天然抗氧化劑對(duì)玉米油穩(wěn)定性的影響

王 旭，趙 月，李婷婷，張如春，李 丹，劉 芳，郭文奎,2,*，于殿宇,*

玉米油又叫粟米油、玉米胚芽油，是從玉米胚芽中提煉出來的一種優(yōu)質(zhì)植物油脂[1]。玉米油中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)86%[2]，包含人體所必需的亞油酸和油酸[3]。因玉米油中不飽和脂肪酸含量較高，所以在貯藏運(yùn)輸中很容易被氧化酸敗[4-5]。氧化酸敗是指油脂曝露在空氣中會(huì)自發(fā)地進(jìn)行氧化[6]，這種氧化反應(yīng)一旦開始，就會(huì)一直進(jìn)行到氧氣耗盡或自由基結(jié)合產(chǎn)生穩(wěn)定的化合物為止。它經(jīng)歷了鏈引發(fā)、鏈傳播、鏈終止這三大階段的連鎖反應(yīng)[7]。這種油脂的過度氧化會(huì)產(chǎn)生哈喇味，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的感官品質(zhì)和食用品質(zhì)[8]。

抗氧化劑是防止食品氧化變質(zhì)的一種食品添加劑，能為易氧化物質(zhì)提供氫原子，捕獲并中和自由基。少量油脂抗氧化劑的（0.02%）存在就能使油脂經(jīng)自動(dòng)氧化產(chǎn)生的自由基還原成分子，從而延緩自動(dòng)氧化過程，防止食品被氧化[9]。傳統(tǒng)上使用的抗氧化劑基本上都是合成的[10]。但是自70年代以來，人們不斷發(fā)現(xiàn)部分人工合成的抗氧化劑有一定的毒性[11]，影響人體呼吸酶的活性，有的甚至還有致畸、致癌作用，從而引起人們對(duì)其的不安全感[12]。因此，越來越多的國(guó)家開始限制或禁止使用某些合成抗氧化劑，尋找安全的天然抗氧化劑已成為食品添加劑的一個(gè)重要研究[13-14]。

VE是一種脂溶性維生素，其水解產(chǎn)物為生育酚，可有效對(duì)抗自由基，是應(yīng)用最廣的天然抗氧化劑之一[15]，現(xiàn)在玉米油中大多都是添加生育酚來延長(zhǎng)貨架期。β-胡蘿卜素是類胡蘿卜素之一，是橘黃色脂溶性化合物，它是自然界中最普遍存在也是最穩(wěn)定的天然色素。β-胡蘿卜素是自由基強(qiáng)有力的克星[16]，β-胡蘿卜素可以作為一種抗氧化劑添加到玉米油中，可減緩玉米油的氧化。大量研究證明許多藥草以及植物香辛料提取物都具有很好的抗氧化作用[17]，其中迷迭香提取物就是比較常見的一種，它對(duì)各種復(fù)雜的類脂物的氧化有強(qiáng)大的抑制效果[18]。Jongberg等[19]發(fā)現(xiàn)迷迭香提取物可以有效抑制脂肪氧化。在純化玉米油中添加天然抗氧化劑，不僅可以使玉米油具有高抗氧化活性以延長(zhǎng)保質(zhì)期[20]，而且還可以作為脂質(zhì)伴隨物減少對(duì)人體健康的危害[21]。Vieira[22]和Sultana[23]等報(bào)道純化后玉米油的穩(wěn)定性相對(duì)于添加抗氧化劑后玉米油的穩(wěn)定性較差，所以本實(shí)驗(yàn)向純化玉米油中添加3 種天然抗氧化劑，以提高玉米油的穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)將生育酚、β-胡蘿卜素和迷迭香提取物作為抗氧化劑添加到純化玉米油中，對(duì)比純化玉米油，研究添加抗氧化劑后玉米油的穩(wěn)定性及抗氧化規(guī)律，采用Schaal烘箱加速氧化法，測(cè)定玉米油的過氧化值（Peroxide value，POV）、茴香胺值（p-anisidine value，PAV）和酸價(jià)（acid value，AV），利用Arrhenius公式，推測(cè)出添加不同天然抗氧化劑后，玉米油在不同溫度條件下的貯藏時(shí)間，為提高玉米油的貨架期提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

一級(jí)玉米油 益海嘉里（哈爾濱）糧油食品工業(yè)有限公司；生育酚（生物試劑，純度99%） 西安百川生物科技有限公司；β-胡蘿卜素（生物試劑，純度97%）贛州華漢生物科技有限公司；迷迭香提取物（生物試劑，純度98%） 西安四季生物科技有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HWS-280型數(shù)顯智能恒溫恒濕箱、FA505N型萬分之一天平 上海丙林電子科技有限公司；KMS-151E型磁力攪拌器 精鑿科技（上海）有限公司；DL-720E型智能超聲波清洗器 上海之信儀器有限公司；3L-ARE型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海皓莊儀器有限公司；UV7型分光光度計(jì)、Pipet-Lite XLS＋型手動(dòng)單道移液器 梅特勒-托利多國(guó)際有限公司；UV-2800型雙光束分光光度計(jì) 尤尼柯（上海）儀器有限公司；ZJH羅茨真空泵 海門市華豐真空設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米油的純化

玉米油含有的抗氧化劑會(huì)對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此抗氧化實(shí)驗(yàn)需要對(duì)玉米油進(jìn)行純化，在Jung等[24]的提純油脂方法的基礎(chǔ)上稍加修改，除去玉米油里原有的抗氧化劑，得到較為純凈的油脂。

1.3.2 油樣的制備

分別稱取0.02 g（精確至0.001 g）的生育酚、β-胡蘿卜素和迷迭香提取物，分別添加到100 g（精確至0.1 g）玉米油中，先經(jīng)磁力攪拌10 min讓生育酚、β-胡蘿卜素和迷迭香提取物溶解，再經(jīng)過超聲處理10 min讓生育酚、β-胡蘿卜素和迷迭香提取物與玉米油更好地結(jié)合，純化的玉米油經(jīng)上述同樣處理作空白對(duì)照。制備好的樣品放在錐形瓶中，并用錫紙包裹。

1.3.3 油樣的加速氧化

采用Schaal烘箱法加速玉米油的氧化。制備好的油樣分別放在30、40、50、60 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中，每隔6 d取油樣分別測(cè)定其POV、PAV、AV。

1.3.4 油脂理化指標(biāo)的測(cè)定

POV測(cè)定采用GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測(cè)定》；PAV測(cè)定采用GB/T 24304—2009《動(dòng)植物油脂茴香胺值的測(cè)定》；AV測(cè)定采用GB 5009.229—2016《食品中酸價(jià)的測(cè)定》。

1.3.5 油脂氧化動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型建立

大量研究表明，零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程與一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可以很好地描述食品在貯藏過程中品質(zhì)的變化[25]。零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程如式（1）、（2）所示：

式中：c為t時(shí)油脂理化指標(biāo)的值/（mmol/kg）；c0為油脂理化指標(biāo)的初始值/（mmol/kg）；k為反應(yīng)速率常數(shù)；t為時(shí)間/d。

1.3.6 貨架期預(yù)測(cè)

上述動(dòng)力學(xué)方程中的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k隨食品貯藏溫度變化的關(guān)系可由Arrhenius公式表示，從而預(yù)測(cè)貨架期，如式（3）所示：

方程兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可得到Arrhenius公式的對(duì)數(shù)形式，如式（4）所示：

式中：T為絕對(duì)溫度/K；k為溫度T時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)；A為指前因子，也稱為阿倫尼烏斯常數(shù)；Ea為實(shí)驗(yàn)活化能，一般可視為與溫度無關(guān)的常數(shù)/（J/mol）；R為摩爾氣體常數(shù)/（J/mol?K）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均重復(fù)3 次測(cè)定，結(jié)果取平均值，數(shù)據(jù)采用Origin 8.5軟件進(jìn)行分析和繪制，用SPPS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 油脂純化

由于一級(jí)玉米油中含有少量的VE，以及一些可以導(dǎo)致油脂氧化酸敗的物質(zhì)，它們的存在會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此要把這些物質(zhì)去除，結(jié)果如表1所示。

表1 玉米油純化前后各指標(biāo)的變化Table 1 Changes in various indexes before and after purification of corn oil

從表1可以看出，純化前玉米油的POV、PAV和AV分別為0.91 mmol/kg、0.53和0.11 mg/g，純化后數(shù)值明顯降低；而VE純化后未檢出，說明純化效果較理想。且研究發(fā)現(xiàn)純化前后基本不會(huì)影響玉米油的脂肪酸組成。

2.2 溫度對(duì)油脂POV的影響

POV是衡量油脂酸敗程度的指標(biāo)[26]，一般來說POV越高油脂的酸敗越重[27]。油脂在敗壞的過程中，不飽和脂肪酸被氧化，形成活性很強(qiáng)的過氧化物，該值越大，表示油脂的氧化程度越嚴(yán)重，油脂越不可食用。由圖1可知，在同一溫度條件下，添加同一種抗氧化劑后玉米油的POV隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。因不飽和脂肪酸中含有大量的雙鍵，在高溫與長(zhǎng)時(shí)間接觸空氣的情況下，玉米油就會(huì)不斷發(fā)生氧化，直至雙鍵完全消失才會(huì)終止氧化。通過對(duì)比可知，隨著溫度的升高，POV也隨之增加。在油脂氧化中溫度是一個(gè)重要因素，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率也會(huì)升高，會(huì)加速油脂的氧化，從而導(dǎo)致油脂的POV不斷升高[28]。例如，在30 ℃時(shí)，添加生育酚的玉米油在經(jīng)過36 d的持續(xù)氧化后，POV從初始的0.10 mmol/kg升高到1.76 mmol/kg，而在60 ℃時(shí)，添加生育酚的玉米油同樣經(jīng)過36 d的持續(xù)氧化后，POV卻高達(dá)42.00 mmol/kg，已經(jīng)嚴(yán)重超過了國(guó)家規(guī)定一級(jí)玉米油POV的標(biāo)準(zhǔn)5.00 mmol/kg。從總體來看，未添加抗氧化劑的純化玉米油抗氧化能力最差，添加不同抗氧化劑的玉米油抗氧化能力也不同，且添加迷迭香提取物后玉米油的抗氧化能力最強(qiáng)，添加生育酚的玉米油的抗氧化能力最弱。

圖1 溫度對(duì)油脂POV的影響Fig. 1 Effect of temperature on oil POV

2.3 溫度對(duì)油脂PAV的影響

圖2 溫度對(duì)油脂PAV的影響Fig. 2 Effect of temperature on oil PAV

PAV是油脂中的次級(jí)氧化產(chǎn)物，即羰基化合物的含量[5]。PAV越大，樣品中的醛類物質(zhì)含量越高，脂肪的氧化劣變程度越嚴(yán)重[29]，說明油樣被氧化的程度越嚴(yán)重。由圖2可知，在同一溫度條件下，隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米油的PAV也隨之增大，且溫度升高變化的幅度越大。例如，在30 ℃時(shí)添加迷迭香提取物的玉米油經(jīng)過36 d的加速氧化后，PAV只有1.40，而在60 ℃時(shí)添加迷迭香提取物的玉米油，同樣經(jīng)過36 d的加速氧化，PAV已經(jīng)高達(dá)5.76。也可整體看出3 種抗氧化劑在同一溫度條件下的抗氧化能力為迷迭香提取物＞β-胡蘿卜素＞生育酚。

2.4 溫度對(duì)油脂AV的影響

圖3 溫度對(duì)油脂AV的影響Fig. 3 Effect of temperature on oil AV

AV是對(duì)化合物（例如脂肪酸）或混合物中游離羧酸基團(tuán)數(shù)量的一個(gè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[30]，是脂肪中游離脂肪酸含量的標(biāo)志，AV越小，說明油脂質(zhì)量越好。油脂在烘箱氧化過程中，受持續(xù)高溫的影響，脂肪酶活性較高，而脂肪酶的作用會(huì)使植物油脂中游離脂肪酸的含量升高，從而造成AV過高。由圖3可知，在60 ℃時(shí)，再添加過抗氧化劑后玉米油的初始AV只有0.01 mg/g，在經(jīng)過36 d的持續(xù)高溫氧化后，分別添加生育酚、β-胡蘿卜素和迷迭香提取物的玉米油的AV分別升高到0.84、0.75、0.68 mg/g，均嚴(yán)重超過了國(guó)家規(guī)定的一級(jí)玉米油的AV標(biāo)準(zhǔn)0.20 mg/g。這說明持續(xù)的高溫會(huì)加速玉米油的氧化，也可推測(cè)出3 種抗氧化劑的抗氧化能力為迷迭香提取物＞β-胡蘿卜素＞生育酚。

2.5 添加抗氧化劑后玉米油的氧化動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模型

表2 空白對(duì)照組玉米油POV的回歸方程Table 2 Regression equations for POV of corn oil in blank control group

表3 添加生育酚組玉米油POV的回歸方程Table 3 Regression equations for POV of corn oil in tocopherol group

表4 添加β-胡蘿卜素組玉米油POV的回歸方程Table 4 Regression equations for POV of corn oil in β-carotene group

表5 添加迷迭香提取物組玉米油POV的回歸方程Table 5 Regression equations for POV of corn oil in rosemary extract group

預(yù)測(cè)貨架期可以根據(jù)POV與AV來預(yù)測(cè)[31]，但AV與POV的關(guān)系為：AV高，POV一定高，但POV高，AV不一定高。用AV預(yù)測(cè)玉米油的貨架期誤差比較大，所以本實(shí)驗(yàn)用POV來預(yù)測(cè)玉米油的貨架期。為更好研究添加抗氧化劑后玉米油的氧化動(dòng)力學(xué)，分別用零級(jí)反應(yīng)方程與一級(jí)反應(yīng)方程對(duì)玉米油不同溫度條件下POV進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2～5所示。同一溫度條件下，零級(jí)反應(yīng)方程的相關(guān)系數(shù)均大于一級(jí)反應(yīng)方程的相關(guān)系數(shù)，擬合度更高，各回歸方程線性相關(guān)且相關(guān)度均顯著[32-33]。說明添加抗氧化劑后，玉米油的氧化符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

圖4 玉米油POV變化的Arrhenius曲線Fig. 4 Arrhenius curve of corn oil POV

表6 玉米油的氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型Table 6 Kinetic model for oxidation of corn oil

2.6 貨架期的預(yù)測(cè)

國(guó)標(biāo)規(guī)定一級(jí)玉米油的POV不超過5.00 mmol/kg，以POV為5.00 mmol/kg作為一級(jí)玉米油的貨架期終點(diǎn)（初始POV為0.10 mmol/kg），根據(jù)添加抗氧化劑后玉米油的氧化動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行玉米油貨架期的預(yù)測(cè)。由表6可計(jì)算出玉米油在不同溫度條件下的反應(yīng)速率常數(shù)，代入零級(jí)反應(yīng)方程，可得出玉米油添加不同抗氧化劑后的貨架期。由表7可知，添加抗氧化劑后玉米油的貨架期隨著溫度的升高而縮短。在室溫（25 ℃）條件下，添加迷迭香提取物的玉米油貨架期為27 個(gè)月，添加生育酚的玉米油貨架期有19 個(gè)月，但是未添加抗氧化劑的純化玉米油貨架期只有15 個(gè)月，說明玉米油中添加迷迭香提取能增強(qiáng)其穩(wěn)定性并延長(zhǎng)貨架期。由表7也可得出，3 種抗氧化劑的抗氧化能力為迷迭香提取物＞β-胡蘿卜素＞生育酚。

表7 不同溫度條件下玉米油的貨架期Table 7 Shelf life of corn oil at different temperatures

3 結(jié) 論

添加不同天然抗氧化劑后，玉米油的貨架期也不盡相同，且添加過抗氧化劑后玉米油的氧化遵循零級(jí)化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)速率的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系。得出添加生育酚、β-胡蘿卜素和迷迭香提取物后的動(dòng)力學(xué)模型，由此推測(cè)出添加3 種抗氧化劑后，一級(jí)玉米油在不同溫度條件下的貨架期。以迷迭香提取物為抗氧化劑添加到玉米油中，可明顯提高玉米油的貨架期。