn)行編號(hào)，0號(hào)樣品為原始油樣，第一個(gè)48 h樣品編為1號(hào)，以此類推。

將植物油加熱至150℃，共加熱8 h，每30 min取一次樣，用冰鹽浴迅速冷卻至室溫，其中亞麻籽油因煎炸至7 h時(shí)已發(fā)生嚴(yán)重變質(zhì)，出現(xiàn)較多的氧化聚合物，故在7 h時(shí)停止加熱，得到包括原油在內(nèi)的15個(gè)樣品，其余植物油得到包括原油在內(nèi)的17個(gè)樣品。0號(hào)樣品為原始油樣，第1個(gè)30 min樣品編為1號(hào)，以此類推。

1.2.2 檢測(cè)方法

采用PerkinElmer LS 55型熒光分光光度計(jì)，1 cm石英熒光比色皿，光譜掃描條件為激發(fā)波長(zhǎng)200～800 nm，波長(zhǎng)差Δλ 20 nm，激發(fā)狹縫5 nm，發(fā)射狹縫10 nm，掃描速度1 000 nm/min，掃描間隔0.5 nm，為避免內(nèi)濾效應(yīng)，所有樣品取40 μL溶于4 000 μL正己烷中測(cè)定，每個(gè)樣品掃描3次取平均光譜[8]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用日本關(guān)西學(xué)院大學(xué)Shigeaki Morita與Yukihiro Ozaki編寫的2D Shige 1.3進(jìn)行二維相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 50℃熱氧化分析

2.1.1 同步熒光光譜分析

4種植物油50℃熱氧化的同步熒光光譜見圖1。

圖1 4種植物油50℃熱氧化的同步熒光光譜

由圖1可知，每種油中大致有4個(gè)峰，它們分別在300，330，375，415 nm處。在原油中300 nm的峰為生育酚熒光峰，其余的峰為其他酚類與色素的峰[9-10]，α，β-不飽和脂肪酸甘油酯雖因其有共軛結(jié)構(gòu)對(duì)熒光也有貢獻(xiàn)，但是因酯基的吸電子效應(yīng)與吸電子共軛效應(yīng)，使其熒光強(qiáng)度較弱。4種油在50℃熱氧化時(shí)的同步熒光光譜均具有較大幅度變化，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)有一定的波動(dòng)。

其中，亞麻籽油于330 nm處熒光峰，在第7個(gè)樣品（即第14天）之前呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)，原因是其中的酚類與色素被氧化同時(shí)生成新的熒光物質(zhì)，即不飽和脂肪酸鏈降解生成的一級(jí)氧化產(chǎn)物與次級(jí)氧化產(chǎn)物[11]；該峰在第14天后無明顯變化。菜籽油在300，330，375 nm峰處均呈現(xiàn)明顯波動(dòng)，并且各峰同時(shí)達(dá)到最大值與最小值，在氧化過程中，300 nm所對(duì)應(yīng)的生育酚，330 nm與375 nm所對(duì)應(yīng)的酚類與色素被氧化，熒光強(qiáng)度明顯下降，同時(shí)也表明有新的熒光氧化產(chǎn)物生成，導(dǎo)致峰強(qiáng)度整體呈現(xiàn)波動(dòng)，各峰同時(shí)達(dá)到最大值與最小值可能是由于各峰所對(duì)應(yīng)的熒光物質(zhì)由同種一級(jí)氧化產(chǎn)物分解而來。大豆油在300 nm處的峰較尖銳，一開始呈下降趨勢(shì)，即生育酚被氧化，自第6個(gè)樣品（第12天）之后開始波動(dòng)，可能是由于生成了新的熒光氧化產(chǎn)物；375 nm的峰也呈現(xiàn)波動(dòng)，原因是該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的酚類和色素的氧化降解與熒光氧化產(chǎn)物的生成和分解。葵花籽油于415 nm處的峰強(qiáng)度在第3個(gè)樣（第6天） 之后突然上升，可能有新的熒光氧化產(chǎn)物；300 nm的峰強(qiáng)度在第6天后有明顯的下降，之后開始波動(dòng)，原因是生育酚消耗與300 nm對(duì)應(yīng)的熒光氧化產(chǎn)物生成和分解，在第6天之后，300，330，375 nm峰處同時(shí)達(dá)到最大值與最小值，可能是由于各峰所對(duì)應(yīng)的熒光物質(zhì)由同種一級(jí)氧化產(chǎn)物分解而來。

比較4種油的熒光光譜，其中除亞麻籽油只有330 nm的峰之外，其他油基本上都有3個(gè)峰（300，330，375 nm峰），其中菜籽油和葵花籽油還有415 nm弱的熒光峰，葵花籽油與菜籽油300，330，375 nm峰強(qiáng)度增強(qiáng)與減弱的趨勢(shì)相同，表明葵花籽油與菜籽油在熒光表征下50℃時(shí)氧化過程的相似性。不同種植物油在熱氧化時(shí)的同步熒光光譜各有差異，但是也有共性，即峰的位置大致相同且存在著波動(dòng)，各峰之間的上升與下降有一定的聯(lián)系。

2.1.2 二維相關(guān)分析

二維相關(guān)光譜是以某一變量作為微擾，揭示光譜中不同部分之間在微擾作用下的相互關(guān)系，從而揭示體系不同組分在微擾下的相互關(guān)系[12]，已被廣泛應(yīng)用于紅外光譜分析等領(lǐng)域[13]。

二維相關(guān)光譜分為同步譜和異步譜，讀譜需要同時(shí)分析2個(gè)譜峰的屬性，圖譜中左邊為同步譜，右邊為異步譜，紅色的峰為正峰，藍(lán)色的為負(fù)峰，顏色深淺代表峰的強(qiáng)弱。同步譜呈對(duì)角線對(duì)稱，其對(duì)角線上的正峰是自相關(guān)峰，異步譜呈對(duì)角線反對(duì)稱。根據(jù)Noda規(guī)則，橫軸波長(zhǎng)記為ν1，縱軸波長(zhǎng)記為ν2，Φ表示同步譜的峰，Ψ表示異步譜的峰，若Φ（ν1，ν2）＞0且Ψ（ν1，ν2）＞0，則ν1處對(duì)應(yīng)的峰較ν2處變化快，若Φ（ν1，ν2）＞0且Ψ（ν1，ν2）＜0，則ν1較ν2變化慢；若Φ（ν1，ν2）＜0，則變化與上述剛好相反；若Φ（ν1，ν2）=0，則2個(gè)峰關(guān)系不能確定；若Ψ（ν1，ν2）=0，則2個(gè)峰變化同時(shí)發(fā)生[14]。

以熱氧化時(shí)間為微擾繪制4種植物油50℃熱氧化的二維相關(guān)光譜。

圖2 4種植物油50℃熱氧化的二維相關(guān)光譜

4種植物油50℃熱氧化的二維相關(guān)光譜見圖2。

由圖2可知，亞麻籽油在50℃熱氧化時(shí)的同步熒光光譜峰不明顯，可能是由于亞麻籽油在50℃時(shí)生成的熒光物質(zhì)種類較多，熒光峰很寬，導(dǎo)致其沒有明顯的峰；菜籽油同步熒光峰強(qiáng)度變化速率330 nm＞375 nm＞300 nm，即酚類與色素氧化及其對(duì)應(yīng)峰的氧化產(chǎn)物生成分解速率大于生育酚氧化與300 nm對(duì)應(yīng)的氧化產(chǎn)物生成分解速率；大豆油同步熒光峰強(qiáng)度變化速率300 nm＞375 nm＞330 nm，即生育酚氧化及其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的氧化產(chǎn)物生成分解速率最快；葵花籽油同步熒光峰強(qiáng)度變化速率330 nm＞415 nm，415 nm峰大致與300，375 nm峰的同步熒光強(qiáng)度變化速率相同，即這3個(gè)峰對(duì)應(yīng)的熒光物質(zhì)降解與氧化產(chǎn)物生成分解速率基本相同。

峰的變化速率相對(duì)快慢反映在氧化過程中各峰所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)變化速率的差異，由于各種油中成分的差異，物質(zhì)變化速率也會(huì)不同；大豆油于300 nm處峰所對(duì)應(yīng)的生育酚氧化及氧化產(chǎn)物生成分解速率是最快的，而菜籽油與葵花籽油則是330 nm峰所對(duì)應(yīng)的酚類與色素氧化及氧化產(chǎn)物生成分解速率最快。

比較4種油的二維相關(guān)光譜，菜籽油和葵花籽油中330 nm峰的同步熒光強(qiáng)度變化速率都最快，這也表明了菜籽油與葵花籽油50℃下氧化過程的相似性。從同步熒光光譜與二維相關(guān)光譜可以看出，除亞麻籽油外，各種油的峰位置大致一致，并且在氧化過程中，幾乎所有的峰都有波動(dòng)，且不同油的各峰變化規(guī)律與同步熒光強(qiáng)度變化速率快慢也不一樣，這表明不同油中因其組成不同而造成在熱氧化過程中熒光光譜表征的差異。

2.2 150℃熱氧化分析

2.2.1 同步熒光光譜分析

4種植物油150℃熱氧化的同步熒光光譜見圖3。

由圖3可知，在150℃熱氧化下，所有的油都呈現(xiàn)出300，330，375 nm峰且各峰都有波動(dòng)，但是同時(shí)部分油的光譜峰變寬且峰有一定位移；亞麻籽油還出現(xiàn)新的峰，可能是150℃下不飽和脂肪酸、生育酚與氫過氧化物更不穩(wěn)定，50℃時(shí)對(duì)應(yīng)的多種熒光物質(zhì)分解產(chǎn)生新的熒光物質(zhì)峰的波長(zhǎng)范圍較窄，使熒光峰突出。150℃氧化條件下，4種油光譜各峰變化均較明顯，亞麻籽油在300 nm峰上升時(shí)，330 nm峰也呈上升趨勢(shì)，其原因可能與50℃時(shí)相同，即各峰所對(duì)應(yīng)的熒光物質(zhì)可能來源于同種一級(jí)氧化產(chǎn)物；菜籽油的光譜在150℃下變寬，415 nm峰幾乎被遮住，可能是由于150℃時(shí)生成了更多的熒光氧化產(chǎn)物，375 nm峰不明顯，使峰整體變寬，掩蓋掉了375 nm的峰；大豆油與菜籽油情況幾乎相同；而葵花籽油在150℃熱氧化下峰依然明顯，300 nm峰上升時(shí)，330 nm峰也上升即兩峰所對(duì)應(yīng)的熒光物質(zhì)可能來源于同種一級(jí)氧化產(chǎn)物。

在亞麻籽油與葵花籽油中，300 nm與330 nm峰上升與下降趨勢(shì)相同；菜籽油與大豆油峰都變寬，反映出150℃氧化時(shí)不同油之間氧化過程在熒光表征下的相似性。

圖4 4種植物油150℃熱氧化的二維相關(guān)光譜

150℃時(shí)峰的形狀與相互關(guān)聯(lián)性和50℃時(shí)的有明顯差異，造成這種差異可能是在150℃條件下包括不飽和脂肪酸、生育酚、色素及氫過氧化物在內(nèi)的物質(zhì)變得比50℃時(shí)更易氧化分解，其自身的氧化分解與不飽和脂肪酸氧化產(chǎn)物的生成速率都與50℃下不同，150℃下會(huì)生成更多的熒光物質(zhì)，反應(yīng)速率也有較大變化，其中反應(yīng)速率的差異在如下的二維相關(guān)光譜表征中尤為明顯。

2.2.2 二維相關(guān)分析

4種植物油150℃熱氧化的二維相關(guān)光譜見圖4。由圖4可知，亞麻籽油同步熒光峰強(qiáng)度變化速率375 nm＞300 nm＞330 nm，即生育酚氧化速率和300 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率比330 nm對(duì)應(yīng)的酚類、色素氧化速率及熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率快，比375 nm對(duì)應(yīng)的酚類、色素氧化速率及熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率慢；菜籽油同步熒光峰強(qiáng)度變化速率為300 nm＞375 nm，即生育酚氧化速率及300 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率是最快的，375 nm峰的同步熒光強(qiáng)度變化速率大致與330 nm和415 nm相同，即這3個(gè)峰所對(duì)應(yīng)的酚類、色素氧化速率及熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率基本一致；大豆油300 nm峰的同步熒光強(qiáng)度變化速率大致與375 nm峰變化相同且快于330 nm，即生育酚氧化速率及300 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率與375 nm對(duì)應(yīng)的酚類、色素氧化速率及熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率基本相同，比330 nm對(duì)應(yīng)的酚類、色素氧化速率及熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率快；葵花籽油同步熒光峰強(qiáng)度變化速率為375 nm＞300 nm＞330 nm，即生育酚氧化速率及300 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率比330 nm對(duì)應(yīng)的酚類、色素氧化速率及熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率快，比375 nm對(duì)應(yīng)的酚類、色素氧化速率及熒光氧化產(chǎn)物生成分解速率慢。

4種植物油中亞麻籽油與葵花籽油的峰之間的同步熒光強(qiáng)度變化速率一致，菜籽油與大豆油300 nm峰的同步熒光強(qiáng)度變化速率都是最快的，與同步熒光光譜相對(duì)應(yīng)，也反映出150℃下不同植物油之間在熒光表征下氧化過程的相似性?？梢钥闯觯俗延团c葵花籽油中，150℃時(shí)300 nm峰同步熒光強(qiáng)度變化速率較50℃時(shí)有明顯提升，大豆油與葵花籽油中，150℃時(shí)375 nm峰同步熒光強(qiáng)度變化速率較50℃時(shí)有明顯提升，原因是50℃與150℃時(shí)各種熒光物質(zhì)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率的差異。

3 討論

4種植物油同步熒光峰變化存在一定波動(dòng)且出現(xiàn)一個(gè)峰上升時(shí)其他峰同時(shí)上升，這是由于油脂在氧化過程中會(huì)發(fā)生一系列變化，包括生育酚、色素、酚類與不飽和脂肪酸被氧化。不飽和脂肪酸發(fā)生氧化時(shí)，首先生成氫過氧化物，接著氫過氧化物分解為醇、醛、酮、酸等化合物[15]。在熒光表征下，生育酚發(fā)生氧化時(shí)，其閉環(huán)共軛結(jié)構(gòu)被破壞，且生成了吸電子基團(tuán)羰基[16]，這些都使生育酚氧化產(chǎn)物熒光強(qiáng)度較生育酚低[17-18]，其他色素與酚類情況類似，其中葉綠素的峰在670 nm左右，其氧化速率比其他成分都快[19]，在加工或儲(chǔ)存過程中可能被氧化或破壞。不飽和脂肪酸的情況要復(fù)雜一些，其本身有較弱的熒光，過氧化物分解產(chǎn)生的自由基對(duì)激發(fā)態(tài)分子有一定的影響，過氧化物的分解產(chǎn)物，如α，β-不飽和羰基化合物，這類物質(zhì)因存在共軛結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)熒光強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn)，而如果長(zhǎng)鏈的化合物進(jìn)一步在雙鍵處斷裂，產(chǎn)生的化合物的熒光峰還會(huì)發(fā)生移動(dòng)。這些熒光物質(zhì)的分解與生成造成了在熒光表征下峰的變化特點(diǎn)即峰存在波動(dòng)，出現(xiàn)一個(gè)峰上升時(shí)其他峰同時(shí)上升的情況。

4 結(jié)論

結(jié)合二維相關(guān)分析技術(shù)，比較了在50℃與150℃熱氧化下不同種植物油同步熒光光譜變化規(guī)律。結(jié)果表明，各光譜峰都集中在300～415 nm，其中300，330，375，415 nm峰都存在波動(dòng)，部分峰在一個(gè)峰上升時(shí)其他峰同時(shí)上升，同種油不同溫度下峰的波動(dòng)情況、相互關(guān)系及相對(duì)變化速率均有明顯差異，不同種類油之間變化既有相同之處，又有差異，可利用這4個(gè)熒光峰監(jiān)控油脂氧化變化。通過研究油脂氧化過程中熒光物質(zhì)和油脂氧化程度的變化規(guī)律，為使用同步熒光技術(shù)監(jiān)控油脂氧化方法的構(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)。