利用近紅外光譜儀測定食用油中的過氧化值

張 萍

(咸陽職業(yè)技術(shù)學院， 陜西 咸陽 712000)

脂類是人體必需的三大營養(yǎng)物質(zhì)之一，食用油的主要成分是脂肪和少量的類脂及其它一些微量物質(zhì)，是人體脂肪的主要來源。油脂在人們生活和化工生產(chǎn)等方面都占有十分重要的地位。油脂品質(zhì)的好壞及抗氧化物的穩(wěn)定性直接影響著食品質(zhì)量和風味的好壞[1]。目前，隨著人們食品質(zhì)量要求的不斷提高，需要更先進、準確、快捷、方便、完善的方法來檢測油脂的品質(zhì)。

油脂氧化水解會產(chǎn)生醛、酮、酸等小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)大都有刺激性氣味，不僅會導致食物失去原有的風味和口感，而且將會大大降低油脂中原有的維生素和必需脂肪酸，降低食物的營養(yǎng)價值，甚至還會產(chǎn)生大量有毒的活性物質(zhì)，威脅人類身體健康[2-3]。生活中反復煎炸等不恰當?shù)牟僮?，會使食用油氧化酸敗變質(zhì)。因此，快速、準確地測定油脂的氧化程度可以更好地保證食用油的品質(zhì)和食用安全。本實驗以食用油中常見的菜籽油為基礎(chǔ)油，通過近紅外光譜技術(shù)對食用油的過氧化值進行檢測，實現(xiàn)油脂簡便、快速、準確的現(xiàn)場化檢測。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

菜籽油，益海嘉里食品營銷有限公司；葵花仁油，山東古魯花葵花仁油有限公司；花生油，萊陽魯花濃香花生油有限公司；玉米油，西安嘉里油脂工業(yè)有限公司；山茶油，江西南城縣麻姑精煉茶油廠。

通過活化硅膠柱除去油脂中活性氧等物質(zhì)獲得不含氫過氧化物的菜籽油，并用碘量法(GB/T 5538-2005/ISO 3960:2001)進行檢測。

三苯基磷(TPP>99%)，購于美國Sigma公司；三苯基氧磷(TPPO>99%)，購于美國Sigma公司；氯仿，購于天津博迪化工公司；冰乙酸，購于天津博迪化工公司；異辛烷，購于天津博迪化工公司；碘化鉀，購于天津博迪化工公司；硫代硫酸鈉，購于天津博迪化工公司。以上試劑均為分析純。

TPP貯備液為質(zhì)量分數(shù)為40%的TPP氯仿溶液；TPPO貯備液為質(zhì)量分數(shù)為40%的TPPO氯仿溶液。

1.2 實驗儀器

MPA型傅里葉變換近紅外光譜儀(德國布魯克公司)；電子分析天平(北京賽多利斯天平有限公司)；電動混勻器(深圳天南海北實業(yè)有限公司)；微電腦光波爐(中山市黃圃鎮(zhèn)文化電子廠)；QL-901混勻振蕩器 (海門市其林貝爾儀器制造有限公司)；恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)；0～200 μL微量進樣器(大龍醫(yī)療設(shè)備(上海)有限公司)；200～1 000 μL微量進樣器(大龍醫(yī)療設(shè)備(上海)有限公司)；冰箱(海信容聲(廣東)冰箱有限公司)。

1.3 光譜采集條件

用于研究的儀器是MPA型傅里葉變換近紅外光譜儀，樣品透射腔溫度保持并限制在40℃，使用8 mm外徑、容量為1 mL的透明玻璃瓶。往瓶子中裝0.7～1.0 mL的油，然后在12 000～4 000 cm-1光譜范圍內(nèi)進行掃描。所有樣品和背景光譜均在光譜分辨率為4 cm-1的條件下掃描16次記錄。將采集的光譜數(shù)據(jù)導入OMNIC 7.3和TQ Analyst 7.2軟件中進行數(shù)據(jù)分析。

1.4 制備標準樣品和驗證樣品

制備TPPO和菜籽油標樣：根據(jù)油脂過氧化值為20 mmol/kg的氫過氧化物與TPP反應(yīng)生成TPPO的量來確定TPPO質(zhì)量分數(shù)。移取50 μL TPP貯備液溶于20g基礎(chǔ)菜籽油中(PV=0 mmol/kg)，TPPO以同樣體積和方法溶于基礎(chǔ)菜籽油中，然后微波爐加熱，直至完全溶解。然后隨機混合，配制系列標準樣品。

用兩種已知過氧化值的油脂及過氧化值為0的菜籽油配制成兩種驗證樣品。兩種驗證樣品的過氧化值范圍分別是6～10 mmol/kg和0～6 mmol/kg。隨機抽取9種不同品種食用油，它們的過氧化值均未知，進行盲樣驗證[4-5]。

1.5 化學計量分析

TPP與油脂的氫過氧化物的化學反應(yīng)式如下圖1。

圖1 三磷苯基 (TPP)與氫過氧化物反應(yīng)生成三磷苯氧基(TPPO)

1 mol三磷苯基(TPP)與1 mol氫過氧化物(ROOH)反應(yīng)生成過氧化物(ROH)，用三磷苯氧基(TPPO)的量來表示。三磷苯基(TPP)的相對分子質(zhì)量為262.28，三磷苯氧基(TPPO)的相對分子質(zhì)量為278.29，用標準碘量滴定法檢測得出1 mmol TPP/kg 或0.2623 g TPP/kg油同時產(chǎn)生1 mmol TPPO/kg或0.2783 g TPPO/kg油。根據(jù)油脂中TPPO的濃度可計算相應(yīng)的過氧化值(PV)，配制成各種不同標準樣品。三磷苯基(TPP)的添加量是根據(jù)0.2623 g TPP/kg油相當于1mmol/kg過氧化物進行計算的。依據(jù)反應(yīng)過程中TPPO的PV與TPP的PV之和保持不變(反應(yīng)前加入待測樣品中TPP的PV值，以TPPO的PV值表示待測樣品的過氧化值，與TPP的PV值無關(guān))，因此制備過程中無需精確稱取TPP的量。

1.6 試驗方法

1.6.1 標準校正和模型建立 稱取不含過氧化物的菜籽油2.000 g，分別移取50 μL TPP儲備液和50 μL TPPO儲備液加入油樣中，形成基礎(chǔ)油，其中包含20PV當量的TPP或TPPO[6]。標準校正過程中加入TPP和TPPO的比例是隨機的，然后通過重量分析法將過氧化值(PV)為0的菜籽油和兩種基礎(chǔ)油混合(表1)。

圖2是用偏最小二乘法標準校準的TPP和TPPO的相對濃度。TPP和TPPO的相對濃度用過氧化值(PV)當量表示，根據(jù)TPP和氫過氧化物反應(yīng)生成TPPO的化學計量學(1 PV的TPP=0.1311 gTPP/kg油，1 PV的TPPO=0.1391 gTPP/kg 油)。二維空間中TPP/TPPO濃度組合通過虛線下面的區(qū)域表示。

表1 對隨機混合的TPP和TPPO油利用偏最小二乘法校準建立的過氧化值模型

注：PV為過氧化值；根據(jù)過氧化值當量將大量的三苯基磷(TPP)(分子量為262.28)和三苯基磷氧(TPPO)(分子量為278.29)添加到過氧化值(PV)為0的菜籽油中，依據(jù)化學計量反應(yīng)TPP和氫過氧化物反應(yīng)生成TPPO。1 PV的油是由標準碘量滴定法使ROOH與0.5 mmol TPP/kg油反應(yīng)，生成0.5 mmolTPPO/kg油。因此，1 PV的TPP=0.1311 gTPP/kg油，1 PV的TPPO= 0.1391 gTPP/kg 油。

圖2 用偏最小二乘法標準校準的TPP和TPPO的相對濃度

1.6.2 樣品分析方法 稱取2.0 g油樣，加入50 μL TPP貯備液，混合均勻，振蕩使其充分反應(yīng)，然后將大約0.7 mL的樣品轉(zhuǎn)移至具有8 mm外徑的透明玻璃瓶中。在原油中添加一定數(shù)量的TPP使其與氫過氧化物充分反應(yīng)生成TPPO使過氧化值達到20 PV[7]。然后掃描樣品，并采用偏最小二乘法標準校準TPP/TPPO預(yù)測過氧化值(PV)。已被分析的驗證樣品通過碘量法測量過氧化值(PV)。

1.6.3 過氧化值的測定 利用菜籽油(PV=0 mmol/kg)中溶有不同數(shù)量的TPPO配制成標樣，建立過氧化值的測定模型，其過氧化值范圍為0～20 mmol/kg。通過模型預(yù)測獲得驗證樣品的PV，采用碘量法進行化學分析[8-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 近紅外光譜分析

分析條件：溫度：40 ℃；分辨率：4 cm-1；掃描次數(shù)：18次。

采集到的油樣品近紅外光譜圖如圖3所示。

圖3 菜籽油樣品的近紅外光譜圖

由圖3(a)可以看出，含TPP、TPPO與TPP和TPPO的菜籽油均在8265 cm-1、7074 cm-1、5 795～5 801 cm-1、5 678 cm-1、4 663 cm-1處有明顯的吸收變化。這是由于OH和C=O在5 290 cm-1伸縮振動合頻吸收；在4 695 cm-1附近的吸收峰為C=O伸縮振動合頻吸收。

我們將5 678 cm-1～4 663 cm-1波段范圍作為食用油過氧化物分析波段，是因為油脂氧化產(chǎn)生的氫過氧化物和小分子的醛、酮、酸等化合物與C=O和OH等官能團的關(guān)系密切。

圖3(b)為油樣在波數(shù)4 950 cm-1～4 400 cm-1范圍內(nèi)的光譜圖，在4 695 cm-1～4 550 cm-1范圍內(nèi)吸收最明顯，由于TPP與氫過氧化物在食用油中反應(yīng)生成TPPO，兩個組分的光譜重疊。在這種情況下定量需要更復雜的化學計量方法，可采用偏最小二乘法校準。

2.2 偏最小二乘法校準(PLS)

由表1可見，偏最小二乘法采用標準矩陣校準。用近紅外光譜分析測定過氧化值需要的一定數(shù)量的TPPO，是通過TPP與氫過氧化物反應(yīng)生成的，且有剩余的未反應(yīng)的TPP存在，因此必須用標準校準TPP和TPPO。在標準中TPP和TPPO的濃度用過氧化值(PV)當量表示，并用圖2來表明TPP和TPPO相互之間的關(guān)聯(lián)。這是按照偏最小二乘法標準校準妨礙樣品分析的隨機變化的潛在的干擾組分?；赥PPO定量反應(yīng)光譜范圍為4 695～4 550 cm-1，用偏最小二乘法標準中的五因素分析并預(yù)測其過氧化值，圖4顯示一系列預(yù)測的過氧化值(PV)與TPPO的濃度，由偏最小二乘法的交叉驗證獲得。

圖4 用偏最小二乘法交叉驗證獲得預(yù)測過氧化值和實測過氧化值的關(guān)系

由圖4可見，傅里葉變換近紅外光譜分析預(yù)測的過氧化值和實測值線性相關(guān)性顯著。建立的模型方程為y=1.0129x-0.071(R2=0.9955)，說明用偏最小二乘法標準建立的校準模型效果較好。

2.3 模型驗證

配制2個系列油樣來驗證PV模型。通過重量法分析一系列樣品，用過氧化值為0的菜籽油稀釋已氧化的菜籽油進行驗證。取兩種氧化程度不同的食用油，葵花仁油和山茶油，通過重量分析法用過氧化值為0的菜籽油進行稀釋，配制不同梯度的過氧化值的油脂(于修燭等，2011)，再加一定量過量的TPP貯備液，震蕩，使其反應(yīng)完全，然后掃描樣品。一個系列油脂樣品的過氧化值介于6～12 mmol/kg之間；另一個系列油脂樣品的過氧化值介于0～6 mmol/kg之間。用模型預(yù)測兩個系列樣品的過氧化值，模型驗證是通過繪制近紅外預(yù)測的過氧化值和實測值之間的關(guān)系圖，分析其相關(guān)性大小，結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 傅里葉近紅外光譜分析葵花仁油預(yù)測的過氧化值和實測值的關(guān)系

圖6 傅里葉近紅外光譜分析山茶油預(yù)測的過氧化值和實測值的關(guān)系

由圖5、6可知，傅里葉變換近紅外光譜分析預(yù)測的過氧化值和實測值有較好的線性關(guān)系。相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9987和0.9813，相關(guān)性顯著，表明檢驗樣品的預(yù)測得到較好的驗證，除個別點偏離較大外，其余預(yù)測效果較好，這說明用偏最小二乘法標準建立的食用油的過氧化值的近紅外光譜模型是可行的，能夠較好地測定食用油中過氧化值的含量。

2.4 盲樣驗證

在9種待測油脂樣品中選隨機5種樣品，分別加一定量過量的TPP貯備液，震蕩，使其反應(yīng)完全，然后用近紅外光譜儀掃描樣品，測定過氧化值。同時用碘量法測定這5種油脂的過氧化值，其結(jié)果見圖7。

圖7 近紅外測定結(jié)果與碘量法測定結(jié)果的關(guān)系

由圖7可以看出，近紅外光譜法測定的過氧化值結(jié)果與碘量法測定結(jié)果線性相關(guān)，且相關(guān)性顯著。說明近紅外光譜預(yù)測的過氧化值較準確，且受油脂種類影響不顯著，幾乎無影響。因此，近紅外光譜分析可替代碘量法測定油脂的過氧化值，該方法不僅可實現(xiàn)自動化檢測，而且可避免使用大量的有毒有機溶劑而污染環(huán)境。

3 結(jié) 論

近紅外光譜分析法檢測食用油中的過氧化值是根據(jù)氫過氧化物與三苯磷(TPP)定量作用生成三苯氧化磷(TPPO)，根據(jù)TPPO紅外光譜數(shù)據(jù)測定過氧化值。在PV為0的油樣中隨機混合TPP和TPPO，近紅外光譜掃描，在波數(shù)范圍4 695～4550 cm-1內(nèi)，用偏最小二乘法標準建立校正模型，其線性方程為y=1.0129x-0.071，R2=0.9955，預(yù)測的過氧化值與實測值相近，相關(guān)性顯著，說明用偏最小二乘法標準建立的校準模型效果良好[9-10]。用已氧化的油按重量稀釋PV=0的兩個系列油樣進行模型驗證，線性方程的相關(guān)系數(shù)R2分別為為0.9987和0.9813，相關(guān)性顯著，說明用偏最小二乘法標準建立的食用油的過氧化值的近紅外光譜模型是可行的，能夠較好地測定食用油中過氧化值的含量。用近紅外光譜模型預(yù)測檢測的5種未知樣品的過氧化值，經(jīng)檢測均與碘量法測定的過氧化值線性相關(guān)，R2=0.9828，說明油脂種類對近紅外光譜預(yù)測結(jié)果幾乎無影響。

本試驗建立了近紅外光譜分析法檢測食用油過氧化值的校正模型，其預(yù)測值與實測值具有高度相關(guān)性，說明本實驗所建立的模型可以用于油脂過氧化值的測定，而且該方法具有分析速度快、避免了人為操作因素誤差以及試劑污染等因素干擾的優(yōu)點。

該方法操作起來也比較簡單,只需要將稱量的樣品裝進透明玻璃瓶中,加入一定量的過量的TPP，混合均勻,用傅里葉近紅外光譜儀掃描樣品光譜。稱量樣品重量方法的使用可以使光譜有較好的準確性?，F(xiàn)代近紅外光譜系統(tǒng)，通過編程，使用自動化的方式建立用戶界面并進行校準，可以通過直接掃描樣品得出過氧化值，且預(yù)測的過氧化值準確性高。